Το Υδρογόνο ως καύσιμο – Τι σημαίνει η… πολυχρωμία που το χαρακτηρίζει

17 12 2020 | 07:31 energypress.gr των Μιχάλη Ρένεση και Σπύρου Σαμιακού (Ο κ. Μιχάλης Ρένεσης είναι οικονομολόγος Ο κ. Σπύρος Σαμιακός είναι φυσικός)

Η χρήση του υδρογόνου ως καύσιμου δεν είναι νέα. Υπάρχει από το 19ο αιώνα. Χρησιμοποιήθηκε στους κινητήρες εσωτερικής καύσης και τους κινητήρες με ατμοστρόβιλους σε περιορισμένη χρήση.

Τα ορυκτά καύσιμα μολύνουν το περιβάλλον και σήμερα αναζητείται η δυνατότητα χρήσης του υδρογόνου σε ευρεία κλίμακα στην παραγωγή ενέργειας. Με ηλεκτροχημική  αντίδραση το υδρογόνο μπορεί να απελευθερώνει ενέργεια με μικρές έως μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Αυτό που μένει μετά τη χρήση είναι υδρατμοί. Η ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό (ηλεκτρική ενέργεια) που τροφοδοτεί τον ηλεκτροκινητήρα και έτσι κινούνται τα μεταφορικά μέσα.

Υδρογόνο και αυτοκίνηση

Το πλεονέκτημα του υδρογόνου είναι οι μικρές έως μηδενικές εκπομπές αερίων και η έλλειψη θορύβου. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Το υδρογόνο όμως είναι πιο απλό. Χρειάζεται 5 λεπτά τροφοδοσίας για να διανύσει το όχημα πάνω από 500 χιλιόμετρα.

Το υδρογόνο που παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με σύστημα Power -to-gas θα μπορεί να διοχετεύεται από τους αγωγούς φυσικού αερίου. Με το Power -to-gas θα αξιοποιείται το δίκτυο αγωγών φυσικού αερίου που έχει ήδη αποσβεστεί, μειώνοντας το κόστος. Το υδρογόνο επίσης συντελεί στην ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων. Ο ηλεκτρισμός θα παράγεται σε πραγματικό χρόνο στο όχημα, συνδυάζοντας υδρογόνο και οξυγόνο σε μια κυψέλη καυσίμου. Τα ηλεκτρικά οχήματα με υδρογόνο έχουν εύρος 2-3 φορές μεγαλύτερο από τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία και θα μπορούν να ανεφοδιάζουν σε λίγο χρόνο. Προς το παρόν η παραγωγή υδρογόνου ως καυσίμου είναι ακριβή.

Τα πρώτα αυτοκίνητα με υδρογόνο εμφανίστηκαν στην αγορά το 2013, ιδιαίτερα από τις ασιατικές αυτοκινητοβιομηχανίες. Υπάρχουν ήδη 3 μοντέλα αυτοκινήτων με υδρογόνο: η TOYOTA Mirai, HYUNDAI Nexo  και HONDA Clarity. Στα τέλη του 2018 κυκλοφορούσαν παγκοσμίως 11200 αυτοκίνητα υδρογόνου και οι πωλήσεις τους αυξήθηκαν κατά 80% σε σχέση με το 2017. Μεγάλη ζήτηση έχουν στις ΗΠΑ (Καλιφόρνια), την Ιαπωνία, τη Νότια Κορέα και τη Γερμανία. Ανασταλτικός παράγοντας είναι η έλλειψη πρατηρίων υδρογόνου.

Για παράδειγμα, η γαλλική εταιρεία Air Liquide που αποτελεί την πρωτοπόρα εταιρεία διεθνώς στην παραγωγή αερίων, τεχνολογιών και υπηρεσιών για τη βιομηχανία και την υγεία, μέχρι το 2019 δημιούργησε πάνω από 120 πρατήρια υδρογόνου στην Ευρώπη, την Ασία, τη Βόρεια Αμερική και τη Μέση Ανατολή.

Αυτοκίνητα υδρογόνου υπάρχουν σε πολλές ευρωπαϊκές πόλεις σε Μέσα Μαζικής Μεταφοράς (Όσλο, Ρότερνταμ,  κοινότητα Αρζέ της Γαλλία και Νότια Σαξονία της Γερμανίας) όπου χρησιμοποιούν λεωφορεία  υδρογόνου για αποστάσεις 100 χλμ.

Στο Παρίσι τα ταξί με υδρογόνο από την εταιρεία Hype μέχρι τέλος του 2020 θα φτάσουν τα 600. Στο Ρανζίς της Γαλλίας εγκαινιάστηκε το 2018 ο μεγαλύτερος στόλος οχημάτων με υδρογόνο και ένα εναλλακτικό πρατήριο πολλαπλών καυσίμων που εκτός των άλλων θα εφοδιάζει με υδρογόνο. Επίσης στη Δουνκέρκη της Γαλλίας έγινε παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που μέσω του τοπικού δικτύου διανομής θα τροφοδοτεί την τηλεθέρμανση.

Φορτηγά υδρογόνου χρησιμοποιούν στις μεταφορές οι μεγάλες αλυσίδες (η Coca-Cola στις ΗΠΑ, Walmart στον Καναδά, η Carrefour στη Γαλλία). Το υδρογόνο χρησιμοποιείται και στη ναυσιπλοΐα. Το 2017 στον Ειρηνικό Ωκεανό εμφανίστηκε το «πλοίο του μέλλοντος» με την ονομασία Energy Observer που τροφοδοτείται με ενέργεια από τον ήλιο, τον άνεμο και το υδρογόνο που παίρνει από τη θάλασσα.  Το πλοίο αυτό αποτέλεσε και εργαστήριο για τη χρησιμοποίηση οικολογικά καθαρών τεχνολογιών σε αντίξοες συνθήκες. Μέχρι το 2019 το Energy Observer πέρασε από 50 χώρες και πραγματοποίησε 101 στάσεις. Τα αποτελέσματα, σύμφωνα με τους μηχανικούς του, ήταν εξαιρετικά.

Σε παρόμοια συμπεράσματα κατέληξαν οι ειδικοί της αεροδιαστημικής. Το υδρογόνο μπορεί να συνεισφέρει στην κατάκτηση του διαστήματος. Υπάρχει ολόκληρο γκρουπ πυραύλων (Ariane) που χρησιμοποιεί για την εκτόξευση εκτός από το υγρό οξυγόνο και το υγρό υδρογόνο.

Τρόποι παραγωγής υδρογόνου

Ο δημόσιος διάλογος που έχει ανοίξει στη Γερμανία, αλλά και στις άλλες Ευρωπαϊκές χώρες, είναι κατά πόσον τα κίνητρα που θα δοθούν θα αφορούν μόνο στο «πράσινο» υδρογόνου ή και την παραγωγή του από ορυκτά καύσιμα, κατά βάση από φυσικό αέριο.

Η παραγωγή υδρογόνου θα στηρίζεται κυρίως στην ηλεκτρόλυση του νερού, το οποίο διαχωρίζεται στα συστατικά του, οξυγόνο και υδρογόνο. Για την ηλεκτρόλυση απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια. Όταν αυτή η ενέργεια προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), τότε έχουμε το «πράσινο» υδρογόνο.

Ήδη οι εταιρίες BP και Orsted οργανώνουν την παραγωγή «πράσινου» υδρογόνου στο διυλιστήριο Lingen στη βορειοδυτική Γερμανία, χρησιμοποιώντας την αιολική ενέργεια από τα πάρκα της Βόρειας Θάλασσας.  Σχεδιάζεται η κατασκευή ηλεκτρολύτη 50 μεγαβάτ (MW) για την αντικατάσταση του 20% του «γκρι» υδρογόνου  (που αυτή τη στιγμή παράγεται με βάση το φυσικό αέριο)  στις υπάρχουσες εγκαταστάσεις.

Η ηλεκτρολυτική διαδικασία γίνεται με χαμηλή τάση  και στηρίζεται στην ηλεκτρόλυση διαλύματος υδροξειδίου του νατρίου (NaOH).

Σήμερα για το 99% του παραγόμενου υδρογόνου χρησιμοποιούνται ορυκτά καύσιμα και η βιομηχανία φυσικού αερίου, η οποία μακροπρόθεσμα απειλείται από τη νέα τεχνολογία, υποστηρίζει ότι πρέπει να δοθούν κίνητρα και για το «γκρι» υδρογόνο, που παράγεται με φυσικό αέριο. Το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου για βιομηχανική χρήση είναι είτε «καφέ» που παράγεται από αεριοποίηση άνθρακα ή λιγνίτη, είτε «γκρι» που παράγεται από την αναμόρφωση ατμού μεθανίου με καταλύτη νικέλιο (Ni)

Εναλλακτική μέθοδος που εξελίσσεται στα πλαίσια της παραγωγής  «γκρι» υδρογόνου είναι η μερική οξείδωση  (partial oxidation – POX) που είναι ουσιαστικά ατελής καύση του μεθανίου,  με πλεονέκτημα ότι είναι εξώθερμη διαδικασία και δεν καταναλώνει ενέργεια. Βελτίωση της μεθόδου αυτής είναι η καταλυτική μερική οξείδωση που μειώνει περαιτέρω το παραγόμενο CO2  (Catalytic Partial Oxidation  – CPO). Η έρευνα εστιάζεται σήμερα στους καταλύτες.

Καμία από τις παραπάνω διαδικασίες δεν είναι τελείως φιλική προς το περιβάλλον. 

Σχεδιάζεται η δημιουργία μιας πανευρωπαϊκής αγοράς υδρογόνου μέχρι το 2030 που θα περιλαμβάνει το λεγόμενο «μπλε» και το «γαλάζιο» (ή «τιρκουάζ») υδρογόνο. Το «μπλε» υδρογόνο είναι καθαρότερη επιλογή που παράγεται με αναμόρφωση ατμού μεθανίου (Steam methane reforming – SMR), αλλά οι εκπομπές περιορίζονται με τη δέσμευση και αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να μειώσει κατά 50% την ποσότητα του CO2.

Πρόσφατα προστέθηκε το «γαλάζιο» ή «τιρκουάζ»  υδρογόνο που παράγεται με πυρόλυση – (δηλαδή θερμική διάσπαση του μεθανίου σε υδρογόνο και στερεό άνθρακα) που μπορεί να θάβεται ή να χρησιμοποιείται στη βιομηχανία. Επειδή η διαδικασία γίνεται χωρίς οξυγόνο  στους 1400οC , κάνει τη μέθοδο ενεργοβόρα. Η μέθοδος ονομάζεται θερμική διάσπαση μεθανίου (Thermal decomposition of methane- TDM). Το πλεονέκτημα της μεθόδου TDM («γαλάζιο» ή «τιρκουάζ» υδρογόνο) είναι η υψηλή αναλογία υδρογόνου προς  διοξείδιο του άνθρακα. Για κάθε 100 όγκους υδρογόνου έχουμε μόνο 5 όγκους διοξειδίου του άνθρακα με την μέθοδο TDM, ενώ με την μέθοδο SMR έχουμε 45 όγκους διοξειδίου του άνθρακα.

Υπάρχει μεγάλη ζήτηση υδρογόνου σε παγκόσμια κλίμακα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την αυτοκίνηση, ενόψει της συμφωνίας του Παρισιού για την κλιματική ουδετερότητα μετά το 2050. Προς το παρόν ανασταλτικοί παράγοντες είναι η έλλειψη υποδομών και το υψηλό κόστος παραγωγής.

—————————-