Στη συνεχιζόμενη επιδίωξη ενός βιώσιμου μέλλοντος με χαμηλές εκπομπές άνθρακα, το υδρογόνο έχει αναδειχθεί ως βασικός φορέας ενέργειας, προσφέροντας λύσεις για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής και την αντιμετώπιση της αυξανομένης ζήτησης για καθαρή ενέργεια. Αυτό το άφθονο και ευέλικτο στοιχείο, όταν αξιοποιείται αποτελεσματικά, έχει την δυνατότητα να αναδιαμορφώσει διάφορες βιομηχανίες και να συμβάλει σημαντικά στην παγκόσμια μετάβαση προς ένα πιο πράσινο και βιώσιμο ενεργειακά μέλλον.

Το υδρογόνο έχει την ικανότητα να αποθηκευτεί και να μεταφέρει ενέργεια με φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Η καύση του παράγει μόνο υδρατμούς, που το ξεχωρίζει από τα παραδοσιακά ορυκτά καύσιμα και το τοποθετεί ως πηγή καθαρής ενέργειας. Επιπλέον, το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω διάφορων μεθόδων όπως η ηλεκτρόλυση, η αναμόρφωση μεθανίου με ατμό και η αεριοποίηση βιομάζας, προσφέροντας μια σειρά επίλογων για βιώσιμη παραγωγή.

Στον τομέα των μεταφορών οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου μπορούν να τροφοδοτήσουν ηλεκτρικά οχήματα, παρέχοντας μια καθαρή εναλλακτική λύση σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης. Αυτά τα οχήματα κυψελών καυσίμου εκπέμπουν αποκλειστικά υδρατμούς και θερμότητα, καθιστώντας τα μια επιλογή μηδενικών εκπομπών που αντιμετωπίζει τις ανησυχίες για την ατμοσφαιρική ρύπανση. Επίσης το υδρογόνο χρησιμοποιείται σε διάφορες χημικές διεργασίες προσφέροντας μια καθαρότερη εναλλακτική λύση για τομείς όπως η παραγωγή χάλυβα κα τσιμέντου. Αντικαθιστώντας τις διαδικασίες έντασης άνθρακα με υδρογόνο, οι οποίες μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις εκπομπές αέριων του θερμοκηπίου.

Η ενσωμάτωση του στην τρέχουσα υποδομή ηλεκτρικής ενέργειας όχι μόνο διασφαλίζει μια αξιόπιστη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ηλεκτρικής ενέργειας αλλά επίσης τοποθετεί το υδρογόνο ως μέσο αποθήκευσης για ανανεώσιμες πήγες ενέργειας. Επιπλέον, η δυνατότητα εφαρμογής του υδρογόνου επεκτείνεται σε εφαρμογές θέρμανσης τόσο σε κατοικίες όσο και σε εμπορικά κτίρια. Ως καύσιμο καθαρής καύσης, το υδρογόνο παρέχει μια βιώσιμη εναλλακτική λύση στο φυσικό αέριο, διευκολύνοντας την απανθρακοποίηση του τομέα θέρμανσης και μειώνοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που συνδέονται με τις συμβατικές πήγες ενέργειας.

Πάρα τις δυνατότητες του, το υδρογόνο αντιμετωπίζει προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για ευρεία υιοθέτηση. Αυτές οι προκλήσεις περιλαμβάνουν το κόστος παραγωγής, αποθήκευσης και μεταφοράς, καθώς και την ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνολογιών γιατί χρήση του υδρογόνου. Η πρόοδος στην ερευνά και την ανάπτυξη, σε συνδυασμό με υποστηρικτικές πολίτικες και επενδύσεις, είναι ουσιαστικής σημασίας για την υπέρβαση αυτών των εμποδίων και την απελευθέρωση του πλήρους δυναμικού του υδρογόνου.

Στο εξελισσόμενο τοπίο των λύσεων βιώσιμης ενέργειας, η αμμωνία έχει αναδειχθεί ως μια λύση στην αναζήτηση καθαρής και αποτελεσματικής παραγωγής υδρογόνου. Παραδοσιακά αναγνωρισμένη για τις εφαρμογές στην γεωργία και τις βιομηχανικές διεργασίες, η αμμωνία έχει αναλάβει τώρα έναν νέο και κεντρικό ρολό ως βιώσιμη πηγή/αποθήκη υδρογόνου. Οπού στο τοπίο της πράσινης ενέργειας έγκειται στην ικανότητα να αποθηκεύει και να μεταφέρει αποτελεσματικά το υδρογόνο. Η σύνθεση της αμμωνίας περιλαμβάνει την αντίδραση του αζώτου και του υδρογόνου υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασία. Μόλις παραχθεί, η αμμωνία μπορεί να αποθηκευτεί, να μεταφερθεί και να χρησιμοποιηθεί για την αποδέσμευση του υδρογόνου, χρησιμεύοντας ως ασφαλής φορέας για μια καθαρή πηγή ενέργειας, όπως το υδρογόνο.

Σε αυτή την διπλωματική θα προσπαθήσουμε να εμβαθύνουμε στην συνολική διερεύνηση της αξιοποίησης της αμμωνίας ως πηγή υδρογόνου που καλύπτει την παραγωγή, την αποθήκευση, την κατάλυση και τη χρήση σε κυψέλες καυσίμου. Εξετάζοντας κάθε στάδιο της ενεργειακής σχέσεις αμμωνίας ως πηγή υδρογόνου, η εργασία στοχεύει να προσφέρει πληροφορίες σχετικά με τη σκοπιμότητα και την αποτελεσματικότητα αυτής της προσέγγισης για ένα πιο πράσινο και πιο βιώσιμο μέλλον.

Στην αρχή θα προσπαθήσουμε να παρουσιάσουμε τις μεθόδους παραγωγής υδρογόνου και θα εμβαθύνουμε στις δυο κυρίες μεθόδους την αναμόρφωση μεθανίου με ατμό (SMR) και την ηλεκτρόλυση του νερού που έχουν διερευνηθεί εκτενώς. Η αναμόρφωση ατμού πραγματοποιείται κατά την αντίδραση του μεθανίου με ατμό για την παραγωγή του υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα, ενώ η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για την διάσπαση του του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο.

Στην δεύτερη ενότητα θα αναφερθούμε στην αποθήκευση του υδρογόνου. Οι συμβατικές μέθοδοι αποθήκευσης περιλαμβάνουν την αέρια και την υγροποιημένη μορφή αποθήκευσης. Τα προηγμένα υλικά όπως τα υδρίδια μετάλλων και οι δομές με βάση των άνθρακα προσφέρουν πολλά υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις. Ωστόσο, αυτή η εργασία διερευνά τη δυνατότητα χρήσης της αμμωνίας ως μέσο αποθήκευσης υδρογόνου, δίνοντας έμφαση στις μοναδικές της ιδιότητες και την ευκολία χειρισμού για την αντιμετώπιση των προκλήσεων.

Στην τρίτη και τέταρτη ενότητα για την αποθήκευση υδρογόνου μέσω αμμωνίας εμβαθύνομε στις χημικές διεργασίες που εμπλέκονται στη σύνθεση και την αποσύνθεση της αμμωνίας για την απελευθέρωση υδρογόνου. Η υποψηφιότητα της αμμωνίας ως μέσο αποθήκευσης υδρογόνου προσφέρει μια καινοτόμο λύση για την ασφάλεια, την ογκομετρική απόδοση και τις προκλήσεις μεταφοράς που σχετίζονται με άλλες μεθόδους αποθήκευσής. Η κατανόηση των καταλυτικών διεργασιών που διευκολύνουν τη χρήση της αμμωνίας είναι απαραίτητα για την βελτιστοποίηση της απόδοσης και την ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Οι καταλυτές διαδραματίζουν κεντρικό ρολό στην διαδικασία αποσύνθεσης της αμμωνίας, επηρεάζοντας την κινητική και την εκλεκτικότητα της αντίδρασης, Θα εξετάσουμε διάφορους καταλυτές που χρησιμοποιούνται στην αποσύνθεση της αμμωνίας για την απελευθέρωση του υδρογόνου, Από τους παραδοσιακούς καταλυτές με βάση τα μέταλλα έως τα αναδυόμενα νανοϋλικά, η επιλογή των καταλυτών επηρεάζουν  σημαντικά την απόδοση και την οικονομία της μετατροπής της αμμωνίας σε υδρογόνο.

Οι κυψέλες καυσίμου ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για την ενεργειακή απόδοση της αμμωνίας ως φορέας υδρογόνου. Αυτή η ενότητα διερευνά τις αρχές λειτουργίας των κυψελών καυσίμου, επισημαίνοντας τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Από τις κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) έως τις κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFCs), η κατανόηση των διαφορετικών εφαρμογών των κυψελών καυσίμου είναι αναπόσπαστη για την αξιοποίηση της σκοπιμότητας της αμμωνίας ως φορέα υδρογόνου σε πρακτικά ενεργειακά συστήματα.

Η τελευταία ενότητα συγκρίνει την αμμωνία με άλλες μεθόδους αποθηκεύσεις καθώς και τις πιθανές μελλοντικές εφαρμογές. Αυτή η συγκριτική ανάλυση λαμβάνει υπόψη τις τεχνολογικές εξελίξεις, την οικονομική και περιβαλλοντική βιωσιμότητα. Αντί παραθέτοντας την αμμωνία με τις υπάρχουσες επιλογές αποθήκευσής η εργασία παρέχει μια ολοκληρωμένη οπτική για το ρολό της στη διαμόρφωση του μέλλοντος της καθαρής ενέργειας.

In the continued pursuit of a sustainable, low-emission future, hydrogen has emerged as a key energy carrier, offering solutions to combat climate change and meet the growing demands for clean energy. This abundant and versatile element, when harnessed effectively, has the potential to reshape various industries and significantly contribute to the global transition of a greener and more sustainable energy future.

Hydrogen has the ability to store and transport energy in an environmentally friendly way. Its combustion produces only water vapor, which sets it apart from traditional fossil fuels and positions it as a clean energy source. In addition, hydrogen can be produced through various methods such as electrolysis, atmospheric methane reforming and biomass gasification, offering a range of options for sustainable production.

In the transport sector hydrogen fuel cells can power electric vehicles, providing a clean alternative to conventional internal combustion engines. These fuel cell vehicles emit only water vapor and heat, making them a zero-emissions option that addresses air pollution concerns. Hydrogen is also used in various chemical processes offering a cleaner alternative for sectors, such as steel and cement production. Replacing hydrogen-intensive processes can significantly reduce greenhouse gas emissions.

Its integration into the current electricity infrastructure not only ensures a reliable and environmentally friendly source of electricity but also positions hydrogen as a storage medium for renewable energy sources. Furthermore, the potential of hydrogen extends to heating applications in both residential and commercial buildings. As a clean burning fuel, hydrogen provides a sustainable alternative to natural gas, facilitating the decarbonisation of the heating sector and reducing the environmental impact associated with conventional energy sources.

Despite its potential, hydrogen faces challenges that must be addressed for widespread adoption. These challenges include the cost of production, storage and transportation, as well as, the development of efficient technologies for using hydrogen. Advances in research and development, coupled with supportive policy and investment, are essential to overcoming these barriers and unlocking hydrogen's full potential.

In the evolving landscape of sustainable energy solutions, ammonia has emerged as an option in the quest for clean and efficient hydrogen production and has been traditionally recognized for applications in agriculture and industrial processes, as it has now taken a new central role as a sustainable hydrogen source/storage. In the green energy landscape, ammonia has the ability to efficiently store and transport hydrogen, as its synthesis involves the reaction of nitrogen and hydrogen under high pressure and temperature. Once produced, ammonia can be stored, transported and used to release hydrogen, serving as a safe carrier for a clean energy source such as hydrogen.

This research will try to shed light upon the overall investigation of the utilization of ammonia, as a source of hydrogen covering its production, storage, catalysis and use in fuel cells. Examining each stage of the energy relations of ammonia as a hydrogen source, this paper aims to provide insights into the feasibility and effectiveness of this approach for a greener and more sustainable future.

The first section will present the hydrogen production methods and delve into the two main methods-steam methane reforming (SMR) and water electrolysis, which have been extensively investigated. Steam reforming takes place by reacting methane with steam to produce hydrogen and carbon dioxide, while electrolysis uses electricity to split water into oxygen and hydrogen.

The second section will be referred to the storage of hydrogen. Conventional storage methods include gaseous and liquid storage. Advanced materials such as metal hydrides and carbon-based structures offer promising alternatives. However, this work explores the possibility of using ammonia as a hydrogen storage medium, emphasizing its unique properties and ease of manipulation to address the challenges.

In the third and fourth section, the chemical processes involved in the synthesis and decomposition of ammonia to release hydrogen, will be analysed. The candidacy of ammonia as a hydrogen storage medium offers an innovative solution to the safety, volumetric efficiency, and transport challenges associated with other storage methods. Understanding the catalytic processes that facilitate the use of ammonia is essential to optimize performance and minimize environmental impact.

Catalysts play a central role in the ammonia decomposition process, influencing the kinetics and selectivity of the reaction. Various catalysts used in the decomposition of ammonia to release hydrogen will be examined, from traditional metal-based catalysts to emerging nanomaterials, the choice of catalysts significantly affect the performance and economy of ammonia to hydrogen conversion.

Fuel cells are a very important factor in the energy efficiency of ammonia as a hydrogen carrier. This section explores the operating principles of fuel cells, highlighting their advantages and disadvantages. From proton exchange membrane (PEM) fuel cells to solid oxide fuel cells (SOFCs), understanding the different applications of fuel cells is integral to exploiting the feasibility of ammonia, as a hydrogen carrier in practical energy systems.

Finally, a comparison of ammonia to other storage methods, as well as, possible future applications, will be discussed. This comparative analysis takes into account technological developments, along with economic and environmental sustainability. Rather than juxtaposing ammonia with existing storage options, this paper provides a comprehensive perspective on its role in shaping a clean energy future.