Του Νικόλαου Δαρεμά, Μηχανολόγος Τεχνικού Τμήματος Ελλάδος, RINA
Τα καύσιμα μηδενικού αποτυπώματος άνθρακα θα διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στην επιτυχή έκβαση της προσπάθειας επίτευξης των στόχων του IMO (International Maritime Organization) για τον περιορισμό των αερίων του θερμοκηπίου που εκπέμπει η διεθνής ναυτιλία. Το υδρογόνο είναι ευρέως γνωστό για τη δυνατότητά του να συμβάλει στη μείωση της εκπομπής τόσο του διοξειδίου του άνθρακα (CO2), το οποίο είναι υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, όσο και άλλων ρύπων, που είναι επικίνδυνοι για την υγεία του ανθρώπου, όπως το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), τα μικροσωματίδια (PM) και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC). Γενικότερα, η διαρροή υδρογόνου δεν μολύνει το περιβάλλον, αφού δεν είναι τοξικό αέριο, κι ενώ υπάρχει μια ευρεία άποψη ότι το υδρογόνο είναι επικίνδυνο καύσιμο, συγκριτικά με άλλα ευρείας χρήσης, όπως η βενζίνη και το φυσικό αέριο, οι συνθήκες για να γίνει έκρηξη του υδρογόνου δεν διαφέρουν ουσιαστικά από τα άλλα καύσιμα. Αυτό συμβαίνει γιατί, παρόλο που μπορεί να καεί ακόμα και όταν βρίσκεται σε μικρές συγκεντρώσεις, το υδρογόνο διαχέεται πολύ γρήγορα στον αέρα. Έτσι, ο κίνδυνος έκρηξης είναι επικείμενος μονάχα για ελάχιστο χρόνο και μόνο εφόσον υπάρξει κάποια πηγή ανάφλεξης (σπινθήρας). Ένα επίσης πολύ σημαντικό πλεονέκτημα του υδρογόνου είναι η χαμηλή θερμική ακτινοβολία της φλόγας του, προκαλώντας έτσι βλάβες μόνο σε αντικείμενα ερχόμενα σε άμεση επαφή, ενώ το ανθρώπινο δέρμα μπορεί να παραμείνει ανέπαφο ακόμα και σε μικρή απόσταση από τη φλόγα. Το υδρογόνο είναι ένα άχρωμο αέριο, όμως του έχουν αποδοθεί «χρώματα» ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής του, εκ των οποίων τα βασικότερα είναι:
- Πράσινο: παράγεται με ηλεκτρόλυση που τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές.
- Μπλε: παράγεται από ορυκτά καύσιμα, κυρίως μεθάνιο (φυσικό αέριο), σε συνδυασμό με τεχνολογίες CCUS (carbon capture, utilization and storage) για δέσμευση του CO₂.
- Γκρι: παράγεται από ορυκτά καύσιμα, με παράλληλες εκπομπές CO₂.
- Μαύρο: παράγεται από γαιάνθρακες (κάρβουνο), απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες CO & CO₂.
- Ροζ: παράγεται με ηλεκτρόλυση, τροφοδοτούμενη με ηλεκτρική ενέργεια από πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Με τα σημερινά δεδομένα, οι ανανεώσιμες πηγές αδυνατούν να καλύψουν τη ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή «πράσινων» καυσίμων, με αποτέλεσμα το 96% της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου να γίνεται μέσω της αναμόρφωσης μεθανίου (steam-methane reforming), με πρώτη ύλη το φυσικό αέριο. Η μεγαλύτερη δυσκολία για τη διαχείριση του υδρογόνου ως καυσίμου είναι η μεταφορά και η αποθήκευσή του, καθώς, ενώ είναι ένας εξαιρετικός φορέας ενέργειας ‒περιέχοντας τρεις φορές περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μάζας σε σχέση με το πετρέλαιο‒, η πυκνότητα ενέργειάς του είναι 3.000 φορές μικρότερη. Έτσι, για να γίνει αποτελεσματικότερη η αποθήκευση και η μεταφορά του, πρέπει να συμπιεστεί και να υγροποιηθεί. Το υγρό υδρογόνο έχει περίπου 775 φορές μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας από το αέριο, υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες, αλλά ακόμα τέσσερις φορές χαμηλότερη από το πετρέλαιο.
Σήμερα, το υδρογόνο θεωρείται κυρίως ένας φορέας ενέργειας (energy vector), εφόσον όμως η καύση του παράγει μόνο υδρατμό και καθόλου διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), δεν πρέπει να παραβλέψουμε τη δυνατότητα χρήσης του και ως καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου (fuel cells) αποτελούν προσφιλή τεχνολογία, όμως απαιτούν υδρογόνο υψηλής καθαρότητας (99,999%) και είναι εξαιρετικά ευάλωτες σε τυχόν προσμείξεις (μονοξείδιο άνθρακα, αμμωνία), ανάλογα με την αρχική πηγή που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου, ενώ επιπλέον η κατασκευή τους απαιτεί τη χρήση σπάνιων και ακριβών γαιών. Ωστόσο, οι μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), που έχουν τη δυνατότητα ευκολότερης εναλλαγής μεταξύ καυσίμων, δύνανται να συνδράμουν σε μια λιγότερο πολύπλοκη μετάβαση στην «πράσινη» ενέργεια.
Το υδρογόνο έχει μια σειρά από ιδιότητες που επιτρέπουν να αυξηθεί ο βαθμός απόδοσης μιας ΜΕΚ:
- Μπορεί να αναφλεγεί σε ευρεία πυκνότητα στον αέρα, κάτι που καθιστά εφικτή την καύση φτωχού μείγματος (πλούσιο σε αέρα, αραιό σε υδρογόνο), βελτιώνοντας παράλληλα την απόκριση σε αλλαγές φορτίου.
- Έχει μεγάλο συντελεστή διάχυσης, που επιτρέπει σε πολύ λίγο χρόνο τη δημιουργία ομοιογενούς μείγματος, στοιχείο σημαντικό για πλήρη καύση.
- Έχει μεγάλη ταχύτητα μετάδοσης της φλόγας (6-8 φορές μεγαλύτερη από άλλα καύσιμα), επιτρέποντας στην καύση να πλησιάζει στα όρια του ιδανικού θερμοδυναμικού κύκλου.
- Επιτρέπει μεγαλύτερες σχέσεις συμπίεσης, καθώς έχει υψηλή θερμοκρασία ανάφλεξης.
- Επιπλέον, η φλόγα του υδρογόνου είναι δυνατόν να φτάσει πολύ κοντά στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης πριν σβήσει, οπότε δυνητικά, αν προστεθεί υδρογόνο σε ένα άλλο καύσιμο, μειώνονται οι εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων. Όμως, η ενέργεια που απαιτείται για την ανάφλεξη του υδρογόνου είναι μικρή, κάτι που επιτρέπει μεν την εύκολη ανάφλεξη φτωχού μείγματος, αλλά αυξάνει και την πιθανότητα για προανάφλεξη, δηλαδή έναρξη της καύσης πριν από την καθορισμένη στιγμή. Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, το υδρογόνο μπορεί μεν να βελτιώσει πολύ την καύση, ταυτόχρονα όμως απαιτείται ιδιαίτερος έλεγχος για την εισαγωγή και την ανάφλεξή του, ώστε να αποφευχθεί η προανάφλεξη. Αυτό σήμερα είναι εφικτό μόνο σε τετράχρονες μηχανές, διότι οι δίχρονες δεν έχουν βαλβίδα εισαγωγής και το εύρος ελέγχου είναι περιορισμένο.
Το υγροποιημένο φυσικό αέριο (ΥΦΑ) διαθέτει υψηλή ενέργεια ανά μονάδα μάζας χάρη στη χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και αντίστοιχα υψηλή σε υδρογόνο, γεγονός που το καθιστά μια καλή βάση για να αρχίσει η απανθρακοποίηση της ναυτιλίας. Σε αντίθεση με το πετρέλαιο, που μπορεί να καεί ακολουθώντας μόνο τον θερμικό κύκλο Diesel, η καύση του φυσικού αερίου μπορεί να ακολουθήσει και τον κύκλο Otto (όπως οι βενζινοκινητήρες). Στην περίπτωση του κύκλου Otto, το καύσιμο και ο αέρας έχουν ήδη αναμειχθεί πριν από την είσοδο στο θάλαμο καύσης, επιτρέποντας χαμηλές θερμοκρασίες και εκπομπές οξειδίων αζώτου. Στον αντίποδα, η χαμηλή ταχύτητα φλόγας του ΥΦΑ συμβάλλει στον χαμηλό βαθμό θερμικής απόδοσης και στην εκπομπή άκαυστου μεθανίου (methane slip). Όμως, η προσθήκη υδρογόνου σε μηχανές κύκλου Otto έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της ταχύτητας μετάδοσης της φλόγας και συνεπώς τη σημαντική μείωση του methane slip.
Από δοκιμές κατασκευαστών κινητήρων, γνωρίζουμε ότι η καύση μείγματος ΥΦΑ-υδρογόνου σε αναλογία 4:1 κατ’ όγκο βελτιώνει τη θερμική απόδοση, μειώνει ελαφρώς τις εκπομπές οξειδίων αζώτου, κατά 20% το άκαυστο μεθάνιο και 15% τη συνολική εκπομπή αερίων θερμοκηπίου, συγκριτικά με μια μηχανή που καίει μόνο ΥΦΑ. Συμπερασματικά, το υδρογόνο αποτελεί έναν βασικό πυλώνα της ενεργειακής μετάβασης και σήμερα υπάρχει η τεχνολογία για τη χρήση του στην παραγωγή ενέργειας με πολύ ευεργετικά αποτελέσματα.
Σχετικά με τον αρθρογράφο
Ο Νικόλας Δαρεμάς είναι Μηχανολόγος στο Τεχνικό Τμήμα, του ιταλικού νηογνώμονα RINA, στην Ελλάδα. Μετράει 4 χρόνια επαγγελματικής εμπειρίας στον κλάδο της Ναυτιλίας, σχεδόν εξ’ ολοκλήρου στον τομέα των νηογνωμόνων. Εντάχθηκε στον RINA τον Δεκέμβριο του 2020, ενώ από τον Απρίλιο του 2022 αποτελεί μέλος του Τεχνικού Τμήματος, εστιάζοντας κυρίως στις νέες τεχνολογίες, την έρευνα και την αξιολόγηση τεχνολογικών καινοτομιών, με στόχο την διαμόρφωση των πλοίων επόμενης γενιάς και την απανθρακοποίηση της Ναυτιλίας.
Ο Νικόλας Δαρεμάς είναι απόφοιτος του τμήματος Ναυπηγών Μηχανικών του Α.Τ.Ε.Ι. Αθήνας και κάτοχος μεταπτυχιακού Ναυτικής Μηχανολογίας από το πανεπιστήμιο του Newcastle Αγγλίας. Κατά τα ακαδημαϊκά έτη, επικεντρώθηκε κυρίως γύρω από τους Αυτοματισμούς Πλοίων και τις νέες τεχνολογίες, όπως οι Κυψέλες Καυσίμου. Το 2017, η πτυχιακή του εργασία, με τίτλο “Αυτοματοποιημένος έλεγχος στροφών κινητήρα Diesel, μέσω ελεγκτή P.I.D.”, βραβεύτηκε ως η καλύτερη του ιδρύματος, κατά το ακαδημαϊκό έτος 2016-2017.
