Το «πράσινο» υδρογόνο

Νίκη Μουσά, Μελίνα Καυκά, Ελένη Κυριαζή, Ελευθερία Καραμανέα

Μαθητές ΓΕΛ

Nikimou09@gmail.com, melkaf14@gmail.com, helenkyriazis@gmail.com, georgakm@gmail.com

Ηλίας Αθανασόπουλος, Στασινός Γιαννέας

Φυσικός, Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών, Φυσικός, Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών

athnasopoulos@e-ursulines.gr, gianneas@e-ursulines.gr

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Το «πράσινο» υδρογόνο, το υδρογόνο δηλαδή που δεν έχει παραχθεί από ορυκτά καύσιμα, αποτελεί την καθαρή ενεργειακή λύση του μέλλοντος καθώς παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μέσω της ηλεκτρόλυσης νερού και θα συμβάλλει στην παγκόσμια απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, βωξίτης κ.α.) που έχουν δυσμενείς επιπτώσεις για το περιβάλλον. Η ηλεκτρόλυση του νερού, δηλαδή η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο με την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, πραγματοποιείται μέσω μιας ειδικής συσκευής ηλεκτρόλυσης όπου εισάγονται δύο ηλεκτρόδια που είναι συνδεδεμένα με μια μπαταρία. Ύστερα, παρατηρείται ο σχηματισμός φυσαλίδων στα δύο ηλεκτρόδια σηματοδοτώντας την έναρξη της παραγωγής των δύο αερίων (υδρογόνο και οξυγόνο) που με το πέρασμα του χρόνου, αυξάνεται. Στο πείραμα χρησιμοποιήσαμε ένα φωτοβολταϊκό πάνελ ως μπαταρία, για να επιτευχθεί η ηλεκτρόλυση του νερού με χαμηλό κόστος και με περιβαλλοντικά επωφελή τρόπο, αξιοποιώντας την άφθονη ηλιακή ενέργεια. Ιδανικά, μπορούν να παραχθούν από 1 λίτρο νερό περίπου 1200 λίτρα υδρογόνου (και περίπου 600 λίτρα οξυγόνου) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο. Με την διαδικασία αυτή, καταλήξαμε στο συμπέρασμα πως με μια μεγαλύτερη ποσότητα νερού θα παραχθούν ακόμα περισσότερα λίτρα υδρογόνου που αργότερα θα τροφοδοτήσουν με ηλεκτρική ενέργεια κτήρια, βιομηχανίες, κοινόχρηστους χώρους (οδούς, πλατείες κλπ.) και με καύσιμη ύλη οχήματα Ι.Χ., μέσα μαζικής μεταφοράς μέχρι και διαστημικούς πυραύλους.

Λέξεις κλειδιά: οξυγόνο, υδρογόνο, ηλεκτρόλυση νερού, καύση.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η εξάντληση των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι ένα θέμα που καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε στην εποχή μας. Πώς μπορούμε όμως να παράγουμε υδρογόνο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα; Η ηλεκτρόλυση του νερού μπορεί να αποτελέσει μέρος της λύσης αυτού του προβλήματος. Στη συγκεκριμένη αυτή εργασία επικεντρωθήκαμε στο παραγόμενο υδρογόνο, που αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία ως φορέας καθαρής ενεργείας όσων αφορά ένα φιλικότερο για το κλίμα, μέλλον. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι δεν είναι όλες οι διαδικασίες παραγωγής υδρογόνου εξίσου βιώσιμες ή φιλικές προς το περιβάλλον. Για να αξιοποιηθούν στο έπακρο τα οφέλη του υδρογόνου ως καθαρή πηγή ενέργειας, είναι εξαιρετικά σημαντικό να χρησιμοποιούνται ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την παραγωγή του. Η ηλεκτρόλυση είναι η περισσότερο υποσχόμενη διαδικασία καθώς επιτρέπει την φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή του υδρογόνου, κυρίως όταν η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και σε αυτή την περίπτωση, μέσω από ένα φωτοβολταϊκό πάνελ. Έτσι λοιπόν, η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μπορεί να μειώσει σημαντικά τις εκπομπές CO2 στην παραγωγή υδρογόνου, καθιστώντας την πιο βιώσιμη.

ΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΜΑΣ

1.        i.          Να πετύχουμε την παραγωγή καθαρού «πράσινου» υδρογόνου και οξυγόνου.
2.      ii.          Να αναδείξουμε την χρήση υδρογόνου ως καθαρό καύσιμο σε κυψέλες καυσίμων.
3.    iii.          Να παρουσιάσουμε την χρήση υδρογόνου ως καθαρό καύσιμο για την τροφοδότηση μηχανών εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ).
4.    iv.          Να προτείνουμε τρόπους καύσης του οξυγόνου και του υδρογόνου.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΠΡΑΣΙΝΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ

Το «πράσινο» υδρογόνο, το υδρογόνο δηλαδή που δεν έχει παραχθεί από ορυκτά καύσιμα, αποτελεί την καθαρή ενεργειακή λύση του μέλλοντος καθώς παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μέσω της ηλεκτρόλυσης νερού και θα συμβάλλει στην παγκόσμια απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, βωξίτης κ.α.) που έχουν δυσμενείς επιπτώσεις για το περιβάλλον.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΥΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

Το «πράσινο» υδρογόνο, το υδρογόνο δηλαδή που δεν έχει παραχθεί από ορυκτά καύσιμα, αποτελεί την καθαρή ενεργειακή λύση του μέλλοντος καθώς παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μέσω της ηλεκτρόλυσης νερού και θα συμβάλλει στην παγκόσμια απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, βωξίτης κ.α.) που έχουν δυσμενείς επιπτώσεις για το περιβάλλον.

ΤΙ ΥΛΙΚΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΑΜΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ

1.        i.          Ποτήρι ή δοχείο με νερό με λίγο θειικό οξύ για να αγώγιμο.
2.      ii.          Μία παροχή ρεύματος, στο συγκεκριμένο πείραμα ένα φωτοβολταϊκό πάνελ.
3.    iii.          Δύο ηλεκτρόδια.
4.    iv.          Καλώδια σύνδεσης.
5.       v.          Συσκευή ηλεκτρόλυσης Hoffman.

ΕΚΤΕΛΕΣΗ

1.        i.          Προετοιμασία διαλύματος:
2.      ii.          Αρχικά, γεμίζουμε ένα δοχείο με νερό στο οποίο προσθέτουμε θειικό οξύ έτσι ώστε να υπάρχουν αρκετά ιόντα για την εκτέλεση του πειράματος.
3.     iii.          Ύστερα γεμίζουμε τη συσκευή ηλεκτρόλυσης Hoffman με το με διάλυμα αυτό από το δοχείο του μεσαίου σωλήνα.
4.    iv.          Σύνδεση καλωδίων με τα ηλεκτρόδια:
5.      v.          Συνδέουμε στα δύο ηλεκτρόδια τα καλώδια παροχής.
6.    vi.          Σχηματισμός αερίων:
7.    vii.          Ενεργοποιούμε την παροχή ρεύματος και δίνουμε τάση 10 Volt.
8. Στην άνοδο, δηλαδή στον θετικό πόλο παράγεται οξυγόνο και παρατηρείται έντονος αφρισμός  ενώ στην κάθοδο, δηλαδή στον αρνητικό πόλο παράγεται υδρογόνο.

Διακρίνουμε την παραγωγή φυσαλίδων και στους δύο σωλήνες ενώ παρατηρούμε το ότι ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου είναι διπλάσιος από τον όγκο του παραγόμενου οξυγόνου. Η στάθμη του διαλύματος στο σωλήνα μέσα στον οποίο παράγεται το υδρογόνο ελαττώνεται αρκετά σε σχέση με του οξυγόνου.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Μετά την ηλεκτρόλυση παράγεται υψηλής καθαρότητας υδρογόνου. Πιο συγκεκριμένα, στην κάθοδο, ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) ανάγονται σε υδρογόνο ενώ στην άνοδο, το νερό οξειδώνεται σε οξυγόνο και πρωτόνια. Οι διεργασίες αυτές περιγράφονται αντίστοιχα από τις παρακάτω αντιδράσεις

2H+(aq) + 2e- → H2(g) (κάθοδος)

και

2H2O(liq) → O2 + 4H+(aq) + 4e- (άνοδος)

οι οποίες μας δίνουν το συνολικό μηχανισμό της ηλεκτρόλυσης

2H2O(liq) → O2(g) + 2H2(g)

 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Από τα αποτελέσματα του πειράματος της ηλεκτρόλυσης νερού προκύπτουν τα παρακάτω συμπεράσματα:

1.        i.          Το νερό μπορεί να διασπαστεί σε δύο απλούστερες ουσίες: το υδρογόνο και το οξυγόνο άρα, είναι σύνθετη ουσία.
2.      ii.          Το υδρογόνο είναι καύσιμο και το οξυγόνο είναι οξειδωτικός παράγοντας για καύση.
3.     iii.          Όσες φορές και αν διασπάσουμε οποιαδήποτε ποσότητα νερού, θα προκύπτει η ίδια αναλογία όγκου και μάζας υδρογόνου – οξυγόνου. Επομένως, το νερό έχει σταθερή σύσταση.
4.    iv.          Ο όγκος του υδρογόνου είναι διπλάσιος από τον όγκο του οξυγόνου.
5.      v.          Το υδρογόνο που παράγεται είναι υψηλής καθαρότητας.
6.    vi.          Το παραγόμενο οξυγόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βιομηχανική ή άλλη χρήση όπως για παράδειγμα: σε διαστημικές αποστολές η διάσπαση του νερού θα μπορούσε να παράγει υδρογόνο και οξυγόνο για να καλύψει τις ανάγκες των αστροναυτών
7.   vii.          Το παραγόμενο υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο οχημάτων.

ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΩΣ ΚΑΥΣΙΜΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ

Το υδρογόνο μπορεί να χαρακτηριστεί σαν το απόλυτο καύσιμο, διότι δεν έχει αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον καθώς κατά την καύση του παράγεται μόνο νερό και καθόλου ρύποι. Ο 21ος αιώνας προβλέπεται να είναι ο αιώνας του υδρογόνου, της μηδενικής εκπομπής ρύπων καυσίμου και της σταδιακής εγκατάλειψης των ορυκτών καυσίμων και των προβλημάτων που συσσώρευσαν στο περιβάλλον μας. Ενδεικτικά, η Ισλανδία, προσβλέπει σε μία υποδομή πλήρως βασισμένη στο υδρογόνο μέχρι το 2030-2040, ενώ μέχρι το 2030 στόχος του υπουργείου ενέργειας των Η.Π.Α. είναι η αντικατάσταση του 10% της ενεργειακής κατανάλωσης από ενέργεια υδρογόνου.

Κυψέλες καυσίμου (Fuelcell):Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το οποίο χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο και αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Δεν αποτελούν δηλαδή τον ίδιο τον κινητήρα αλλά το μέσο που παράγει ενέργεια για να τροφοδοτήσει ένα κινητήρα. Στην προκειμένη περίπτωση παράγεται ηλεκτρισμός για κάποιο ηλεκτρικό μοτέρ, που με τη σειρά του θα κινήσει το αυτοκίνητο.

Οχήματα υδρογόνου (FCEV): Τα οχήματα υδρογόνου, FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles), αποτελούν ηλεκτρικά αυτοκίνητα τα οποία διαθέτουν ως καύσιμο υγροποιημένο ή αέριο υδρογόνο που έχει παραχθεί με τη βοήθεια της ηλεκτρόλυσης, αποθηκευμένο σε κάποιο ρεζερβουάρ υψηλής πίεσης.

Η ηλεκτρόλυση λαμβάνει χώρα εντός της κυψέλης καυσίμου, δηλαδή του ηλεκτρολυτικού κελιού που διαχωρίζει τα δύο στοιχεία με μία μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίου (PEM). Από τη μία, εισάγεται το υδρογόνο και από την άλλη αέρα από το περιβάλλον. Ο στόχος, στην προκειμένη περίπτωση είναι να δημιουργηθεί μία αντίδραση μεταξύ του υδρογόνου και του οξυγόνου του αέρα, παράγοντας ρεύμα και νερό. Μία κυψέλη καυσίμου μπορεί να παράγει σταθερά περίπου 0,7 Volt. Αυτά μπορεί να μην δείχνουν σπουδαία, χρησιμοποιώντας όμως μία σειρά από τέτοιες κυψέλες, εύκολα παράγεται ικανή ενέργεια για να τροφοδοτήσει ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Επιπλέον, στην πράξη το μόνο «απόβλητο» μίας μονάδας fuel cell είναι η παραγωγή υδρατμών, που αποβάλλονται απροβλημάτιστα στο περιβάλλον με αποτέλεσμα να μειώνεται η ρύπανση του.

BOSCH

«Το μέλλον της αυτοκίνησης είναι η ηλεκτροκίνηση με κυψέλες υδρογόνου.»: Για την Bosch το μέλλον της αυτοκίνησης είναι η ηλεκτρική ενέργεια, πόσο μάλλον, όταν η εταιρεία θεωρεί την ηλεκτροκίνηση σημαντικό παράγοντα για την μείωση των εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα. Γι’ αυτό η Bosch αναπτύσσει ένα σύστημα κίνησης κυψελών καυσίμου υδρογόνου με έμφαση στα φορτηγά, το οποίο σχεδιάζει να βγάλει στη παραγωγή το 2022-2023. Με το συγκεκριμένο σύστημα κινητήρα κυψελών καυσίμου, ακόμη και φορτηγά 40 τόνων θα μπορούν να διανύσουν πάνω από 1.000 χλμ. σε ηλεκτρική λειτουργία. Το νέο αυτό σύστημα μετάδοσης κίνησης αναμένεται να καθιερωθεί σταδιακά και στα επιβατικά οχήματα.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Η συμμετοχή μας στον διαγωνισμό ACSTAC αποτέλεσε μια μοναδική εμπειρία που θα μας συνοδεύει στο υπόλοιπο της ακαδημαϊκής μας σταδιοδρομίας καθώς είχαμε την δυνατότητα όχι μόνο να παρουσιάσουμε την έρευνά μας αλλά ταυτόχρονα να παρακολουθήσουμε ενδιαφέρουσες εργασίες παιδιών, που μας προσέφεραν πολλές καινούργιες πληροφορίες σε διάφορους τομείς. Συνεπώς, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε το Αμερικανικό Κολλέγιο Ανατόλια, που μας έδωσε την ευκαιρία να συμμετέχουμε στον διαγωνισμό και στα workshop που οργανωθήκαν, τα οποία μας βοήθησαν να καταλάβουμε με πόσους διαφορετικούς τρόπους μπορούμε να συμβάλλουμε στη περίθαλψη του πλανήτη μας. Επιπλέον, θα θέλαμε να εκφράσουμε την ευγνωμοσύνη που νιώθουμε για την βοήθεια και καθοδήγηση που μας προσέφεραν οι καθηγητές μας και για την ατέλειωτη υποστήριξη που λάβαμε από τη διεύθυνση του σχολείου μας, «Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών». Τέλος, ελπίζουμε να σας κινήσει το ενδιαφέρον το άρθρο μας, έτσι ώστε να συμβάλλουμε όλοι μαζί στην προστασία του περιβάλλοντος.

ΑΝΑΦΟΡΕΣ

ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ- Γραφείο Εκπαίδευσης: Ηλεκτρόλυση νερού. Διαθέσιμο online:.

CHEMNOESIS: Η ηλεκτρόλυση του νερού. Διαθέσιμο online: https://chem.noesis.edu.gr/I-ilektrolysi-tou-nerou

Ιστολόγιο Αλευρά Πέτρο: 2.6.1 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ – ΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ – ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ. Διαθέσιμο online: https://blogs.sch.gr/petalevras

Wikipedia: Ηλεκτρόλυση. Διαθέσιμο στο https://el.wikipedia.org/wiki/Ηλεκτρόλυση

Wikipedia: Κυψέλη_καυσίμου https://el.wikipedia.org/wiki/Κυψέλη_καυσίμου

CAR AND DRIVER: Υδρογόνο: Πώς λειτουργεί ένα αυτοκίνητο με κυψέλες καυσίμου. Διαθέσιμο Online:https://www.caranddriver.gr/texnologia/arthro/ydrogono_kai_kypseles_kaysimou_h_arxi_leitourgias_video-7737072/

Wikipedia. Solid oxide fuel cell (protonic). Διαθέσιμο online:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/90/Solid_oxide_fuel_cell_protonic.svg/200px-Solid_oxide_fuel_cell_protonic.svg.png

BOSCH: Το μέλλον της αυτοκίνησης είναι η ηλεκτροκίνηση με κυψέλες υδρογόνου. Διαθέσιμο online: https://www.bosch.gr/news-and-stories/fuel-cells/

Χημεία (Β΄ Γυμνασίου) – Βιβλίο Μαθητή (Εμπλουτισμένο): 2.6 Διάσπαση του νερού – Χημικές ενώσεις και χημικά στοιχεία. Διαθέσιμο online:http://ebooks.edu.gr/ebooks/v/html/8547/2206/chimeia_b-gymnasiou_html-empl/index2_6.html

Europosters: Green hydrogen production from ecological renewable power generation outline diagram. Διαθέσιμο online: https://www.europosters.gr/green-hydrogen-production-from-ecological-renewable-power-generation-outline-diagram-f532737070

Atlas Copco: Παραγωγή υδρογόνου: Πώς γίνεται το υδρογόνο και τι είναι; Διαθέσιμο online: https://www.atlascopco.com/el-gr/compressors/air-compressor-blog/what-is-hydrogen-and-how-is-it-