Hidrogen
 

Principala alternativă (în mass-media)

Hidrogenul nu este o resursă, nu există în natură. El trebuie produs.
E doar un purtător de energie ca și electricitatea

Bunul simț ne spune că alternativele energetice vor apărea pe măsură ce va fi nevoie de ele. Dar de ce să așteptăm ultimul minut?

Nivelul ignoranței referitor la cantitatea de petrol și gaze naturale consumate pe planetă ne pun în fața veșnicei afirmații "Lasă bă că găsesc băieții ceva".

Costurile pentru a muta o mică parte din infrastructura actuală pe hidrogen sunt astronomice. Dar problemele principale nici nu sunt de natură economică. Sunt pur și simplu fizice.

În primul rând trebuie energie ca să produci energie. Trebuie energie ca să sapi un puț petrolifer, trebuie energie ca să produci un panou solar fotovoltaic, trebuie energie ca să produci hidrogen.  Dar rata profitului energetic este diferită pentru fiecare alternativă și cifra trebuie determinată obiectiv. Să presupunem că investim 500 de miliarde sau chiar 2 sau 3 trilioane dolari în următorii 10 ani în conversia economiei la hidrogen. Apoi descoperim că de fapt hidrogenul are o grămadă de costuri ascunse.

În mod ironic petrolul conține cea mai concentrată formă de hidrogen disponibilă pentru consum, conține mai mult hidrogen în același volum decât hidrogenul în stare pură, deoarece structura atomilor la hidrocarburi folosește mai puțin spațiu. Hidrogenul de asemenea are un coeficient caloric mai mic (un galon de petrol: 3,78 litri - are 115.000 de btu, un galon de hidrogen lichid are doar 30.000 btu ) așa că ai nevoie de o cantitate de hidrogen lichid de 4 ori mai mare (comparat cu petrolul) pentru a parcurge aceiași distanță cu același tip de motor (ipotetic). Această valoare mică a coeficientului caloric dictează de asemenea o creștere în volum sau în presiune a întregului sistem: producere, distribuție, transport, depozitare.
Sistemul actual de țevi pentru transportul gazului natural este gândit pentru o densitate de 10 ori mai mare ca a hidrogenului. Gazul natural se bucură de asemenea de o valoare mai mare a energiei conținute în același volum.

 

 

 Hidrogen

 Metan

Densitate

kg/m3

0.0887

0.707

Gravimetric

MJ/kg

142

55.6

Volumetric

MJ/m3

12.7

40

Să o punem altfel:

  • Hidrogenul   H2  = 11.11 m3/kg
  • Metanul     CH4  = 1.39 m3/kg

Ca să transporți hidrogenul pe căi obișnuite e aproape imposibil. Infrastructura actuală de țevi de gaz natural nu a fost concepută pentru un gaz de 10 ori mai ușor. De fapt vorbim de cea mai mică moleculă. Din ce material să construiești o țeavă sau un recipient care să reziste?

Transportul pe șosea e chiar mai problematic.

Ca să transporți aceiași cantitate de energie pe care o transportă actualmente o autocisternă obișnuită cu hidrocarburi, ai nevoie de minim 15 autovehicule identice dacă e vorba de hidrogen lichid. Și 22 dacă e vorba de hidrogen compresat. Mai rău, autocisterna va consuma 34% din cantitatea transportată la fiecare 500 Km în loc de 2 - 4% în cazul hidrocarburilor. Pe scurt hidrogenul e greu, dacă nu imposibil de transportat. Asta înseamnă că trebuie produs chiar acolo unde va fi consumat.

Dificultatea majoră în cazul hidrogenului, chiar și compresat, este volumul.

Un kilogram de hidrogen conține aproape aceiași cantitate de energie (142 MJ) ca 4 litri de benzină (138MJ).

DAR

Un kilogram de hidrogen depozitat într-un cilindru sub presiune la 150 atmosfere (2.200 psi) ocupă 91 de litri (adică 1.6 MJ/litru). Pentru comparație 8,2 litri de benzină conțin aceiași cantitate de energie.  Cilindrii sub presiune de 350 de atmosfere (5.000 psi) sau chiar de 700 de atmosfere (10.000 psi) trebuiesc dezvoltați (nu există încă), dar chiar la 700 de atmosfere volumul kilogramului de hidrogen ocupă 27 litri, ajungând la 5,3 MJ / litru.

Hidrogenul lichid este ceva mai avantajos comparat cu hidrogenul compresat pentru că se ajunge la doar 14 litri / kilogram. Adică 10 MJ / litru. Dar hidrogenul vaporizează la -253 °C  deci necesită un tanc criogenic de-a dreptul exotic. Mai rău, în laboratoare, în condiții extreme, hidrogenul lichid nu rezistă mai mult de 2 zile indiferent de materialul din care e compus tancul. Hidrogenul lichid "fierbe" la o rată de minim 3% pe zi. Asta exclude varianta actuală a făcutului plinului odată pe săptămână. De fapt exclude o grămadă de variante.

Teoretic trebuie cam 14.2 MJ/kgLH2  ca să răcești hidrogenul de la 25°C la  -253 °C.  Practic acum s-a ajuns la o cifră de 30.3 MJ/kgLH2. În condiții de fabrică mare ( investiție peste 10 milioane $ )

Dacă încă n-ați făcut calculul, atunci vă spun eu. Deja trebuie energie (multă) ca să comprimi sau să lichefiezi hidrogenul, apoi să-l transporți. Dar n-am uitat nimic? A, da, trebuie energie ca să produci hidrogenul.

Există mai multe feluri de a obține hidrogen:

Electroliza apei, procesarea biomaselor, procesarea gazului natural , separarea apei folosind lumina. Aceste procese sunt mari consumatoare de energie și rezultatul este întotdeauna hidrogen cu un raport energetic negativ.

Electroliza apei -( cel mai curat procedeu pentru obținerea hidrogenului ) este cel mai negativ proces energetic dintre toate, aproximativ 75% eficiență și costuri de patru ori mai mari decât transformarea gazului natural în hidrogen, o industrie deja stabilă. E mai ieftin și mai puțin poluant să arzi pur și simplu gazul natural decât să-l transformi în hidrogen.  

Observați vă rog că nu am vorbit deloc de una din cele mai mari probleme legate de hidrogen. Securitatea. E adevărat că ați văzut multe mașini în filme făcând BOOOM dar bănuiesc că știți că în viața reală e foarte greu să se întâmple asta. Orice cascador vă va povestii că de fapt mașinile obișnuite nu explodează nici măcar în situații speciale (gen spart rezervorul și dat foc). Cu hidrogenul însă e o altă poveste. O lovitură în rezervorul de hidrogen lichid într-un accident banal și am rezolvat brusc toate ecuațiile. Zeppelinul Hindenburg vă spune ceva? Și acolo nici nu era hidrogen lichid ci doar gaz.

Mașina cu hidrogen și celule de combustibil

Mă rog, să zicem că am produs hidrogenul. Ne-a costat mult, enorm chiar, dar l-am produs. Și acum ce facem? Păi îl punem în mașina care funcționează cu celule de combustibil (Fuel Cells). Ce nu știți probabil e că celule de combustibil costă enorm. IARĂȘI costuri enorme? Nu, nu, nu, de data asta aș zice chiar astronomice. De 30 de ani de când sunt studiate, costurile pentru producerea celulelor de combustibil nu au scăzut dramatic. Prețul actual (2004) este de 25.000 de euro / KW. O mașină mică cu motor de 0,6 litri are în jur de 25 KW putere. Facem socoteala? Păi, e simplu, un motor de să zicem 2KW cu celule de combustibil, adică de motoretă sau scuter, aproximativ 50.000 euro.  De ce costă atât? Păi, 100 de grame de platină pentru fiecare celulă. În prezent o celulă de combustibil necesită mai mult de 100 de grame dar se speră ca această cantitate să scadă. Dacă folosim toată cantitatea extrasă pe Pământ de-a lungul unui an, adică 5.860.000 de uncii ( o uncie = 28,35 grame)  abia putem fabrica 1.500.000 de mașini. Ooops. În prezent pe planetă există 600 de milioane de autovehicule și anual se mai fabrică vreo 15-20 de milioane. Dacă, și sublinez dacă, cantitatea de platină necesară ar scădea dramatic la doar 30 de grame (adică de 3 ori !!!) atunci, ca să convertim cele 600 de milioane de autovehicule actuale am avea nevoie de 120 de ani la rata actuală de extracție a platinei. Referințe. Dar stați la locurile dumneavoastră. Pe planetă oricum nu mai e atâta platină.

Am uitat să vă spun că celule de combustibil se strică foarte des. Cam o dată pe zi. Orice impuritate ajunge în hidrogen, hop motorul s-a stricat. Oricum viața actuală a unei celule de combustibil este de maxim 4.000 de ore. Apoi încă 50.000-100.000 euro.

Despre celule de combustibil și cum să risipești un miliard de dolari Ballard Power Systems Inc. Ballard Power este una din firmele de vârf în domeniu, în ultimii zece ani a cheltuit peste un miliard, bani proveniți din fonduri private și de stat, acum se îndreaptă încet dar sigur spre faliment pentru că nu are și nici nu va avea într-un viitor apropiat un produs pentru piață. Prețul stocurilor Ballard au ajuns de la peste 200 dolari în 2000, la sub 5 dolari în 2004.

Cam atât deocamdată despre celule de combustibil. Să revenim la hidrogen.

Și să vedem ce zic producătorii de automobile. Dr. Jorg Wing, reprezentant al concernului Daimler/Chrysler a fost tranșant la conferința ASPO din Paris 2002 când a explicat că firma sa nu vede hidrogenul ca pe o alternativă viabilă pentru motoarele cu combustie internă. El a afirmat că vehiculele cu celule de combustibil nu vor ajunge niciodată pe piață. Hidrogenul a fost exclus ca soluție datorită costurilor de producție, ineficienței energetice, lipsei infrastructurii, dificultăților de stocare, etc.

Pentru calcule amănunțite (cu adevărat amănunțite și o prezentare extrem de detaliată)
The future of hidrogen
ftp://members.aol.com/optjournal/h2fant.doc
ftp://members.aol.com/optjournal2/h2asec.doc
 

The National Hydrogen Energy Roadmap is available on the internet in pdf form http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/  The document does mention the various challenges to each area of fuel cell development, but makes little of the obstacles and instead comes off sounding like a pep talk. Buried in the text, they admit "The transition to a hydrogen economy... could take several decades to achieve."

 Hydrogen , while very abundant on earth , almost never exists as a free gas, so other hydrogen compounds need to be treated in order to make hydrogen gas. Currently the treatment of method with steam is used to produce the hydrogen gas ( CH4 (g) + H2O = 3H2 (g) + CO (g) ) (Zumdahl,1997) but this reaction requires a lot of energy to make the hydrogen gas . It is currently more economical to simply burn the methane instead of using it to get the hydrogen used for fuel. In addition, this method of achieving hydrogen endorses a reliance upon natural gas as well as producing Carbon Monoxide as a byproduct

Fuel Cell Folly

http://www.solaraccess.com/news/story?storyid=6745
Din nou un link pe care nu știu unde să-l pun. E de fapt pesimist chiar dacă e vorba de The Renewable Hydrogen Forum și de ASES and the renewables community

Why Hydrogen is no Solution

Oliver Sylvester-Bradley document word 750KB

Bottling the hydrogen genie

Is Hydrogen Sustainable

Hidrogen și nu numai

Why Hydrogen is no Solution

raport Bossel despre hidrogen    - articol pdf  - Acrobat reader

Fostul ministru al mediului Franta  articol Le Monde in franceza

http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html

http://www.defactodesign.com/papers/The-hydrogen-economy.doc

The hydrogen economy can realistically work except for 1 crucial point. 
Hydrogen is not an energy source itself, but it's rather a energy carrier
like electricity, that is hydrogen cannot be mined or found elsewhere
naturally.  It must be produced either by reforming natural gas (temporary
solution, because natural gas production will sharply decline and fall to
zero in some years) or using electricity, which would be produced by giant
solar plants or wind farms...
So the main problem is not to develop a car with any kind of energy...  There
already are lots of prototypes floating around...  About one third of
europeans driver use diesel already (cars can be slightly modified to accept
vegetal oil).  Perhaps 1 percent use GPL... 
The main problem is to produce enough energy for the most basic things
(heating and food production) without oil and without gas.  And that's
already a big challenge...  Driving is secondary...
How to consume and store this energy is an important point, but not the most
important...  The most important point is to produce enough energy in any
form without oil or gas...
As energy produced solar plants and wind farms will certainly not match the
actual energy consumption in the short or middle term, people will have to
reduce their energy consumption