Legea (politică) a hidrogenului contra legilor (științifice) ale fizicii
Toți trăim visul frumos al unei economii bazate pe hidrogen, dar care se poate transforma foarte ușor într-un coșmar.
Analiza de mai jos, care este una strict din punct de vedere energetic, se bazezeză pe legile fizicii și termodinamicii cunoscute, ușor verificabile si redate simplist, spre ușoară si bună ințelegere inclusiv de către nespecialiști si dezvăluie uriașele bariere (fizice) care ne stau in cale laolaltă cu alte uriașe bariere economice. Tehnic, se poate orice, iar dacă sunt bani gratuiți, ”who cares loosing them” ?
- La o densitate a H2 de 0,0887 Kg/m3, rezultă ca o auto-cisternă clasică de 11,1 m3, pe care le vedem zilnic pe șosele, poate transporta, in conditii normale, covirsitoarea insuportabilă greutate de 1 Kg H2 !
- Dacă dorim transportul pe conducte, adică debitul in m3/h (ca si gazul metan CH4), atunci, H2 avind doar 3,53 KWh/m3, față de 11,11 KWh/m3 la metan, rezulta ca energetic, prin aceeasi conductă de gaz la acelasi debit, alimentez cu energie doar aproximativ 31% din ce alimentam anterior cu CH4 !
Să trecem mai departe la alte aspecte, lăsînd la o parte amănuntele acestea ”nerelevante”.
- PRODUCTIE HIDROGEN VERDE
Sa începem analiza producției Hidrogenului verde cu: electroliza apei (curate !) cu electricitate (curată !)
Tensiunea standard pentru electroliză este U=1,23 V, iar pentru exploatarea operatională, este necesar pentru 1 unitate CSP H2, o tensiune în jur de U=1,76 V, rezultind ca 1,43 unitati de energie trebuie asigurate ca sa producem 1 unitate cu PCS de Hidrogen, adica randamentul procesului este 1/1,43= 70%. Deci:
Randamentul electrolizei: 70% , reprezentînd raportul (energie H2 produsă / energie electrică consumată)
NOTA: Nu sunt incluse pierderi din transformarea CA de inaltă tensiune in CC, necesar electrolizoarelor
2 ”AMBALARE”
a. Comprimare (doar n-o sa transportăm 1 Kg H2 cu o cisternă de 11,1 m3)
Comprimarea oricărui gas necesită consum de energie, iar, dacă citim din nou Tabelul-1, constatăm ca pentru o comprimarea adiabată a Hidrogenului bi-atomic (V0=11,11 m3/Kg) si a metanului penta-atomic (V0=1,39 m3/Kg), in mod obiectiv, mult mai multă energie este necesară pentru comprimarea H2
Datele furnizate de producătorii de compresoare, indică faptul că un compressor in 5 trepte, pentru un debit de 1000 Kg/h Hidrogen, ridică presiunea de la nivelul ambiental la 20 MPa (1 Mega Pascal = 10 bar), consumînd energie electrică echivalent cu 7,2% din PCS a H2. Comprimarea adiabata dar si isoterma (trebuie considerate amindouă), in fapt, conduc la pierderi totale de 8%
Consum energie de comprimare -adiabat/isotherm pentru stocare = 8 % din PCS a Hidrogenului. Adica
Minim 1,08 unitati de energie sunt necesare pentru a obtine 1 unitate H2 la PCS la 20 MPa
Nota: analiza nu conține si pierderile electrice rezultate din transfomarea energiei de alimentare din reteaua electrică a compresorului respectiv
Daca se adoptă standardul de 80 MPa, necesar pentru conformare cu standardul rezervoarelor industriei auto de 70 MPa, atunci, vor fi necesare 1,12 unitati de energie pentru 1 unitate H2 la PCS la 80 MPa
Ca cifre pentru imaginarea procesului si magnitudinii problemei, in Texas (SUA), Air Products and AES au construit o instalatie de pentru productia de H2 si comprimare de 200 t H2/zi (adică 8333 KgH2/h, adică 333,3 MW) , care este actionata de o centrala eoliana+solara de 1400 MW.
Adica: sunt necesari minim 4,2-4,5 MWe energie regenerabilă pentru 1 MW-hidrogen verde
Sau:
La o uzina de 45 t/zi productie de H2, alimentata de o hidrocentrala, sunt necesari minim. 120 MW electrolizoare alimentată constant de hidrocentrală
Adica: sunt necesari minim 1,6-1,7 MWe hidro pentru productia a 1 MW- hidrogen verde
Sau:
La o uzină de capacitate mai mica, de 4,4 t/zi Hidrogen, (adica 182 Kg/h =7,3 MW), sunt necesari 2,73 MWe (verzi !)
Adica: sunt necesari minim 2,7 MWe pentru productia a 1 MWhidrogen verde
Cel interesant aspect este că la capacităti mici, (aprox . peste 5 Kg/h H2 lichefiat, energia necesară lichefierii depășește energie netă obtinută prin hidrogen!
b. Lichefiere
In acest caz, este necesar pentru process incă si mai multă energie, intr-un proces complex si scump.
Lichefierea (prin răcirea) H2 se realizează prin compresoare multistage si extindere (expandoare) combinate cu schimatoare de caldura contracurent si recuperare de energie (prin expandoare – turbine destindere prin reducere presiune). Ca exemplificare, dintr-un studiu de fezabilitate japonez, a rezultat ca pentru cantitatea de 12,500 Kg/h H2 lichefiat (aprox. 500 MW echivalenti), trebuie o centrala electrică de cca 105 MWe (verzi !)
Numai pentru a exploata instalatiile de lichefiere a H2 !
c. Hidruri metalice fizice
Aceasta modalitate de stocare, nu o mai studiem aici, fiind extrem de complicată si costisitoare
3 DISTRIBUTIE
a.Transport rutier
O economie bazată pe H2, trebuie să includă transport rutier, feroviar, naval. In mod absolut necesar, transportul rutier este o necesitate obiectivă.
O cisternă modernă tip tub de 40 t metrice transportă 3000 Kg metan la o presiune de 20 MPa, livrează la consumator numai 2400 Kg (80%), intrucit cisterna se goleste pînă la egalizarea presiunilor din cisternă si rezervorul consumatorului !
Aceeași cisternă, poate transporta numai 320 Kg Hidrogen la presiunea de 20 MPa si va livra efectiv, nmai 288 Kg de Hidrogen. In consecință, insa, va fi nevoie de compresoare pentru golirea totala a cisternei, ceea ce implică alte consumuri de energie, (alte echipamente, proceduri si consumuri adiționale)
Ca o concluzie preliminară: in timp ce transportul rutier, in general, este limitat/dictat de greutate, in cazul Hidrogenului paradigma este alta: limitarea este dată de volum și nu de greutate, datorită volumului specific extrem de scăzut al Hidrogenului
Astăzi, aproximativ 1 cisternă din 100 transportă benzină sau diesel
Transportul de Hidrogen, va necesita 15 cisterne echivalent, pentru un total de 115, deci, o creștere a traficului de 13%. De aici, 1 din 7 accidente implicînd cisterne, ar putea implica cisterne cu Hidrogen si 1 din 49 de accidente s-ar putea întiîmpla intre 2 cisterne cu Hidrogen, iar acest scenariu si calcul de probabilităti este total inacceptabil, din foarte multe motive ! (trafic intens, poduri, tunele, trafic prin localitati-specific României, lipsa autostrazi, etc., etc.)
b. Transport prin conducte
Conducte pentru hidrogen, există deja astăzi, dar, sunt pentru transportul intre 2 locatii de productie/consum, pe distanțe relative scurte, iar consumul de energie nu este relevant intrucît acesta face parte din procesul de productie al facilitătii respective.
Aceasta insă, nu este deloc același lucru cu transportul hidrogenului de la o entitate economică, la alta, pe oricare distantă !
Tipic, pentru transportul gazului natural (CH4)-metanul, printr-o conductă, cu viteza de 10 m/sec., o statie de comprimare este necesară la fiecare 100-200 Km, care consumă cca 0,3% din energia transportată ( de exemplu, celebra conductă BRUA, care ar transporta 4 miliarde m3/an gaze naturale din Marea Neagră in Ungaria, ar consuma in numai 1 din cele 3 statii de comprimare actionate cu Turbine cu Gaze de 5 MW, circa 0,3% x 4 miliarde m3/an =12 mill. m3 gaz/an/statie de comprimare (deci, aproape 1% din energia tranzitată – o cifră mare !) este folosită pentru comprimare/transport). Ce este interesant – că emisiile de CO2 rezultate, de cca. 9 mill. EUR/an, nu sunt contabilizate pentru plata lor de către Transgaz !?)
Aplicind regulile fizicii, pe acelasi tronson de transport Hidrogen, fiecare statie de comprimare va necesita 1,16% de consum pentru comprimare/transport (deci aprox. 3,4% din energia vehiculată)
Sau, ca o concluzie, pentru o conductă de 3000 Km, fractia masică consumată pentru transportul metanului este aprox. 20%, in timp ce pentru hidrogen este de cca. 34% (rezultatul este la acelasi diametru al conductei).
Sau, energia consumată pentru transportul a 1 unități PCS Hidrogen pe distanta de 3000 Km, cel puțin 1,5 unitati de energie trebuie investite pentru a livra 1 unitate hidrogen PCS.
Intrucit consumul de energie pentru hidrogen pe distante mari este foarte mare consumatore de energie, optimizarea lungimii traseelor, trebuie lasata pe seama inginerilor si expertilor. Mai mult, scăparile de Hidrogen sunt mult mai mari, datorita masei specific foarte scăzute, iar, daca etanșările nu sunt perfecte, acest factor insusi, ar putea distruge economic si energetic, orice proiect de conducta de transport cit de cit mai lung !. NU mai discutăm alte probleme tehnice si fizice asociate transportului H2 prin conducte.
4 STOCARE
Analiza acestei opțiuni este, probabil, cea mai ușoară si evidentă comparatie.
S-a observat din cele de mai sus, ca, in general, eficiența obtinerii hidrogenului, transportul și stocarea acestuia este in jur de 50%, inainte de pregatirea si folosirea lui intr-o instalatie de productie electricitate (presupus CCGT cu randament net de 50%) ajungindu-se la un rezultat net de max 25%.
Este de remarcat, că pînă și în România, au apărut idei cu stocarea H2 in caverne (foste mine de sare). Nu stim exact la ce se referă aceasta ”idee”, dar, să transformăm minele de sare (de ex. Slanic, sau Praid, etc.) adevărate locații de sănătate si tratament in rezervoare de Hidrogen, este o idee penibilă, fără a mai socoti problemele tehnico-fizice de stocare propriu-zisă in astfel de ”locații”
Stocarea prin Centrale Hidroelectrice Pompare-Acumulare, au in mod current eficiente ale ciclului de 80% la stocare si conversie direct in electricitate, deci, nici măcar nu se pot compara rezonabil cu stocarea H2 ! –
INTERVIURILE HotNews.ro