Η αξιοποίηση του υδρογόνου λαμβάνει συνεχώς αυξανόμενη προσοχή τα τελευταία χρόνια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι έχει αναγνωρισθεί ως το καύσιμο που αφενός μπορεί να καλύψει το σύνολο των ενεργειακών αναγκών της παγκόσμιας οικονομίας (βιομηχανία, ηλεκτροπαραγωγή, μεταφορές και εμπορικές / οικιακές δραστηριότητες), ενώ ταυτόχρονα εφόσον παράγεται μέσω εκμετάλλευσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας οδηγεί σε απολιγνιτοποίηση και δεν προκαλεί έκλυση αερίων του θερμοκηπίου.
του Κωνσταντίνου Γκουραμάνη
Σήμερα το υδρογόνο αντιστοιχεί σε πολύ μικρό μέρος του παγκόσμιου ενεργειακού μείγματος, ενώ ακόμη και αυτό το μερίδιο παράγεται σε ποσοστό 96% από συμβατικά καύσιμα (κυρίως φυσικό αέριο). Η παραγωγή του υδρογόνου με τις συμβατικές μεθόδους όπως γίνεται σήμερα, προκαλεί εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης την παραγωγή 70 – 100 Mt CO2 ετησίως. Για την ελαχιστοποίηση του αποτυπώματος άνθρακα, θα πρέπει το υδρογόνο να χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερη κλίμακα ενώ η παραγωγή του θα πρέπει να γίνεται μέσω μεθόδων που δεν προκαλούν εκπομπή αερίων ρύπων.
Η Ευρώπη είναι στις πρώτες θέσεις προώθησης του ενεργειακού μετασχηματισμού, καθώς έχει αναγνωρίσει τη χρήση υδρογόνου ως βασικό εργαλείο για την επίτευξη της μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου κατά 50 – 55% μέχρι το 2030 [1], [2].
Χαρακτηριστικό της δυναμικής που λαμβάνει το υδρογόνο στην παγκόσμια οικονομία είναι τα εξής στοιχεία:
- Οι αναμενόμενες άμεσες ή έμμεσες επενδύσεις για παραγωγή υδρογόνου με μηδενικό ανθρακικό αποτύπωμα στην Ευρωπαϊκή Ένωση εκτιμώνται στο εύρος των 180 – 470 δις € μέχρι το 2050.
- Ο ετήσιος τζίρος της αγοράς του υδρογόνου αναμένεται μέχρι το 2050 να φθάσει τα 700 δις €.
- Το υδρογόνο αναμένεται να γίνει ένα από τα πλέον σημαντικά commodities.
- Η ανάπτυξη δικτύων μεταξύ των σημείων παραγωγής, μεταφοράς και σταθερών δικτύων διανομής θα διαμορφώσει την παγκόσμια οικονομία για τις επόμενες δεκαετίες.
Χρήσεις του υδρογόνου
Σήμερα, η χρήση του υδρογόνου περιορίζεται κατά κύριο λόγο στη βαριά βιομηχανία για την υλοποίηση παραγωγικών διεργασιών. Η αξιολόγηση για την ευρεία εκμετάλλευση του υδρογόνου έχει επεκτείνει τις πιθανές χρήσεις του στο σύνολο σχεδόν των δραστηριοτήτων της παγκόσμιας οικονομίας. Οι βασικές μέθοδοι εκμετάλλευσης του υδρογόνου είναι οι εξής:
- Μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης. Αυτό επιτυγχάνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις: παραγωγή υδρογόνου από το νερό με τροφοδότηση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω συσκευών ηλεκτρόλυσης, και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το υδρογόνου μέσω κυψελών καυσίμου.
- Παραγωγή συνθετικών καυσίμων μέσω διεργασίας που περιλαμβάνει ως πρώτη ύλη το υδρογόνο, νερό και οξείδια του άνθρακα. Τα συνθετικά καύσιμα θεωρούνται θετικού ανθρακικού αποτυπώματος εφόσον τα παράγωγα του άνθρακα προέρχονται από συγκράτηση ρύπων παραγόμενων από βιομηχανικές διεργασίες. Τα καύσιμα αυτά έχουν χρήσεις παρόμοιες με αυτές των συμβατικών ορυκτών καυσίμων.
Διάγραμμα 1. Βήματα παραγωγής, μεταφοράς και τελικής εκμετάλλευσης πράσινου υδρογόνου.
Η σταδιακή επέκτασή της χρήσης του υδρογόνου εκτιμάται από την DNV με πηγές από τον International Energy Agency, IEA ανάλογα με τις χρήσεις σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα [3].
Διάγραμμα 2. Εκτιμήσεις για τη χρήση υδρογόνου στις βασικές του εφαρμογές κατά τη χρονική περίοδο 1990 – 2050.
Γίνεται εμφανές ότι από το 2025 αναμένεται η σταδιακή αύξηση των χρήσεων υδρογόνου σε σχέση με τη βιομηχανική χρήση που γίνεται μέχρι σήμερα. Η αύξηση των χρήσεων σε πλήθος και ποσότητα εκτιμάται ότι θα ξεκινήσει το 2035 και θα συνεχισθεί μέχρι το 2050.
Η κατανάλωση ενέργειας σε όλες τις χρήσεις του κατασκευαστικού τομέα (γραμμές παραγωγής, παραγωγή θερμότητας) αναμένεται να ενσωματώσει σταδιακά το υδρογόνο ως καύσιμο, υποκαθιστώντας τα ορυκτά καύσιμα μετά το 2030.
Για την περίπτωση των κτιρίων η εκτίμηση είναι ότι μέχρι το 2050 το υδρογόνο θα αντικαταστήσει ως ένα βαθμό την καύση του φυσικού αερίου για τη θέρμανση, τα Ζεστά Νερά Χρήσης και το μαγείρεμα. Η θεώρηση αυτή γίνεται με την παραδοχή ότι τα υφιστάμενα δίκτυα φυσικού αερίου μπορούν να μετατραπούν σε δίκτυα μεταφοράς υδρογόνου με μικρό κόστος. Αυτό μπορεί να γίνει είτε με ανάμιξη φυσικού αερίου και υδρογόνου (σε ποσοστό 10%) με μηδενικές μετατροπές, είτε με χρήση υδρογόνου σε 100% που απαιτεί αναβάθμιση υποδομής.
Στις μεταφορές το υδρογόνο αναμένεται να λειτουργεί παράλληλα με τη χρήση ηλεκτρικών συσσωρευτών. Η χρήση υδρογόνου μέσω κυψελών καυσίμου αναμένεται να επικρατήσει στα βαριά οχήματα, λόγω των δυνατοτήτων που παρέχονται για αποθήκευση και ανεφοδιασμό σαν τυπικό ορυκτό καύσιμο. Αντίθετα στη ναυσιπλοΐα και την αεροπλοΐα, η διείσδυση του υδρογόνου αναμένεται να είναι σημαντική κυρίως μέσω της υιοθέτησης των συνθετικών καυσίμων με βάση το υδρογόνο.
Χαρακτηρισμός μορφών υδρογόνου
Οι 3 βασικές κατηγορίες του υδρογόνου, που προκύπτουν από τη μέθοδο παραγωγής του είναι οι εξής:
«Γκρι Υδρογόνο» ή Υδρογόνο παραγόμενο από ορυκτά καύσιμα (fossil-based) είναι το υδρογόνο που παράγεται μέσω οποιασδήποτε μεθόδου βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα ως πρώτη ύλη, κυρίως μέσω μετασχηματισμού του φυσικού αερίου. Όλες οι μέθοδοι παραγωγής γκρι υδρογόνου έχουν σαν παραπροϊόν αέριους ρύπους σε μεγάλες ποσότητες.
«Μπλε Υδρογόνο» ή Υδρογόνο παραγόμενο από ορυκτά καύσιμα με συγκράτηση και αποθήκευση ρύπων (fossil-based hydrogen with carbon capture and storage, CCS) είναι το υδρογόνο που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, αλλά οι εκπομπές αερίων ρύπων συγκρατούνται μέσω διατάξεων φίλτρων και αποθηκεύονται. Οι εκπομπές ρύπων είναι σαφώς λιγότερες σε σχέση με το γκρι υδρογόνο, καθώς συγκρατούνται σε ποσοστό μέχρι και 90%, αλλά σε καμία περίπτωση δεν επιτυγχάνεται μηδενική επιβάρυνση μέσω αυτής της μεθόδου.
«Πράσινο Υδρογόνο» ή «Ανανεώσιμο Υδρογόνο» (renewable hydrogen) είναι το υδρογόνο που παράγεται κυρίως μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού. Η διαδικασία απαιτεί την ύπαρξη ηλεκτρολύτη και την τροφοδότηση με ηλεκτρική ενέργεια. Η ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να παράγεται από Ανανεώσιμες Πηγές, ώστε το υδρογόνο να χαρακτηρίζεται ως πράσινο. Εναλλακτικές μορφές παραγωγής πράσινου υδρογόνου είναι η αεριοποίηση (gasification) βιομάζας και ο μετασχηματισμός βιοαερίου (αντί φυσικού αερίου).
Σήμερα δεν υπάρχει παραγωγή πράσινου και μπλε υδρογόνου σε ευρεία κλίμακα. Εξαίρεση αποτελούν μικρά κυρίως πιλοτικά προγράμματα που δεν επηρεάζουν το συνολικό ισοζύγιο σε παγκόσμια κλίμακα. Συγκεκριμένα, παγκοσμίως οι εγκαταστάσεις που λειτουργούν παράγοντας μπλε και πράσινο υδρογόνο είναι ως εξής [6]:
- Για την παραγωγή μπλε υδρογόνου μέσω της τεχνολογίας CCS, δύο νέες μονάδες μπήκαν σε λειτουργία του 2020, φθάνοντας τις 16 συνολικά και το δυναμικό αποθήκευσης των 700 Mt CO2.
- Σε σχέση με την παραγωγή πράσινου υδρογόνου, 70 MWel μονάδων ηλεκτρόλυσης μπήκαν σε λειτουργία το 2020 αθροίζοντας συνολική παραγωγή 300 MW. Από αυτά το 40% βρίσκεται στην Ευρωπαϊκή Ένωση.
Διάγραμμα 3. Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας της ηλεκτρόλυσης
Διάγραμμα 4. Οι 3 βασικές μορφές / χαρακτηρισμοί του υδρογόνου ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής του
Οικονομική Αξιολόγηση
Η δυνατότητες που παρέχει η επικράτηση του πράσινου υδρογόνου στους τομείς της μείωσης αέριων ρύπων σε όλο φάσμα της κατανάλωσης ενέργειας και στην ανάπτυξη της Ευρωπαϊκής οικονομίας είναι σαφείς και κοινά αποδεκτές. Όμως βασική προϋπόθεση για την επικράτηση του πράσινου υδρογόνου είναι αυτό να καταστεί οικονομικά ελκυστικό σε σύγκριση με τους άμεσους ανταγωνιστές του (γκρι και μπλε υδρογόνο), κάτι που αναμένεται να επιτευχθεί μετά το 2030. Με σημερινές τιμές αυτό δεν επιτυγχάνεται, καθώς το κόστος παραγωγής του είναι σαφώς υψηλότερο.
Συγκεκριμένα, το κόστος παραγωγής για το γκρι υδρογόνο στην Ευρωπαϊκή Ένωση είναι ίσο με 1 – 1,5 €/kg, που αντιστοιχεί σε 28 – 42 €/MWh. Αυτό το κόστος εξαρτάται άμεσα από το κόστος του φυσικού αερίου και δε λαμβάνει υπόψη το κόστος εκπομπών CO2.
Αντίστοιχα το κόστος του μπλε υδρογόνου, περιλαμβάνοντας και εκτίμηση κόστους για την αποθήκευση των εκπομπών, είναι ίσο με 3,5 – 4 €/kg με τάσεις μείωσης τα επόμενα χρόνια κοντά στα 2,5 – 3 €/kg.
Το κόστος παραγωγής πράσινου υδρογόνου είναι σήμερα ίσο με 3,5 – 7 €/kg.
Με τις ανωτέρω τιμές, το κόστος εκπομπής CO2 στο εύρος των 55 – 90€ / τόνο θα μπορούσε να καταστήσει την συγκράτηση και αποθήκευση των αέριων ρύπων οικονομικά συμφέρουσα επιλογή. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα τα καλύτερα οικονομικά αποτελέσματα του μπλε υδρογόνου σε σχέση με το γκρι.
Αντίστοιχα το κόστος του πράσινου υδρογόνου εμφανίζει σημαντικές τάσεις μείωσης, με βασικότερο μέρος αυτών το κόστος των ηλεκτρολυτών που έχουν μειωθεί κατά 60% τα τελευταία 10 έτη. Εκτιμήσεις προβλέπουν περαιτέρω μείωση του κόστους των ηλεκτρολυτών στο μισό σε σχέση με τις σημερινές τιμές μέχρι το 2030.
Μελλοντικές προκλήσεις
Καθίσταται σαφές ότι είναι η πρώτη φορά που ο τεχνικός κόσμος παγκοσμίως έρχεται αντιμέτωπος με μία μεγάλη ευκαιρία απεξάρτησης από τον άνθρακα σε όλες τις μορφές της οικονομικής ζωής. Αποτελεί λοιπόν μία πρόκληση να ξεπεραστούν όλα τα εμπόδια που εντοπίζονται στην ωριμότητα της τεχνολογίας, την οικονομικότητα των επενδύσεων, την αποδοτικότητα των διεργασιών και την αξιοπιστία του εγχειρήματος, ώστε αυτή η μετάβαση να καταστεί εφικτή.
Εκτός των άμεσων κατασκευαστικών έργων, αναμένεται αυτή η αναπτυσσόμενη αγορά να δημιουργήσει την ανάγκη για τεχνική συμβουλή σε ένα σύνολο υπηρεσιών που θα περιλαμβάνουν την Τεχνική Συμβουλή Τραπεζών κατά τη λήψη αποφάσεων δανειοδότησης σχετικών επενδύσεων, την παροχή υπηρεσιών Owners’ Engineer, τεχνικές πιστοποιήσεις είτε του συνόλου είτε μέρους των μονάδων παραγωγής, την πιστοποίηση προέλευσης πράσινου υδρογόνου και μηδενικής εκπομπής ρύπων σε όλες τις διεργασίες παραγωγής, κτλ. Αυτές οι υπηρεσίες θα αφορούν τις εγκαταστάσεις παραγωγής υδρογόνου, τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, τις εγκαταστάσεις μεταφοράς του καυσίμου και τις εγκαταστάσεις συγκράτησης και αποθήκευσης ρύπων CO2.
Βιβλιογραφία
[1] Εθνικό Σχέδιο για την Ενέργεια και το Κλίμα, Αθήνα, Δεκέμβριος 2019
[2] Ανακοίνωση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, Βρυξέλλες, 8.7.2020, COM(2020) 301 final
[3] Energy Transition Outlook 2021, a global and regional forecast to 2050, DNV
[4] Global Hydrogen Review 2021, International Energy Agency, Website: www.iea.org
[5] Technology Progress Report, Energy Transition Outlook 2021, DNV
[6] https://www.iea.org/reports/hydrogen
– Ο Κωνσταντίνος Γκουραμάνης είναι Διδάκτορας Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. με εξειδίκευση στον τομέα των Α.Π.Ε., της εξοικονόμησης ενέργειας και των ηλεκτρικών δικτύων. Είναι επικεφαλής του τομέα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας της TUV Hellas (TUV Nord) στο γραφείο της Θεσσαλονίκης
