1. “HIDROGENUL SURSA DE ENERGIE A VIITORULUI?”
GRIGORE STELUTA LILIANA
IANCU VENERA ELENA
ANUL II MASTER TAIPM
PLOIESTI,2008

2. ENERGII REGENERABILE
Energiile regenerabile nu produc emisii poluante şi prezintă avantaje pentru mediul mondial şi pentru combaterea poluarii locale. Obiectivul principal al folosirii energiilor regenerabile îl reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.
Dezvoltarea surselor regenerabile de energie ca o resursă energetică semnificativă şi nepoluantă este unul din principalele obiective ale politicilor energetice mondiale care, în contextul dezvoltării durabile, au ca scop creşterea siguranţei în alimentarea cu energie, protejarea mediului înconjurator şi dezvoltarea la scară comercială a tehnologiilor energetice viabile.
De la adoptarea in 1997 a Protocolului de la Kyoto asupra Convenţiei Cadru a Naţiunilor Unite despre schimbările climatice (1992), industria surselor regenerabile de energie a fost împinsă către capitalizare pe o piaţă globală a energiei regenerabile, ţintă ce poate fi atinsă numai prin coagularea într-un plan comun a imperativelor de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră. Prin acest protocol, ţările dezvoltate au stabilit drept ţintă reducerea până în 2012 a gazelor cu efect de seră cu 5,2 % faţă de nivelul din 1990.
Protocolul de la Kyoto a fost semnat în Decembrie 1997 la Conferinţa din Japonia de către 84 de naţiuni, însă ratificat doar de către 37, majoritatea din acestea fiind ţări în curs de dezvoltare. Acestui protocol i-au urmat multe astfel de înţelegeri şi angajamente la nivel mondial şi european în dorinţa unei dezvoltări durabile a lumii, cum ar fi Agreementul de la Haga (noiembrie 2000) sau Bonn (iulie 2001).

3. La Summit-ul Mondial asupra Dezvoltării Durabile (Sustainability Summit) de la Johannesburg din Septembrie 2002, energia a fost unul dintre cele mai controversate domenii în discuţii, cu texte progresive blocate de protecţionisti naţionali, interese proprii sau vederi pe termen scurt.
Astfel, problema adoptării unei ţinte comune în ceea ce priveşte energia regenerabilă a rămas una dintre cele mai controversate, întârziind zile întregi agreementul asupra Planului comun de implementare a surselor regenerabile de energie.
Nu a fost fixată nici o ţintă, însă toate ţările au recunoscut necesitatea creşterii de surse regenerabile în totalul energiei furnizate.
În final, pe 4 Septembrie 2002 a fost semnat Planul de Implementare, inclusiv de către România, care s-a pronunţat în favoarea surselor regenerabile şi politicilor UE şi mondiale (in special Protocolul de la Kyoto).
Figura 1
Combustibilii în producţia totală de energie primară în anul 2000, pe plan mondial

4. HIDROGENUL
T. N. Veziroglu , editor al revistei specializate în probleme de energetica hidrogenului “International Journal of Hydrogen Energy” sintetizează câteva proprietăţi care recomandă utilizarea hidrogenului ca vector energetic produs pe bază de tehnologii neconvenţionale;
hidrogenul concentrează surse (energetice) de energie primară pe care o prezintă la consumator într-o formă convenabilă;
cost de producţie relativ ieftin ca urmare a perfecţionărilor de ordin tehnologic;
posibilitatea de conversie în diverse forme de energie prin procedee caracterizate de eficienţă maximă;
este o sursă inepuizabilă, având în vedere că se obţine din apă, iar prin utilizare se transformă în apă. Producţia şi consumul hidrogenului reprezintă un ciclu închis, care menţine constantă sursa de producţie - apa, şi reprezintă un ciclu clasic de recirculare a materiei prime (spre exemplificare se prezintă schema de principiu de mai jos);
este cel mai uşor şi mai curat combustibil. Arderea hidrogenului este aproape în întregime lipsită de emisii poluante, cu excepţia NOx-ului, care poate şi el fi eliminat prin reglarea corespunzătoare a condiţiilor de ardere. Are o « densitate energetică » gravimetrică mult superioară oricărui alt combustibil;
hidrogenul poate fi stocat în mai multe moduri: gaz la presiune normală sau la înaltă presiune, ca hidrogen lichid sau sub formă de hidruri solide;
poate fi transportat pe distanţe mari în oricare din formele prezentate anterior;
deoarece se poate combina fără probleme cu oxigenul care, în cazul unei pile de combustie, are o eficienţă de combustie de peste 60 %, oferă perspectiva depozitării electricităţii în afara vârfurilor de sarcină, prin electroliza apei în scopul obţinerii hidrogenului.

5. HIDROGENUL – PURTATOR DE ENERGIE NEPOLUANTA
Utilizarea, in continuare,numai a surselorde
energie fosile ar produce o crestere a
emisiilor de CO2.
Hidrogenul este cel mai curat combustibil.
Arderea hidrogenuluieste aproape in
intregime lipsita de emisii poluante, cu
exceptia NOx-lui ,care si el poate fi eliminat
prin reglarea corespunzatoare a conditiilor
de ardere
Fig. 2 Cresterea emisiilor de CO2 generate prin arderea surselor fosile de energie

6. TEHNOLOGIILE PRODUCERII DE HIDROGENULUI SUNT BAZATE PE:
- Hidrogen stocat sub forma de gaz (CH2);
- Hidrogen sub forma de hidrura metalica (MeH);
- Hidrogen lichid (LH2);
- Celule de combustie (FC).
Fig 3. Situatia prezenta
Fig 4. Situatia previzionata pentru anul
2030

7. PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE PRIN CELULE DE COMBUSTIE
Procesul de producere a energiei electrice prin celule de combustie este exact inversul electrolizei. In procesul electrolizei, prin aplicarea unui curent electric apa este descompusa in componentele sale gazoase, oxigen si hidrogen. In celulele de combustie aceste doua componente gazoase se unesc pentru a forma apa si se elibereaza electroni, care formeaza curentul electric. Teoretic aceeasi cantitate de energie care a fost utilizata pentru electroliza ar trebui sa fie eliberata prin reconstituirea apei.
Modul fundamental de operare al celulei de combustie este urmatorul: daca exista hidrogen la anod si oxigen la catod, moleculele de hidrogen se descompun in cate doi atomi si, in acelasi timp, se elibereaza electroni. Ionii de hidrogen formati trec prin electrolit, care este permeabil pentru acestia, si ajung la catod, unde sunt oxidati de oxigen si formeaza apa. Pentru a fi posibila formarea apei este necesar ca electronii donati la inceputul procesului sa fie prezenti. Electrolitul nu este permeabil pentru electroni si daca cei doi electrozi sunt uniti printr-un conductor electric, electronii trec de la anod spre catod prin acel conductor, formand un curent electric utilizabil. Acest proces se desfasoara continuu atat timp cat exista suficient hidrogen si oxigen la anod si respectiv la catod. Majoritatea celulelor de combustie functioneaza pe baza oxigenului extras din aer si nu necesita prezenta oxigenului stocat.
PRINCIPIUL DE
FUNCTIONARE

8. PILE DE COMBUSTIE
O celula de combustie genereaza numai un voltaj redus si de aceea pentru a realiza voltajul dorit este necesar sa se inserieze mai multe celule. Un asemenea aranjament poarta denumirea de “pila de combustie”.
Pilele de combustie functioneaza intr-un mod similar cu acumulatoarele electrice, numai ca, in loc sa fie reincarcate periodic cu curent electric, ele trebuie sa fie alimentate continuu cu hidrogen si oxigen gazos.
Exista diferite tipuri de celule de combustie care se diferentiaza prin constructie si prin modul de operare.

9. CELULE DE COMBUSTIE
1.Celula de combustie alcalina cu hidrogen a fost primul tip de celula de combustie care s-a diferentiat de prototipul celulei lui Grove. Celula de combustie alcalina cu hidrogen a fost si este utilizata in special in constructia vehiculelor spatiale si a motoarelor de submarine. Acest tip de celula este foarte scump, fiind singurul tip care necesita oxigen si hidrogen in forma cea mai pura, cea mai mica impuritate scotand-o din functiune.
2.Celula de combustie cu oxizi solizi (Solid Oxides Fuel Cell - SOFC) foloseste drept gaze de reactie oxigenul atmosferic si hidrogenul. Temperatura de lucru este intre C. Temperatura ridicata permite o reformare partiala a gazului natural in hidrogen, in cadrul celulei. In acest fel efortul de generare a hidrogenului descreste substantial, gazul natural fiind convertit direct in energie electrica cu un inalt grad de eficienta.
3.Celula de combustie cu membrana de schimb protonic (PEFMC) este foarte usoara si lesne de exploatat; este eficienta si foloseste drept gaz de oxidare oxigenul atmosferic in locul oxigenului pur. Hidrogenul trebuie generat intr-un reformator. Electrolitul consta dintr-o membrana de schimb protonic, executata dintr-un polimer sulfonat. Intrucat PEFMC are un potential deosebit de a fi produsa in masa, acest tip de celula are cea mai mare perspectiva de dezvoltare in prezent.
4. Celula de combustie cu carbonat topit (MCFC) functioneaza la temperaturi cuprinse intre C. Acest tip de celula nu necesita hidrogen purificat ci gazul natural, biogazul, gazul de carbune, gazul de sinteza pot fi folosite direct drept combustibili. MCFC este insensibila la monoxidul de carbon. Electrolitul in acest tip de celula este o sare topita de carbonati alcalini.

10. PERSPECTIVA PE TERMEN LUNG PENTRU HIDROGEN SI CELULE COMBUSTIBILE (PANA IN ANUL 2050)
Pana in 2050 hidrogenul va fi accesibil, pe scara larga, tuturor natiunilor industriale, la un pret competitiv. In mod realistic se poate presupune ca hidrogenul va fi principalul combustibil pentru mijloacele de transport, cu un procent de peste 50%.
Hidrogenul va fi una dintre cele trei surse de energie, alaturi de energia electrica si de biocombustibilii lichizi. Chiar si in anul 2050 combustibilii fosili vor furniza jumatate din energia necesara tarilor europene si restului lumii. Se pune problema epuizarii acestor resurse si a accesului pe termen scurt si pe termen lung la aceste rezerve, datorita dezvoltarii industriale.
Introducerea cu succes a aplicatiilor cu hidrogen, in Uniunea Europeana, ofera noi oportunitati pentru beneficii strategice in domeniul dezvoltarii durabile, atat in interiorul, cat si in afara Uniunii Europene. Exista cinci cai de principale de producere a hidrogenului: conversia chimica, electroliza, termoliza, biofotoliza ,fotoelectroliza. Dintre acestea conversia chimica si electroliza sunt cele mai importante metode.

11. CARE UTILIZEAZA HIDROGENUL
APLICATII
CARE UTILIZEAZA HIDROGENUL

12. MASINI ECOLOGICE
Masinile ecologice ar putea aduce mari schimbari in ceea ce priveste evolutia incalzirii globale.
Numarul de masini a crescut considerabil, iar poluarea si caldura pe care o genereaza duc in mod sigur la o distrugere a mediului. Masinile ecologice au la baza hidrogenul, iar ceea ce emit este nici mai mult, nici mai putin decat apa.
Motorul acestei masini functioneaza pe baza reactiei intre oxigen si hidrogen. Astfel, e vorba de o reactie biochimica, ce pune in functiune masina, creand energie. Viteza unei astfel de masini nu depaseste de cele mai multe ori 45 de km pe ora, dar in oras este ideala, mai ales avand in vedere traficul. Ea poate merge aproximativ 160 de km cu un rezervor de hidrogen. Dintre marcile cunoscute producatoare de automobile, exista Toyota Prius, care este un hibrid ce functioneaza atat pe benzina, cat si electric, iar, mai  nou, au aparut si altele, precum Honda Civic Hybrid si, de la Volkswagen, Blue Motion, varianta existenta pe modelul Passat, dar se va extinde si pe modele precum Golf, Golf Plus si Jetta
Aceste masini nu doar consuma mai putin, ci protejeaza si mediul.

13. CASA CU EMISII ZERO
Ideea de a folosi aceste dispozitive şi în cadrul locuinţelor aparţine britanicilor, care deja au o casă experimentală în care curentul electric şi căldura sunt produse prin arderea hidrogenului. Ea ar putea fi aplicată şi în România, unde există specialiştii necesari producerii şi exploatării unor astfel de centrale de apartament pe bază de celule de combustie. Neavând încă un sistem de distribuţie a hidrogenului, în apropierea casei din oraşul Lye, situat lângă Stourbridge, în West Midlands, a fost construită o mică centrală de obţinere a hidrogenului din gazul metan livrat de sistemul naţional. În interiorul casei se află însă numai un minigenerator, de dimensiunile unui frigider, în care are loc trecerea hidrogenului prin celulele de combustie. Acesta produc 1,5 kilowaţi de electricitate şi 3 kilowaţi sub formă de energie termică.Casa are emisii zero, întrucât din arderea hidrogenului nu rezultă decât vapori de apă. Familia care locuieşte în imobilul experimental nu consumă în întregime energia generată şi surplusul îl livrează în reţeaua naţională de electricitate.Un contor special măsoară câtă energie electrică a fost livrată şi, eventual, cât curent a consumat casa din sistemul naţional în diverse situaţii speciale.
Experimentul a dovedit că facturile la energie electrică şi termică se reduc practic la plata hidrogenului.Consiliul pentru Clădiri Verzi din Marea Britanie a dat publicităţii un comunicat prin care a anuţat că, începând din 2016, toate casele trebuie să aibă zero emisii, după modelul experimental.Secretarul de stat pentru Mediu, Hilary Benn, a anunţat că guvernul britanic urmează să demareze proiecte de eficientizare energetică în toate cele 25 de milioane de locuinţe pentru a reduce amprenta de carbon a statului cu 80% până în 2050, informează „The Guardian“.

14. BAXI-PRIMA CENTRALA PE BAZA DE HIDROGEN GENERATOARE DE ENERGIE TERMICA SI ELECTRICA PENTRU LOCUINTE
Grupul Baxi, unul dintre liderii europeni ai industriei termotehnice, a instalat in Marea Britanie prima sa centrala de cogenerare, dezvoltata pe baza tehnologiei celulei de combustie . Sistemul foloseste hidrogenul extras din gazul natural pentru a asigura simultan necesarul de energie termica si electrica al unei locuinte.
Centrala Baxi de cogenerare incorporeaza cea mai avansata tehnologie bazata pe celula de combustie (fuel cell) . Gratie dezvoltarii acestei inovatii, hidrogenul continut in gazul natural este transformat in energie electrica si termica, prin procese care nu presupun ardere. Astfel, eficienta energetica a centralei este superioara instalatiilor clasice de cogenerare. In acelasi timp, emisiile de noxe sunt reduse substantial, contribuind la protectia mediului.Sistemul inovator Baxi de cogenerare poate asigura pana la 100% din necesarul de caldura al unei locuinte medii si pana la 75% din cel de electricitate, pe toata durata anului. Centrala functioneaza exclusiv pe baza de gaz, fiind independenta de orice alta sursa de energie.

15. CREAREA UNEI INFRASTUCTURI DE ALIMENTARE CU HIDROGEN A AUTOMOBILELOR
Lipsa statiilor de alimentare era practic singurul lucru ce statea in calea “raspandirii” masinilor pe hidrogen, in conditiile in care producatori auto precum Honda au inceput deja sa construiasca astfel de masini in serie. ITM Power a instalat prima pompa de alimentare cu hidrogen intr-o casa din Sheffield, unde este folosita pentru incalzire si gatit. Dispozitivul functioneaza pe baza de electroliza, extragand gazul din apa cu ajutorul electricitatii. Apoi, un generator intern transforma gazul in electricitate. ”Luand in considerare nevoia presanta de a reduce dependenta noastra de combustibili fosili, mai ales de petrol, si de a reduce emisiile de dioxid de carbon, viitorul hidrogenului ca un mijloc alternativ de producere de energie n-a fost niciodata mai luminos”, a declarat Jim Heathcote, directorul companiei, citat de Antena3. Specialistii in energia produsa cu ajutorul hidrogenului sunt insa sceptici in ceea ce priveste costurile pe care le implica o astfel de pompa, precum si eficienta ei. ”Intrebarea critica in aceasta privinta este cat va costa sa pui o astfel de pompa in casa ta. Tehnologia este extrem de viabila, dar cred ca va intampina probleme de acceptare din partea publicului”, a declarat David Hart, specialist de la Colegiul Imperialde Cercetare din Londra.
ITM a lansat odata cu pompa si un automobil Ford Focus modificat pentru a putea functiona cu hidrogen.

16. O invenţie britanică, un vaporaş care duce
VAPOR CU HIDROGEN
O invenţie britanică, un vaporaş care duce
turiştii din oraşul Birmingham spre canal Worcester şi
funcţionează cu hidrogen, ar putea să fie răspunsul pe
\care cercetătorii îl caută de mulţi ani pentru reducerea
emisiilor de gaze cu efect de seră din industria navală.
Majoritatea navelor, fie ele de marfă sau de
pasageri funcţionează cu păcură, iar emisiile de doxid de
carbon provenite din transportul naval reprezintă
aproximativ 4,5% din volumul total anual de emisii de
CO2 şi se aşteaptă ca pînă în 2020 să atingă 30%. Pînă
acum nu s-a găsit nici o modalitate de redu­cere a acestor
emisii.
Invenţia britanică reprezintă primul pas în
acest sens.

17. BATERIA CU COMBUSTIBIL SI HIDROGEN
Consiliul Europei a adoptat pe , un regulament cu privire la cercetari comune pentru realizarea unui nou tip de baterie, bateria cu combustibil si hidrogen.
Membri fondatori sunt Comunitatea Europeana si o asociatie industriala compusa din societati care au domenii de activitate bateriile si Hidrogenul.
Principalul obiectiv este de a dezvolta acest nou tip de energie si de a permite comercializarea bateriilorlor in Europa intre 2010 si 2020.
Aceste baterii cu combustibil isi pot gasi domenii de aplicare foarte diverse ca: telefoane mobile si notebookuri, automobile, autobuze, vapoare si avioane ca si instalatii fixe de producere de caldura si electricitate din sectoarele domestic si industrial. Cu toate acestea, exista probleme in ceea ce priveste costul, fiabilitatea lor, productia, distributia si stocarea lor sigura si eficace.
Totusi, aceasta idee nu va fi abandonata, intrucat se cunoaste forte bine potentialul foarte mare al hidrogenului; rezolvarea acestor probleme ar putea reduce consumul de petrol din transportul rutier cu pana la 40%pana in 2050.Pragul de rentabilitate in acest sens va fi atins intre 2025 si 2035.
Aceasta intreprindere va fi pusa in aplicare in urmatorii sase ani datorita Uniunii Europene care finanteaza cu 470 de milioane de euro in cadrul celui de-al saptelea program cadru al UE si datorita sectorului privat care va avea o contributie in euro identica.
Ceremonia oficiala a avut loc in zilele de 14 si 15 octombrie 2008, la Bruxelles.

18. MORI DE VANT CU HIDROGEN
Norvegienii folosesc un sistem ce transformă surplusul de energie eoliană în hidrogen. Apoi, când nu bate vântul, motoarele pe hidrogen acţionează eolinele.
Norvegienii au găsit un mod original de folosire a energiei produse în plus de turbinele eoliene. Pe mica insulă Utsira, situată în sud-vestul ţării, energia vântului e transformată în hidrogen. Ideea le-a venit locuitorilor care adesea rămâneau fără curent electric din cauză că vântul nu bate tot timpul anului în acea zonă.
Până se conectau la sistemul naţional, norvegienii erau nevoiţi să stea pe întuneric. Aşa că au găsit un mod de a porni eolienele chiar dacă vântul nu adie deloc.
Tehnicianul Inge Linghammer a pus la punct un mecanism care să le permită locuitorilor insulei să fie independenţi din punct de vedere energetic.
Linghammer spune că atunci când vântul nu bătea turbinele erau oprite. Energia vântului e stocată în dispozitive speciale şi transformată în hidrogen, care e folosit apoi la pornirea turbinelor atunci când vântul nu bate suficient de bine.

19. AVIONUL PROPULSAT CU CELULE DE COMBUSTIE
Airbus a pus în mişcare un avion comercial, cu ajutorul unui motor pe bază de celule de combustie a hidrogenului. Experimentul a fost reuşit şi se înscrie în obiectivele Airbus privind dezvoltarea unei industrii aeronautice ecoeficiente. Compania europeană contribuie astfel la testarea unor noi motoare ecologice, care nu produc emisii de carbon, pentru flotele din domeniul aviaţiei civile.

20. CENTRALA ELECTRICA PE BAZA DE HIDROGEN
Guvernul de la Abu Dhabi a anunţat că e gata să investească 15 miliarde de dolari pentru a realiza cea mai mare centrală electrică pe bază de hidrogen din lume.
Statul arab spune că are, de altfel, un vast program de ecologizare, care include şi construirea unui oraş complet lipsit de poluare, pentru implementarea căruia vor fi necesari cinci ani, informează BBC.
Fondurile uriaşe, investite de Emiratele Arabe Unite, la care se speră că vor adera şi unele companii de investiţii occidentale, vor fi derulate prin intermediul fondului “Iniţiativa Masdar”, care este autorizat să dezvolte şi să comercializeze energie şi tehnologii nepoluante.
Centrala pe hidrogen va folosi o tehnologie mixtă, pe principiul arderilor combustibililor fosili, având emisii poluante reduse.

21. CONCLUZII
Hidrogenul, in calitate de carburant, este din ce in ce mai mult considerat ca reprezentand “solutia”, atat de constructorii de automobile, de ecologisti, cat si de guverne, care nu doresc sa impuna masuri impopulare destinate limitarii circulatiei auto. Utilizarea hidrogenului se va extinde de la alimentarea telefoanelor mobile pana la centrale electrice de putere.
Problema trecerii la un sistem energetic bazat pe hidrogen este o problema de mare tehnicitate a carei solutionare face apel la discipline multiple care acopera mai multe domenii, nu numai ale stiintelor ingineresti, ci si ale stiintelor sociale. Implicatiile secundare pe care economia hidrogenului le-ar putea avea pe termen lung asupra societatii industriale, economiei si chiar a intregii societati sunt inca imprevizibile. Sociologii avertizeaza ca urmarile trecerii economiei la un sistem energetic bazat pe hidrogen ar fi comparabile cu cele generate de prima revolutie industriala. Ecologistii sustin insa ca nu exista alternativa la sistemul energetic bazat pe hidrogen deoarece rezervele exploatabile de petrol si gaze naturale, resurse absolut necesare ca materii prime nu numai in industria energetica ci si in petrochimie (cine s-ar putea lipsi azi de masele plastice) vor fi complet epuizate in mai putin de un secol.
Hidrogenul nu este o provocare numai pentru oamenii de stiinta, pentru lucratorii din industria hidrogenului sau pentru guverne. El este o provocare pentru economisti - probabil o noua categorie de economisti. Provocarea consta in evaluarea si comasarea beneficiilor multiple, extraordinar de valoroase, pentru a fi reflectate in pretul hidrogenului. “Aceasta ar fi esential pentru eficienta economica globala, pentru binele public si pentru politica industriala.
Cand pretul hidrogenului ar avea valoarea reala, incluzand si ceea ce se numesc externalitati, intreaga putere a sistemului de piata va facilita aducerea rapida catre societate a beneficiilor hidrogenului extrem de necesare – chiar si in perioada in care omenirea ar mai dispune de suficient gaz pentru a-si sustine economia.

22. BIBLIOGRAFIE
1. T. N. Veziroglu, International Journal of Hydrogen Energy, 2000, 1143
2. I. Iliescu, Prefaţă la STAREA LUMII 2000, Probleme globale ale omenirii (autori: L.R. Brown, C. Flavin, H. French), Editura Tehnică, Bucureşti, 2000
3. M. Momirlan, L. Mureşan, A. A. M. Sayigh, T. N. Veziroglu, Renewable Energy: Renewable Energy, Energy Efficiency and the Environment, 2, 1258 (1996)
4. A. F. Cronstedt, Svenska Vetenskaps Acad Handlingar, 17, 120 (1956)
5. C. Macilly, Studies in surface science and catalysis, 135, 37 (2001)
6. M. Cruceanu, E. Popovici, N. Balba, N. Naum, L. Vladescu, A. Vasile, E. R. Russu, Site moleculare