Το υδρογόνο (H), το ελαφρύτερο και πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Η παραγωγή υδρογόνου έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο τροφοδοτούμε τον κόσμο μας.
Η παγκόσμια αγορά υδρογόνου είναι ακόμη στα σπάργανα, αλλά τρέχει με γρήγορους ρυθμούς, με τους αναλυτές να προβλέπουν ότι τα επόμενα χρόνια θα αξίζει περίπου 200 δις $. Οι κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο, ολοένα και περισσότερο, ελπίζουν και θεσμοθετούν σε μεγάλο βαθμό με βάση την αγορά υδρογόνου. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις εμφανίζει πολλούς φιλόδοξους στόχους για την υιοθέτηση του υδρογόνου, τόσο για την κίνηση των οχημάτων με χρήση κυψελών καυσίμου και, γενικότερα, την ανάπτυξη των υποδομών που είναι απαραίτητες για την αγορά υδρογόνου.
Ένας από τους κυριότερους τομείς που πιέζουν για την μεταστροφή της οικονομίας ενέργειας προς την κατεύθυνση της αγοράς υδρογόνου είναι ο τομέας των μεταφορών, ο οποίος ευθύνεται για ένα σημαντικό μέρος των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.
Τα οχήματα κυψελών καυσίμου (Η) προσφέρουν μια εναλλακτική λύση στα παραδοσιακά βενζινοκίνητα οχήματα, με τα πρόσθετα πλεονεκτήματα των μηδενικών εκπομπών ρύπων και της πιο αθόρυβης λειτουργίας. Ενώ, το κόστος των οχημάτων κυψελών καυσίμου υδρογόνου συνεχίζει να είναι υψηλότερο από τα παραδοσιακά αυτοκίνητα, αυτό ενδεχομένως να μειωθεί καθώς βελτιώνεται η τεχνολογία και κλιμακώνεται η παραγωγή.
Μια άλλη σημαντική χρήση του υδρογόνου είναι η αποθήκευση ενέργειας. Επειδή, η παραγωγή (Η) μπορεί να χρησιμοποιήσει Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια, έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει την περίσσεια ενέργειας, την οποία παράγει σε περιόδους χαμηλής ζήτησης και την απελευθερώνει σε περιόδους υψηλής ζήτησης. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην εξομάλυνση της μεταβλητότητας των ΑΠΕ και να τις καταστήσει πιο αξιόπιστες.
Η ζήτηση για υδρογόνο καθοδηγείται επίσης από τη βιομηχανία, με πολλές εταιρείες να διερευνούν τη χρήση του (Η) στις διαδικασίες παραγωγής τους. Το υδρογόνο είναι καθαρό καύσιμο για βιομηχανικές διεργασίες. Όπως, η παραγωγή χάλυβα και τσιμέντου, και ως πρώτη ύλη για την παραγωγή χημικών και λιπασμάτων. Παρά τα πιθανά οφέλη του υδρογόνου, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού καταστεί κύρια πηγή καυσίμου. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι το κόστος παραγωγής και μεταφοράς (Η).
Ενώ, το κόστος παραγωγής (Η) έχει πτωτική πορεία, όμως είναι ακόμα υψηλότερο από αυτό των ορυκτών καυσίμων και η υποδομή για τη μεταφορά και αποθήκευση υδρογόνου είναι ακόμη στα σπάργανα ανάπτυξης. Υπάρχουν επίσης ανησυχίες για την ασφάλεια σχετικές με την αποθήκευση και τη μεταφορά υδρογόνου. Το υδρογόνο είναι πολύ εύφλεκτο και απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό και μέτρα ασφαλείας για να διασφαλιστεί ο ασφαλής χειρισμός του.
Εν κατακλείδι, η αγορά υδρογόνου είναι ένας ταχέως αναπτυσσόμενος και συναρπαστικός τομέας καινοτομίας και επενδύσεων. Ενώ υπάρχουν ακόμη προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. Τα πιθανά οφέλη του υδρογόνου ως καθαρής, ευέλικτης και ανανεώσιμης πηγής καυσίμου το καθιστούν μια πολλά υποσχόμενη λύση για την αντιμετώπιση των προκλήσεων της κλιματικής αλλαγής και τη μετάβαση σε ένα πιο βιώσιμο ενεργειακό μέλλον.
Τεχνολογία στην αγορά υδρογόνου (Η)
Η αγορά υδρογόνου έχει ραγδαία εξέλιξη, η οποία είναι απόρροια από τις εξελίξεις της τεχνολογίας που καθιστούν την παραγωγή, την αποθήκευση και τη μεταφορά υδρογόνου πιο αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική. Ωστόσο, μερικές από τις βασικές διαδικασίες που οδηγούν την οικονομία στην αγορά υδρογόνου. Η διαδικασία παραγωγής γίνεται με διάφορες μεθόδους, από τις οποίες οι κυριότερες είναι η αναμόρφωση του Φυσικού Αερίου και είναι γνωστή ως θερμική διεργασία και η ηλεκτρόλυση. Επίσης, νεότεροι τρόποι είναι η μέθοδος της ηλιακής και βιολογικής διεργασίας.
Σήμερα, το 95% του παραγόμενου Υδρογόνου προέρχεται με τη μέθοδο της θερμικής διεργασίας, όπου με την χρήση υψηλής θερμοκρασίας. Εκεί, ο ατμός αντιδρά με ένα καύσιμο υδρογονάνθρακα για την παραγωγή (H), είτε ορυκτού καυσίμου είτε βιομάζας. Μεταξύ των πιο συχνών καυσίμων είναι το Φυσικό Αέριο, του ντίζελ, του υγραερίου και από την άλλη πλευρά των αντίστοιχων παραγόμενων καυσίμων από τη βιομάζα (energy.gov, 2023). Ωστόσο, οι πηγές υδρογόνου παράγουν επίσης εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Οι τεχνολογίες δέσμευσης και χρήσης άνθρακα (CCU) συλλαμβάνουν και χρησιμοποιούν αυτές τις εκπομπές CO2 για την παραγωγή υδρογόνου. Με αποτέλεσμα την καθαρή μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (chatGPT, 2023; energy.gov, 2023).
Η διαδικασία ηλεκτρόλυσης λαμβάνει χώρα σε έναν ηλεκτρολύτη, ο οποίος λειτουργεί σαν κυψέλη καυσίμου που λειτουργεί αντίστροφα (energy, 2023). Η ηλεκτρόλυση είναι η διαδικασία διαχωρισμού του νερού (H2O) σε υδρογόνο (H2) και οξυγόνο (O) χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Η πρόοδος στην τεχνολογία της ηλεκτρόλυσης καθιστά δυνατή την παραγωγή υδρογόνου πιο αποτελεσματικά και με χαμηλότερο κόστος. Ένα παράδειγμα είναι η ανάπτυξη της ηλεκτρόλυσης με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM). Όπου χρησιμοποιεί μια λεπτή μεμβράνη για τον διαχωρισμό των αερίων υδρογόνου και οξυγόνου. Με αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας (chatGPT, 2023).
Τεχνολογία Μεμβράνης Ανταλλαγής Πρωτονίων
Στο κέντρο μιας κυψέλης ηλεκτρόλυσης με Μεμβράνη Ανταλλαγής Πρωτονίων (ΜΑΠ – PEM) είναι τοποθετημένη μια στερεή μεμβράνη πολυμερούς, η οποία είναι επικαλυμμένη με στρώματα ηλεκτροδίων. Με την εφαρμοζόμενη τάση, το νερό οξειδώνεται στην άνοδο για να παραχθούν ιόντα υδρογόνου, ηλεκτρόνια και οξυγόνο. Τα ιόντα υδρογόνου παρουσιάζουν κίνηση μέσω της αγώγιμης πολυμερικής μεμβράνης προς την κάθοδο, όπου σχηματίζουν αέριο υδρογόνο (Η2) (Matthey.com, 2023).
Τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας (PGMs) περιλαμβάνουν 6 στοιχεία, τα οποία είναι η πλατίνα, το παλλάδιο, το ρόδιο, το ρουθήνιο, το ιρίδιο και το όσμιο. Αυτά τα μέταλλα έχουν υψηλά σημεία τήξης, υψηλή αντοχή στη θερμότητα, υψηλές αντοχές στη διάβρωση και μοναδικές καταλυτικές ιδιότητες (Katsuhiro Nose, Toru H. Okabe, in, 2014). Τα PGMs είναι ιδανικοί καταλύτες και για τις μισές αντιδράσεις στην ηλεκτρόλυση τύπου ΜΑΠ. Μέσω του μοναδικού συνδυασμού καταλυτικής δραστηριότητας και χημικής σταθερότητας, βελτιώνουν την ενεργειακή απόδοση, την παραγωγικότητα και μεγιστοποιούν τη διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρολύτη (Matthey.com, 2023).
Οι ηλεκτροκαταλύτες τύπου PGMs παρουσιάζουν εξαιρετική, σταθερή απόδοση κατά τη διάρκεια ζωής του στοιχείου. Είναι βελτιστοποιημένα ώστε να αντέχουν στο όξινο περιβάλλον και να προσφέρουν την απαιτούμενη υψηλή απόδοση, καθιστώντας τα αναντικατάστατα για αυτήν την εφαρμογή. Και με την κατάλληλη εμπειρία και την ανάλογη τεχνογνωσία στην ηλεκτροχημεία και την κατάλυση, η ανάπτυξη υλικών που ταιριάζουν στις ανάγκες της μεθόδου ηλεκτρόλυσης. επικοινωνήστε με τους ειδικούς μας για να συζητήσουμε τις απαιτήσεις σας (Matthey.com, 2023).
Η ηλιακή διεργασία έχει διάφορες μεθόδους, οι οποίες είναι με χρήση των φωτοβιολογικών, φωτοηλεκτροχημικών, και ηλιακών θερμοχημικών διεργασιών. Περιεκτικά, οι φωτοβιολογικές διεργασίες χρησιμοποιούν τη φυσική φωτοσυνθετική δραστηριότητα των βακτηρίων και των πράσινων φυκών για την παραγωγή υδρογόνου. Οι φωτοηλεκτροχημικές διεργασίες παράγουν υδρογόνο με τη χρήση ειδικών ημιαγωγών που διαχωρίζουν το νερό στα δύο βασικά του στοιχεία. Και τέλος, η ηλιακή θερμοχημική παραγωγή υδρογόνου συγκεντρώνει ηλιακή ενέργεια για τη διάσπαση του νερού με τη χρήση οξειδίων μετάλλων (energy.gov, 2023).
Κυψέλες υδρογόνου καυσίμου
Μόλις γίνει η παραγωγή του, το υδρογόνο ως μοριακό συστατικό, για να μετατραπεί σε ενέργεια πρέπει να αντιδράσει με το οξυγόνο παράγοντας νερό. Για αυτή την αντίδραση υπάρχουν κυρίως δυο μέθοδοι με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης και η διαδικασία των κυψελών καυσίμου (energy.gov, 2023). Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν (Η) και (Ο) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με το νερό ως το μόνο υποπροϊόν. Η τεχνολογία κυψελών καυσίμου χρησιμοποιείται σε έναν αυξανόμενο αριθμό εφαρμογών, όπως αυτοκίνητα, λεωφορεία, φορτηγά, ακόμη και αεροπλάνα. Η πρόοδος στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου υδρογόνου τα κάνει πιο καθαρά, ανθεκτικά και οικονομικά αποδοτικά, καθιστώντας τα μια ολοένα πιο ελκυστική εναλλακτική λύση σε σχέση με τους παραδοσιακούς κινητήρες εσωτερικής καύσης (chatGPT, 2023; energy.gov, 2023).
Το υδρογόνο είναι ένα εξαιρετικά εύφλεκτο αέριο, το οποίο απαιτεί εξειδικευμένη υποδομή αποθήκευσης και μεταφοράς. Η πρόοδος στην τεχνολογία αποθήκευσης υδρογόνου καθιστά δυνατή την αποθήκευση υδρογόνου. Όπου είναι πιο ασφαλή και αποτελεσματικά υλικά, νέας τεχνολογίας. όπως τα υδρίδια μετάλλων και νανοσωλήνες άνθρακα. Όπου ανάλογες έρευνες εξετάζουν τη δυνατότητά τους να αποθηκεύουν υδρογόνο σε υψηλές πυκνότητες. Η τεχνολογία power-to-gas περιλαμβάνει τη χρήση περίσσειας ανανεώσιμης ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου, το οποίο είναι δυνατόν να γίνει έγχυση στο δίκτυο φυσικού αερίου ή να μετατραπεί σε καύσιμα μεταφοράς. Η ηλεκτρική ενέργεια προς το αέριο μπορεί να βοηθήσει στην εξισορρόπηση της μεταβλητότητας των ΑΠΕ και να παρέχει έναν τρόπο αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας για μελλοντική χρήση. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η αγορά υδρογόνου είναι η έλλειψη υποδομών για την παραγωγή, αποθήκευση και μεταφορά υδρογόνου. Οι πρόοδοι στην τεχνολογία υποδομής, όπως η ανάπτυξη σταθμών και αγωγών ανεφοδιασμού Η, διευκολύνουν την οικοδόμηση μιας οικονομίας υδρογόνου και υποστηρίζουν την αυξανόμενη ζήτηση για οχήματα κυψελών καυσίμου Η.
Συμπερασματικά, η τεχνολογία διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην προώθηση της ανάπτυξης και της εξέλιξης της αγοράς υδρογόνου. Η πρόοδος στην ηλεκτρόλυση, τις κυψέλες καυσίμου, τη δέσμευση και χρήση άνθρακα, την αποθήκευση υδρογόνου, τη μεταφορά ενέργειας σε αέριο και τις υποδομές καθιστούν δυνατή την παραγωγή, αποθήκευση και μεταφορά υδρογόνου πιο αποτελεσματικά και οικονομικά, ανοίγοντας το δρόμο για ένα καθαρό, βιώσιμο και το μέλλον με υδρογόνο.
Σχετικά άρθρα:
Το πρώτο τρένο υδρογόνου στον κόσμο ξεκινά στη Γερμανία
Βιβλιογραφία
energy.gov. “Hydrogen and Fuel Cell Technology Basics.” Department of Energy, 15 March 2023, https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technology-basics. Accessed 19 March 2023.
Katsuhiro Nose, Toru H. Okabe, in. “Platinum Group Metals Production.” Treatise on Process Metallurgy, Elsevier, 2014, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780080969886000183. Accessed 16 3 2023.
“PEM electrolysis.” Johnson Matthey, 2023, https://matthey.com/products-and-markets/pgms-and-circularity/pgm-chemicals-and-catalysts/pem-electrolysis. Accessed 19 March 2023.
