Το υδρογόνο Η2 έχει αναδειχτεί ως ένα πολλά υποσχόμενο καύσιμο και ενεργειακός φορέας (energy carrier)1 που μπορεί να συμβάλει στη μείωση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων σε ιδιαίτερα ενεργοβόρες εφαρμογές, όπως οι μεταφορές και η βιομηχανία, και να διευκολύνει την επίτευξη του στόχου μηδενικών εκπομπών άνθρακα έως το 2050. Το κλιματικό πλεονέκτημα του υδρογόνου (χαμηλές/μηδενικές εκπομπές CO2 κατά την καύση, υψηλή ενεργειακή πυκνότητα –τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή της βενζίνης2), εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο παραγωγής και από τις μεθόδους αποθήκευσης και μεταφοράς (υγροποιημένο ή αεριούχο).
Το υδρογόνο μπορεί να παράγει ενέργεια με δύο τρόπους: είτε σαν αέριο καύσης (π.χ. σε κινητήρα ή σε στρόβιλο), είτε τροφοδοτώντας κυψέλη καυσίμου3 για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Και στις δύο περιπτώσεις το κύριο χαρακτηριστικό του είναι ότι δεν παράγει ρύπους CO2 στο σημείο χρήσης (μόνο υδρατμούς και θερμότητα όταν καταναλώνεται σε κυψέλες καυσίμου).
Βρίσκεται άφθονο στοιχείο στη φύση (αποτελεί το 90% της ορατής μάζας). Είναι άχρωμο, άοσμο αέριο σε θερμοκρασία δωματίου. Συναντάται μαζί με άλλα στοιχεία, όπως το οξυγόνο και τον άνθρακα, για να σχηματίσει χημικές ενώσεις (π.χ. νερό, μεθάνιο, αμμωνία), είναι εύφλεκτο και ασφαλές όσο το φυσικό αέριο, η βενζίνη και το ντίζελ όταν χρησιμοποιούνται πρωτόκολλα και υλικά για τη σωστή χρήση, αποθήκευση και μεταφορά του.
Παραγωγή και μορφές του υδρογόνου
Η διαδικασία παραγωγής μέσω ηλεκτρόλυσης4, τροφοδοτούμενης από ηλεκτρισμό μέσω ΑΠΕ, είναι η μόνη που παράγει πράσινο υδρογόνο. Αυτή η μέθοδος επειδή παραμένει δαπανηρή5, δεν προσφέρεται για βιομηχανικές εφαρμογές. Σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου παράγεται από ορυκτά καύσιμα (95%) μέσω της διαδικασίας steam methane reforming SMR (αναμόρφωση ατμού). Πρόκειται για θερμική επεξεργασία μεθανίου με υδρατμούς για την απόκτηση υδρογόνου.
Ένας άλλος τρόπος παραγωγής υδρογόνου είναι με βιολογικά μέσα, αλλά αυτές οι διαδικασίες είναι πειραματικές και περιορισμένες.
Συνοπτικά οι μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου (χρώμα) και οι εκπομπές CO2 στην καύση είναι (PEMBINA Institute):
καφέ: μέσω αεριοποίησης του λιγνίτη (περίπου 20 kg CO2/kgH2).
γκρι: μέσω αναμόρφωσης ατμού, steam methane reforming SMR, από φυσικό αέριο (11,3-12,1 kg CO2/kgH2).
μπλε: παράγεται όπως το γκρι υδρογόνο, αλλά με δέσμευση (CCS carbon capture and storage) μέρους του παραγόμενου CO2 (2,3-4,1 kg CO2/kgH2).
ροζ: από ηλεκτρόλυση με ενέργεια που παράγεται από πυρηνικές αντιδράσεις.
πράσινο: από ηλεκτρόλυση με ενέργεια που παράγεται από ΑΠΕ (0-0,6 kg CO2/kgH2).
Αποθήκευση και μεταφορά
Το υδρογόνο ως αέριο έχει χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο κατ’ όγκο υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες, επομένως πρέπει να συμπιεστεί ή να υγροποιηθεί για να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί. Η ψύξη και η υγροποίηση του υδρογόνου είναι πιο ενεργοβόρα από τη συμπίεση και, ως εκ τούτου, το υγροποιημένο υδρογόνο μπορεί να έχει υψηλότερη ένταση άνθρακα, ανάλογα με την πηγή ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται.
Η μεταφορά και διανομή υδρογόνου μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας υπάρχουσες ή νέες υποδομές. Το υδρογόνο μπορεί να αναμειχθεί με φυσικό αέριο και να διαχωριστεί μετά τη μεταφορά, διευκολύνοντας έτσι τη χρήση των υφιστάμενων υποδομών μεταφοράς και διανομής φυσικού αερίου για τη μεταφορά υδρογόνου σε μεγάλες αποστάσεις. Ενώ οι περισσότεροι αγωγοί μπορούν να φιλοξενήσουν μικρά ποσοστά ανάμειξης υδρογόνου (π.χ. στην περιοχή 5-15%), η ανάμειξη υψηλότερων ποσοστών (ή η μεταφορά καθαρού υδρογόνου) μπορεί να απαιτεί ειδικά διαμορφωμένους αγωγούς6. Η μεταφορά υψηλότερων μειγμάτων μπορεί να είναι δυνατή σε νεότερους αγωγούς φυσικού αερίου ή μέσω της χρήσης τεχνολογιών για τη μετατροπή υδρογόνου σε συνθετικό μεθάνιο για διανομή μέσω αγωγών. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να μεταφερθεί σιδηροδρομικώς ή με φορτηγά σε συμπιεσμένη και υγροποιημένη μορφή, παρόμοια με τα βιομηχανικά αέρια. Ενώ το υγροποιημένο υδρογόνο τείνει να είναι λιγότερο δαπανηρό στη διανομή από το συμπιεσμένο υδρογόνο, το κόστος υγροποίησης μπορεί να λειτουργήσει ως εμπόδιο. Τελικά, η ζήτηση υδρογόνου και η απόσταση μεταφοράς θα επηρεάσουν την κατάσταση του υδρογόνου και τον τρόπο μεταφοράς που χρησιμοποιείται.
Η αποθήκευση υδρογόνου εξαρτάται από την τελική χρήση του καυσίμου. Το υδρογόνο αποθηκεύεται συνήθως ως συμπιεσμένο αέριο σε δεξαμενή υψηλής πίεσης ή ως υγρό καύσιμο σε κρυογονικό δοχείο (χαμηλής θερμοκρασίας).
Χρήσεις και εφαρμογές
Το υδρογόνο προσφέρεται για πολλαπλές εφαρμογές τόσο σε καθαρή μορφή (κυψέλες καυσίμου ή μέσω καύσης), όσο και αναμεμειγμένο με υγρά καύσιμα και φυσικό αέριο.
Το υδρογόνο μπορεί να αντικαταστήσει τα ορυκτά καύσιμα σε διάφορες εφαρμογές, ωστόσο, η προστιθέμενη αξία του υδρογόνου έγκειται στη δυνατότητά του να μειώσει τις εκπομπές από τομείς που είναι δύσκολο να απαλλαγούν από τον άνθρακα.
Η χρήση καυσίμου υδρογόνου είναι επί του παρόντος αρκετά περιορισμένη7.
Στα κτίρια: σε οικιακές συσκευές, όπως αντλίες θερμότητας κυψελών καυσίμου, για οικιακή ηλεκτρική ενέργεια μέσω κυψέλης καυσίμου, για συνδυασμένη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. συστήματα τηλεθέρμανσης).
Στην ηλεκτροπαραγωγή: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (σε ορισμένες ανεμογεννήτριες). Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας: χρήση ηλεκτρόλυσης για τη μετατροπή της πλεονάζουσας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. από ανανεώσιμες πηγές) σε υδρογόνο «power to gas».
Στη βιομηχανία: χρήση σε παραγωγικές διεργασίες απαιτήσεων υψηλής θερμοκρασίας, τόσο στην πράσινη, όσο και στη «μπλε» μορφή.
Στις μεταφορές8: σε οχήματα κυψελών καυσίμου που μεταφέρουν βαριά φορτία σε μεγάλες διαδρομές, π.χ. βαρέα επαγγελματικά οχήματα όπως φορτηγά, λεωφορεία, σιδηροδρομικά, θαλάσσια μέσα (τα οχήματα κυψελών καυσίμου έχουν υψηλότερη πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας, μικρότερους χρόνους ανεφοδιασμού και μικρότερο βάρος από τα ηλεκτρικά οχήματα με συσσωρευτή. Σε μείξη με ντίζελ μπορεί να τροφοδοτήσει μετασκευασμένους πετρελαιοκινητήρες.
Το υδρογόνο στο νέο Εθνικό Σχέδιο για την Ενέργεια και το Κλίμα
Η χρήση πράσινου υδρογόνου μέσω υδρόλυσης, που προέρχεται από πλεόνασμα παραγωγής ΑΠΕ, επιτρέπει την αυτοπαραγωγή καυσίμου, απαγκιστρώνοντας μερικώς ή πλήρως την κατανάλωση από το ηλεκτρικό δίκτυο διανομής (off grid). Η αυτοπαραγωγή και αποθήκευση πράσινου Η2 μπορεί να δώσει νέα ώθηση στην ανάπτυξη και διασπορά στον χώρο, μονάδων αυτόνομων ενεργειακών κοινοτήτων, πλήρως απεξαρτημένων από το εθνικό δίκτυο.
Συνοπτικά, το σύστημα αποτελείται από κατάλληλα διαστασιολογημένη μονάδα ΑΠΕ (πχ. φωτοβολταϊκό), ηλεκτρολύτη για την παραγωγή υδρογόνου, μπουκάλες για την αποθήκευσή του, κυψέλη καυσίμου για τη μετατροπή του ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς και εναλλάκτες για ανάκτηση θερμότητας στις διάφορες φάσεις κλπ.
Στο αναθεωρημένο Εθνικό Σχέδιο για την Ενέργεια και το Κλίμα (ΕΣΕΚ 2030) το βάρος των ΑΠΕ προβλέπεται να αυξηθεί στα 28,4 GW (από 10 GW σήμερα και πρόβλεψη 19 GW στο ισχύον ΕΣΕΚ), προκειμένου να διασφαλιστεί η παραγωγή Η2 με ηλεκτρόλυση. Οι σταθμοί αποθήκευσης αυξάνονται από 2,7GW στα 9,3GW με το Η2 να καλύπτει 1,2 GW (13% του συνόλου).
Στο σχέδιο Εθνικής Στρατηγικής για το Υδρογόνο προβλέπεται για το 2040 παραγωγή 3 Mtoe (1/3 για εξαγωγή) και 7,4 Mtoe για τον 2050 (+146%).
Η συμμετοχή του φυσικού αερίου παραμένει σταθερή μέχρι το 2030 ως στο υφιστάμενο ΕΣΕΚ (6,9GW), επιβεβαιώνοντας τη στρατηγική πλέον εξάρτηση της χώρας από τα ορυκτά καύσιμα, με όλους τους κλιματικούς και γεωπολιτικούς κινδύνους που αυτό συνεπάγεται.
Σημειώσεις:
1. Η δυνατότητα εναλλαγής μορφής της ίδιας μορφής ενέργειας (π.χ. ηλεκτρισμός).
2. Υδρογόνο 119,7 MJ/Kg – Φυσικό αέριο 45,8 MJ/Kg.
3. Συσκευή μετατροπής χημικής ενάργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική.
4. Ο διαχωρισμός μέσω ηλεκτρισμού των συνθετικών στοιχείων του νερού (οξυγόνο και υδρογόνο).
5. Υψηλό κόστος παραγωγής $3,1-5,01/kgH2 έναντι $0,91-1,42/kgH2 (PEMBINA Institute -2020).
6. H μείξη με το φυσικό αέριο δεν θεωρείται αποδοτική λύση (σε ποσοστό 80/20 το μείγμα χάνει το 16% της ενεργειακής ισχύος, ενώ η μείωση των εκπομπών είναι μόνο -6% (N. Armaroli).
7. Στην ΕΕ προβλέπεται παραγωγή 10 εκατ. τόνων πράσινου υδρογόνου και ισόποση ποσότητα εισαγωγής έως το 2030 με κόστος 28-38 δισ. ευρώ για αγωγούς και 6-11 δισ. για αποθήκευση (RePowerEU).
8. Στις ΗΠΑ το κόστος ανά χιλιόμετρο είναι τρεις φορές μεγαλύτερο από ένα υβριδικό όχημα και δυο φορές μεγαλύτερο σε σχέση με ένα συμβατικό (EIA – 2021).
Ιωσήφ Σινιγάλιας
