Συνεχίζουμε την συνεργασία ενημέρωσης με τους σπουδαστές των ΙΕΚ Ωραιοκάστρου Θεσσαλονίκης, της ειδικότητας τεχνικών μηχανικών θερμικών εγκαταστάσεων και τεχνολογίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, και του καθηγητή τους κ. Σάκη Αλεπλιώτη.
Ιστορία και ανακάλυψητου υδρογόνου
Το 1671, ο Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle) το ανακάλυψε εκ νέου και περιέγραψε την αντίδραση ρινισμάτων σιδήρου και διαλυμάτων οξέων, που κατέληγαν στην παραγωγή αέριου υδρογόνου. Το υδρογόνο συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα H (Hydrogen).
Το 1766, ο Χένρι Κάβεντις (Henry Cavendish) ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το παραγόμενο υδρογόνο ως ξεχωριστό χημικό στοιχείο. Συνήθως πιστώνεται την ανακάλυψη του υδρογόνου ως χημικό στοιχείο.
Το 1783, ο Αντουάν Λαβουαζιέ ονόμασε το νέο χημικό στοιχείο «υδρογόνο» (από τις ελληνικές λέξεις «ὕδωρ» και «γενῆς»), όταν αυτός και ο Λαπλάς ανακάλυψαν εκ νέου το εύρημα του Κάβεντις, ότι δηλαδή το υδρογόνο καίγεται σχηματίζοντας νερό.
Το υδρογόνο είναι το πρώτο στοιχείο που σχηματίστηκε μετά το «Big Bang» και αποτελεί το πρώτο χημικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα. Το υδρογόνο είναι αέριο, άχρωμο και άοσμο και είναι το πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν. Το υδρογόνο μπορεί να χαρακτηριστεί ως το απόλυτο καύσιμο καθώς δεν παράγει βλαβερά καυσαέρια και δεν έχει καθόλου αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον.
Περιγραφή: Είναι το τρίτο στοιχείο στη Γη σε αφθονία, παρόλο που είναι το ελαφρύτερο, και βρίσκεται κυρίως υπό τη μορφή του οξειδίου του, η οποία δεν είναι άλλη από το νερό. Επί πλέον βρίσκεται σε αφθονία στους υδρογονάνθρακες που έχουν τον γενικό τύπο CxHy. Συναντάται στα φυτά και γενικά στη βιομάζα.
Ιδιότητες: Ως καθαρό στοιχείο βρίσκεται σε πολύ μικρές ποσότητες στην ατμόσφαιρα καθώς λόγω της ελαφρότητάς του, έχει την τάση να ανεβαίνει γρήγορα ψηλά και να διαφεύγει από την βαρύτητα της γης προς το διάστημα. Ως αέριο έχει πυκνότητα 0,0899 g/l (14.4 φορές μικρότερη από την πυκνότητα του αέρα), και βράζει στους –257.77°.
Ενέργεια: Με αυτές τις ιδιότητες, το υδρογόνο έχει την υψηλότερη αναλογία ενέργειας προς βάρος από όλα τα καύσιμα. 1kg υδρογόνου κατά την καύση του παράγει 119.972 kJ. Ένα (1) kg υδρογόνου περιέχει την ίδια ποσότητα ενέργειας με 2.1kg φυσικού αερίου ή 2.8 kg βενζίνης.
Το καύσιμο: Κατά την καύση του υδρογόνου παράγεται μόνο νερό και καθόλου ρύποι. Έτσι μπορεί να χαρακτηριστεί ως το πλέον καθαρό και φιλικό προς το περιβάλλον καύσιμο. Ο 21ος αιώνας, εν αντιθέσει με τον 20ο αιώνα, που εισήχθησαν τα ορυκτά καύσιμα, θα είναι ο αιώνας του υδρογόνου, ενός μηδενικής εκπομπής ρύπων καυσίμου και ο αιώνας της σταδιακής εγκατάλειψης των ορυκτών καυσίμων και των προβλημάτων που συσσώρευσαν στο περιβάλλον μας.
Πλεονεκτήματα υδρογόνου έναντι συμβατικών καυσίμων
Έχει τo υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό συμβατό καύσιμο, 119.972 kJ/kg, περίπου τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό της συμβατικής βενζίνης. Κάνει «καθαρή» καύση. Όταν καίγεται με οξυγόνο παράγει μόνο νερό και θερμότητα. Όταν καίγεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα, παράγονται μερικά οξείδια του αζωτου, σε αμελητέο όμως βαθμό
Μειονεκτήματα υδρογόνου συγκριτικά με τα συμβατικά καύσιμα
Δυσκολία στην αποθήκευση καθώς καταλαμβάνει μεγάλο όγκο και η υγροποίηση του απαιτεί πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Λόγω της υψηλής ευλεκτικότητας τείνει να γίνει ιδιαίτερα επικίνδυνο σε περιπτώσεις ελλειπούς τήρησης των μέτρων ασφαλείας.
Φυσική παρουσία
Το υδρογόνο, ως ατομικό υδρογόνο, είναι το πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο σύμπαν, του οποίου αποτελεί πάνω από το 75% της μάζας του και πάνω από το 90% του συνολικού αριθμού των ατόμων.
Κάτω από τις συνηθισμένες στη Γη συνθήκες, το στοιχειακό υδρογόνο βρίσκεται στη μορφή του διατομικού αερίου διυδρογόνου (H2). Ωστόσο, το υδρογόνο είναι πολύ σπάνιο στην ατμόσφαιρα της Γης (με συγκέντρωση περίπου 1 ppm κατ’όγκο) επειδή το μικρό του βάρος επιτρέπει τη διαφυγή του από τη γήινη βαρύτητα προς το διάστημα πιο εύκολα σε σύγκριση με τα βαρύτερα αέρια. Το υδρογόνο παράγεται από κάποια βακτήρια και είναι φυσικό συστατικό των αερίων, όπως το μεθάνιο, που είναι μια πηγή υδρογόνου με αυξάνουσα σημαντικότητα.
Παραγωγή
• Εργαστηριακή
• Βιομηχανική
• Θερμοχημική
• Αναερόβια διάβρωση
• Σχηματισμός υδρογόνου σε μετασχηματιστές ισχύος
Φάσεις υδρογόνου
1. Συμπιεσμένο υδρογόνο
2. Υγρό υδρογόνο
3. Ημιστερεό υδρογόνο
4. Στερεό υδρογόνο
5. Μεταλλικό υδρογόνο
Αποθήκευση
Το υδρογόνο ως αέριο καύσιμο πάσχει απο την επικινδυνότητα. Αυτό σημαίνει οτι πρέπει να τηρούνται κάποιοι κανόνες κατα την παραγωγή, αποθήκευση, μεταφορά και κατανάλωση.
Οι τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου ειναι διαδεδομένοι:
1. Δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου υπο πίεση >200bar
2. Δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου μεταλλικών υδριδίων.
Ανώτερη και Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη
Η διαφορά ενθαλπίας κατά την αντίδραση καύσης του υδρογόνου ονομάζεται επίσης και ανώτερη θερμογόνος του υδρογόνου. Είναι το ποσό θερμότητας που παράγεται από την τέλεια καύση 1 mol υδρογόνου. Η μέτρηση θα πρέπει να δείξει ότι εκλύθηκε θερμότητα 286 kJ/mol, αυτή είναι και η ανώτερη θερμογόνος του υδρογόνου.
Παρόλα αυτά αν ακολουθήσουμε την ίδια διαδικασία, μόνο που τώρα προσθέσουμε περισσότερο οξυγόνο, το αποτέλεσμα θα είναι ένα αέριο μίγμα από ατμό και οξυγόνο (και άζωτο αν το μέσο οξείδωσης ήταν ατμοσφαιρικός αέρας). Η μέτρηση θα δείξει ότι εκλύθηκε λιγότερη θερμότητα ίση με 241 kJ/mol. Αυτή είναι η κατώτερη θερμογόνος του υδρογόνου.
Δείκτης Wobbe
Σε αυτό το άρθρο θα μας απασχολήσει η εναλλαξιμότητα των καυσίμων, που είναι κάτι που στην εποχή που διανύουμε μας απασχολεί λίγο πολύ όλους μας.
Οπότε αδιαμφισβήτητα θα ασχοληθούμε με τα στοιχεία που μας ορίζουν την εναλλαξιμότητα των καυσίμων μέσα σε ένα καυστήρα,θα μιλήσουμε για τον δείκτη Wobbe.
Ο ρυθμός παροχής ενέργειας σε έναν καυστήρα (ισχύς εξόδου) εξαρτάται από δύο παράγοντες: Ο ένας είναι ο ρυθμός ροής όγκου καυσίμου. Ο δεύτερος είναι η θερμογόνος δύναμη(ΘΔ) του συγκεκριμένου καυσίμου.
Σε αέρια καύσιμα που τροφοδοτούνται σε χαμηλές πιέσεις,ο ρυθμός ροής του όγκου είναι ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας της πίεσης(√P) και αντιστρόφως ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας της σχετικής πυκνότητας (√d). Q=ΘΔ/√d * √P (Q=Ο ρυθμός παροχής ενέργειας ισχύς εξόδου,η θερμική φόρτιση). Ο δείκτης Wobbe ενός καυσίμου είναι ο ανώτερος ή ο κατώτερος,ανάλογα με την ΘΔ, ανώτερη ή κατώτερη του καυσίμου: W = ΘΔ/√d
Μονάδες μέτρησης KWh/mᶟ
Ο διευρυμένος δείκτης Wobbe μας χρησιμεύει στο θέμα της εναλλαξιμότητας των καυσίμων και καύσιμα με διαφορετική σύσταση αλλά, με τον ίδιο δείκτη Wobbe αποδίδουν με την ίδια πίεση ροής (στον καυστήρα) κατά προσέγγιση την ίδια θερμική φόρτιση: W*√P
Για να κρατηθεί η ίδια ισχύς εξόδου σε μια συσκευή αερίου θα πρέπει να ισχύει: W1√P1=W2√P2.
Κάλυψη από την βιομηχανία για την καύση υδρογόνου ως κύρια θέρμανση
Πολλές εταιρείες έχουν προετοιμαστεί ήδη για αυτή την σύγχρονη αλλαγή και κάνουν τα πρώτα τους βήματα στην αγορά ώστε να προϊδεαστούν οι καταναλωτές. Σύμφωνα με τις έμπιστες ιστοσελίδες κάποιων εταιρειών παραγωγής λεβητών πρόκειται για εναλλαξιμότητα καύσης φυσικού αερίου μαζί με μείγμα υδρογόνου εώς και 20%. Καθε εταιρεία έχει εξοπλίσει την νέα γκάμα των λεβητών συμπύκνωσής της, το 2023 με αυτή την νέα δυνατότητα όπως για παράδειγμα η Ariston, Riello, Buderus, Viessmann κ.α.
Σας παραθέτουμε ένα σχετικό απόσπασμα ενός άρθρου κατασκευάστριας εταιρείας λεβήτων:
«Ξεκινώντας τον Ιούλιο του 2022, οι νεοι λέβητες 20% έτοιμοι για υδρογόνο αντιπροσωπεύουν ένα πρώτο σημαντικό βήμα στη συνεχιζόμενη δέσμευση μας για υδρογόνο για θέρμανση, υποστηρίζοντας την πολυτεχνολογική και πολυδιανυσματική μας προσέγγιση».
Ο ρόλος του υδρογόνου στην ενεργειακή μετάβαση
Ο κόσμος βρίσκεται εν μέσω μιας σημαντικής περιβαλλοντικής κρίσης και κρίσης ενεργειακής ασφάλειας, η οποία καθιστά επείγουσα την ανάγκη εξεύρεσης βιώσιμων και επεκτάσιμων πηγών ενέργειας. Ως μία από τις κορυφαίες επιλογές για την απαλλαγή της οικονομίας μας από τις εκπομπές άνθρακα, το υδρογόνο μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση ποικίλων κρίσιμων ενεργειακών προκλήσεων. Όταν το υδρογόνο λαμβάνεται από ανανεώσιμες πηγές, το λεγόμενο πράσινο υδρογόνο, η διαδικασία καύσης είναι κλιματικά ουδέτερη και έχει μηδενικές εκπομπές CO2. Ως εκ τούτου, το υδρογόνο αποτελεί βασικό καταλύτη για την απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές σε πολλούς τομείς της οικονομίας, όπου οι σημαντικές μειώσεις των εκπομπών αποδεικνύονται δύσκολες, συμπεριλαμβανομένων των κτιρίων.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το καθαρό υδρογόνο κερδίζει απαράμιλλη πολιτική και εταιρική ώθηση και γίνεται όλο και περισσότερο κοινό θέμα συζήτησης στις κύριες συνομιλίες για την ενέργεια. Τα επόμενα χρόνια, περισσότερα από 350 έργα υδρογόνου μεγάλης κλίμακας θα αναπτυχθούν σε παγκόσμιο επίπεδο, λαμβάνοντας 500 δισεκατομμύρια δολάρια σε δημόσια και ιδιωτική χρηματοδότηση έως το 2031.
