Η συμβολή των εναλλακτικών ενεργειακών τεχνολογιών στη μείωση και στην εξάλειψη των εκπομπών άνθρακα της βιομηχανίας

Ο μηδενισμός των καθαρών εκπομπών άνθρακα στη βιομηχανία αποτελεί έναν από τους πλέον σύνθετους στόχους της καθαρής ενεργειακής μετάβασης. Σε αντίθεση με το κτιριακό, το πρωτογενή ή τον τριτογενή τομέα, η βιομηχανία χαρακτηρίζεται από υψηλή και συνήθως συνεχή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και σημαντική κατανάλωση θερμότητας σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Υπολογίζεται ότι διεθνώς ο βιομηχανικός τομέας είναι υπεύθυνος για το 35% περίπου της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας και για το 30% περίπου των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα. Σε γενικές γραμμές η αποανθρακοποίηση της βιομηχανίας είναι πιο πολύπλοκη και δύσκολη από την αποανθρακοποίηση των κτιρίων. Η μετάβαση από ένα ενεργειακό σύστημα βασισμένο στα ορυκτά καύσιμα σε ένα σύστημα χαμηλών ή μηδενικών εκπομπών άνθρακα απαιτεί συνδυασμό πράσινων ενεργειακών τεχνολογιών, στρατηγικό σχεδιασμό και σημαντικές επενδύσεις. Στο πλαίσιο αυτό, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η αποθήκευση ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, οι τεχνολογίες υψηλής ενεργειακής απόδοσης και το πράσινο υδρογόνο διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο. Η συμβολή διαφόρων βιομηχανικών κλάδων στις εκπομπές ανθρακούχων αερίων διαφέρει αρκετά. Εκτιμάται ότι έξη βιομηχανικοί κλάδοι που περιλαμβάνουν τη παραγωγή χάλυβα, τη παραγωγή τσιμέντου, τη παραγωγή χημικών, τη παραγωγή αλουμινίου, τη παραγωγή χαρτιού και τη πετροχημική βιομηχανία είναι υπεύθυνοι για το 77% περίπου των συνολικών βιομηχανικών εκπομπών άνθρακα. Η αποανθρακοποίηση των έξη αυτών βιομηχανικών κλάδων είναι αρκετά δυσκολότερη σε σχέση με την αποανθρακοποίηση άλλων βιομηχανικών κλάδων όπως π.χ. η βιομηχανία τροφίμων. 

Α) Φωτοβολταϊκά συστήματα και ανεμογεννήτριες: Ο ρόλος και οι περιορισμοί της χρήσης τους στη βιομηχανία

Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα και οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ) αποτελούν απαραίτητες τεχνολογίες για παραγωγή πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ραγδαία μείωση του κόστους τους την τελευταία δεκαετία τις έχει καταστήσει οικονομικά ανταγωνιστικές έναντι των συμβατικών ενεργειακών τεχνολογιών, ακόμη και χωρίς επιδοτήσεις. Για τη βιομηχανία, η αξία τους δεν περιορίζεται μόνο στη μείωση των εκπομπών άνθρακα, αλλά επεκτείνεται στη διαχείριση του ενεργειακού κόστους και στη μείωση της έκθεσης σε ευμετάβλητες τιμές της ενέργειας και των καυσίμων.

Ωστόσο, η χρήση τους στη βιομηχανία δεν αποτελεί πανάκεια. Η διαλείπουσα φύση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή και την αιολική ενέργεια δημιουργεί χρονική ασυμφωνία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης, ιδιαίτερα σε βιομηχανίες με σταθερή ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Η εγκατάσταση Φ/Β συστημάτων σε βιομηχανίες συχνά περιορίζεται από τη διαθέσιμη ελεύθερη επιφάνεια για την εγκατάσταση τους, ενώ η εγκατάσταση Α/Γ εξαρτάται από τη μέση ταχύτητα ανέμου στο χώρο των εγκαταστάσεων και από αδειοδοτικούς παράγοντες.

Για τον λόγο αυτό, τα Φ/Β συστήματα και οι Α/Γ λειτουργούν κυρίως σαν μέρος ενός ευρύτερου πράσινου ενεργειακού μείγματος. Εναλλακτικά τα μακροχρόνια συμβόλαια αγοράς πράσινης ενέργειας (Power Purchasing Agreements - PPAs) από τρίτους παραγωγούς – αντί της εγκατάστασης Φ/β συστημάτων και Α/Γ στο χώρο των βιομηχανιών -  επιτρέπουν στις βιομηχανίες να εξασφαλίσουν πράσινη ηλεκτρική ενέργεια σε σταθερές τιμές. Η πραγματική αξία της χρήσης Φ/Β τεχνολογίας και των Α/Γ στις βιομηχανίες μεγιστοποιείται όταν αυτές συνδυάζονται με αποθήκευση ενέργειας, ευέλικτα φορτία ή αλλαγή των θερμικών διεργασιών σε ηλεκτρικές (π.χ. μετατροπή υπαρχόντων λεβήτων που χρησιμοποιούν πετρέλαιο ή φυσικό αέριο  σε ηλεκτρικούς λέβητες).

Β) Βιομάζα και βιοαέριο: σταθερότητα έναντι βιωσιμότητας

Σε αντίθεση με τη Φ/β τεχνολογία και τις Α/Γ, η βιομάζα και το βιοαέριο προσφέρουν σταθερή και ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικές για βιομηχανικές εφαρμογές που χαρακτηρίζονται από σταθερή κατανάλωση ενέργειας. Η δυνατότητα παραγωγής θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών και η συμβατότητα με υφιστάμενες τεχνολογίες καύσης επιτρέπουν την ευκολότερη ενσωμάτωσή τους σε υφιστάμενες βιομηχανικές εγκαταστάσεις.

Ιδιαίτερα σημαντική είναι η συμβολή τους στη παραγωγή θερμότητας, έναν τομέα όπου η υποκατάσταση θερμικών μηχανημάτων με ηλεκτρικά παραμένει τεχνικά ή οικονομικά δύσκολη. Επιπλέον, η χρήση βιοαερίου παραγόμενου από οργανικά απόβλητα στη βιομηχανία ενισχύει την κυκλική οικονομία, μετατρέποντας ένα απόβλητο σε ενεργειακό πόρο.

Παρά τα πλεονεκτήματα της, η βιοενέργεια εγείρει σοβαρά ζητήματα βιωσιμότητας. Η διαθεσιμότητα πρώτων υλών είναι περιορισμένη και συχνά ανταγωνίζεται άλλες χρήσεις, όπως η παραγωγή τροφίμων ή η προστασία των δασικών οικοσυστημάτων. Επιπλέον, οι εκπομπές σωματιδίων και οξειδίων του αζώτου από την καύση βιομάζας απαιτούν προηγμένα συστήματα ελέγχου ρύπων.

Συνεπώς, η χρήση βιομάζας και βιοαερίου δεν μπορεί να αποτελέσει καθολική λύση στη βιομηχανία. Όμως αποτελούν ανανεώσιμα καύσιμα χαμηλών εκπομπών άνθρακα κατάλληλα για συγκεκριμένους κλάδους και περιοχές, όπου υπάρχουν επαρκείς ποσότητες βιομάζας και κατάλληλα συστήματα συλλογής και μεταφοράς της.

Γ) Παραγωγή θερμικής και ψυκτικής ενέργειας από την ηλιακή ενέργεια στη βιομηχανία: Περιορισμένες εφαρμογές

Η ηλιοθερμική ενέργεια παραμένει λιγότερο διαδεδομένη στη βιομηχανία σε σύγκριση με τα οικιακά συστήματα, παρά το γεγονός ότι σημαντικό ποσοστό των βιομηχανικών διεργασιών απαιτεί θερμότητα κάτω των 150°C η οποία μπορεί να παραχθεί σχετικά εύκολα και οικονομικά με ηλιοθερμικά συστήματα αντί πετρελαίου η φυσικού αερίου. Τα ηλιοθερμικά συστήματα μπορούν να καλύψουν σημαντικό μέρος αυτών των αναγκών σε θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών σε διάφορους βιομηχανικούς κλάδους με υψηλή απόδοση και χαμηλό λειτουργικό κόστος.

Η βασική πρόκληση για τη προώθηση τους σε βιομηχανικές εφαρμογές έγκειται στην ενσωμάτωση των ηλιοθερμικών συστημάτων σε υφιστάμενες βιομηχανικές θερμικές διεργασίες, οι οποίες συχνά έχουν σχεδιαστεί με βάση την καύση ορυκτών καυσίμων. Επιπλέον, η εποχικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ανάγκη για θερμική αποθήκευση ή συνδυασμό των ηλιοθερμικών συστημάτων με άλλα ενεργειακά συστήματα. Παρ’ όλα αυτά, η θερμική αποθήκευση είναι τεχνικά απλούστερη και φθηνότερη από την ηλεκτρική, γεγονός που ενισχύει τη βιωσιμότητα των ηλιοθερμικών εφαρμογών.

Η χρήση ηλιακής ενέργειας για ψύξη μέσω συστημάτων απορρόφησης παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για βιομηχανίες με ταυτόχρονες ανάγκες θέρμανσης και ψύξης. Ωστόσο, η περιορισμένη τεχνογνωσία και η έλλειψη κατάλληλων κινήτρων έχουν επιβραδύνει τη διάδοσή της.

Δ) Η χρήση των αντλιών θερμότητας για παραγωγή θερμικής ενέργειας

Στο πλαίσιο της βιομηχανικής απανθρακοποίησης, οι αντλίες θερμότητας αναδεικνύονται ως σημαντική τεχνολογία για τη μείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα και τη μετάβαση σε καθαρότερες μορφές ενέργειας.

Οι αντλίες θερμότητας είναι συσκευές που δεν παράγουν αλλά μεταφέρουν θερμότητα από πηγές σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας, όπως η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, σε υψηλότερες θερμοκρασίες κατάλληλες για βιομηχανική χρήση. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς λέβητες που καίνε ορυκτά καύσιμα για την παραγωγή θερμότητας, οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια (του δικτύου ή παραγόμενη από ανανεώσιμες πηγές) με ιδιαίτερα υψηλό βαθμό απόδοσης (της τάξης 300%-600%) για τη μεταφορά θερμότητας. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται, μπορούν να παραχθούν πολλαπλάσιες μονάδες θερμικής ενέργειας, μειώνοντας σημαντικά τη συνολική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας.

Στον βιομηχανικό τομέα, οι αντλίες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διεργασίες που απαιτούν θερμότητα χαμηλών και μεσαίων θερμοκρασιών (μέχρι 150-200^oC), όπως η παστερίωση και η ξήρανση στη βιομηχανία τροφίμων, η παραγωγή χαρτιού, καθώς και σε χημικές και φαρμακευτικές διεργασίες. 

Η συμβολή των αντλιών θερμότητας στην απανθρακοποίηση ενισχύεται περαιτέρω όταν η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια δεν προέρχεται από το δίκτυο αλλά από ανανεώσιμες πηγές όπως π.χ. από Φ/Β συστήματα. Παρότι οι αντλίες θερμότητας έχουν κάποια μειονεκτήματα όπως το υψηλό αρχικό κόστος της επένδυσης και η σημερινή τεχνολογία δεν επιτρέπει τη χρήση τους σε υψηλές θερμοκρασίες (άνω των 200^oC), δεν παύουν να αποτελούν μία σημαντική τεχνολογία για τη μείωση των ανθρακούχων εκπομπών που σχετίζονται με τη χρήση θερμότητας στη βιομηχανία. 

Ε) Τα συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού

Στο πλαίσιο απανθρακοποίησης της βιομηχανίας τα συστήματα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ)  διαδραματίζουν καίριο ρόλο, προσφέροντας υψηλή ενεργειακή απόδοση και μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.

Τα συστήματα ΣΗΘ βασίζονται στην ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από μία ενιαία πηγή καυσίμου. Σε αντίθεση με τη συμβατική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπου σημαντικό μέρος της παραγόμενης θερμότητας απορρίπτεται στο περιβάλλον, η ΣΗΘ αξιοποιεί τη παραγόμενη θερμότητα για βιομηχανικές διεργασίες, θέρμανση χώρων ή παραγωγή ατμού. Έτσι, η συνολική απόδοση ενός συστήματος ΣΗΘ μπορεί να ξεπεράσει το 80%, μειώνοντας σημαντικά την κατανάλωση καυσίμων.

Η συμβολή των ΣΗΘ στην απανθρακοποίηση της βιομηχανίας είναι πολυδιάστατη. Αρχικά, η αυξημένη ενεργειακή απόδοση οδηγεί σε άμεση μείωση των εκπομπών CO₂. Επιπλέον, τα συστήματα αυτά μπορούν να λειτουργήσουν με καύσιμα χαμηλότερου ανθρακικού αποτυπώματος - σε σχέση με το φυσικό αέριο -  όπως το βιοαέριο ή μελλοντικά το πράσινο υδρογόνο, μειώνοντας περαιτέρω ή εξαλείφοντας το ανθρακούχο αποτύπωμα τους. Παράλληλα, η αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας μειώνει τις απώλειες μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και αυξάνει την ενεργειακή ασφάλεια των βιομηχανικών εγκαταστάσεων.

Συνεπώς, τα συστήματα ΣΗΘ αποτελούν μια ώριμη και αποδοτική τεχνολογία που μπορεί να προάγει την αποανθρακοποίηση των βιομηχανιών συμβάλλοντας στην επίτευξη των κλιματικών στόχων.

ΣΤ) Αποθήκευση ενέργειας και υδρογόνο: ο κρίσιμος συνδετικός κρίκος

Η αποθήκευση ενέργειας αποτελεί βασικό μηχανισμό εξισορρόπησης μεταξύ μεταβλητής παραγωγής και σταθερής ζήτησης θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Στη βιομηχανία, οι ηλεκτρικές μπαταρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βραχυχρόνια εξομάλυνση φορτίου και μείωση των αιχμών, ενώ η θερμική αποθήκευση είναι συχνά πιο αποδοτική για διεργασίες θερμότητας.

Το υδρογόνο, ωστόσο, εισάγει μια ποιοτικά διαφορετική διάσταση. Λειτουργεί όχι μόνο ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας, αλλά και ως ενεργειακός φορέας και καύσιμη ύλη. Το πράσινο υδρογόνο  - δηλαδή το υδρογόνο που παράγεται με ηλεκτρόλυση νερού και χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας -  μπορεί να υποκαταστήσει τον άνθρακα και το φυσικό αέριο σε διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών, όπως στην παραγωγή χάλυβα, χημικών και διυλιστηρίων μειώνοντας δραστικά τις ανθρακούχες εκπομπές.

Παρά τις μεγάλες προσδοκίες που έχουν καλλιεργηθεί, το πράσινο υδρογόνο παραμένει σήμερα ακριβό και απαιτεί εκτεταμένες υποδομές παραγωγής, αποθήκευσης και μεταφοράς του. Το υψηλό κόστος παραγωγής και τα προβλήματα κατά την παραγωγή, αποθήκευση και μεταφορά του περιορίζουν την αποδοτικότητά του, καθιστώντας αναγκαία τη χρήση του μόνο όπου δεν υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις.

Πίνακας 1. Πράσινες ενεργειακές τεχνολογίες για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε εργοστασιακούς χώρους

Πίνακας 2. Πράσινες ενεργειακές τεχνολογίες για παραγωγή θερμότητας σε εργοστασιακούς χώρους

Συμπεράσματα

Η ενεργειακή μετάβαση της βιομηχανίας δεν μπορεί να επιτευχθεί με μία μόνο ενεργειακή τεχνολογία χαμηλών ή μηδενικών εκπομπών άνθρακα αλλά με μίγμα πράσινων τεχνολογιών. Τα Φ/Β συστήματα και οι Α/Γ προσφέρουν φθηνή και καθαρή ηλεκτρική ενέργεια, αλλά απαιτούν αποθήκευση και ευελιξία. Η βιομάζα και το βιοαέριο προσφέρουν σταθερότητα, αλλά με περιορισμούς βιωσιμότητας και με τη προϋπόθεση ότι υπάρχει επαρκής πρώτη ύλη. Τα ηλιοθερμικά συστήματα μπορούν να καλύψουν μεγάλο μέρος της θερμότητας χαμηλών θερμοκρασιών στη βιομηχανία, εφόσον η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ικανοποιητική, αλλά οι εφαρμογές τους μέχρι σήμερα είναι περιορισμένες. Οι αντλίες θερμότητας χαρακτηρίζονται από πολύ μεγάλους βαθμούς απόδοσης και είναι κατάλληλες για τη κάλυψη θερμικών αναγκών χαμηλών και μέσων θερμοκρασιών έχοντας χαμηλό ή μηδενικό ανθρακούχο αποτύπωμα. Τα συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού έχουν υψηλό βαθμό απόδοσης και μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες σε ηλεκτρική και θερμική ενέργεια των βιομηχανιών έχοντας χαμηλό ή και μηδενικό κλιματικό αποτύπωμα. Τέλος, η αποθήκευση θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας και το πράσινο υδρογόνο λειτουργούν ως καταλύτες που επιτρέπουν τη βαθύτερη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών. Η χρήση των προαναφερθέντων ήπιων ενεργειακών τεχνολογιών σε συνδυασμό με τη δυνατότητα αντιστάθμισης, με τους υπάρχοντες μηχανισμούς, όσων εκπομπών άνθρακα δεν μπορούν να εξαλειφθούν μπορεί να μειώσει δραστικά τις ανθρακούχες εκπομπές διαφόρων βιομηχανιών.

Η επιτυχία της βιομηχανικής απανθρακοποίησης θα εξαρτηθεί από τον συνδυασμό τεχνολογιών, την προσαρμογή στις ιδιαιτερότητες κάθε βιομηχανικού κλάδου και βιομηχανίας και τη στήριξη από κατάλληλες πολιτικές και επενδύσεις. Μόνο μέσω μιας ολοκληρωμένης και ρεαλιστικής προσέγγισης μπορεί η βιομηχανία να επιτύχει τη μετάβαση σε ένα βιώσιμο ενεργειακό μέλλον επιτυγχάνοντας το στόχο για μηδενικές καθαρές εκπομπές άνθρακα μέχρι τα μέσα του 21^ου αιώνα.