Κατασκευή και πειραματική αξιολόγηση γεννήτριας υδρογόνου και ηλεκτρικής ισχύος με αντιδράσεις αλουμινίου και μαγνησίου σε ηλεκτρολυτικά διαλύματα

Abstract

Η αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και η μετάβαση προς μια οικονομία που δεν θα στηρίζεται στην χρήση των ορυκτών καυσίμων, έχουν αναχθεί τα τελευταία χρόνια σε διεθνή προτεραιότητα και αποτελούν βασικό στόχο πολλών εθνικών και ευρωπαϊκών πολιτικών. Στην πορεία αυτή προς την εξάλειψη των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και την απανθρακοποίηση κρίσιμων τομέων της οικονομίας, εξαιρετικά καθοριστικός κρίνεται ο ρόλος του υδρογόνου, τόσο ως εναλλακτική επιλογή καυσίμου, όσο και ως φορέας ενέργειας.

Το υδρογόνο αποτελεί μια βιώσιμη πηγή ενέργειας, καθώς είναι καύσιμο χαμηλού ανθρακικού αποτυπώματος, δεν προκαλεί εκπομπές αέριων ρύπων και μπορεί να παραχθεί με διάφορους τρόπους. Εκτός από τις πιο συμβατικές και ευρύτερα διαδεδομένες μεθόδους παραγωγής του, όπως η παραγωγή από ορυκτά καύσιμα και η ηλεκτρόλυση, μια μέθοδος που συγκεντρώνει όλο και μεγαλύτερο ερευνητικό ενδιαφέρον είναι η παραγωγή υδρογόνου από την αντίδραση του νερού με τα μέταλλα. Στο πλαίσιο αυτό, αντικείμενο ενασχόλησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιοποίηση διατάξεων που συνδυάζουν χαρακτηριστικά των μπαταριών μετάλλου και των γεννητριών υδρογόνου με μέταλλα, προκειμένου να επιτευχθεί ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και ρεύματος. Οι διατάξεις αυτές είναι ένα είδος ηλεκτροχημικής κυψέλης και αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια, ένα ανόδου κι ένα καθόδου, ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα που ενεργοποιεί τους μηχανισμούς των αντιδράσεων παραγωγής υδρογόνου και ρεύματος και ένα εξωτερικό κύκλωμα που συνεισφέρει στην μεταφορά των ηλεκτρονίων από την άνοδο στην κάθοδο. Στην εργασία εξετάστηκαν πειραματικά δύο συστήματα ταυτόχρονης παραγωγής υδρογόνου και ρεύματος, με το ένα να χρησιμοποιεί μαγνήσιο ως άνοδο και αλατόνερο ως ηλεκτρολύτη, και το άλλο αλουμίνιο στην άνοδο και καυστικό νάτριο ως ηλεκτρολύτη αντίστοιχα.

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή μιας πειραματικής διάταξης η οποία, αξιοποιώντας τις βασικές αρχές λειτουργίας των μπαταριών μετάλλου και των αντιδράσεων του νερού με τα μέταλλα, μπορεί να μεγιστοποιήσει την παραγωγή υδρογόνου και ρεύματος, χωρίς να απαιτείται η παροχή ενέργειας από εξωτερική πηγή. Κατά την πειραματική διαδικασία, διενεργήθηκαν μετρήσεις για την παραγωγή υδρογόνου, την τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων ανόδου και καθόδου και την μάζα του μετάλλου που αντέδρασε, με την παρατήρηση των αποτελεσμάτων να οδηγεί σε συνεκτικά συμπεράσματα ως προς την επίδραση που έχουν στην λειτουργία και την αποτελεσματικότητα της διάταξης διάφοροι παράγοντες, όπως το είδος, η σύσταση και η περιεκτικότητα του ηλεκτρολυτικού διαλύματος και η παρουσία ανάδευσης κατά την διεξαγωγή του πειράματος. Τέλος, στην εργασία παρουσιάζεται μια εκτίμηση για το κόστος παραγωγής του υδρογόνου από την χρήση της πειραματικής διάταξης, καθώς και σύντομες προτάσεις σχετικά με το πώς θα μπορούσε να βελτιωθεί μελλοντικά η αποδοτικότητα παρόμοιων διατάξεων, μέσα από την περαιτέρω ανάπτυξη της έρευνας στον τομέα της παραγωγής υδρογόνου μέσα από τεχνολογίες μπαταριών μετάλλου.