Η Βασίλισσα, στο παραμύθι του Lewis Carroll «Η Αλίκη στη χώρα των θαυμάτων», κοιτάζοντας στη μαγική σφαίρα, λέει ότι πιστεύει στην ιδέα των «έξη αδύνατων πραγμάτων που θα υλοποιούνται πριν από το πρόγευμα». Αυτή η νοοτροπία θα πρέπει να πρυτανεύει και όταν συζητάει κάποιος την «Οικονομία του Υδρογόνου» αφού κανένα από τα επιμέρους θέματά της δεν μπορεί να επιλυθεί με πρακτικό και γενικώς αποδεκτό τρόπο. Παραμερίζοντας τα ζητήματα της βασικής φυσικής, το κόστος παραγωγής του Υδρογόνου και τα εμπόδια διανομής του, ας εξετάσουμε και κάποια πρακτικά προβλήματα που παρουσιάζουν τα ίδια τα αυτοκίνητα που θα κινούνται με Υδρογόνο.
Για να κινήσουμε ένα αυτοκίνητο με Υδρογόνο θα πρέπει πρώτα να το αποθηκεύσουμε στο ίδιο το αυτοκίνητο. Όπως προαναφέρθηκε αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους, είτε με τη μορφή του υγροποιημένου Υδρογόνου σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν είτε με τη μορφή του συμπιεσμένου αερίου Υδρογόνου σε πιέσεις πολύ υψηλές της τάξης των 350 bar έως 700 bar. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις θα αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα της χαμηλής πυκνότητας του υδρογόνου.
Για παράδειγμα για να αποθηκεύσουμε 7 χιλιόγραμμα υγροποιημένου Υδρογόνου, η ενέργεια του οποίου ισοδυναμεί περίπου με την ενέργεια 7 γαλονιών βενζίνης, θα χρειαστούμε μια θερμικά μονωμένη δεξαμενή χωρητικότητας 98 λίτρων που αντιστοιχεί σε ποσότητα 25 γαλονιών βενζίνης. Επειδή μάλιστα το περιεχόμενο αυτής της δεξαμενής θα βρίσκεται συνεχώς σε ετοιμότητα να διαφύγει θα πρέπει να δώσουμε μεγάλη προσοχή, ιδίως στις περιπτώσεις που το αυτοκίνητο θα παραμείνει για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε κλειστούς χώρους στάθμευσης. Υπάρχει ό κίνδυνος διαφυγής του Υδρογόνου και μετατροπής της ατμόσφαιρας του χώρου σε εκρηκτικό μίγμα αφού συγκεντρώσεις Υδρογόνου στην ατμόσφαιρα σε αναλογίες από 4 έως και 75 τοις εκατό είναι αναφλέξιμες και μάλιστα απαιτούν πολύ μικρή ενέργεια ανάφλεξης της τάξης του 1/20 της απαιτούμενης για τη βενζίνη ή το φυσικό αέριο.
Δυσκολίες υπάρχουν και στην αποθήκευση του συμπιεσμένου Υδρογόνου. Εάν η πίεση του Υδρογόνου είναι της τάξης των 700 bar τότε η δεξαμενή των 7 χιλιόγραμμων θα πρέπει να έχει χωρητικότητα 170 λίτρων δηλαδή όση απαιτείται για 42 γαλόνια βενζίνης (έξη φορές μεγαλύτερη από την αναγκαία για 7 γαλόνια βενζίνης). Επειδή όμως θα πρέπει η δεξαμενή να είναι και ανθεκτική στις υψηλές πιέσεις το σχήμα της δεν θα μπορεί να είναι ακανόνιστο αλλά σφαιρικό ή κυλινδρικό κάτι που βεβαίως θα υποχρεώσει τον κατασκευαστή να διαθέσει περισσότερο ζωτικό χώρο του αυτοκινήτου για την τοποθέτησή της. Εάν η δεξαμενή κατασκευαστεί από χάλυβα υψηλής αντοχής μπορεί τελικά να έχει βάρος μέχρι και 400 χιλιόγραμμων. Η μόνιμη μεταφορά ενός τέτοιου βάρους φυσικά θα αυξήσει και την κατανάλωση ενέργειας κίνησης του αυτοκινήτου. Εάν, για να αποφευχθεί αυτή η δυσκολία, προτιμηθεί η χρήση ελαφρύτερης αλλά μεγαλύτερου κόστους δεξαμενής από ανθρακονήματα τότε θα πρέπει επίσης να επιλεγεί με μεγάλη προσοχή ή επί του οχήματος θέση της για να εξασφαλίζεται η μέγιστη δυνατή προστασία της από θραύση σε περίπτωση ατυχήματος.
Το Υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας ως καύσιμο σε ένα κινητήρα εσωτερικής καύσης αλλά δεν υπάρχει κάποιο πλεονέκτημα για μια τέτοια εφαρμογή δοθέντος μάλιστα ότι η αποδοτικότητα του κινητήρα θα μειωθεί κατά 20% περίπου από εκείνης με καύσιμο τη βενζίνη. Για το λόγο αυτό όταν συζητάμε για αυτοκίνητα Υδρογόνου σχεδόν πάντα έχουμε κατά νου ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα που κινούνται με την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει μια συστοιχία Ενεργειακών Στοιχείων (Fuel Cells) η οποία τροφοδοτείται με Υδρογόνο από τη δεξαμενή του αυτοκινήτου και με Οξυγόνο από την ατμόσφαιρα.
Τα Ενεργειακά Στοιχεία (Fuel Cells) είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που παράγουν απευθείας ηλεκτρική ενέργεια από τη σύνθεση του Υδρογόνου με το Οξυγόνο. Θα μπορούσε κανείς να πει ότι αποτελούν ανεστραμμένες συσκευές ηλεκτρόλυσης του νερού. Αυτές είναι ελκυστικές διότι δεν διαθέτουν κινούμενα μέρη (εκτός από μικρές αντλίες ύδατος) και υπό συνθήκες κατά τις οποίες ελέγχεται πλήρως ή ποιότητα του παρεχόμενου Υδρογόνου και Οξυγόνου είναι αποδοτικές και αξιόπιστες.
Αυτές οι ιδιότητες είναι και οι λόγοι για τους οποίους η NASA χρησιμοποίησε Ενεργειακά Στοιχεία σε εφαρμογές του διαστημικού προγράμματος Apollo όπως για παράδειγμα στις μονάδες παροχής ηλεκτρικής ισχύος των θαλαμίσκων όπως και στο διαστημικό λεωφορείο. Αλλά, παρά αυτή την επιτυχημένη εφαρμογή για τέσσερις περίπου δεκαετίες στα διαστημικά προγράμματα και τα πολλά δισεκατομμύρια δολάρια ερευνών και ανάπτυξης που ξοδεύτηκαν όλο αυτό το διάστημα βελτιώσεων και εξειδικεύσεων, πολύ μικρή εφαρμογή βρήκαν σε χρήσεις για προϊόντα ευρύτερης κατανάλωσης. Τρείς είναι οι κύριοι λόγοι για αυτό. Πρώτον, στις κανονικές εφαρμογές προϊόντων για συνήθεις χρήσεις ένα πρακτικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να διαθέτει μακροβιότητα εν αντιθέσει με τις λίγες εβδομάδες λειτουργίας που συνήθως απαιτούν οι εφαρμογές των διαστημικών πτήσεων. Δεύτερον, στην επιφάνεια του πλανήτη το Οξυγόνο που τροφοδοτεί τα Ενεργειακά Στοιχεία προέρχεται από την ατμόσφαιρα και περιέχει όχι μόνο Άζωτο (το οποίο μειώνει την αποδοτικότητα των Ενεργειακών Στοιχείων συγκρινόμενη με εκείνη της τροφοδοσίας με καθαρό Οξυγόνο) αλλά και Διοξείδιο του Άνθρακα, Μονοξείδιο του Άνθρακα και πολλούς άλλους ρυπαντές. Έστω και στη μορφή ιχνών αυτοί οι ρυπαντές προσβάλουν τους καταλύτες που χρησιμοποιούνται στα Ενεργειακά Στοιχεία και προκαλούν μόνιμες μειώσεις της αποδοτικότητάς τους που μπορούν να φτάσουν και μέχρι της παύσης της λειτουργίας τους. Τελικά μπορεί κανείς να πει ότι τα Ενεργειακά Στοιχεία αποδεικνύονται ακριβά. Για την NASA βέβαια με τους προϋπολογισμούς των εκατοντάδων εκατομμυρίων δολαρίων της κάθε εκτόξευσης κάνει μικρή μόνο διαφορά εάν ένα σύστημα παροχής ισχύος 10 Κιλοβάτ κοστίζει 100.000 δολάρια ή ένα εκατομμύριο δολάρια ή ακόμα και δέκα εκατομμύρια δολάρια. Για τις συνήθεις όμως εφαρμογές το κόστος αποτελεί ασφαλώς βασικό κριτήριο επιλογής.
Υπάρχουν πολλών τύπων Ενεργειακά Στοιχεία, περιλαμβανομένων των αλκαλικών, του φωσφορικού οξέος, του ανθρακικού άλατος και άλλων ακόμα ειδών, αλλά για την εφαρμογή της ηλεκτροκίνησης των αυτοκινήτων το είδος που, επί του παρόντος, αποδεικνύεται κατάλληλο και εφαρμόζεται είναι του τύπου της μεμβράνης εναλλαγής πρωτονίων (PEMFC). Αυτός ό τύπος Ενεργειακών Στοιχείων χρησιμοποιείται σε όλες τις εφαρμογές της ηλεκτροκίνησης οχημάτων και κυρίως παράγεται από την Καναδική εταιρεία Ballard που εδρεύει στο Vancouver της Βρετανικής Κολομβίας ή οποία και καλύπτει σχεδόν το 80% της παγκόσμιας παραγωγής τους.
Τα Ενεργειακά Στοιχεία τύπου PEMFC χρησιμοποιούν καταλύτη πλατίνας ό οποίος είναι πολύ ακριβός και παρά τις προσπάθειες αξίας πολλών εκατομμυρίων δολαρίων σε έρευνα και ανάπτυξη προκειμένου να μειωθεί αυτό το κόστος κατέστη αδύνατο μέχρι τώρα (2007) να ξεπεραστεί το κατώφλι των 7.000 δολαρίων ανά κιλοβάτ.
Αυτό όμως δεν είναι το μόνο μειονέκτημα. Η λειτουργία των Ενεργειακών Στοιχείων, σε συνήθεις αστικές κυκλοφοριακές συνθήκες στις οποίες η ατμόσφαιρα περιέχει πολλά στοιχεία που τελικά μειώνουν την αποδοτικότητά τους, όπως διοξείδιο του Θείου, διοξείδιο του Αζώτου, μονοξείδιο του Άνθρακα, Υδρόθειο και Αμμωνία μπορεί να επιδρά μειωτικά για τον κύκλο ζωής τους, σε βαθμό τέτοιο, ώστε τελικά η διάρκειά της να γίνεται μικρότερη ακόμα και από το 20% εκείνης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης τύπου ντίζελ.
Βεβαίως είναι πιθανή η μελλοντική μείωση του κόστους των Ενεργειακών Στοιχείων τύπου PEMFC όπως και η αξιοποίηση άλλων τύπων Ενεργειακών Στοιχείων χαμηλότερου κόστους στην ηλεκτροκίνηση των αυτοκινήτων αλλά αυτό μένει να το δούμε στο μέλλον και πάντως τέτοιες εξελίξεις σε τίποτα δεν θα ακυρώσουν τα βασικά μειονεκτήματα της ιδέας χρήσης του Υδρογόνου ως καυσίμου, για τα οποία έγινε εκτενής αναφορά ανωτέρω, όπως βέβαια και δεν θα βελτιώσουν σημαντικά τη χαμηλή ενεργειακή αποδοτικότητα των ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων με Ενεργειακά Στοιχεία.
Πράγματι, πέρα από τις προαναφερθείσες δυσκολίες, αυτά τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα δεν μπορούν να προσφέρουν καλύτερη ενεργειακή απόδοση από εκείνης των συμβατικών αυτοκινήτων. Με τον όρο της ενεργειακής απόδοσης προσδιορίζουμε τα ποσοστά της ενέργειας τα οποία μεταβάλλονται σε πραγματικό μηχανικό έργο κίνησης του αυτοκινήτου σε σύγκριση με τη συνολική ενέργεια που καταναλώνουμε για την επίτευξή του. Η πραγματική απόδοση των Ενεργειακών Στοιχείων τύπου PFMFC είναι ίση με 38% περίπου. Εάν σε υπολογίσουμε επίσης ότι ο συντελεστής των ηλεκτρονικών διατάξεων που τα υποστηρίζουν είναι ίσος με 92% και ο συντελεστής απόδοσης του ηλεκτρικού κινητήρα είναι κοντά στο 85%, τελικά θα έχουμε ένα συνολικό συντελεστή απόδοσης περίπου ίσου προς 30% όταν οι σύγχρονοι κινητήρες ντίζελ εργάζονται με συντελεστή απόδοσης περί τα 42%. Αυτό το δεδομένο θα αποδειχτεί καθοριστικό για το μέλλον αυτής της τεχνολογίας.
Πηγή: heliev.gr
