Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο και απλούστερο στοιχείο στο Σύμπαν. Αποτελείται από ένα πρωτόνιο γύρω από το οποίο περιστρέφεται ένα ηλεκτρόνιο. Στις συνθήκες του ατμοσφαιρικού αέρα συναντάται με τη μοριακή του μορφή, η οποία αποτελείται από δυο άτομα (Η2). Η πρώτη γνωστή καταγραφή του αερίου έγινε το 1520 από τον Παράκελσο, ο οποίος παρατήρησε ότι η διάλυση κάποιων μετάλλων στο θειικό οξύ παράγει ένα αέριο. Μέσα στους δυόμιση περίπου αιώνες που μεσολάβησαν μέχρι να δοθεί στο αέριο το όνομά του από τον Λαβουαζιέ, είχαν παρατηρηθεί οι βασικές του ιδιότητες, όπως ότι είναι πολύ ελαφρύ, άχρωμο, άοσμο, άγευστο και εκρηκτικό στον αέρα. Ακόμα και σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, η επαφή του με μικρή ποσότητα οξυγόνου είναι αρκετή για να εκραγεί δημιουργώντας νερό.
Πάντως, παρά την τεράστια αφθονία του υδρογόνου στο Σύμπαν, η περιεκτικότητα του ατμοσφαιρικού αέρα στο αέριο είναι πολύ μικρή. Το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ και διαφεύγει από την ατμόσφαιρα του πλανήτη μας, του οποίου η βαρύτητα είναι επαρκής για να συγκρατήσει σε αυτή βαρύτερα αέρια όπως το άζωτο και το οξυγόνο. Το υδρογόνο βρίσκεται, ωστόσο, «αποθηκευμένο» στις χημικές ενώσεις που αποτελούν τα πετρώματα και τα ορυκτά καύσιμα καθώς επίσης, φυσικά, και στο νερό. Τα διάφορα αυτά «αποθέματα» υδρογόνου υποδεικνύουν και τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να παράγουμε το καύσιμο αυτό σε καθαρή, αξιοποιήσιμη μορφή. Γύρω από αυτούς τους τρόπους, που θα αναφερθούν στη συνέχεια, έχει αναπτυχθεί η λεγόμενη «οικονομία του υδρογόνου» που έχει ως στόχο την ανάπτυξη των τεχνολογιών που θα εξασφαλίσουν την μερική ή πλήρη αντικατάσταση των καυσίμων με το υδρογόνο. Για ποιους λόγους όμως δεν έχουμε ακόμη αντικαταστήσει τους συμβατικούς κινητήρες με κινητήρες υδρογόνου;
Ο κινητήρας υδρογόνου.
Η ενέργεια των καυσίμων είναι αποθηκευμένη στους χημικούς δεσμούς που συγκρατούν τα άτομα στα μόριά τους. Με τη διαδικασία της καύσης, δηλαδή την αντίδραση με το οξυγόνο, η ενέργεια αυτή απελευθερώνεται ως θερμότητα, την οποία στη συνέχεια εκμεταλλευόμαστε. Αντιστοίχως, στην περίπτωση του υδρογόνου επιθυμούμε να απελευθερώσουμε την ενέργεια που συγκρατεί τα δύο άτομα του στοιχείου στο μόριό του. Τα κυριότερα προϊόντα της καύσης υδρογονανθράκων (που αποτελούν τα καύσιμα που χρησιμοποιούμε στους κινητήρες και τη βιομηχανία) είναι νερό και διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο απελευθερώνεται ως αέριο στην ατμόσφαιρα και αποτελεί το κυριότερο αέριο του θερμοκηπίου. Στην περίπτωση της καύσης του υδρογόνου παράγεται μόνο νερό, για αυτό το λόγο θεωρείται ένα καθαρό καύσιμο του οποίου η χρήση προκαλεί ελάχιστη επιβάρυνση στο περιβάλλον.
Πάντως, οι κινητήρες υδρογόνου δεν είναι κινητήρες ανάφλεξης, δηλαδή δεν αξιοποιούν την καύση του αερίου ούτε τη μετατροπή της χημικής του ενέργειας σε θερμότητα αλλά σε ηλεκτρική. Οι συσκευές με τις οποίες επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο ονομάζονται κύτταρα καυσίμου (fuel cells), στις οποίες λαμβάνουν χώρα οι αντίστοιχες χημικές αντιδράσεις που απαιτούνται. Τα αυτοκίνητα υδρογόνου τροφοδοτούνται στην ουσία από την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα κύτταρα καυσίμου.
Η ιδέα των κυττάρων καυσίμου δεν είναι καινούρια, καθώς οι πρώτες συσκευές κατασκευάστηκαν στα μέσα του 19ου αιώνα. Το 1838 ο Sir William Grove χρησιμοποίησε πλάκες σιδήρου και χαλκού βυθισμένες σε δυο διαλύματα οξέων, τα οποία διαχωρίζονταν με πορώδεις πορσελάνινες πλάκες, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Η βελτιωμένη εκδοχή της συσκευής χρησιμοποιούσε ηλεκτρόδια ψευδαργύρου και λευκόχρυσου και μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία των τηλεγράφων.
Η σημερινή εκδοχή ενός κυττάρου καυσίμου βασίζεται στην μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (proton exchange membrane, PEM), η οποία αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 από μηχανικούς της General Electric. Η μεμβράνη αυτή είναι στην ουσία μια επιφάνεια που κρατάει διαχωρισμένα το οξυγόνο και το υδρογόνο ενώ επιτρέπει στα ιόντα του υδρογόνου (πρωτόνια) να διαχέονται ομοιόμορφα και να αντιδρούν ελεγχόμενα με το οξυγόνο για το σχηματισμό νερού. Το κύτταρο καυσίμου αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια (άνοδος και κάθοδος) που διαχωρίζονται από την PEM και είναι βυθισμένα σε ένα διαλύτη. Το αέριο υδρογόνο διοχετεύεται στην άνοδο όπου με τη βοήθεια καταλύτη διαχωρίζεται σε ιόντα και ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια κατευθύνονται μέσω της ανόδου στο κύκλωμα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα ενώ τα ιόντα (πρωτόνια) διαπερνούν τη μεμβράνη κατευθυνόμενα προς την κάθοδο. Εκεί έρχονται σε επαφή με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα και τα ηλεκτρόνια του κυκλώματος και παράγουν νερό. Τα πρώτα τέτοια κύτταρα καυσίμου υδρογόνου αναπτύχθηκαν περαιτέρω από τη NASA και χρησιμοποιήθηκαν για συγκεκριμένους σκοπούς σε διαστημικές αποστολές.
Σε ένα κινητήρα υδρογόνου η ποσότητα ενέργειας που παράγεται ανά μονάδα μάζας καυσίμου είναι σχεδόν διπλάσια από εκείνη που παράγεται ανά μονάδα μάζας βενζίνης. Ωστόσο, η μικρότερη αυτή ποσότητα υδρογόνου καταλαμβάνει πολύ μεγαλύτερο όγκο και κατά συνέπεια το υδρογόνο πρέπει να βρίσκεται υπό πολύ υψηλή πίεση ώστε ο όγκος της δεξαμενής καυσίμου να είναι πρακτικός για ένα αμάξι.
Η πλήρης αντικατάσταση κινητήρων καυσίμου από κύτταρα υδρογόνου δυσχεραίνεται σημαντικά από την περιορισμένη αφθονία των υλικών που απαιτούνται για την κατασκευή τους αλλά και από τις δυσκολίες στην αποθήκευση και μεταφορά του αερίου. Τα κύτταρα καυσίμων αποτελούνται από ιρίδιο και λευκόχρυσο και τα περιορισμένα αποθέματα σε συνδυασμό με την αύξηση της ζήτησής τους έχουν εκτινάξει τις τιμές στα ύψη. Επομένως, περαιτέρω έρευνα απαιτείται ώστε να αναπτυχθούν τεχνολογίες που να βασίζονται σε άλλα υλικά. Ένα άλλο μεγάλο πρόβλημα της τεχνολογίας υδρογόνου αποτελεί η αποθήκευσή και μεταφορά του. Προκειμένου να μειωθεί ο όγκος του, το αέριο υδρογόνο διατηρείται σε πολύ υψηλή πίεση. Σε αυτές τις συνθήκες είναι πολύ διαπεραστικό και μπορεί να διεισδύσει στα τοιχώματα αλλοιώνοντάς τα και προκαλώντας βλάβες. Για αυτό το λόγο οι δεξαμενές αποθήκευσης και οι αγωγοί μεταφοράς τους πρέπει να έχουν πολύ χοντρά τοιχώματα και να είναι επικαλυμμένα με ειδικές ουσίες, κάτι που αυξάνει περαιτέρω το κόστος αποθήκευσης και μεταφοράς του.
Πώς παράγεται το υδρογόνο;
Όπως ήδη αναφέρθηκε, το αέριο υδρογόνο υπάρχει ελεύθερο σε ελάχιστη ποσότητα στην ατμόσφαιρα, επομένως για να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο θα πρέπει να παραχθεί από άλλα υλικά τα οποία περιέχουν χημικές ενώσεις πλούσιες σε άτομα υδρογόνου, κυρίως το νερό και το μεθάνιο. Σε γενικές γραμμές το νερό που υπάρχει είναι ήδη αρκετό και στην πραγματικότητα λιγότερο από αυτό που χρειάζεται για την εξόρυξη και απευθείας αξιοποίηση των ορυκτών καυσίμων. Για την παραγωγή του υδρογόνου απαιτείται ενέργεια και στα πλαίσια της οικονομίας του υδρογόνου χρησιμοποιούνται χρωματικές κλίμακες για να υποδηλώσουν την πηγή ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε για να παραχθεί το αέριο (και όχι, προφανώς, το χρώμα του ίδιου του αερίου που είναι άχρωμο). Με εξαίρεση το «λευκό» υδρογόνο που προκύπτει από φυσικές διεργασίες και δεν μπορεί να αξιοποιηθεί για την ώρα, η υπόλοιπη ποσότητα υδρογόνου παράγεται από νερό ή ορυκτά καύσιμα.
Το «πράσινο» υδρογόνο παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού, χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό που παράγεται από ανεμογεννήτριες ή ηλιακά πάνελ. Πρόκειται για την πιο δαπανηρή μέθοδο, η οποία συνεισφέρει κατά ένα πολύ μικρό ποσοστό στη συνολική παραγόμενη ποσότητα του καυσίμου. Έχει, όμως, πολύ χαμηλές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, αν εξαιρεθούν οι εκπομπές που απαιτούνται για την κατασκευή των εγκαταστάσεων και αν υποτεθεί ότι υπάρχει διαρκής ροή ανέμου ή ηλιοφάνεια. Μερικές φορές χρησιμοποιείται και ο όρος «κίτρινο» υδρογόνο, όταν η ηλεκτρόλυση έχει τροφοδοτηθεί από ηλιακή ενέργεια.
Το «μπλε» υδρογόνο παράγεται από μεθάνιο, το οποίο έρχεται σε επαφή με ατμό νερού παράγοντας υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Μέρος της διαδικασία είναι η παγίδευση και αποθήκευση του εκλυόμενου διοξειδίου του άνθρακα και για αυτό το λόγο η μέθοδος θεωρείται φιλική στο περιβάλλον. Ωστόσο, το μπλε υδρογόνο αποτελεί το ένα εκατοστό περίπου της παγκόσμιας παραγωγής. Αντίθετα, το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής αποτελεί το «γκρι» υδρογόνο, που εξάγεται με τον ίδιο τρόπο αλλά χωρίς την παγίδευση του διοξειδίου του άνθρακα. Φυσικά, η παγίδευση του διοξειδίου του άνθρακα δεν είναι απόλυτα αποτελεσματική ενώ απαιτείται η συντήρηση υποδομών για τη διαδικασία. Σχετικές πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι το αποτύπωμα άνθρακα του «μπλε» υδρογόνου δεν διαφέρει σημαντικά από εκείνο του «γκρι» ενώ και τα δυο βρίσκονται κοντά στο αποτύπωμα που έχει η απευθείας χρήση των καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Τέλος, τα χρώματα μαύρο και καφέ χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν το υδρογόνο που προκύπτει από την ηλεκτρόλυση του νερού, όταν ως πηγή ενέργειας έχουν χρησιμοποιηθεί ο άνθρακας και ο λιγνίτης, αντίστοιχα. Πρόκειται για τον τύπο υδρογόνου με το μεγαλύτερο αποτύπωμα άνθρακα καθώς καταναλώνονται ορυκτά καύσιμα. Μια παραλλαγή αυτού του τύπου με πολύ χαμηλότερο αποτύπωμα άνθρακα είναι το «ροζ» ή «μωβ» υδρογόνο που προκύπτει από την ηλεκτρόλυση του νερού όταν η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από πυρηνική ενέργεια.
Πηγές:
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/parts-fuel-cell
https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_hydrogen_technologies
https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/hydrogen-colour-spec
