Γράφει ο Στέλιος Ρουμελιώτης
Το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο και πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Οι δυνατότητές του ως καθαρή πηγή ενέργειας έχουν αναγνωριστεί εδώ και πολλές δεκαετίες, αλλά μόλις τα τελευταία χρόνια μελετάται εντατικά ως εναλλακτική καύσιμη ύλη. Σε αυτό το άρθρο, θα διερευνήσουμε την ιστορία του υδρογόνου ως χημικού στοιχείου, τις τεχνικές προκλήσεις της χρήσης του ως καυσίμου και τα πιθανά οφέλη ως καθαρή πηγή ενέργειας. Θα συζητήσουμε, επίσης, το μέλλον του υδρογόνου στην Ελλάδα και τους λόγους για τους οποίους, πρέπει να αποτελέσει πυλώνα ανάπτυξης τα επόμενα χρόνια.
Σύντομη ιστορία του υδρογόνου ως χημικό στοιχείο και ως καύσιμο
Το υδρογόνο αναγνωρίστηκε ως χημικό στοιχείο, από το Βρετανό επιστήμονα Henry Cavendish το 1766. Παρά την αφθονία του, σπανίως βρίσκεται στη στοιχειακή του μορφή. Συνήθως, συναντάται σε ενώσεις, όπως στο νερό, στους υδρογονάνθρακες και αλλού.
Η πρώτη χρήση του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας, εντοπίζεται στις αρχές του 1800, όταν χρησιμοποιήθηκε στο φωτισμό με αέριο. Αργότερα, το 1839, ο Sir William Grove δημιούργησε την πρώτη κυψέλη καυσίμου (fuel cell), μια διάταξη παραγωγής ηλεκτρισμού με καύσιμο το υδρογόνο.
Σημαντική συμβολή στην περαιτέρω διερεύνηση των δυνατοτήτων του υδρογόνου, είχε ο διάσημος Γάλλος συγγραφέας Jules Verne (Ιούλιος Βερν). Σε μυθιστορήματά του, φαντάστηκε και περιέγραψε τη χρήση υδρογόνου για την τροφοδότηση συσκευών όπως ο τηλέγραφος, αλλά και την τροφοδότηση του αερόστατου των εξερευνητών στο έργο «Five Weeks in a Balloon». Χρόνια αργότερα, πράγματι χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο στο γερμανικό αερόπλοιο Hindenburg, το οποίο, δυστυχώς, εξερράγη το 1937. Το ατύχημα στο οποίο έχασαν τη ζωή τους 36 άνθρωποι, οδήγησε σε μείωση της χρήσης του υδρογόνου ως καυσίμου.
Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, έχει αναζωπυρωθεί το ενδιαφέρον. Πολλές χώρες επενδύουν σημαντικά ποσά στην έρευνα και ανάπτυξη σχετικής τεχνολογίας. Οι γεωπολιτικές εξελίξεις αφενός και αφετέρου η περιβαλλοντολογική ευαισθητοποίηση των κοινωνιών, μετατοπίζουν το ενδιαφέρον προς λύσεις που θα προσφέρουν ενεργειακή ασφάλεια και μειωμένο περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Τεχνικές προκλήσεις της χρήσης του υδρογόνου ως καυσίμου
Ενώ το υδρογόνο έχει πολλά δυνητικά οφέλη ως καύσιμο, υπάρχουν αρκετές τεχνικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν.
Ένα από τα ζητήματα που εξετάζεται ενδελεχώς, είναι ο τρόπος αποθήκευσης του υδρογόνου στις διάφορες εφαρμογές. Στο παράδειγμα που ακολουθεί, διαπιστώνεται κρίσιμος, για την εμπορική βιωσιμότητα της χρήσης του υδρογόνου, προβληματισμός.
Ένα συμβατικό όχημα διανύει 100 χιλιόμετρα «καίγοντας» 1 kg υδρογόνο υπό πίεση 1atm και καταλαμβάνοντας χώρο 11 m3. Δεδομένου ότι κατά μέσο όρο, ο αποθηκευτικός χώρος ενός ΙΧ είναι 0,5 m3, γίνεται εμφανές το πρόβλημα. Απαιτείται, δηλαδή, πολύς χώρος για να αποθηκευτεί υδρογόνο ικανό ώστε να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο.
Μεταξύ των λύσεων που έχουν προταθεί στο πρόβλημα της αποθήκευσης, συμπεριλαμβάνονται οι δεξαμενές υψηλής πίεσης, η αποθήκευση σε υγρή μορφή και η αποθήκευση υπό μορφή αμμωνίας. Κάθε μία από αυτές εμφανίζει τεχνολογικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν.
Εικόνα 1: Απαιτούμενο όγκος για την αποθήκευση 1 kg Υδρογόνου (Πηγή: Teréga – Hydrogen Storage)
Το γκρίζο και το μπλε υδρογόνο είναι σχετικά φθηνό στην παραγωγή. Παρόλα αυτά, οι επιπτώσεις των εκπομπών CO2 και η περιορισμένη περιφερειακή διαθεσιμότητα γεωλογικής αποθήκευσης άνθρακα αποτελούν μακροπρόθεσμους κινδύνους.
Το πράσινο υδρογόνο, θεωρητικά, δεν έχει εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση των δεσμών υδρογόνου-οξυγόνου στο νερό, είναι, προς το παρόν, πολύ υψηλή. Εάν αντί για νερό, γίνει διάσπαση μεθανίου (CH4), τότε με πολύ λιγότερη ενέργεια, λαμβάνεται το επιθυμητό H2 με μόνο επιπλέον προϊόν, στερεό άνθρακα. Αξίζει να τονιστεί, πως ο χρωματικός διαχωρισμός του υδρογόνου, αναφέρεται στη μέθοδο παραγωγής του. Ως χημικό στοιχείο, το υδρογόνο (H2) εμφανίζεται άχρωμο, άοσμο, μη τοξικό αέριο.
Στην παρακάτω εικόνα, αποτυπώνονται οι μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου, ο αντίστοιχος χρωματικός όρος και τα παραγόμενα προϊόντα:
Το γκρίζο και το μπλε υδρογόνο είναι σχετικά φθηνό στην παραγωγή. Παρόλα αυτά, οι επιπτώσεις των εκπομπών CO2 και η περιορισμένη περιφερειακή διαθεσιμότητα γεωλογικής αποθήκευσης άνθρακα αποτελούν μακροπρόθεσμους κινδύνους.
Το πράσινο υδρογόνο, θεωρητικά, δεν έχει εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση των δεσμών υδρογόνου-οξυγόνου στο νερό, είναι, προς το παρόν, πολύ υψηλή.
Εάν αντί για νερό, γίνει διάσπαση μεθανίου (CH4), τότε με πολύ λιγότερη ενέργεια, λαμβάνεται το επιθυμητό H2 με μόνο επιπλέον προϊόν, στερεό άνθρακα.
Αξίζει να τονιστεί, πως ο χρωματικός διαχωρισμός του υδρογόνου, αναφέρεται στη μέθοδο παραγωγής του. Ως χημικό στοιχείο, το υδρογόνο (H2) εμφανίζεται άχρωμο, άοσμο, μη τοξικό αέριο.
Εικόνα 2: Συγκεντρωτικός πίνακας κατηγοριών υδρογόνου με βάση τη μέθοδο παραγωγής
Οφέλη του υδρογόνου ως καθαρή πηγή ενέργειας:
Παρά τις προκλήσεις παραγωγής και αποθήκευσης που πρέπει να ξεπεραστούν, το υδρογόνο έχει πολλά δυνητικά οφέλη.
Ένα από αυτά, είναι ότι κατά την καύση υδρογόνου, παράγονται μόνο υδρατμοί. Το γεγονός αυτό είναι προεξάρχουσας σημασίας για τις χώρες που έχουν συμφωνημένους στόχους για μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, τα επόμενα χρόνια.
Ένα ακόμη πολύσημαντικό πεδίο εφαρμογής της τεχνολογίας υδρογόνου είναι, ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο αποθήκευσης της πλεονάζουσας ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Η αιολική και ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζονται ως διαλείπουσες, καθόσον άλλοτε παράγουν περίσσεια ενέργεια και άλλοτε δεν επαρκεί για να καλύψει τις ανάγκες του δικτύου. Στις χρονικές στιγμές όπου η παραγόμενη ενέργεια περισσεύει, δύναται να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης. Εν συνεχεία, μέσω κυψελών καυσίμου (fuel cells) που δέχονται ως καύσιμο το υδρογόνο, αποδίδεται η «αποθηκευμένη» ενέργεια, πίσω στο δίκτυο. Με αυτό τον τρόπο, καταπολεμάται, σε μεγάλο βαθμό, το πρόβλημα της διακύμανσης της συνεισφοράς των ηλιακών συλλεκτών και των ανεμογεννητριών στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Μια ακόμη εφαρμογή του υδρογόνου που αποκτά ολοένα και περισσότερους χρήστες, είναι στα οχήματα με κυψέλες καυσίμου (Fuel Cell Electric Vehicle ή FCEV). Για την κίνηση των τροχών τους, χρησιμοποιείται ένας ηλεκτροκινητήρας αντί για κινητήρα εσωτερικής καύσης, ενώ ως παραπροϊόντα, εκπέμπονται μόνο νερό και θερμότητα. Επομένως, η μετατροπή του υδρογόνου σε ηλεκτρική ενέργεια δεν εκπέμπει ρύπους που επηρεάζουν τη δημόσια υγεία και ελαχιστοποιεί τα αέρια του θερμοκηπίου που συμβάλλουν στην κλιματική αλλαγή.
Φυσικά, υπάρχει πλειάδα επιπλέον πεδίων χρήσης των κυψελών καυσίμων και της τεχνολογίας υδρογόνου, όπως στα πλοία και στα τρένα.
Εικόνα 3: Συνδυασμός ΑΠΕ και Υδρογόνου (Πηγή: DW – Hydrogen and wind: Allies for sustainable energy)
Το μέλλον του υδρογόνου στην Ελλάδα
Η ελληνική πολιτεία, έχει θέσει φιλόδοξους στόχους για τη μείωση των εκπομπών αερίων με επιβαρυντικό αποτύπωμα στο περιβάλλον και η χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου μπορεί να συμβάλει στην επίτευξη αυτών.
Η χώρα, διαθέτει συγκριτικό πλεονέκτημα στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου, καθόσον η δυνατότητα παραγωγής ενέργειας από αιολικούς και ηλιακούς πόρους, είναι θεωρητικά απεριόριστη. Με αυτόν τον τρόπο, η Ελλάδα θα μειώσει έτι περισσότερο την εξάρτηση από εισαγωγές πετρελαίου και φυσικού αερίου.
Διαδοχικές ελληνικές κυβερνήσεις έχουν ανακοινώσει σχέδια για επενδύσεις σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των μεταφορών, της βιομηχανίας και της θέρμανσης. Ωστόσο, για να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό του υδρογόνου, πρέπει να αναπτυχθεί μια υποστηρικτική δομή, η οποία να επιτρέψει την παραγωγή, την αποθήκευση και τη διανομή του. Σε αυτό το σημείο πρέπει να γίνει αναφορά των κοιλάδων υδρογόνου.
Κοιλάδες υδρογόνου, χαρακτηρίζονται γεωγραφικές περιοχές που έχουν τη δυνατότητα να γίνουν κέντρα παραγωγής, αποθήκευσης και διανομής υδρογόνου. Στις περιοχές αυτές, εντοπίζεται υψηλή συγκέντρωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης. Η ιδέα πίσω από τις κοιλάδες υδρογόνου, είναι να δημιουργηθούν αυτοσυντηρούμενα οικοσυστήματα για την παραγωγή και χρήση υδρογόνου ως καθαρής και ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Στόχος είναι να δημιουργηθούν οι χώροι όπου θα ωριμάσουν οι σχετικές τεχνολογίες και θα αναδειχθεί ο καταλυτικός ρόλος του υδρογόνου στην ενεργειακή μετάβαση που επιχειρείται.
Η Ελλάδα, συντάσσεται με την Ευρωπαϊκή Επιτροπή στην προσπάθεια έρευνας και ανάπτυξης καινοτόμων λύσεων που θα προάγουν περιβαλλοντικά βιώσιμες δράσεις. Ακολουθώντας το παράδειγμα άλλων ευρωπαϊκών κρατών, προετοιμάζει τη δημιουργία κοιλάδων υδρογόνου, αρχικά σε Κρήτη και Κόρινθο. Σύμφωνα με την επικεφαλής της Μονάδας Λειτουργίας και Επικοινωνίας στη Σύμπραξη για το Καθαρό Υδρογόνο (Clean Hydrogen Partnership), Mirela Atanasiu, η ερευνητική κοινότητα στην Ελλάδα είναι πολύ δραστήρια στον τομέα του υδρογόνου και της τεχνολογίας κυψελών καυσίμου. Βασικό, ωστόσο, είναι να εξηγηθούν στους πολίτες τα οφέλη και το όλο εγχείρημα να αγκαλιαστεί από την τοπική κοινωνία.
Η δημιουργία κοιλάδων υδρογόνου αποτελεί επένδυση πολλών εκατομμυρίων ευρώ, μεγάλο μέρος εκ των οποίων θα ωφελήσει τους κατοίκους της περιοχής. Η δέσμευση οικοπέδων, δομικά υλικά και αναλώσιμα που θα χρειαστούν, καθώς και η σίτιση των εργαζομένων, θα ενισχύσει την τοπική οικονομία.
Επιπλέον, δημιουργούνται θέσεις εργασίας τόσο για εργατικό δυναμικό που θα χρειαστεί στην αρχική φάση της κατασκευής και για τη λειτουργία της στη συνέχεια, όσο και για καταρτισμένο προσωπικό που απαιτείται για την επίτευξη των βασικών στόχων της επένδυσης.
Φυσικά, η Ελλάδα επιχειρεί να διαδραματίσει ρόλο σε έναν τομέα που ακόμα είναι στα σπάργανα. Εφόσον καταφέρουμε, ως χώρα, να δημιουργήσουμε συνθήκες τέτοιες ώστε η τεχνολογία υδρογόνου να ωριμάσει εδώ γρηγορότερα από γειτονικές περιοχές, τότε θα μπορούμε να εξάγουμε τη σχετική τεχνογνωσία με τις αντίστοιχες απολαβές.
Επίλογος
Από όσα αναφέρθηκαν, γίνεται σαφές πως το υδρογόνο έχει τη δυνατότητα να καλύψει σημαντικό μέρος των ενεργειακών ελλείψεων που δημιουργούνται από τη σταδιακή μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων. Σε συνδυασμό και όχι ανταγωνιστικά με την ανάπτυξη λοιπών πηγών ενέργειας, η τεχνολογία υδρογόνου αποτελεί τη διασφάλιση ότι η ενεργειακή μετάβαση μπορεί, πράγματι, να πραγματοποιηθεί. Το αυξημένο κόστος χρήσης και οι τεχνικές προκλήσεις που υπάρχουν πρέπει και θα ξεπεραστούν, εφόσον γίνουν οι απαραίτητες επενδύσεις σε κεφάλαιο και ανθρώπινους πόρους. Η Ελλάδα, έχει αναγνωρίσει το δυναμικό του υδρογόνου και το έχει συμπεριλάβει στα ενεργειακά και κλιματικά της σχέδια. Εκμεταλλευόμενη τις κλιματικές συνθήκες, τα καινοτόμα ερευνητικά προγράμματα και τη στρατηγική της θέση στο σταυροδρόμι Ευρώπης, Ασίας και Αφρικής, πρέπει να αξιοποιήσει τις ευκαιρίες που παρουσιάζει το υδρογόνο ως βιώσιμη πηγή ενέργειας και να αναδειχθεί σε πυλώνα ενεργειακής ασφάλειας της ευρύτερης περιοχής.
ΠΗΓΕΣ
Eduardo I. Ortiz-Rivera, Luis Angel Reyes Hernández. (2007). Understanding the history of fuel cells. DOI:10.1109/HEP.2007.4510259
M. Reuß, T. Grube, M. Robinius, P. Preuster, P. Wasserscheid, D. Stolten. (2017). Seasonal storage and alternative carriers: A flexible hydrogen supply chain model, Applied Energy, Vol. 200, pp. 290–302. Διαθέσιμο σε: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.05.050
Yanfei Li, Beni Suryadi, Jianjun Yan, Junyi Feng, Adhityo Gilang Bhaskoro, Suwanto. (2023). A strategic roadmap for ASEAN to develop hydrogen energy: Economic prospects and carbon emission reduction. Διαθέσιμο σε: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.105
www.theworldofhydrogen.com. All facts, views and scenarios at a glance. Διαθέσιμο σε: https://www.theworldofhydrogen.com/gasunie/the-world-of-hydrogen/
IRENA. (2019). HYDROGEN: A RENEWABLE ENERGY PERSPECTIVE. Διαθέσιμο σε: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2019/Sep/IRENA_Hydrogen_2019.pdf
US DOE (United States Department of Energy). (2019). Fuel cell R&D overview, 2019 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting, Washington, DC. Διαθέσιμο σε: www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review19/plenary_fuel_cell_papageorgopoulos_2019.pdf
EIA. (2021). Is carbon capture too expensive?. Διαθέσιμο σε: https://www.iea.org/commentaries/is-carbon-capture-too-expensive
Clean Energy Group. (2022). Hydrogen Fuel Cells – ANSWERS TO FOUR COMMON QUESTIONS. Διαθέσιμο σε: https://www.cleanegroup.org/wp-content/uploads/Hydrogen-Fuel-Cell-Fact-Sheet.pdf
European Environment Agency. (2022). Greenhouse gas emission intensity of electricity generation in Europe. Διαθέσιμο σε: https://www.eea.europa.eu/ims/greenhouse-gas-emission-intensity-of-1
Bastien Bonnet-Cantalloube, Marie Espitalier-Noël, Priscilla Ferrari de Carvalho, Joana Fonseca and Grzegorz Pawelec. (2023). CLEAN AMMONIA IN THE FUTURE ENERGY SYSTEM. Διαθέσιμο σε: https://hydrogeneurope.eu/wp-content/uploads/2023/03/2023.03_H2Europe_Clean_Ammonia_Report_DIGITAL_FINAL.pdf
Nikolaus Schultze. (2023). Hydrogen: An Essential Step in Decarbonization or Hype? Διαθέσιμο σε: https://www.edelmanglobaladvisory.com/sites/g/files/aatuss676/files/2023-04/EGA%20Briefing_Climate_Hydrogen_Paper.pdf
Chris Fletcher, Senior Policy Analyst, NGA Center for Best Practices. (2023). Hydrogen as an Energy Source. Διαθέσιμο σε: https://www.nga.org/wp-content/uploads/2023/03/Hydrogen_Brief_20Mar2023.pdf
energypress.gr. (2023). Σε Κρήτη και Κόρινθο οι πρώτες «Κοιλάδες Υδρογόνου» μικρής κλίμακας στην Ελλάδα – Υπό έγκριση η χρηματοδότηση 8 εκατ. ευρώ για το κάθε έργο. Διαθέσιμο σε: https://energypress.gr/index.php/news/se-kriti-kai-korintho-oi-protes-koilades-ydrogonoy-mikris-klimakas-stin-ellada-ypo-egkrisi-i
Hydrogen Europe Research. (2023). Joint Declaration on Hydrogen Valleys. Διαθέσιμο σε: https://hydrogeneuroperesearch.eu/joint-declaration-on-hydrogen-valleys-march-1-2023/