Παραγωγή υδρογόνου ως εναλλακτικού καυσίμου από ΑΠΕ και χρήση του ως εναλλακτική πηγή ενέργειας.

Abstract

Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Παρά την απλότητα και την αφθονία του, το υδρογόνο δεν υπάρχει φυσικά ως αέριο στη Γη - είναι πάντα σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία.Στον κόσμο σήμερα παράγονται τεράστιες ποσότητες υδρογόνου για βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς, κατά πάσα πιθανότητα πάνω από 50 εκατ. τόνους / έτος. Αλλά το μεγαλύτερο μέρος αυτής της παραγωγής βασίζεται στην ενέργεια από ορυκτά καύσιμα, είτε με αναμόρφωση φυσικού αερίου, είτε με ηλεκτρόλυση χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από άνθρακα, φυσικό αέριο, πετρέλαιο ή πυρηνική ενέργεια. Μερικά φύκια και βακτήρια, χρησιμοποιώντας ηλιακό φως ως πηγή ενέργειας, εκλύουν υδρογόνο υπό ορισμένες συνθήκες. Το υδρογόνο έχει υψηλόπεριεχόμενο σε ενέργεια, αλλά μια μηχανή που καίει καθαρό υδρογόνο δεν παράγει σχεδόν καθόλου ρύπους, παράγοντας ένα καθαρό παραπροϊόν, καθαρό νερό. Μια κυψέλη καυσίμου συνδυάζει υδρογόνο και οξυγόνο για την παραγωγή ηλεκτρισμού, θερμότητας, και νερού. Οι κυψέλες καυσίμου συχνά συγκρίνονται με μπαταρίες. Και οι δυο μετατρέπουν την ενέργεια που παράγεται από μία χημική αντίδραση σε χρήσιμη ηλεκτρική ισχύ. Ωστόσο, η κυψέλη καυσίμου θα παράγει ηλεκτρισμό όσο παρέχεται καύσιμο (υδρογόνο), μη χάνοντας ποτέ το φορτίο της. Οι κυψέλες καυσίμου είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για χρήση ως πηγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας για κτίρια, και ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για τους ηλεκτρικούς κινητήρες οχημάτων πρόωσης. Οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν καλύτερα με καθαρό υδρογόνο. Αλλά καύσιμα όπως το φυσικό αέριο, μεθανόλη, ή ακόμη βενζίνη μπορούν να αναμορφωθούν για την παραγωγή του υδρογόνου που απαιτείται για τις κυψέλες καυσίμου. Μερικές κυψέλες καυσίμου μπορούν ακόμα και να τροφοδοτούνται απευθείας με μεθανόλη, χωρίς τη χρήση συστήματος αναμόρφωσης. Στο μέλλον, το υδρογόνο θα μπορούσε να ενταχθεί στην ηλεκτρική ενέργεια ως ένας σημαντικός φορέας ενέργειας. Ένας φορέας ενέργειας κινείται και παρέχει ενέργεια σε μια χρήσιμη για τους καταναλωτές μορφή. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως ο ήλιος και ο άνεμος, δεν μπορούν να παράγουν ενέργεια όλη την ώρα. Αλλά θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και υδρογόνο, το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί μέχρι να χρειαστεί. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να μεταφέρεται (όπως ηλεκτρική ενέργεια) στα μέρη όπου αυτό είναι αναγκαίο. Για μια βιώσιμη υποδομή μεταφορών οραματιζόμαστε τεχνολογίες που περιλαμβάνουν οχήματα βιοκαυσίμων, ηλεκτροκίνητα οχήματα, και οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου (FCV). Η τελευταία από αυτές είναι ίσως η πιο δύσκολη τεχνικά, αλλά και η πιο ελκυστική τεχνολογία, όσον αφορά την ικανότητά της να μειώσει δραματικά την κατανάλωση πετρελαίου, τις εκπομπές CO2 αερίων του θερμοκηπίου, και τους ρύπους από εξάτμιση. Ωστόσο, το υδρογόνο δεν είναι μια πηγή ενέργειας. Είναι ένας φορέας ενέργειας, και για να συνειδητοποιήσουμε πλήρως τα οφέλη του, θα πρέπει να το παράγουμε όχι από ορυκτά καύσιμα, αλλά από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, από την άλλη πλευρά, είναι μια επιθυμητή πηγή ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου λόγω της διαφορετικότητας, της περιφερειακότητας, της αφθονίας, και των προοπτικών της για αειφορία. Υπάρχουν πολλές προκλήσεις για την παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας - και ίσως η μεγαλύτερη των οποίων είναι η μείωση του κόστους ώστε να είναι ανταγωνιστικό σε σχέση με τη βενζίνη και το ντίζελ. Ανανεώσιμο υδρογόνο μπορεί να παραχθεί είτε με ηλεκτρόλυση, είτε με μετατροπή βιομάζας, είτε με μετατροπή της ηλιακής ενέργειας για άμεση παραγωγή υδρογόνου. Στην παρούσα εργασία γίνεται παρουσίαση του εναλλακτικού καυσίμου «υδρογόνου», το οποίο αν και θεωρείται «ενεργειακός φορέας» έχει υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο με δυνατότητα «μηδενικών εκπομπών» και «καθαρού κύκλου» σε περίπτωση που παράγεται από ΑΠΕ. Με τη βοήθεια και του δεύτερου μέρους της εργασίας, όπου υπολογίζεται η ονομαστική ισχύς φωτοβολταϊκής μονάδας για δεδομένη παραγωγή υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια, με ηλεκτρόλυση νερού, σκοπός της εργασίας είναι η τεκμηρίωση αυτόνομων PV–συστημάτων ηλεκτρόλυσης για οικιακή παραγωγή υδρογόνου σε περιοχές με υψηλή ηλιακή ακτινοβολία όπως π.χ. η Ρόδος. Το παραγόμενο υδρογόνο αφού συμπιεστεί μπορεί είτε να μεταφερθεί ή να αποθηκευτεί για χρήση σε οχήματα κυψέλης καυσίμου κατά βάση.

Hydrogen is the most plentiful element in the universe. Despite its simplicity and abundance, hydrogen doesn't occur naturally as a gas on the Earth - it's always combined with other elements. The world produces huge quantities of hydrogen today for industrial and commercial purposes, probably in excess of 50 million tons / year. But most of that production is fossil-energy based, either from reforming natural gas, or electrolysis using electricity produced from coal, natural gas, petroleum, or nuclear. Some algae and bacteria, using sunlight as their energy source, even give off hydrogen under certain conditions. Hydrogen is high in energy, yet an engine that burns pure hydrogen produces almost no pollution, producing a clean byproduct - pure water. A fuel cell combines hydrogen and oxygen to produce electricity, heat, and water. Fuel cells are often compared to batteries. Both convert the energy produced by a chemical reaction into usable electric power. However, the fuel cell will produce electricity as long as fuel (hydrogen) is supplied, never losing its charge. Fuel cells are a promising technology for use as a source of heat and electricity for buildings, and as an electrical power source for electric motors propelling vehicles. Fuel cells operate best on pure hydrogen. But fuels like natural gas, methanol, or even gasoline can be reformed to produce the hydrogen required for fuel cells. Some fuel cells even can be fueled directly with methanol, without using a reformer. In the future, hydrogen could also join electricity as an important energy carrier. An energy carrier moves and delivers energy in a usable form to consumers. Renewable energy sources, like the sun and wind, can't produce energy all the time. But they could, for example, produce electric energy and hydrogen, which can be stored until it's needed. Hydrogen can also be transported (like electricity) to locations where it is needed. For having a sustainable transport infrastructure we envision technologies including bio fuel powered, electric drive, and hydrogen fuel cell vehicles (FCV). The last of these is perhaps the most technically challenging, but also the most attractive technology for its ability to dramatically reduce oil consumption, CO2 greenhouse gas emissions, and tail pipe pollution. However, hydrogen is not an energy source. It is an energy carrier, and to fully realise its benefits, we must produce it not from fossil fuels, but from renewable energy. Renewables on the other hand are a desirable energy source for hydrogen production because of diversity, regionality, abundance, and potential for sustainability. There are many challenges to producing hydrogen from renewables - and perhaps the major one is reducing the cost to be competitive with gasoline and diesel. Renewable hydrogen can be produced either by electrolysis, or biomass conversion, or conversion of solar energy to produce hydrogen directly. In the present study, alternative fuel "hydrogen" is presented, which although considered "energy carrier" has a high energy content with "zero emissions" and "net cycle" when produced from RES. With the help of the second part of the work, where is calculated the nominal power of PV system for a given production of hydrogen from solar energy, and water electrolysis, the aim of this study is the documentation of autonomous PV-electrolysis system for hydrogen production in residential areas with high solar radiation as Rhodes. The generated hydrogen compressed can either be transported or stored for use in fuel cell vehicles basically.