Advanced electrochemical devices for energy production and storage

Περίληψη

Λόγω των τεράστιων περιβαλλοντικών ζητημάτων που προκύπτουν από τη συνεχή εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και την ασυνεχή λειτουργία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, κρίνεται άμεση η ανάγκη ανάπτυξης βιώσιμων πηγών ενέργειας και αξιόπιστων τεχνολογιών για την αποθήκευσή της.  Την τελευταία δεκαετία, ηλεκτροχημικά συστήματα όπως οι κυψελίδες καυσίμου υδρογόνου (Hydrogen Fuel Cells), οι διατάξεις ηλεκτρόλυσης νερού και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Lithium Ion Batteries, LIBs) εμφανίζουν ραγδαία τεχνολογική και εμπορική ανάπτυξη και αποτελούν βασικούς πυλώνες της ευρωπαϊκής ενεργειακής στρατηγικής μαζί με τις ΑΠΕ στην πορεία προς το 2050 και την κλιματική ουδετερότητα.

Αν και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν καθιερωθεί ως βασικά μέσα αποθήκευσης της ενέργειας με πλήθος εφαρμογών, κρίνεται επιτακτική η εξεύρεση εναλλακτικής λύσης λόγω του υψηλού κόστους και θεμάτων ασφάλειας. Υποσχόμενη επιλογή, με αντίστοιχη λειτουργία, αποτελούν οι μπαταρίες ιόντων νατρίου (Sodium Ion Batteries, SIBs), λόγω της αφθονίας του νατρίου στη φύση, του χαμηλού κόστους, αλλά και της εξαιρετικής ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς. Ο σκληρός άνθρακας, ο οποίος δεν γραφιτοποιείται, είναι το πιο συνηθισμένο ανοδικό υλικό τους, καθώς αποτελείται από φύλλα γραφενίου με υψηλή αταξία στη διάταξή τους τα οποία αφήνουν μεγαλύτερα κενά ανάμεσά τους και ικανό μικροπορώδες για την είσοδο του νατρίου στο πλέγμα. Ο εμπορικός σκληρός άνθρακας παράγεται συνήθως από φαινολικές ρητίνες, έχοντας αρνητικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα και υψηλότερο κόστος από τον εμπορικό γραφίτη. Τα βιοαπανθρακώματα (biochars) προερχόμενα από την πυρόλυση της ευρέως διαθέσιμης και φθηνής λιγνοκυτταρικής βιομάζας αποτελούν μια υψηλής προστιθέμενης ενεργειακής αξίας εφαρμογή για τις SIBs. Τα ελκυστικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους, με την υψηλή ειδική επιφάνεια, και το πορώδες δίκτυο, βρίσκουν εφαρμογή και στους υπερπυκνωτές (supercapacitors). Διάφορα φυσικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την παραγωγή σκληρού άνθρακα, όπως κελύφη διαφόρων ξηρών καρπών, φλούδες και κουκούτσια φρούτων, αλλά και καλαμοειδή τύπου μπαμπού και ζαχαροκάλαμου. Λιγότερο διαδεδομένο, αλλά σε αφθονία στην ελληνική φύση, είναι το κοινό καλάμι (Arundo donax), μία πλούσια πηγή λιγνοκυτταρικής βιομάζας, αυτοφυές, τόσο κοντά σε λίμνες και ποτάμια όσο και σε άνυδρες περιοχές. Η χρήση των βιοαπανθρακωμάτων ως ηλεκτρόδια, πέρα από την υποσχόμενη ηλεκτροχημική συμπεριφορά τους (ανταγωνιστική με αυτή του εμπορικού άνθρακα), προσφέρει παράλληλα σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη, συμβάλλοντας έτσι σε μια βιώσιμη ενεργειακή λύση.

Στο πρώτο μέρος της ομιλίας θα παρουσιαστεί μια ελκυστική διάταξη κυψελίδας καυσίμου με εσωτερική αναμόρφωση μεθανόλης. Οι τεχνολογίες υδρογόνου και η χρήση τους στις κυψελίδες καυσίμου προσφέρουν ένα σημαντικό στρατηγικό εργαλείο για την εξισορρόπηση του δικτύου ΑΠΕ και την παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα πλήθος εφαρμογών. Η απουσία υποδομών σε όλο το εύρος της αλυσίδας αξίας υδρογόνου αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα, το οποίο εξομαλύνεται σταδιακά καθώς έχει αρχίσει η υλοποίηση του οδικού χάρτη ενσωμάτωςής του στην καθημερινότητα. Για να αποφευχθούν τεχνικές δυσκολίες που σχετίζονται με την αποθήκευση και μεταφορά του υδρογόνου, ειδικά σε απομακρυσμένες και φορητές ενεργειακές εφαρμογές, μεσοπρόθεσμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν υγρά καύσιμα-φορείς του υδρογόνου. Η μεθανόλη είναι ένας τέτοιος υγρός φορέας υδρογόνου και έχει τη χαμηλότερη θερμοκρασία αναμόρφωσης, περίπου 200–300^οC σε σύγκριση με άλλους υδρογονάνθρακες, ενώ μπορεί να παραχθεί από τη βιομάζα και την υδρογόνωση δεσμευμένου CO₂, προσφέροντας βιώσιμες λύσεις. Τα συστήματα κυψελίδων καυσίμου APU (βοηθητικές μονάδες ισχύος) που λειτουργούν με μεθανόλη διαθέτουν μεγάλο δυναμικό της αγοράς, καθώς προσφέρουν μια έτοιμη και ευρέως διαθέσιμη πηγή ενέργειας για κινητά (φορτηγά παράδοσης, οχήματα αναψυχής (RV), σκάφη και φορτηγά) και εκτός δικτύου εφαρμογές.

Στο δεύτερο μέρος της ομιλίας, θα περιγραφούν τα βασικά χαρακτηριστικά ηλεκτροχημικών διατάξεων SIBs και υπερπυκνωτών βασισμένων σε βιοαπανθρακώματα. Θα παρουσιαστεί μια αρχική μελέτη για την παραγωγή βιοαπανθρακώματος από καλάμια, μέσω διεργασιών πυρόλυσης ή/και υδροθερμικής κατεργασίας, ενισχύοντας την πρώτη ύλη με άζωτο (με αέρια ρεύματα αζώτου/αμμωνίας κατά την πυρόλυση ή με τη χρήση αζωτούχων συμπληρωμάτων κατά την υδροθερμική κατεργασία), βελτιστοποιώντας τις παραμέτρους θερμοκρασίας και συγκεντρώσεων. Εκτός από τις βασικές αρχές λειτουργίας, θα γίνει χαρτογράφηση των φυσικοχημικών και ηλεκτροχημικών χαρακτηριστικών των βιοπανθρακωμάτων και των αντίστοιχων ηλεκτροδίων.

Σύντομο Βιογραφικό Ομιλητή

Η Δρ. Ιωάννα Παπαβασιλείου αποφοίτησε από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, το 2003. Της απονεμήθηκε ο τίτλος της Διδάκτορος στη Χημική Μηχανική από το ίδιο Τμήμα και σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ) το 2008 (υπό την επίβλεψη του καθ. Π. Κουτσούκου και του Διευθυντή Ερευνών Δρ. Θ. Ιωαννίδη, αντίστοιχα). Είναι μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ από το 2008 έως σήμερα και στο Τμήμα Επιστήμης των Υλικών από το 2021 έως σήμερα, ως επιστημονική υπεύθυνος ενός προγράμματος ΕΛΙΔΕΚ για μεταδιδακτορικούς ερευνητές. Το 2020-2021 ήταν μεταδιδακτορικός συνεργάτης του Εργαστηρίου Χημικών & Ηλεκτροχημικών Διεργασιών στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Έχει μεγάλη διδακτική εμπειρία στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων, του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου, στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών και στο Τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Επίσης έχει δώσει διαλέξεις σε μεταπτυχιακό επίπεδο στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Marie Curie Sklodowska στο Lublin της Πολωνίας. Τα ερευνητικά της ενδιαφέροντα εστιάζουν κυρίως στους τομείς της σύνθεσης, του χαρακτηρισμού υλικών για εφαρμογή σε περιβαλλοντικού/ενεργειακού ενδιαφέροντος αντιδράσεις/εφαρμογές και στην ανάπτυξη ηλεκτροχημικών διατάξεων για παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας, όπως οι κυψελίδες καυσίμου τύπου PEM, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και νατρίου και οι υπερπυκνωτές. Έχει συμμετάσχει στη συγγραφή, υποβολή, υλοποίηση και διαχείριση αρκετών ερευνητικών προγραμμάτων χρηματοδοτούμενων είτε από Εθνικούς είτε από Ευρωπαϊκούς πόρους. Είναι κριτής σε αρκετά επιστημονικά περιοδικά με κριτές. Έχει συν-επιβλέψει αρκετές διπλωματικές εργασίες, μεταπτυχιακές εργασίες αλλά και διδακτορικές διατριβές. Έχει υπάρξει επισκέπτης ερευνητής σε ερευνητικά κέντρα του εξωτερικού (Γερμανία, Βουλγαρία), ενώ από το 2015 έως και σήμερα είναι επισκέπτης ερευνητής στο Τμήμα Χημείας του του Πανεπιστημίου Marie Curie Sklodowska στο Lublin της Πολωνίας. Η Δρ. Ιωάννα Παπαβασιλείου είναι συγγραφέας/συν-συγγραφέας 42 επιστημονικών δημοσιεύσεων σε διεθνή έγκριτα επιστημονικά περιοδικά, έχοντας περισσότερες από 1600 αναφορές (Scopus, h-index=21). Έχει παρουσιάσει περισσότερες από 70 εργασίες σε εθνικά και διεθνή επιστημονικά συνέδρια, ενώ κατέχει 1 διεθνή πατέντα.