Goana lumii după hidrogen electrolitic împachetabil, pentru combustie și propulsie
0Jules Verne scria în romanul său “Insula misterioasă », publicat în anul 1874: “apa este cărbunele viitorului”.
Despicați apa și veți vedea!
Electroliza apei
Goana după hidrogen înfierbântă însă, în zilele noastre, cu totul alți oameni: nu pe inginerul Cyrus Smith, nici pe marinarul Pencroff, suflați cu balonul, de un vânt puternic, spre o insula misterioasă. Nici pe aventurierii mânați din Europa spre mirajul aurului din prundișurile nord americane, în Carolina (1799), California/San Francisco (1848), Colorado/Denver (1860-1870) sau Dakota de Sud (1874). Nu, acum gonesc politicieni, investori și bancheri din toată lumea spre Namibia, Emiratele Arabe Unite, și Patagonia (Argentina și Chile), căutând febril mult vânt și mult soare, pentru a produce „hidrogen verde“ prin electroliza apei, proces care are nevoie de energie electrică nepoluantă, așadar de la instalații eoliene și fotovoltaice. În acest scenariu devenit palpitant hidrocentralele și centralele nucleare sunt, în general, ocolite sau ignorate pe cât se poate.
Din păcate, balonul inginerului Cyrus Smith este încă departe de insula misterioasă, dar atât de promițătoare : doar 2% din hidrogenul produs pe « planeta albastră » este obținut prin electroliză. Pe de altă parte, numai 2,2% din energia primară a lumii revin energiei eoliene și numai 1,1% celei fotovoltaice, așa cum precizam în articolul „ Electromobilitatea, o re-revoluție care transformă motorul cu ardere internă…“.
Așadar, aproape 98% din hidrogenul industrial sunt obținute, la nivel global, încă pe bază de combustibili fosili., așa ca în țara miliardarului Rockefeller, din care tocmai evadaseră Smith și echipajul lui, în căutarea insulei misterioase, pe aripile unui vânt promițător.
Hidrogenul este, de peste o sută de ani, o componentă de bază în industrie, în special în producția de îngrășăminte și în rafinării. În general, pentru obținerea hidrogenului industrial din gaz natural (38%) sau din alte hidrocarburi - păcură (24%), benzină (18%), etilenă (6,6%) - se utilizează procedee tradiționale : reformarea catalitică, oxidarea parțială, sau piroliza. O altă metodă clasică este descompunerea vaporilor de apă, rezultată din gazeificarea cărbunelui (10%). Majoritatea acestor procedee implică nu numai un consum mare de energie, ci și o emisie considerabilă de dioxid de carbon.
Dar nepoții inginerului Cyrus Smith, încolțiți de pericolele climatice cauzate de emisiile antropogene de dioxid de carbon, provenite din arderea petrolului lui Rockefeler, dar și a gazelor și cărbunelui atâtor alți afaceriști, se salvează, mai nou, cu baloane spre insule
misterioase. Câte una o mai descoperă mai ușor, într-adevăr, dar multe altele, ascunse sub o vegetație luxuriantă alcătuită din neștiință, prostie și baliverne, le găsesc și le redestelenesc mai greu. Așa se întâmplă acum și cu legile și aparatele savantului englez Michael Faraday (1791 – 1867).
Electroliza apei ca reacție simplificată într-un aparat arhaic de laborator (stânga) și pe baza unei pile de combustie cu reacție inversată (dreapta) într-o instalație de serie din zilele noastre
Electroliza apei pentru obținerea hidrogenului apare, în contextul protejării climei, ca o metodă extrem de avantajoasă, deoarece dintr-o asemenea reacție nu rezultă, în afară de hidrogen, decât oxigen. Problema ar fi, poate, bilanțul energetic: în timpul electrolizei se consumă mai multă energie decât cea rezultată în masa de hidrogen produs. Mulți producători de asemenea instalații, dar și destui utilizatori sunt tentați de folosirea, în acest context, a noțiunii de randament energetic, în loc de bilanț, ceea ce nu are sens, atâta timp cât energia primară folosită, vântul sau soarele, este nelimitată !
Sisteme de acest tip, scalabile pentru generarea unor cantități mai mici sau mai mari de hidrogen au apărut, mai nou, că ciupercile după ploaie, având, la fel că și acestea, nevoie de apă, dar și de vânt sau de soare.
Sistem actual, modular și scalabil, pentru electroliza apei, produs într-o gama largă de Siemens Energy (sursa : Siemens Energy)
Așadar, logica utilizării energiei se schimbă:
Nu suim mașina electrică într-un balon, în căutarea Patagoniei, unde instalațiile eoliene produc aproape încontinuu energie, ci aducem energia, sub formă de hidrogen « la pachet », la mașina electrică din Berlin sau New York.
Avantajul hidrogenului la pachet față de electricitatea la sursa de generare constă în faptul că acesta nu are nevoie nici de nesfârșite rețele de cabluri groase, dar nici de acumulatori grei și voluminoși, ci numai de rezervoare fizice sau, mai nou « chimice » , comparativ mai simplu de gestionat și de transportat.
Generarea de energie electrică în instalații eoliene
Cel mai mare parc de turbine eoliene este Jiuquan Wind Power Base în China, unde este preconizată o putere instalată de 20 Gigawatt (actualmente 6 GW).
Parcul eolian Jaisalmer din India are o putere instalată de 1,6 Gigawatt (2012), similară cu aceea a Alta Wind Energy Center în California.
Norvegia poate obține din parcul propriu de turbine eoliene 1 gigawatt (2018), la fel ca Windpark Walney în Marea Britanie (2018), ale cărui turbine nu sunt însă amplasate pe uscat (on-shore) ci pe mare (off-shore).
Puterea instalată (declarată) este însă, întotdeauna, cea care ar putea fi obținută în condiții ideale, în acest caz la viteza maximă a vântului pentru care a fost calculată turbina respectivă.
Pe de altă parte, puterea momentană (reală) depinde de viteza momentană a vântului la puterea a treia ! De exemplu, între o viteză a vântului de 5,4 km/oră și una de 25 de km/oră (ambele fiind valori foarte frecvente) puterea crește, la aceeași densitate a aerului, de exact o sută de ori ! În Germania au fost fixate, ca exemplu, printr-o normă specifică DIN1055-4 patru zone distincte de vânt, între nordul și sudul țării, cu valori eșalonate de la 81 la 108 km/oră.
Instalațiile eoliene on-shore au puteri instalate de 2 până la 5 megawatt (un megawatt corespunde unei miimi de gigawatt), cele off-shore, beneficiind de vânt mai intens și de densități mai ridicate ale aerului umed ajung la 3,6 – 8 megawatt (Stan, C. : Energy versus Carbon Dioxide, Springer International, 2020). Parcul eolian off-shore Walney din Marea Britanie este compus din 2 module de câte 51 de turbine off-shore fiecare având o putere instalată de 3,6 megawatt, acestea fiind produse de Siemens.
Pentru că puterea instalată nu corespunde, în cele mai multe cazuri, celei reale, a fost introdus un factor de comparație – « orele de putere maximă », adică productivitatea exprimată în ore efective :
Anul are 8760 de ore. Puterea reală (în kilowatt, megawatt sau gigawatt) obținută oră cu oră în acest interval, țînând seama de oscilațiile provocate de vânturi cu viteze și direcții diferite, înmulțită cu 8760 de ore conduce la o energie, exprimată în kilowatt-ore, megawatt-ore sau gigawatt-ore. Numărul de ore de putere maximă, ca expresie a randamentului instalației, se obține simplu, prin împărțirea acestei energii totale la puterea maximă instalată, Teoretic, energia maximă ar fi obținută înmulțind puterea instalată cu numărul maxim de ore dintr-un an, adică 8760. « Orele de putere maximă », care ajung la valori de la 1400 la 5000 de ore, arată așadar gradul de utilizare, care, pentru toate instalațiile eoliene care funcționează în lume se situează între 16% și 57%.
Adică între un sfert și o jumătate din ceea ce ne-am propus !
Instalațiile on-shore ajung, cel puțin în Germania, la valori modeste de 1640 de ore, ceea ce corespunde unei eficiențe de 16,6%. Iată încă un argument convingător în legătură cu avantajele instalării de turbine eoliene mai degrabă în Patagonia (5200 ore de putere maximă) , decât între corturile de la Oktoberfest din München (5 litri de bere pe secundă, conform revistei germane Stern).
Dar, apropo de München : centrala nucleară învecinată, Isar II, cu o putere instalată de 1,485 gigawatt, care sunt livrați la acest nivel în 96% din orele unui an, genereaza intr-un an tot atâta energie (reală) cât 1667 de parcuri eoliene de mărimea celui din Marea Britanie, Windpark Walney. Dar să nu-l mâniem pe Dumnezeu cu radioactivitatea, soluție de care mulți, foarte mulți oameni se feresc ca dracul de tămâie : energie suficientă (un kilogram de uraniu conține tot atâta energie cât 12.600 litri de petrol), randament, prin comparație cu alte soluții, maxim. Dacă sunt proiectate, construite și intetinute la cel mai înalt nivel al tehnicii, centralele nucleare pot fi o soluție foarte viabilă. Dar ce facem cu deșeurile radioactive ? Nimeni, nici un stat din lume nu a rezolvat până acum problema : deșeurile radioactive de la toate centralele din lume, care conțin și poloniu, ajung anual la 12.000 de tone. Acestea sunt » îmbălsămate » în sticlă, beton sau ceramică, sau ascunse în mine de sare. Rușii le lasă, mai simplu, cu camioane cu tot în parcări sub cerul liber în Siberia. Conform unor cercetări, pe fundul Marii Mediterane ar mai putea să fi fost scufundate peste 32 de vapoare cu mai mult de 120 de butoaie de deșeuri radioactive fiecare. Există și idei ale unor savanți cam pierduți în lumea lor, de a catapulta astfel de butoaie spre soare.
Îl trimitem într-acolo tot pe Cyrus Smith, cu nacela plină de butoaie radioactive, ca sa straluceasca si echipajul, si cainele ca niste presupusi extraterestri?
Generarea de energie electrică în instalații fotovoltaice
Mari instalații fotovoltaice și eoliene în Marea Britanie, China și Arabia Saudită
Unul dintre cele mai mari parcuri fotovoltaice din lume se află în India – Pavagada Solar Park, cu o putere instalată (care ar putea fi obținută în condiții ideale, la radiația solară maximă) de 2,05 gigawatt (2019), obținuți de pe 53 km2. Huangh He Hydropower Park în Hainan, China, generează 2,2 Gigawatt (2021).
Totul sună gigantic! Am fi putut acoperi pânza balonului lui Cyrus Smith și cu panouri fotovoltaice, ca să nu-l lăsăm în voia vântului sau a soartei?
Teoretic, soarele transmite spre pământ o radiație vizibilă care, la limita superioară a atmosferei este de 1367 W/m2 (Stan, C. : Energy versus Carbon Dioxide, Springer Internațional, 2020).
În atmosfera pământului sunt reținute până la 1000 W/m2, în funcție de regiune, de anotimp și de perioada din zi. Datorită limitelor fizice ale reacțiilor din cristalele de siliciu folosite în modulele fotovoltaice randamentul nu depășește însă, conform multor studii științifice, valoarea de 24% : din cei 1000 W/m2 așteptați mai rămânem așadar cu 100 – 200 W/m2. O stație solară de pe acoperișul unei case, în nordul Germaniei, proiectată pentru o putere instalată (așadar maximă) de 5 kW generează în lunile de vara (aprilie-septembrie) o energie totală (puterea momentană înmulțită cu timpul) de 2880 kilowatt-ore (kWh). Din noiembrie până în martie sunt colectați însă, real, numai 1220 kWh. Așa ajungem la 4100 kWh pe an. Dacă înmulțim însă puterea instalată (maximă) de 5 kW cu cele 8760 de ore ale anului ajungem la nici mai mult, nici mai puțîn de 43200 kWh, ceea ce înseamnă o zecime din energia așteptată.
Pe de altă parte, cei 8 kWh pe care i-am obține, de exemplu, de pe 10 m2 de panouri fotovoltaice, corespund energiei unui singur litru de benzină, sau a patru litri de țuică (pe care ar fi preferabil să o utilizați direct, dar în porții bine măsurate, pentru încălzirea membrelor și a minții, chiar dacă mulți medici au altă părere) !
Eficientă medie a unei instalații fotovoltaice, calculată pe baza funcționarii tuturor instalațiilor de acest fel din lume, vara, iarna, în zile însorite sau mai întunecate, este de 13,7%, ceea ce este puțin în comparație cu eficiența instalațiilor eoliene ( 16 – 57%).
Problema crucială este însă că avem o nevoie imperioasă de aceste instalații care folosesc infinita energie a soarelui și a văntului, independent de căt de eficiente pot fi ele, pentru a contracara emisiile de dioxid de carbon rezultate din arderea petrolului, a gazului natural sau a cărbunelui !
Dar cum inpachetăm hidrogenul pentru a-l putea transporta spre Europa, Statele Unite, Canada sau China ?
Hidrogenul nu trebuie să curgă neapărat prin conducte, ca gazul metan, de la locul unde a fost generat până la utilizatorul care, de obicei, este la mii de kilometri depărtare.
Acele boabe de aur energetic pot fi foarte bine învelite în păstăi. Hidrogenul, cu cea mai mică masă moleculară dintre toate elementele are, în consecință, cea mai redusă densitate (de 15 ori mai mică decât cea a aerului !), la valori comparabile ale presiunii și temperaturii. Pentru o densitate mare creștem așadar presiunea sau micșorăm temperatura. Toyota, Hyundai și alți constructori de automobile cu pile de combustie au realizat rezervoare sub presiune – 300, 500, 600 sau chiar 900 de bari (aerul din cauciucurile unui automobil are, prin comparație, o presiune de numai 2,5 bari). BMW a preferat inițial, pentru automobilul BMW Class 7, varianta criogenică (temperaturi sub minus 253 grade Celsius) la care hidrogenul devine lichid, însă la o densitate mult sub cea a benzinei sau motorinei, compensată parțial de puterea calorifică mai mare. Înmagazinarea sub presiune “costă” însă aproximativ 12% din energia inițială a masei respective de hidrogen, iar cea criogenica ajunge la un consum de energie de până la 30%.
O soluție alternativă este stocarea hidrogenului în acumulatori cu structuri metalice, ca în niște bureți care absorb hidrogenul în pori, cu legături chimice mai degrabă slabe, care pot fi desfăcute, pentru eliberarea ulterioară a hidrogenului, prin creșterea temperaturii.
Dar cea mai promițătoare soluție este legarea hidrogenului prin legături chimice mai strânse, care duc la creșterea densității, sub formă de amoniac. Formarea amoniacului, prin clasicul procedeu Haber-Bosch se efectuează la 300 de bari și 450 de grade Celsius. La minus 33 grade Celsius amoniacul se lichefiază, la fel și la presiuni peste 9 bari. Pentru a « desface », la destinație, o asemenea legătură în elementele componente ale amoniacului, care sunt azotul și hidrogenul, este suficientă încălzirea acestuia la 700 de grade Celsius. Amoniacul lichid are o densitate foarte apropiată de cea a benzinei.
Puterea calorifică a acestuia este aproape jumătate din cea a benzinei. Dar dacă tot am ajuns cu el la destinație, care poate fi un motor cu pistoane, un motor cu reacție sau reactorul unei pile de combustie, de ce să nu-l ardem direct ?
Simplu: pentru ca să nu râdem!
Arderea amoniacului poate genera, în anumite condiții ale reacției chimice, protoxid de azot, cunoscut și ca gaz ilariant.
Rămânem, așadar, la hidrogenul pur, sau îl împachetăm altfel :
în LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers, adică transportori organici lichizi de hidrogen), care sunt niște structuri chimice cu catene de carbon legate în ochiuri ca la plasele de sârmă, cu atomi de hidrogen pasager prin ochiuri. Hidrogenul care trebuie transportat poate fi « legat », aplicând o tehnică recentă, la 30 – 50 de bari și 150 – 200 grade Celsius, folosind un catalizator, iar mai apoi « dezlegat » prin încălzire la peste 250 de grade Celsius.
Iar dacă balonul lui Cyrus Smith va fi fiind suflat spre Patagonia, întreprinzătorul inginer care a vrut să scape de câmpurile lui Rockefeller, din care mustea petrolul, ar putea încerca să capteze dioxidul de carbon adus de oceane prin aer, combinându-l apoi cu hidrogenul obținut prin electroliză într-un produs nemaipomenit de promițător :
Metanolul !
Doar, atenție la marinarul Pencroff, la fiul lui adoptiv Harbert, la jurnalistul Gedeon Spilett, și la servitorul Nab, care de mult tânjesc după o tărie de care să le crape ochii!
Doar că asupra lor veghează câinele domnului Smith, Top, care în mod sigur va fi fost mituit și instruit pentru salvgardarea metanolului destinat fioroaselor motoare ale celebrelor Carrera și Panamera de inginerii de la Porsche !
Se încarcă comentariile...
