Crossroads
Ρεύμα, νερό και υδρογόνο...Αν το υδρογόνο είναι το καύσιμο του μέλλοντος, τότε ποιος είναι, τέλος πάντων, ο κινητήρας του μέλλοντος; Ο κλασικός κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι πολύ σκληρός για να πεθάνει, υποστηρίζουν κάποιοι κατασκευαστές. Oι ενεργειακές κυψέλες είναι το αύριο, διατείνονται άλλοι. Το πιο πιθανό είναι να υπάρξει μια συμβίωση των δύο παραπάνω, η οποία θα υποκινήσει, μέσω του ανταγωνισμού, και τη βελτίωσή τους: για τους μεν με στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης, με τη βοήθεια υβριδικών συστημάτων και συστημάτων ανάκτησης ενέργειας, για τους δε με τη μείωση του κόστους και την επίλυση των όποιων πρακτικών προβλημάτων. Και στις δύο περιπτώσεις εξυπακούεται η a priori παραγωγή και διάθεση οικολογικού υδρογόνου, η οποία είναι και η απαραίτητη προϋπόθεση για τη μακροσκοπική επίτευξη εξαιρετικά μειωμένης ή και μηδενικής εκπομπής ρύπων, όπως αναλύσαμε στο προηγούμενο τεύχος.
Η ενεργειακή κυψέλη είναι η εφεύρεση ενός ευφυούς Γερμανοελβετού χημικού, που χρονολογείται από το 1838· δηλαδή, πολύ πριν από την κατασκευή του κινητήρα εσωτερικής καύσης του Νίκολαους Ότο. Ο Κρίστιαν Φρίντριχ Σένμπαϊν δημοσίευσε τον Ιανουάριο του 1839 την ιδέα του στο «Φιλοσοφικό Περιοδικό» και βάσει αυτής κατασκευάστηκε το 1843 το πρώτο πρωτότυπο από τον Ουαλό επιστήμονα Σερ Ουίλιαμ Ρόμπερτ Γκρόουβ. Ήταν, όμως, τον επόμενο αιώνα, στη δεκαετία του ’60, όταν οι μηχανικοί άρχισαν να την παίρνουν στα σοβαρά. Πόσο σοβαρά; Τόσο ώστε να ταξιδέψει στο διάστημα και στο φεγγάρι, παρέχοντας ηλεκτρισμό και νερό στα σκάφη των προγραμμάτων Gemini και Apollo.
Η ενεργειακή κυψέλη είναι μια συσκευή συνεχούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από την ηλεκτροχημική αντίδραση υδρογόνου (Η2) και οξυγόνου (Ο2). Ο τρόπος λειτουργίας της μπορεί να χαρακτηριστεί ως το αντίθετο της ηλεκτρόλυσης, αφού εκεί το ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει το νερό (Η2Ο) σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια (ένα ανόδου κι ένα καθόδου) που περιβάλλουν έναν ηλεκτρολύτη (στην περίπτωση του αυτοκινήτου, μια λεπτή πολυμερή μεμβράνη, γνωστή ως PEM - Proton Exchange Membrane). Το καύσιμο που διοχετεύεται στην άνοδο διασπάται σε θετικά φορτισμένα ιόντα και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, εξαιτίας της καταλυτικής αντίδρασής του με το επιστρωμένο με πλατίνα ηλεκτρόδιο. Απ’ αυτά μόνο τα ιόντα μπορούν να διαπεράσουν τον ηλεκτρολύτη, με κατεύθυνση προς την κάθοδο, στην οποία διοχετεύεται το οξυγόνο, και, αντιδρώντας μαζί του, να παραγάγουν νερό. Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόνια, που δεν μπορούν να διαπεράσουν τη μεμβράνη, περνούν από ένα εξωτερικό κύκλωμα, παράγοντας ρεύμα. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε κυψέλη PEM είναι δυνατόν να παραγάγει 0,7 έως 0,75 V, κάτι που εξηγεί γιατί στο αυτοκίνητο αλλά και σχεδόν σε κάθε άλλη χρήση της (στατική, οικιακή, μεταφορική ή ως φορητής πηγής ρεύματος) η εν λόγω συσκευή συναντάται αποκλειστικά σε συστοιχίες.
Σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι ενεργειακές κυψέλες δεν έχουν κάποια συγκεκριμένη θερμοκρασία λειτουργίας. Έτσι, άλλες λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου και άλλες στους 1.000° C. Κάθε τύπος, βέβαια, απαιτεί και το κατάλληλο ηλεκτρολυτικό υλικό, σύμφωνα με το οποίο τις κατατάσσουμε. Εκτός, λοιπόν, από τις κυψέλες πολυμερών μεμβρανών (50°-80° C), υπάρχουν οι κυψέλες φωσφορικού οξέως (100°-200° C), ανθρακικού άλατος (500°-700° C) ή ακόμα και κεραμικών υλικών (800°-1.000° C). Αντίστοιχα, το υδρογόνο δεν είναι το μοναδικό καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, καθώς η μεθανόλη -και γενικώς οι αλκοολούχες ενώσεις- και το μεθάνιο αποτελούν εναλλακτικές πηγές ενέργειας.
Για την πρόωση του αυτοκινήτου απαιτούνται, βέβαια, και οι αντίστοιχοι ηλεκτροκινητήρες, που θα μετατρέψουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε κινητική ενέργεια. Στην ουσία, μιλάμε για ένα υβριδικό σύστημα νέας μορφής, με κύριο χαρακτηριστικό τον τρόπο παραγωγής ενέργειας, που δεν υπόκειται, όπως οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, στους περιορισμούς του Kύκλου Καρνό! Οι ενεργειακές κυψέλες ΡΕΜ παρουσιάζουν ένα βαθμό απόδοσης που κυμαίνεται μεταξύ 50‰-60% (χωρίς, φυσικά, να συνυπολογίζονται οι απώλειες από το ρεζερβουάρ μέχρι τους τροχούς), ενώ η μηδενική εκπομπή ρύπων καθιστά το εν λόγω σύστημα ως το πλέον φιλικό προς το περιβάλλον. Παράλληλα, μπορούμε να πούμε με σιγουριά ότι η νέα τεχνολογία θα αποτελέσει αφετηρία νέων εξελίξεων, τόσο στο ντιζάιν όσο και στη γενικότερη φιλοσοφία του μηχανολογικού σχεδιασμού των αυτοκινήτων μας. Φανταστείτε, για παράδειγμα, πόσο εύκολα αντικαθίστανται τα παραδοσιακά συστήματα τετρακίνησης, ελέγχου πρόσφυσης ή ευστάθειας με τέσσερις ηλεκτροκινητήρες, έναν για κάθε τροχό! Ή πόσο μπορεί να διαφοροποιηθεί η μορφή των αυτοκινήτων, όταν ο κινητήρας δεν είναι τίποτα άλλο από ένα «κουτί» τοποθετημένο όχι παραδοσιακά μπροστά, αλλά κάτω από το δάπεδο του αυτοκινήτου.
Αυτά, όμως, στο μέλλον. Προς το παρόν, ένα από τα προβλήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι κατασκευαστές είναι αυτό της κρύας εκκίνησης, αφού σε χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος οι μεμβράνες, λόγω των χαρακτηριστικών των υλικών κατασκευής τους, απλώς δεν μπορούν να λειτουργήσουν. Τελευταία λέξη της τεχνολογίας σε αυτό το επίπεδο είναι η αρωματική ηλεκτρολυτική μεμβράνη της Honda, με εύρος λειτουργίας από -20° C έως +95° C, το οποίο αποτελεί ένα είδος άτυπου ρεκόρ για την αυτοκινητοβιομηχανία. Αντίθετα, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης ορυκτών καυσίμων και υδρογόνου αντιμετωπίζουν πρόβλημα μόνο εφόσον ο υδράργυρος πέσει κάτω από τους -50° C.
Το άλλο θέμα είναι αυτό του κόστους. Μια ευοίωνη πρόβλεψη έλεγε ότι στη χρονιά που διανύουμε το κόστος των ενεργειακών κυψελών ανά παραγόμενο kW θα ήταν μόλις 200 δολάρια (το 2002 η αντίστοιχη τιμή ήταν 1.000 δολάρια). Ωστόσο, ένας κινητήρας 100 kW ή 136 ίππων (μια λογική ισχύς για ένα αυτοκίνητο μεσαίας κατηγορίας) θα κόστιζε θεωρητικά σήμερα 20.000 δολάρια, περίπου 15.500 ευρώ. Μόνο ο κινητήρας! Δεδομένου ότι από εδώ και πέρα η μείωση της τιμής δε θα είναι εκθετική, ούτε έστω αναλογική, μάλλον θα πρέπει να κάνουμε ακόμη λίγη έως αρκετή υπομονή για τη μαζικοποίηση της παραγωγής -ακόμα και αν η Honda θέλει να την ξεκινήσει από το 2008. Εξάλλου, σε αντίθεση με τη συνήθη τακτική της αυτοκινητοβιομηχανίας, η είσοδος της νέας τεχνολογίας στην αγορά είναι πολύ πιθανό να ξεκινήσει αυτήν τη φορά από κάτω προς τα πάνω, από τα μικρά, δηλαδή, μοντέλα προς τα μεγάλα και πολυτελή, για λόγους τόσο κόστους όσο και υποδομής. Δεν είναι, μάλιστα, λίγοι οι ιθύνοντες των εταιρειών που υποστηρίζουν ότι, εντέλει, οι ενεργειακές κυψέλες θα επικρατήσουν στα μελλοντικά αυτοκίνητα πόλης, ενώ τα μεγάλα μοντέλα θα συνεχίσουν να κινούνται με κινητήρες εσωτερικής καύσης σε υβριδικές διατάξεις, χωρίς, μάλιστα, να αποκλείεται και ο μεταξύ τους συνδυασμός: μια σχετικά μικρή συστοιχία ενεργειακών κυψελών θα έδινε λύση σε όλα τα προβλήματα «ηλεκτροδότησης» ενός κινητήρα, συμπεριλαμβανομένων και των επιπρόσθετων απαιτήσεων νέων, ενεργοβόρων τεχνολογιών, όπως είναι οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, τα μεκατρονικά συστήματα κ.ά.
Ή πώς θα σας φαινόταν μια μικρή οικιακή μονάδα αναμόρφωσης φυσικού αερίου σε υδρογόνο, η οποία, παράλληλα με την παροχή καυσίμου για το αυτοκίνητό μας, θα μπορούσε να καλύψει τις οικιακές μας ανάγκες σε ρεύμα και θέρμανση;_ Ν. Κ.