Το υδρογόνο στη ναυτιλία

Τα τελευταία χρόνια, το ανθρακικό αποτύπωμα στην ατμόσφαιρα αυξάνεται ραγδαία, με την σημερινή συγκέντρωση του άνθρακα να υπερβαίνει τα 420 ppm. Οι παγκόσμιες προσπάθειες επικεντρώνονται επί του παρόντος στην απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές για την επίτευξη του στόχου της ΕΕ για το 2050 για μηδενικές εκπομπές. Η αξιοποίηση του υδρογόνου μπορείνα αποτελέσει μια βιώσιμη επιλογή για την απαλλαγή από τον άνθρακα σε διάφορους τομείς, όπως οι μεταφορές, η ενέργεια, η μεταποίηση, ο οικιακός και εμπορικός τομέας.  

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η χρήση υδρογόνου σε μεγάλα πλοία ( επιβατικά και εμπορικά) ως καύσιμο, καθώς  με αυτό τον τρόπο θα μειωθούν δραματικά οι ρύποι που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα από την χρήση των συμβατικών καυσίμων. Η θαλάσσια ναυτιλία αντιπροσωπεύει περίπου το ένα τέταρτο του συνόλου των εκπομπών από τον τομέα των παγκόσμιων μεταφορών. Εκπέμποντας σχεδόν ένα δισεκατομμύριο τόνους CO2 ετησίως, η ναυτιλιακή βιομηχανία αντιμετωπίζει έντονες πιέσεις για την απαλλαγή από τον άνθρακα τις επόμενες δεκαετίες. Ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (ΙΜΟ), ο ρυθμιστικός φορέας των Ηνωμένων Εθνών για τη ναυτιλία, ζήτησε μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG) κατά 50% έως το 2050, σε σύγκριση με τα επίπεδα του 2008, προκειμένου να ευθυγραμμιστεί ο κλάδος με τους στόχους της Συμφωνίας του Παρισιού για το κλίμα.

Η παραγωγή του υδρογόνου μπορεί να γίνει με διαφορετικούς τρόπους, όπως για παράδειγμα από ορυκτά καύσιμα, βιομάζα, μεθάνιο κ.α.. Ο φιλικότερος προς το περιβάλλον τρόπος παραγωγής του, είναι η ηλεκτρόλυση του νερού με ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως ηλιακή ( φωτοβολταϊκά πάρκα) και η αιολική ( ανεμογεννήτριες).  Αφού παραχθεί το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με αρκετούς τρόπους ως καύσιμο στη ναυτιλία.

Μπορεί να καεί σε κινητήρα εσωτερικής καύσης, όπου το υδρογόνο διοχετεύεται στον κινητήρα, όπου γίνεται και η ανάφλεξή του παρουσία αέρα. Ένα μειονέκτημα είναι ότι η καύση οποιουδήποτε προϊόντος στον αέρα, ο οποίος αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από άζωτο, παράγει αναπόφευκτα κάποιο επίπεδο οξειδίων του αζώτου - τα οποία είναι σημαντικοί ατμοσφαιρικοί ρύποι. Αυτές οι εκπομπές θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν με την τοποθέτηση κάποιου είδους συσκευής μετεπεξεργασίας. 

1.png

Αλλά το υδρογόνο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε μια κυψέλη καυσίμου, μια συσκευή που μετατρέπει χημικά το καύσιμο σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να χρειάζεται να το κάψει, και η μόνη εκπομπή είναι νερό. Το υποσύστημα της μονάδας  αποτελείται από μια στοίβα, μια μονάδα παροχής υδρογόνου, ένα μονάδα παροχής και μονάδα ψύξης . Το υδρογόνο αποθηκεύεται στη δεξαμενή αποθήκευσης υγροποιημένο ή σε συμπιεσμένη κατάσταση με πίεση 350-700 bar. Η πίεση του υδρογόνου είναι ρυθμίζεται από τον ρυθμιστή πίεσης. Οι κυψέλες καυσίμου συνήθως συνδυάζονται με συστοιχίες μπαταριών για να επωφεληθούν από την ανώτερη ενεργειακή πυκνότητα των συστημάτων κυψελών καυσίμου και τις δυνατότητες μεταβατικής απόκρισης των μπαταριών. H κυψέλη καυσίμου τροφοδοτεί με ρεύμα έναν ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την κίνηση του πλοίου. 

2.png

Επίσης μπορεί  να αναπτυχθεί ηλεκτρική ενέργεια υδρογόνου με ατμό. Εδώ, ο ατμός που δημιουργείται από την καύση υδρογόνου με καθαρό οξυγόνο από μια δεξαμενή χρησιμοποιείται για την κίνηση ενός στροβίλου, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Πιο συγκεκριμένα, το υγροποιημένο υδρογόνο μπορεί να παραχθεί με ψύξη του υδρογόνου στους -253 °C. Αυτό θα του δώσει πυκνότητα 70,79 kg/m3 με αποτέλεσμα η χρήση υγρού υδρογόνου να απαιτεί πολύ μικρότερο όγκο και αποθήκευση σε πολύ χαμηλότερη πίεση. Τα πλοία αυτά θα περιέχουν τέσσερεις δεξαμενές με υδρογόνο , με στόχο τη διατήρηση της ισορροπίας του πλοίου κατά τη διάρκεια του ταξιδιού, τη προετοιμασία των παραγόντων και των θέσεων των σωληνώσεων και τη διατήρηση της ευστάθειας σε περίπτωση βλάβης. Η μεγάλη ποσότητα υγροποιημένου υδρογόνου θα παράγει 20 τόνους υδρογόνου που θα βράζει την ημέρα κατά τη διάρκεια του ταξιδιού. Η κύρια μηχανή του πλοίου θα τροφοδοτείται με υγροποιημένο υδρογόνo. Η ποσότητα του boil-off θα εξοικονομήσει το 29% της κατανάλωσης καυσίμου (υγροποιημένο υδρογόνο) του πλοίου σε κατάσταση πλήρους φόρτωσης και η παραγωγή ενέργειας θεωρείται ότι είναι 50 MW με τη χρήση ενός συνδυασμένου συστήματος πρόωσης με αεριοστρόβιλο και ατμοστρόβιλο. Η δεξαμενή έχει σχεδιαστεί για να χωράει μέσα στο κύτος, το οποίο περιέχει τέσσερις δεξαμενές υγροποιημένου υδρογόνου. Tο μικρό βάρος του φορτίου οδηγεί σε σχεδίαση με μικρό βύθισμα για το μέγεθος του πλοίου. Η πρόωση και το πηδάλιο του πλοίου παρέχονται από δύο αζιμουθιακά συστήματα που είναι τοποθετημένα σε θαλάμους. 

3.png

Το υδρογόνο προτείνεται να χρησιμοποιηθεί για τους υπάρχοντες κινητήρες ντίζελ ώστε να ελαχιστοποιηθεί το κόστος όσο το δυνατόν περισσότερο. Ο προτεινόμενος κινητήρας θα λειτουργεί με απευθείας έγχυση υδρογόνου στον κύλινδρο. Για την έναρξη της διαδικασίας καύσης θα χρειαστούν σπινθήρες χαμηλής ενέργειας, ώστε να αποφευχθεί η χρήση ποσοτήτων καυσίμου ντίζελ. Οι αντλίες καυσίμου και οι σπινθήρες πρέπει να ελέγχονταιηλεκτρονικά (κινητήρες χωρίς εκκεντροφόρο) για να εξασφαλίζεται η βέλτιστη απόδοση σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας.

Υπάρχει μια αυξανόμενη συναίνεση ότι η ανάγκη απαλλαγής των ανθρώπινων δραστηριοτήτων από τον άνθρακα θα αναβαθμίσει τη σημασία του υδρογόνου στην καθημερινή μας ζωή. Το υψηλό κόστος της εφαρμογής του γίνεται σταδιακά πιο αποδεκτό λόγω των περιβαλλοντικών και οικονομικών οφελών που προσφέρει. Είναι γεγονός πως το κόστος της κατασκευής και λειτουργείας των πλοίων με υδρογόνο θα μειώνεται συνεχώς, καθώς με την συνεχή έρευνα και την εφαρμογή των αποτελεσμάτων αυτής στα νέα συστήματα θα μειώνεται και το κόστος παραγωγής του υδρογόνου (1-2€ / kg Η) αλλά και το κόστος κατασκευής των συσκευών αξιοποίησής του. Η βελτίωση και η καινοτομία στην ναυτιλία με τη χρήση του υδρογόνου αποτελούν σημαντική προϋπόθεση για τη διαδικασία απαλλαγής από τις ανθρακούχες εκπομπές.

- Ελένη Ζτούπη: COO H2Ecotone, UK

- Σοφοκλής Μακρίδης: Διευθυντή του εργαστηρίου «Φυσικής Περιβάλλοντος και Τεχνολογιών Υδρογόνου», Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Πατρών