Η Οικονομία του υδρογόνου: Από τη φαντασία στην πράξη.. ενάμιση αιώνα μετά τον Ιούλιο Βερν..

Στις μέρες μας έχει ξεκινήσει η συζήτηση για την «Οικονομία του υδρογόνου», ως υποκατηγορία της Οικονομίας χαμηλών ρύπων. Το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο και αφθονότερο στοιχείο στο σύμπαν το οποίο φημίζεται για τη μεγάλη ενεργειακή του πυκνότητα. Το ελαφρύ αυτό αέριο ανακάλυψε για πρώτη φορά ο Henry Cavendish το 1766 ενώ ο Antoine Lavoisier το 1787 το βάφτισε υδρογόνο (από το hydro and genes) ως αναπόσπαστο συστατικό του νερού. Στη συνέχεια οι επιστήμονες δεν άργησαν να ανακαλύψουν τον τρόπο παραγωγής του μέσω ηλεκτρόλυσης, διαχωρίζοντας το νερό στα δυο συστατικά του, το υδρογόνο και το οξυγόνο. Δυο διαδοχικές πετρελαϊκές κρίσεις, 1973 και 1979, έστρεψαν ξανά το ενδιαφέρον των ερευνητών στη διάσπαση του νερού προκειμένου να παραχθεί ενέργεια που προσφέρει εναλλακτικές στα ορυκτά καύσιμα. Είναι γεγονός ότι το υδρογόνο μπορεί πράγματι να παράγει περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα βάρους από τα ορυκτά καύσιμα (τρείς φορές ισχυρότερο από τη βενζίνη όταν μετράται κατ’ όγκο).

Σήμερα, το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής αλλά και ο πόλεμος στην Ουκρανία έχουν στρέψει τα βλέμματα όλων στις μεθόδους αλλά και στην ενέργεια που απαιτείται για το «ξεκλείδωμα» του υδρογόνου από το νερό ή από ενώσεις όπως οι υδρογονάνθρακες (μεθάνιο, CH4) και άλλες μορφές οργανικής ύλης. Η εξαγωγή του από αυτές τις ενώσεις είναι το πρώτο βήμα για να λειτουργήσει το υδρογόνο ως καύσιμο. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται όπως το φυσικό αέριο, ή αναμειγμένο με αυτό, για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (θέρμανση σπιτιών), την κάλυψη αναγκών στη βιομηχανία (διύλιση πετρελαίου, επεξεργασία μετάλλων, παραγωγή λιπασμάτων, επεξεργασία τροφίμων) αλλά και στον τομέα των μεταφορών (υδρογονοκίνητα αυτοκίνητα, λεωφορεία, τρένα και πλοία). Χάρη στο μεγάλο εύρος εφαρμογών του, το υδρογόνο έχει χαρακτηριστεί σαν Ελβετικό στρατιωτικό μαχαίρι πολλαπλών χρήσεων («Swiss Army Knife»).

Προς το παρόν το υδρογόνο παίζει αμελητέο ρόλο στον τομέα της ενέργειας αντιπροσωπεύοντας μόλις 2% του ενεργειακού μείγματος της ΕΕ. Παγκοσμίως, σχεδόν όλη η παραγωγή του προέρχεται από πηγές υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα αφού το 96% του παραγόμενου υδρογόνου προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, ενώ μόνο 4% μέσω ηλεκτρόλυσης νερού. Η σύγχρονη έρευνα ωστόσο στοχεύει σε καθαρούς τρόπους μαζικής παραγωγής του απομονώνοντας το «θαυματουργό» αέριο από τις αρχικές του πηγές. Εκτιμάται ότι το πράσινο υδρογόνο, το οποίο παράγεται με τη μέθοδο της ηλεκτρόλυσης νερού από ηλεκτρικό ρεύμα προερχόμενο από ΑΠΕ, θα παίξει βασικό ρόλο στο περίπλοκο και μακρύ ταξίδι προς τη δραστική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου καθώς καίγεται χωρίς να παράγει ρύπους, απελευθερώνοντας μόνο ενέργεια και νερό.

Ηλεκτρόλυση

Προκειμένου το υδρογόνο να μετατραπεί σε πηγή ενέργειας, χρειάζεται προηγουμένως να καταναλωθεί ενέργεια ώστε να απελευθερωθεί από τους χημικούς δεσμούς του. Αν για παράδειγμα θέλουμε να παραχθεί από το νερό (καθαρό ή ανανεώσιμο), για τη διάσπασή του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως ηλεκτρόλυση, ανακαλύφθηκε το 1789. Ωστόσο, η λέξη ηλεκτρόλυση, από τις Ελληνικές λέξεις “ήλεκτρον” (κεχριμπάρι, που τον 17ο αιώνα συνδεόταν με ηλεκτρικά φαινόμενα) και “λύσις” που σημαίνει διάλυση, εισήχθη από τον Michael Faraday το 1834. Πρόκειται για μια ηλεκτροχημική διεργασία κατά την οποία, όταν περάσει ρεύμα μέσα από μια ουσία συντελούνται χημικές μεταβολές που τη διαχωρίζουν στα στοιχεία της.

Συγκεκριμένα, το ηλεκτρικό ρεύμα που τροφοδοτεί μια συσκευή ηλεκτρόλυσης νερού αναγκάζει τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου να μεταναστεύσουν στην αρνητικά φορτισμένη κάθοδο, όπου σχηματίζονται άτομα υδρογόνου. Τα άτομα αυτά στη συνέχεια συνδυάζονται για να σχηματίσουν αέρια μόρια υδρογόνου (Η₂). Στο άλλο ηλεκτρόδιο, τη θετικά φορτισμένη άνοδο, σχηματίζεται οξυγόνο.

Η ηλεκτρόλυση είναι ο καθαρότερος τρόπος παραγωγής υδρογόνου όταν η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ΑΠΕ (πράσινο υδρογόνο). Το συνεχώς μειούμενο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές σε συνδυασμό με τις προσπάθειες περιορισμού της εξάρτησης από πετρελαιοειδή προϊόντα προβλέπεται να επιταχύνουν την υιοθέτηση του υδρογόνου ως καύσιμο που θα εξυπηρετεί πολλούς βιομηχανικούς τομείς και άλλες τελικές χρήσεις. Εντούτοις, λόγω της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και της αρκετά σημαντικής αρχικής επένδυσης (CAPEX) για μαζική παραγωγή υδρογόνου, η ηλεκτρόλυση νερού με τη χρήση ΑΠΕ συμβάλει προς το παρόν μόλις στο 4% της παραγωγής υδρογόνου στην ΕΕ.

Οι κύριες «αποχρώσεις» του υδρογόνου σήμερα

Υπάρχουν διάφορες μορφές υδρογόνου. Κάθε μορφή του έχει κατηγοριοποιηθεί με ένα χρώμα που αντανακλά το ανθρακικό του αποτύπωμα.

Σήμερα επικρατεί το γκρί, που παράγεται από φυσικό αέριο αναμειγμένο με ατμό (Steam Methane Reforming - SMR) σε υψηλές θερμοκρασίες διασπώντας το μεθάνιο σε υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα. Η διαδικασία αυτή, παρότι προσφέρει υψηλές αποδόσεις (~74%), είναι ρυπογόνος αφού δεν χρησιμοποιούνται τεχνολογίες περιορισμού του CO₂. Βέβαια υπάρχει και το καφέ υδρογόνο που παράγεται από αεριοποιημένο άνθρακα, μια ακόμη πιο ρυπογόνος διαδικασία. Το μπλε υδρογόνο προέρχεται επίσης από φυσικό αέριο αλλά οι εκπομπές άνθρακα δεσμεύονται και αποθηκεύονται στο υπέδαφος (Carbon Capture and Storage). Το πράσινο υδρογόνο παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ και ως εκ τούτου δεν εκλύονται καθόλου αέρια του θερμοκηπίου. Μια σχετικά νέα κατηγορία είναι το τιρκουάζ υδρογόνο το οποίο παράγεται από την πυρόλυση του μεθανίου (φυσικό αέριο) αλλά με τεχνολογία δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα. Τέλος το ροζ υδρογόνο παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης, όπως και το πράσινο, αλλά οι ενεργειακές απαιτήσεις καλύπτονται από πυρηνική ενέργεια.

Η χρήση του υδρογόνου εκτιμάται ότι θα εξελιχθεί σταδιακά, περνώντας από γκρί σε μπλε και καταλήγοντας στο πράσινο. Το πράσινο υδρογόνο, μπορεί να «ξεκλειδώσει» το δυναμικό των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μετατρέποντας πλεονάζουσα ηλιακή και αιολική ενέργεια σε υδρογόνο και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία οχημάτων με κυψέλες καυσίμου με μηδενικές εκπομπές ρύπων. Αγωγοί φυσικού αερίου χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά του σε τελικά σημεία διανομής αφού υπάρχει σήμερα η τεχνολογία διαχωρισμού και καθαρισμού για την εξαγωγή υδρογόνου από τον αγωγό ή το μείγμα φυσικού αερίου. Ακόμη, σε περιοχές όπου δεν είναι εφικτή η επέκταση του δικτύου αγωγών, το υδρογόνο μπορεί ακόμα να μεταφερθεί σε τελικά σημεία διανομής με τη χρήση “εικονικών” αγωγών (virtual pipelines) οι οποίοι αποτελούνται από βυτιοφόρα. Απαιτούνται ωστόσο ακόμη σημαντικές επενδύσεις μεγάλης κλίμακας για να δημιουργηθούν οι απαραίτητες υποδομές μεταφοράς υδρογόνου, η ύπαρξη των οποίων θα ενθαρρύνει επίσης την παραγωγή του. Πάντως, τη στιγμή που οι εταιρίες δεσμεύονται να μειώσουν τις εκπομπές από τις αλυσίδες εφοδιασμού τους και, κατ’ απαίτηση των πελατών τους, αναλαμβάνουν πρωτοβουλίες διακυβέρνησης για έναν βιώσιμο πλανήτη (ESG), είναι βέβαιο ότι το πράσινο υδρογόνο αποκτά νέο επενδυτικό momentum.

Ενέργεια χαμηλών εκπομπών άνθρακα

Βασικό πλεονέκτημα του υδρογόνου είναι ότι υπάρχει η δυνατότητα να παραχθεί ως ενέργεια χαμηλών εκπομπών άνθρακα και να ταξιδεύει ακόμη και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, ενώ η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται μπορεί να αποθηκευτεί για να καλυφθούν εβδομαδιαίες ή μηνιαίες ανισορροπίες προσφοράς και ζήτησης εκεί που χρειάζεται. Εμμέσως πλην σαφώς, το υδρογόνο μπορεί να βοηθήσει στην ενίσχυση και τη σύνδεση διαφορετικών ενεργειακών συστημάτων που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη θερμότητα, την ηλεκτρική ενέργεια, τη βιομηχανία και τις μεταφορές, μια ιδέα γνωστή ως “σύζευξη τομέων” (sector coupling). Τέλος, μπορεί να συμβάλλει στην ενεργειακή ασφάλεια και ανάπτυξη χωρών που εισάγουν ορυκτά καύσιμα, γεγονός που ανέδειξε έντονα ο πόλεμος στην Ουκρανία. Περισσότερες χώρες πλέον αναζητούν εναλλακτικές λύσεις όσον αφορά την εξάρτησή τους από Ρωσικά ορυκτά καύσιμα ενώ ήδη γίνονται συζητήσεις επί συζητήσεων για την “Οικονομία του υδρογόνου” σε παγκόσμιο επίπεδο. 

Γεγονός ότι το πράσινο υδρογόνο καταλαμβάνει σήμερα κεντρική θέση στη στρατηγική που υιοθετήθηκε το 2020 από την Ευρωπαϊκή Ένωση για το Υδρογόνο (EU Hydrogen Strategy). Γεγονός επίσης ότι το υδρογόνο αποτελεί σημαντικό μέρος της στρατηγικής της ΕΕ για την ολοκλήρωση των ενεργειακών συστημάτων (EU Strategy for Energy system integration). Η πρακτική ωστόσο μετάβαση σε μια οικονομία βασισμένη στο υδρογόνο στο άμεσο μέλλον προϋποθέτει τη διείσδυση του καυσίμου σε τομείς από τους οποίους απουσιάζει σήμερα όπως αυτός των κτιρίων, των μεταφορών και της βιομηχανίας. Τότε θα είναι σαν να επαληθεύεται το αφήγημα του Ιουλίου Βερν και οι διάλογοι από το μυθιστόρημά του «Το μυστηριώδες νησί» (1874) ίσως μοιάζουν αληθινοί:

«Και τι θα καίμε αντί για άνθρακα;» ρώτησε ο Pencroft 

«Νερό!» είπε αποφασιστικά ο Harding

«Νερό! Νερό σαν καύσιμο για τα πλοία και τις μηχανές, νερό και για να ζεσταίνουμε το νερό!» αναφώνησε ο Pencroft

«Ναι, αλλά νερό που θα είναι διαχωρισμένο στα αρχικά συστατικά του» συμπλήρωσε ο Harding

Πόσο κοντά είμαστε σε έναν τέτοιο στόχο;

Προς το παρόν η παραγωγή του πράσινου υδρογόνου κοστίζει πολύ και δεν φαίνεται να μειώνονται σύντομα οι τιμές. Παράλληλα τίθεται ένα σημαντικό ερώτημα: Υπάρχει αρκετό νερό για να υποστηρίξει την οικονομία του υδρογόνου τη στιγμή που η πιθανότητα να παρουσιαστούν ελλείψεις καθίσταται εμφανής λόγω της κλιματικής αλλαγής; Σε κάθε περίπτωση αξίζει να σημειωθεί ότι, όπως και με το αποτύπωμα άνθρακα, για να έχει η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης χαμηλό αποτύπωμα νερού είναι απαραίτητη η τροφοδότησή της με ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από ΑΠΕ. Σαν γενική αρχή, παρά τα μεγάλα κόστη και τους λοιπούς περιορισμούς, δεν αποκλείεται να επαληθευτεί το όραμα του Ιουλίου Βερν και το νερό να γίνει ο άνθρακας ενός όχι και τόσο μακρινού μέλλοντος.

Ο ενεργειακός οδικός χάρτης της ΕΕ είναι μάλιστα ήδη στραμμένος προς αυτή την κατεύθυνση καθώς η αξιοποίηση του υδρογόνου ως καύσιμο αποτελεί βασικό πυλώνα του σχεδίου REPoweR EU για την απεξάρτηση των κρατών μελών από το Ρωσικό αέριο. Συγκεκριμένα, στο πλαίσιο αυτού του σχεδίου η ΕΕ θέτει ως στόχο να παράγει 10 εκ. τόνους και να εισάγει 10 εκ. τόνους πράσινου υδρογόνου έως το 2030. Η χρηματοδότηση υποδομών ΑΠΕ σε τρίτες χώρες (Β. Αφρική και Μέση Ανατολή) κρίνεται απαραίτητη για την επίτευξη του στόχου που αφορά στις εισαγωγές. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι περίπου €200 εκ. προορίζονται από το REPoweR EU για την επιτάχυνση της ανάπτυξης κοιλάδων υδρογόνου (hydrogen valleys). Ο συνολικός αριθμός τους σήμερα ανέρχεται στις 25 και στόχος είναι ο διπλασιασμός τους μέχρι το 2025. Όσον αφορά τις σχετικές εξελίξεις στην Ελλάδα, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή και βασικοί ενδιαφερόμενοι φορείς υπογράψανε τον προηγούμενο μήνα (Μάρτιος, 2023) κοινή δήλωση με την οποία δεσμεύονται να εντείνουν και να επιταχύνουν τις κοινές δράσεις τους για την έρευνα, την ανάπτυξη, την επίδειξη και τη διάδοση κοιλάδων υδρογόνου. Η προετοιμασίες μάλιστα για τη χρηματοδότηση δύο δράσεων για τη δημιουργία κοιλάδων υδρογόνου μικρής κλίμακας στην Ελλάδα (σε Κόρινθο και Κρήτη) έχουν ήδη ξεκινήσει.

Τέλος, μπορεί μόνο 6 από τα 197 μέλη της Συμφωνίας του Παρισιού (2015) να ανέφεραν το υδρογόνο στο πλαίσιο της εθνικής τους συνεισφοράς στη συμφωνία, ωστόσο το ενδιαφέρον αυξάνεται σταδιακά καθώς και άλλες χώρες εντάσσουν το υδρογόνο στην εθνική τους στρατηγική προκειμένου να προσεγγίσουν τους στόχους μηδενικών εκπομπών ρύπων μέχρι το 2050. Στη λίστα αυτών των χωρών θα έχει πολύ σύντομα θέση και η Ελλάδα η οποία μέσα στο πρώτο τετράμηνο του 2023 θα παρουσιάσει την ολοκληρωμένη Εθνική Στρατηγική της για το Υδρογόνο. Σύμφωνα με το προσχέδιο, για το 2030 θα προβλέπεται εγχώρια παραγωγή 3.500 GWh από ηλεκτρόλυση, συνολικής ισχύος 750 MW, που θα τροφοδοτείται από έργα ΑΠΕ ισχύος 3 GW (80% φωτοβολταϊκά και 20% αιολικά). Το παραγόμενο πράσινο υδρογόνο έχει στόχο να υποκαταστήσει κυρίως τη χρήση φυσικού αερίου και εν μέρει πετρελαιοειδών στους τομείς των διυλιστηρίων, της βιομηχανίας και των μεταφορών. Θα αποδειχθεί άραγε η εν λόγω στρατηγική ικανή να καταστήσει την Ελλάδα σε κόμβο υδρογόνου; Το στοίχημα της ενεργειακής μετάβασης αλλά και η συμμόρφωση με τους στόχους της ΕΕ για 2030 και 2050 μπορεί να είναι πλέον ένα βήμα πιο κοντά για τη χώρα μας.

* Ο κ. Αχιλλέας Σπαής είναι Οικονομολόγος Ενέργειας και Περιβάλλοντος, M.Sc. London School of Economics and Political Science (LSE) Senior Energy Consultant at Watermelon Consulting