Η Οικονομία του Υδρογόνου και το Φυσικό Αέριο στην Ενεργειακή Μετάβαση

Το υδρογόνο(Η2) δημιουργήθηκε τις πρώτες στιγμές μετά το Big Bang και είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν. Δεν υπάρχει στην φυσική του μορφή/πηγή πάνω στην Γη αλλά δεμένο με άλλα μοριακά στοιχεία στα ορυκτά καύσιμα, βιομάζα ή το νερό, γι’αυτό χρειάζεται να παραχθεί βιομηχανικά. Χρησιμοποιείται στην βιομηχανία ως πρώτη ύλη για την παραγωγή αμμωνίας(γεωργικά λιπάσματα), μεθανόλης(για χρήση στα πλαστικά),  την κατασκευή εκρηκτικών και ως απευθείας καύσιμο για παραγωγή ενέργειας χωρίς ρύπους. Είναι ελαφρύτερο του αέρα, πολύ εύφλεκτο και αποθηκεύεται ως συμπιεσμένο αέριο ή υγροποιημένο με βαρομετρική ενεργειακή πυκνότητα (120-142 MJ/kg).

Παραγωγή Υδρογόνου (H2)

. Γκρίζο Η2 από αναμόρφωση φυσικού αερίου (μεθανίου CH4) με υδρατμό και καταλύτη εκλύοντας ρυπογόνο διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Κοστίζει $1/kg ανάλογα με την τιμή του φυσικού αερίου

. Μπλε Η2, χρησιμοποιώντας τεχνολογία δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα (CCS), που παράγεται από αναμόρφωση υδρογονανθράκων (φυσικού αερίου και βιοκαύσιμα). Κοστίζει $2/kg

. Πράσινο Η2 με ηλεκτρόλυση νερού χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές(ΑΠΕ) όπως ηλιακά/αιολικά πάρκα και υδροηλεκτρικά φράγματα. Κοστίζει $5/kg ανάλογα με το σύστημα ηλεκτρόλυσης. Η χρήση ηλεκτρολύτη πολυμερικής μεμβράνης (PEM) σε μεγάλη κλίμακα θα μειώσει το κόστος σε $2/kg μέχρι το 2030

. Ροζ ή κίτρινο Η2 με ηλεκτρόλυση χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό από πυρηνική ενέργεια

. Τιρκουάζ Η2 από πυρόλυση ή φωτοκατάλυση φυσικού αερίου αφήνοντας στερεό άνθρακα

. Μαύρο ή καφέ Η2 από κάρβουνο ή λιγνίτη

Αποθήκευση Η2

Η δυνατότητα αποθήκευσης του Η2 είναι σημαντική στην προώθηση των ΑΠΕ διευκολύνοντας την διαδικασία απαλλαγής από τις ανθρακούχες εκπομπές, καθώς οι άλλες δύο επιλογές αποθήκευσης ενέργειας, όπως οι μπαταρίες με όρια χωρητικότητας και η υδροαντλητική αποθήκευση(pumped storage) με γεωγραφικά όρια, δεν μπορούν να συναντήσουν. Όμως η πολύ χαμηλή ογκομετρική πυκνότητα του Η2 υπό συνθήκες περιβάλλοντος (0.0812 Kg/m3) δεν επιτρέπει την αποδοτική και οικονομική του αποθήκευση. Γι’αυτό χρειάζεται να συμπιεσθεί ως αέριο, να υγροποιηθεί ή να μετατραπεί σε άλλες μορφές ουσιών με καλύτερα χαρακτηριστικά αποθήκευσης.

. Η συμπίεση καθαρού Η2 σε δεξαμενές υψηλής πίεσης (350 - 700 bar) είναι ενεργειακά έντονη και ακριβή (6 Kwh/Kg) με πλεονεκτήματα μεγάλης ταχύτητας εισδοχής και εξόδου από το δοχείο αποθήκευσης που το καθιστά κατάλληλο για χρήση στις κυψέλες καυσίμου των οχημάτων (FCV). Χρόνος εφοδιασμού 3 λεπτά για δοχείο 0.2 m3 και με εμβέλεια οδήγησης 500 km

. Υγροποιημένο Η2 προσφέρει ψηλότερη ογκομετρική πυκνότητα (70.8 kg/m3) από το συμπιεσμένο αέριο σε 700 bar (42 kg/m3), όμως χρειάζονται κρυογονικές θερμοκρασίες (- 253 C) που συνδέονται με σημαντική ενεργειακή χρήση(10-13 Kwh/kg LH2) και εξεζητημένες τεχνικές υγρομόνωσης.

. Μετατροπή του σε ένυδρες ενώσεις(hydrides) όπως η υγρή αμμωνία (NH3) και η μεθανόλη (CH3OH) με βαρομετρική ενεργειακή πυκνότητα (22 MJ/kg) προσφέρουν μεγαλύτερη ογκομετρική πυκνότητα (107-120 kg/m3  και 95-99 kg/m3 αντίστοιχα) από το υγροποιημένο Η2 (70.8 kg/m3). Επιπλέον οι θερμοκρασίες υγροποίησης αμμωνίας(- 33 C) και μεθανόλης(25 C) είναι αρκετά ψηλότερες από του Η2 (- 253 C ), κάτι που διευκολύνει την αποτελεσματική και ασφαλή μεταφορά τους με δεξαμενόπλοια.

Ενεργειακή χρήση Η2

Στην ηλεκτροπαραγωγή το πράσινο Η2 από ΑΠΕ μπορεί να αναμειχθεί με το φυσικό αέριο (μέχρι 30% συγκέντρωση) για την παραγωγή ηλεκτρισμού από κανονικό αεριοστρόβιλο. Φυσικά οι νόμοι της θερμοδυναμικής δηλώνουν ότι η ενέργεια για την παραγωγή Η2 είναι περισσότερη από την απόδοση της χρήσης του. Όμως σε ένα σύστημα με τιμή άνθρακα είναι ωφελιμότερη η χρήση πράσινου Η2 που παράγεται όταν ο ηλεκτρισμός είναι φθηνότερος για μείωση του κόστους ικανοποίησης της μεγίστης ζήτησης με αεριοστρόβιλο. Επίσης όταν η ηλεκτρική ενέργεια είναι ακριβή η αποθήκευση του πράσινου Η2 είναι προτιμητέα για κάλυψη της υπερπρομήθειας της, ειδικά όταν ο παραγωγός του δεν πληρώνει για τις εκπομπές. Συνεπώς η συμβολή της αποθήκευσης πράσινου Η2 σε υπόγεια αλατωρυχεία (salt caverns) για μακρά περίοδο και μελλοντική χρήση του στην εξισορρόπηση της παραγωγής και ζήτησης του ηλεκτρισμού είναι εμφανώς προτιμητέα από άλλες μορφές αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον διευκολύνεται η διακοπτόμενη και περιοδική φύση των ΑΠΕ, που εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου, την ηλιακή ακτινοβολία και την βροχόπτωση, από την χρήση Η2 στη ηλεκτροπαραγωγή.

Στις μεταφορές/ηλεκτροκίνηση η χρήση του Η2 σε συνδυασμό με τις κυψέλες καυσίμου ( FC) παράγεται ηλεκτρισμός από την χημική αντίδραση του(καύση) με οξυγόνο(από τον αέρα) εκπέμποντας θερμότητα και νερό. Στα οχήματα η τεχνολογία FC ανεβάζει την τιμή τους χωρίς καλύτερη επίδοση από τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα (EV), όπου η μπαταρία αποδίδει 4/5 της ενέργειας σε αντίθεση του FC που επιτυγχάνεται η μισή απόδοση. Όμως η χρήση FC σε μεγάλα φορτηγά/λεωφορεία είναι ανταγωνιστική των μπαταριών λόγω περιορισμού του βάρους και του χρόνου επαναφόρτισης των. Για μακρινά ταξίδια 200 km η χρήση μπαταριών δεν είναι ελκυστική. Επίσης τα τραίνα με ηλεκτροκίνηση από Η2 υπερτερούν σε σύγκριση αυτών εσωτερικής καύσης πετρελαίου καθώς δεν μολύνουν τον αέρα, κάνουν λίγο θόρυβο και προσφέρουν ομαλή μεταφορά όπως τα συμβατικά ηλεκτρικά τραίνα. Αναμένεται ότι μέχρι το 2035 η χρήση Η2 θα εξαπλωθεί στις αερομεταφορές και στην ναυτιλία καθώς η ενεργειακή του πυκνότητα είναι τρείς φορές μεγαλύτερη από την κηροζίνη.

Στην βιομηχανία παραγωγής χάλυβα που σχετίζεται με 8% εκπομπών θερμοκηπίου (GHG) όπου αντί κάρβουνου χρησιμοποιείται γκρίζο Η2 στην χημική επεξεργασία του σιδήρου (coking), και απαιτούνται παράλληλα πολύ ψηλές θερμοκρασίες αντικαθιστώντας την καύση φυσικού αερίου (η καύση 1kg H2 αποδίδει 2.6 φορές μεγαλύτερη ενέργεια).

Στην οικιακή θέρμανση όπου η ανάμειξη μπλε Η2 με το φυσικό αέριο σε αναλογία 20/80 χρησιμοποιώντας τις υφιστάμενες υποδομές, γιατί η χρήση καθαρού Η2 στο σπίτι χρειάζεται αλλαγές βαλβίδων, σωλήνων και συσκευών (παρόλο που είναι λιγότερο αποδοτικό από την χρήση αντλιών θέρμανσης).

Ενεργειακή Μετάβαση

Παρόλο που το Η2 και τα παράγωγα (αμμωνία, μεθανόλη) καταναλώνονται βασικά κοντά στο σημείο παραγωγής τους (αποφυγή αποθήκευσης και μεταφοράς), η οικονομική χρήση του περιλαμβάνει την εμπορικότητα και τις προκλήσεις διατήρησης του στην αλυσίδα αξίας (παραγωγή, αποθήκευση, διανομή) σε διαφορετικές ποσότητες για διάφορες χρονικές περιόδους. Για λειτουργική οικονομία του Η2 χρειάζεται η στήριξη για παραγωγή μεγάλης κλίμακας (μείωση του κόστους) συμπιεσμένου Η2 και η φύλαξη του σε υπόγειες δεξαμενές. Η ανάπτυξη ενός καλού δικτύου μεταφοράς Η2 θα μειώσει την ανάγκη αποθήκευσης του.

Η ευρωπαϊκή στρατηγική στην πράσινη μετάβαση με χρήση του πράσινου Η2 και ΑΠΕ από το 2030 μέχρι το 2050 όπου οι τεχνολογίες θα αναπτυχθούν σε μεγάλη κλίμακα, έχει σαν τελικό στόχο ένα μηδενικό ανθρακικό περιβάλλον για σταθεροποίηση της κλιματικής αλλαγής. Η ευρωπαϊκή επιτροπή επενδύοντας στο Η2 για καθαρή ενεργειακή μετάβαση, πρότεινε  το σχέδιο REPowerEU για απαλλαγή  της εξάρτησης από το Ρωσικό φυσικό αέριο μέχρι το 2030 λόγω της εισβολής στην Ουκρανία. Ο σχεδιασμός στοχεύει στην κατανάλωση 20MT/έτος καθαρού Η2, 14 ΜΤ από μεταφορά και 6 ΜΤ εισαγόμενα (4 ΜΤ σε αμμωνία ή άλλα παράγωγα). Επιπλέον οι προτάσεις της ΕΕ που περιλαμβάνονται στο πακέτο “Fit for 55” στοχεύουν στην μείωση των εκπομπών GHG κατά 55% μέχρι το 2030.

Το φυσικό αέριο (ΦΑ) θα παραμείνει ως ενδιάμεσο καύσιμο στην πράσινη μετάβαση μέχρι το 2050 καθώς θα χρησιμοποιείται (αναμόρφωση με υδρατμό) στην παραγωγή γκρίζου και μπλε Η2 (με CCS). Επιπρόσθετα το φυσικό αέριο θα μπορεί να αναμειχθεί με το Η2 (20%) χρησιμοποιώντας τους υφιστάμενους αγωγούς, με σημαντική μείωση στις εκπομπές θερμοκηπίου. Συνεπώς τα ενεργειακά αποθέματα φυσικό αέριο στην ΑΟΖ της Κύπρου και στην ΝΑ Μεσόγειο θα συνεχίσουν να είναι εκμεταλλεύσιμα για αρκετά χρόνια ακόμη, όμως παράλληλα η Κυβέρνηση θα πρέπει να εναρμονισθεί τάχιστα με τούς στόχους της ΕΕ για εμπορική αξιοποίηση της οικονομίας του Η2, και να επενδύσει στην παραγωγή και αποθήκευση του (αντί της επιλογής pumped storage που ανακοινώθηκε). Η γεωπολιτική θέση της Κύπρου αποκτά περισσότερη ενεργειακή αξία λαμβάνοντας υπόψη δύο φυσικά πλεονεκτήματα, την ηλιοφάνεια (για ΑΠΕ) και τα πλούσια υποθαλάσσια αποθέματα της σε ΦΑ (για ηλεκτροπαραγωγή και παραγωγή υδρογόνου).