Η χρήση του Υδρογόνου ως αεροπορικού καυσίμου - Τα προβλήματα και οι προοπτικές

Με τον όρο Ατμοσφαιρική Ρύπανση εννοείται η εισαγωγή στην ατμόσφαιρα βλαβερών χημικών ή βιολογικών ουσιών με τη μορφή αερίων ή σωματιδίων που έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον (φυσικό ή ανθρωπογενές) ή/και στους ζωντανούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου. Η ατμοσφαιρική ρύπανση είναι κυρίως απόρροια διαφόρων ανθρωπίνων δραστηριοτήτων, μερικά παραδείγματα των οποίων είναι η βιομηχανία, η γεωργία και οι μεταφορές, ενώ μπορεί να προκληθεί και από φυσικές πηγές. Οι ρυπαντές της ατμόσφαιρας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τους πρωτογενείς και τους δευτερογενείς. Οι πρώτοι εκπέμπονται απευθείας από κάποια πηγή, ενώ οι δεύτεροι σχηματίζονται από χημικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα. Στους σημαντικότερους και πιο επιβλαβείς για τον άνθρωπο ρύπους συγκαταλέγονται το τροποσφαιρικό όζον, τα οξείδια του αζώτου, με κυριότερο το διοξείδιο του αζώτου, και διάφορα σωματίδια με διάμετρο μικρότερη των 2.5 μm. Αρκετοί ρυπαντές συντελούν επίσης στο φαινόμενο της  κλιματικής αλλαγής, όπως το διοξείδιο του άνθρακα. 

Πλέον η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει διασπαρθεί σε ολόκληρη τη γήινη ατμόσφαιρα, που μαζί με τις επιπτώσεις της στον άνθρωπο και στο περιβάλλον κάνουν επιτακτική την ανάγκη μείωσής της και συνεπώς της λήψης κατάλληλων μέτρων. Στις ενέργειες που γίνονται στην Ευρώπη για την αναχαίτιση της κλιματικής αλλαγής περιλαμβάνεται η επιτάχυνση της απολιγνιτοποίησης, μειώνοντας έτσι σημαντικά την εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα, πρακτική που ακολουθεί και η Ελλάδα. Παράδειγμα αποτελεί η Ισπανική εταιρεία Endesa, η οποία στοχεύει να κατασκευάσει στην Πορτογαλία σταθμό φωτοβολταϊκών ισχύος 650 MW και παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης. Η Πορτογαλία επενδύει στο υδρογόνο, σκοπεύοντας ως το 2030 να καλύπτει μέσω αυτού 1.5 με 2% των ενεργειακών της απαιτήσεων, μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ανάγκη χρήσης φυσικού αερίου. Επίσης εστιάζει στην εξαγωγή αυτού. Επιπλέον, η Shell, μέσω της χρήσης PEM ηλεκτρολύτη, στοχεύει στην παραγωγή 1300 τόνων υδρογόνου ανά έτος, ενώ αποτελεί μέρος πολιτικής ανάπτυξης έργων παραγωγής βιώσιμων καυσίμων αεροσκαφών.

Η κλιματική αλλαγή και κατά συνέπεια η ατμοσφαιρική ρύπανση, καθώς και τα απαραίτητα μέτρα που πρέπει να ληφθούν, αποτελούν αντικείμενο στην ατζέντα πολλών διεθνών οργανισμών, όπως ο Οργανισμός Ηνωμένων Εθνών και το Global Future Council του Παγκόσμιου Οικονομικού Φόρουμ. Το ερευνητικό έργο Clean Sky είναι ένα πρόγραμμα της Ευρωπαϊκής Ένωσης με σκοπό την ανάπτυξη αεροπορικών τεχνολογιών οι οποίες θα οδηγήσουν στη μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του αζώτου καθώς και άλλων αέριων ρύπων, όπως και στην ελάττωση του παραγόμενου θορύβου. Ήδη τα τελευταία πενήντα χρόνια τα προαναφερθέντα έχουν μειωθεί σε ποσοστά υψηλότερα του 70%. Όμως, η αύξηση της εναέριας κυκλοφορίας καθιστά αναγκαία την περαιτέρω αναζήτηση τεχνολογιών που θα οδηγήσουν σε μείωση της ρύπανσης της ατμόσφαιρας. Η Airbus ανήκει στις εταιρείες που υποστηρίζουν το πρόγραμμα Clean Sky. Επίσης, ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας προτείνει έναν χάρτη με σκοπό την κλιματική ουδετερότητα. Ανάμεσα στους στόχους του βρίσκεται η αποτροπή της ανόδου της θερμοκρασίας περισσότερο από 1.5 oC, καθώς και η επένδυση στη μελέτη της χρήσης του υδρογόνου ως καύσιμο. 

Το υδρογόνο H2 αποτελεί το πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα. Το σημείο υγροποίησής του είναι στους -252 ºC. Το υγρό υδρογόνο έχει πυκνότητα 70.7 kg/m3, δηλαδή περίπου δέκα φορές λιγότερη από την κηροζίνη, κάτι που σημαίνει ότι είναι αισθητά ελαφρύτερο. Η ειδική του ενέργεια είναι υψηλή (141.8 MJ/kg), συγκεκριμένα τρεις φορές παραπάνω από την κηροζίνη, προσφέροντας έτσι περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μάζας. Ακόμη, το σημείο αυτανάφλεξης του υδρογόνου είναι στους 500 ºC. Η αφθονία του στη γήινη ατμόσφαιρα αποτελεί έναν από τους παράγοντες που το καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικό ως προς τη χρήση του ως αεροπορικό καύσιμο. 

Η ιδέα της χρήσης του υδρογόνου ως καυσίμου για τα αεροπλάνα υπάρχει εδώ και πολλές δεκαετίες. Ήδη το 1957 πραγματοποιήθηκε πτήση ενός Martin B-57B της NACA με υδρογόνο ως καύσιμο στον ένα από τους κινητήρες του. Το πρώτο πειραματικό αεροσκάφος, Tupolev Tu-155, χρησιμοποιούσε αποκλειστικά υδρογόνο ως καύσιμο και πραγματοποίησε την πρώτη του πτήση το 1988. Η Boeing, το 2008, τροποποίησε ένα αεροσκάφος Diamond DA20, ώστε να λειτουργεί με κυψέλες υδρογόνου. Το υγρό υδρογόνο χρησιμοποιείται επίσης ως καύσιμο σε αεροδιαστημικές εφαρμογές.

Η μείωση της έκλυσης διοξειδίου του άνθρακα από τους κινητήρες αεροσκαφών είναι ένας μείζων στόχος της αεροπορικής βιομηχανίας, ειδικά αφότου την τελευταία δεκαετία άρχισε η λήψη δεσμεύσεων προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα του υδρογόνου ως καύσιμο αεροσκαφών είναι η μηδενική παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα. 

Υπάρχουν δύο εναλλακτικά σενάρια χρήσης του υδρογόνου ως αεροπορικού καυσίμου, είτε με την άμεση καύση του (hydrogen combustion), είτε αποθηκευμένο σε κυψέλες καυσίμου (hydrogen fuel cell – HFC). 

Στην πρώτη περίπτωση, η καύση του υδρογόνου σε έναν κατάλληλα τροποποιημένο αεροπορικό κινητήρα παράγει την ώση. Αναλυτικότερα, το καύσιμο αναμιγνύεται με τον αέρα ώστε να τεθεί σε κίνηση ο στρόβιλος και κατά συνέπεια η έλικα του κινητήρα. Η ανάμειξη του υδρογόνου με τον αέρα είναι πιο ομοιογενής σε σχέση με την κηροζίνη, μια και το υδρογόνο είναι ελαφρύτερο. Η έκλυση αερίων υπεύθυνων για το φαινόμενο του θερμοκηπίου σχεδόν μηδενίζεται, μια και εκλύονται μόνο υδρατμοί και μια μικρή ποσότητα νιτρικών οξειδίων. Σε σχέση με τη χρήση κυψελών καυσίμου, οι απαραίτητες μετατροπές στον χώρο αποθήκευσης καυσίμου και στον κινητήρα ενός αεροσκάφους είναι σαφώς λιγότερες.

Στις κυψέλες υδρογόνου το συμπιεσμένο υγρό υδρογόνο αντιδρά με οξυγόνο. Με τον όρο κυψέλη καυσίμου ορίζεται μια συσκευή που μετατρέπει μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου, όπως το υδρογόνο, και ενός οξειδωτικού μέσου, όπως το οξυγόνο, σε ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν πολλοί τύποι κυψελών, ένας εκ των οποίων είναι η PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Αναλυτικότερα, εισάγεται υδρογόνο και αέρας στην κυψέλη. Το υδρογόνο και το οξυγόνο του αέρα εισάγονται στον καταλύτη, από την πλευρά της ανόδου και της καθόδου αντίστοιχα. Η άνοδος οδηγεί στην οξείδωση του υδρογόνου. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα περνούν μέσω της πολυμερικής μεμβράνης ηλεκτρολύτη (polymer electrolyte membrane) στην κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια περνούν μέσω εξωτερικού κυκλώματος, δημιουργώντας την έξοδο της κυψέλης. Στην κάθοδο, τα κατιόντα υδρογόνου και τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με το οξυγόνο προς τον σχηματισμό μορίων νερού. Η διαδικασία οδηγεί στην παραγωγή νερού, θερμότητας και ηλεκτρισμού. Ο ηλεκτρισμός θέτει σε κίνηση την έλικα του αεροσκάφους. Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι πιο αποδοτική από την προηγούμενη κατά 20% με 40%, κάνοντάς την πιο συμφέρουσα. Επιπρόσθετα μηδενίζεται απόλυτα η έκλυση αερίων υπεύθυνων για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, μια και μόνο υδρατμοί εκλύονται, οι οποίοι με κατάλληλο σχεδιασμό είναι ιδιαιτέρως διαχειρίσιμοι. Παρόλα αυτά το βάρος απογείωσης αυξάνεται σημαντικά, κάνοντας επιτακτική την ανάγκη σχεδιασμού ελαφρών δεξαμενών αποθήκευσης και συστημάτων ψύξης.

Τα αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί να κάνουν χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου το αποθηκεύουν σε μέρος της ατράκτου τους, σε αντίθεση με τα αεροσκάφη που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα, όπου η αποθήκευση αυτών γίνεται στις πτέρυγες. Αυτό οφείλεται στην υψηλή πτητικότητα του υδρογόνου, δηλαδή στην ικανότητά του να εξατμίζεται εύκολα. Οι δεξαμενές αποθήκευσης είναι κατασκευασμένες από ανθρακονήματα, συνήθως σφαιρικής ή κυλινδρικής γεωμετρίας. Επιπρόσθετα, πρέπει να λαμβάνεται ιδιαίτερα υπόψη κατά τον σχεδιασμό της δεξαμενής η στεγανότητά της, διότι, εξαιτίας της ευλεξιμότητας του υδρογόνου, ακόμα και μικρές διαρροές ενδέχεται να έχουν καταστροφικές συνέπειες.  Η αποθήκευση στην άτρακτο συνεπάγεται αύξηση του μήκους και της διαμέτρου της, μειώνοντας την απόδοση και αυξάνοντας την οπισθέλκουσα δύναμη. Όμως τα παραπάνω αντισταθμίζονται με το μικρότερο βάρος του υδρογόνου σε σχέση με την κηροζίνη, κάτι το οποίο, ανάμεσα στα άλλα, συνεπάγεται μείωση του βάρους απογείωσης.

Ένα από τα σημαντικότερα οφέλη της χρήσης του υδρογόνου ως καυσίμου είναι η ειδική του ενέργεια σε συνδυασμό με τη χαμηλή του πυκνότητα. Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, με τη χρήση του υδρογόνου είναι μηδενική η έκλυση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, ενώ επιπροσθέτως μειώνονται η ηχορύπανση και η έκλυση άλλων αερίων υπεύθυνων για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ακόμη, η αφθονία του υδρογόνου προσφέρει ένα ακόμα προτέρημα σε σχέση με τα εξαντλήσιμα ορυκτά καύσιμα. Όλα αυτά συντελούν στην υπεροχή του υδρογόνου ως αεροπορικό καύσιμο.

Το υδρογόνο αποτελεί ένα ιδιαίτερα εύφλεκτο στοιχείο. Γι’ αυτό τον λόγο πρέπει να αποφεύγονται πάσης φύσεως διαρροές, οι οποίες ευνοούνται από το μικρό του βάρος και τις μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας στις οποίες λειτουργεί ένα αεροσκάφος. Το τελευταίο συντελεί και στο φαινόμενο hydrogen embrittlement. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα φαινόμενο, όπου τα άτομα του υδρογόνου αντιδρούν με την επιφάνεια μεταλλικών υλικών όπως ο χάλυβας και ο σίδηρος με αποτέλεσμα να μειώνεται η ολκιμότητά τους και να αστοχούν. Θεωρείται ότι η κατασκευή δεξαμενών από ανθρακονήματα θα λύσει το παραπάνω ζήτημα.

Στην περίπτωση της μεθόδου hydrogen combustion η ανάφλεξη του μείγματος αέρα καυσίμου είναι ευκολότερη. Ακόμη, η ταχύτητα εξάπλωσης της φλόγας του υδρογόνου είναι ιδιαιτέρως υψηλότερη από αυτή της κηροζίνης, κάνοντας πιθανές τις ανωμαλίες της καύσης λόγω της διαφοράς ταχυτήτων της ροής του αέρα και της φλόγας και οδηγώντας στη μείωση του χρόνου ζωής του κινητήρα. Όσο αφορά τη μέθοδο των κυψελών υδρογόνου, η ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας είναι αρκετή, συνεπώς είναι απαραίτητα κατάλληλα ψυκτικά συστήματα, τα οποία όμως προσθέτουν σημαντικό βάρος στο αεροσκάφος. Το βάρος αυτό όμως αντισταθμίζεται, όπως προαναφέρθηκε, από το μικρό βάρος του υδρογόνου. Επιπλέον, τα υλικά κατασκευής όπως τα ανθρακονήματα, η πλατίνα και συγκεκριμένα πολυμερή (όπως το Nafion) των κυψελών έχουν υψηλό κόστος. Επιπρόσθετα, απαραίτητος είναι ο σχεδιασμός ενός νέου συστήματος αποθήκευσης καυσίμων, συστήματος ψύξεως των δεξαμενών υδρογόνου και τρόπου ανεφοδιασμού. Όλα τα παραπάνω όμως αποτελούν ένα μικρό αντίτιμο σε σχέση με τα οφέλη που προσφέρονται, ειδικά όσο αφορά τις σχεδιαστικές παραμέτρους, οι οποίες πραγματοποιούνται άπαξ.

Επιπλέον, προς το παρόν δεν υπάρχει υποδομή ώστε να γίνει κατάλληλη αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων, τουλάχιστον όσο δεν υπάρχουν αυστηρές περιβαλλοντικές δεσμεύσεις και κυρώσεις, ενώ ακόμη η τιμή του υδρογόνου είναι προς το παρόν υψηλή σε σχέση με την κηροζίνη. Αυτό, όμως, προβλέπεται ότι θα αλλάξει στο σύντομο μέλλον. Ακόμη, προς το παρόν η πλειοψηφία των χρησιμοποιούμενων μεθόδων παραγωγής υδρογόνου είναι συνδεδεμένη με τη χρήση και εκπομπή σημαντικής ποσότητας παραγόντων άνθρακα. Η ηλεκτρόλυση από την άλλη δεν ανήκει στις προαναφερθέντες μεθόδους, απαιτεί όμως μεγάλη ποσότητα ενέργειας για την πραγματοποίησή της. Σχεδιάζεται, όμως, η ίδρυση του πρώτου εργοστασίου παραγωγής αεροπορικού καυσίμου υδρογόνου εντός της Ευρώπης, το 2023, από την Norsk e – Fuel, ένα πρωτοπόρο εγχείρημα προς την κατεύθυνση της κίνησης των αεροσκαφών άνευ εκπομπών ρύπων και συνεπώς ανακοπής μέρους της εξέλιξης της κλιματικής αλλαγής.

Βιβλιογραφία – πηγές:

• airbus.com, Supporting Clean Sky – 2018
• avgi.gr, Ατμοσφαιρική ρύπανση: Νέες προκλήσεις – 2021
• easa.europa.eu, Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation (CORSIA) 
• enegypress.gr, Επιτάχυνση της Πράσινης Μετάβασης: Τι αλλάζει σε Πλωτά ΑΠΕ, Αποθήκευση, Υδρογόνο, Μεταφορές – Νεκταρία Καρακατσάνη, 2021
• newmoney.gr, Υδρογόνο: Πόσο είναι πιθανό να επικρατήσει ως εναλλακτικό καύσιμο – 2021
• rolandberger.com, HYDROGEN: A FUTURE FUEL FOR AVIATION? – Robert Thomson, 2020
• simpleflying.com, Airbus Scraps E-Fan X Electric Hybrid Jet – Ayush Syal, 2020
• simpleflying.com, Are Hydrogen Powered Passenger Planes A Realistic Solution? – Laura Ash, 2020
• theaeroengineer.com, How Hydrogen-Powered Aircraft Work– Adit Shah, 2020
• wikipedia.org

- Κωνσταντίνος Σταυριαννάκης - πρώην στέλεχος της ΕΑΒ

15 Σεπτεμβρίου 2021

energypress