Υδρογόνο

Το υδρογόνο(H2)είναι ένας φορέας ενέργειας με μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα που μπορεί να λειτουργήσει  ως  μέσο  αποθήκευσης  ηλεκτρικής  ενέργειας παραγόμενης  από  ανανεώσιμες πηγές  (ΑΠΕ)και  μάλιστα  για  μεγάλες  χρονικές  περιόδους.  Οι  τεχνολογίες  υδρογόνου αποτελούν τις μόνες τεχνολογίες αποθήκευσης που έχουν τη δυνατότητα διοχέτευσης της αποθηκευμένης ηλεκτρικής  ενέργειας  σε  άλλους τομείς  τελικής  κατανάλωσης,  όπως  οι μεταφορές,  τα  κτίρια, η  παραγωγή  θερμότητας  στη  βιομηχανία,  η  παραγωγή  χημικών προϊόντων  αλλά  και  η  ηλεκτροπαραγωγή.  Εξαιτίας  αυτής  ακριβώς  της  δυνατότητας,  το υδρογόνο θεωρείται κομβικής σημασίας στην απανθρακοποίηση ολόκληρης της ευρωπαϊκής οικονομίας  και  την  επίτευξη  του  κεντρικού  πανευρωπαϊκού  στόχου  της  κλιματικής ουδετερότητας ως το 2050.      Σύμφωνα με τα τελευταία διαθέσιμα στοιχεία (2019), σε παγκόσμια κλίμακα43παράγονται περίπου 117 εκ. τόνοι(Μt)H2ετησίως,  69Mtσε καθαρή μορφή και 48 Mtως παραπροϊόν διεργασιώνμε τη μορφή συνθετικού αερίου (syngas),είτε ως καύσιμο είτε ως πρώτη ύλη για παραγωγή άλλων προϊόντων. Το παραγόμενο υδρογόνο αξιοποιείται κυρίως στα διυλιστήρια πετρελαίου (38 Mt), στην παραγωγή αμμωνίας (31 Mt), θερμότητας (26 Mt), μεθανόλης (12 Mt), και χάλυβα (4Mt), ενώ λιγότερο από 0,01 MtH2χρησιμοποιoύνταιως καύσιμο για οχήματα με κυψέλες υδρογόνου(FCEV).Σχεδόν το σύνολο του υδρογόνου σε καθαρή μορφή (69Mt) παράγεται σήμερα από ορυκτά καύσιμα. Συγκεκριμένα το 76%προέρχεται από 205 δις κυβικά μέτρα (bcm) ορυκτού αερίου (το 6% της παγκόσμιας τελικής χρήσης ορυκτού αερίου), ενώ το 23% από 107 Mt λιθάνθρακα και λιγνίτη (το 2% της παγκόσμιας παραγωγής). Λιγότερο από το 1% του παραγόμενου καθαρού υδρογόνου παγκοσμίως προέρχεται από ΑΠΕ μέσω ηλεκτρόλυσης. Σαν αποτέλεσμα, η παραγωγή υδρογόνου σήμερα οδηγεί στην έκλυση 830 MtCO2ετησίως(70-100 MtCO2από την ΕΕ), δηλαδή παραπάνω από 9φορές τις συνολικές ετήσιες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου της Ελλάδας. Αν το υδρογόνο συνεχίσει να παράγεται κυρίως από ορυκτά καύσιμα, όπως γίνεται σήμερα, είναι αδύνατον να συνεισφέρει καθοριστικά στον στόχο της κλιματικής ουδετερότητας. Είναι προφανές ότι πρέπει να αυξηθεί η παραγωγή πράσινου υδρογόνου, δηλαδή υδρογόνου που προέρχεται από ΑΠΕ. Για τον σκοπό αυτό η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρότεινε μια νέα στρατηγική υδρογόνου44που  θέτει  ως  στόχο  την  εγκατάσταση  τουλάχιστον  40 GW συστημάτων ηλεκτρόλυσης για παραγωγή τουλάχιστον 10 Mt  πράσινου υδρογόνου ως το 2030. Στο όραμά της για μια κλιματική ουδέτερη Ευρώπη το 205045, η Επιτροπή εκτιμά ότι το μερίδιο του υδρογόνου στο ενεργειακό μίγμα της ΕΕ θα αυξηθεί από 2% που είναι σήμερα (325 TWh) σε περίπου 13-14% το 2050, ενώ σε άλλα σενάρια το μερίδιο αυτό μπορεί να φτάσει ως και το 24%46. Ο ρόλος του υδρογόνου θα είναι επίσης πολύ σημαντικός και στην Ελλάδα σύμφωνα με τη Μακροχρόνια Ενεργειακή Στρατηγική για το 2050. Με βάση τα δύο σενάρια που οδηγούν τη χώρα σχεδόν στην κλιματική ουδετερότητα ως το 2050 (μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου  το  2050  κατά  95%  σε  σχέση  με  το  1990),  θα  αποθηκεύονται σε  μορφή υδρογόνου 15,7-33,1 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, με αντίστοιχο μερίδιο 70%-78% της συνολικά αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας, ενώ η ισχύς των συστημάτων ηλεκτρόλυσης για παραγωγή υδρογόνου θα κυμανθεί, στα δύο πιο φιλόδοξα σενάρια,από4,3GW έως 23,5 GW, καταλαμβάνοντας μερίδια 51%-84% της συνολικής αποθηκευτικής ισχύος της χώρας, αντίστοιχα. 

Ηλεκτρόλυση

Η  απευθείας  ηλεκτρόλυση  νερού  μέχρι  και  τη  δεκαετία  του  '50  είχε  ευρεία  χρήση  στην παραγωγή υδρογόνου. Σήμερα όμως μόνο ένα μικρό ποσοστό υδρογόνου παράγεται μεαυτόν τον τρόπο σε εφαρμογές όπου χρειάζεται μικρός όγκος καθαρού υδρογόνου, κυρίως διότι το κόστος παραγωγής υδρογόνου με άλλες μεθόδους είναι πολύ χαμηλότερο. Ωστόσο λόγω της μεγάλης  πτώσης  του  κόστους  των  ΑΠΕ  και  των  μοναδικών  δυνατοτήτων  του  πράσινου υδρογόνου να συμβάλλει στην απανθρακοποίηση πολλών τομέων της οικονομίας παρατηρείται έντονο  ενδιαφέρον  για  την  κατασκευή  ολοκληρωμένων  συστημάτων  ηλεκτρολυτών  σε συνδυασμό με εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Έρευνα της Διεθνούς Υπηρεσίας Ενέργειας (IEA) με  δεδομένα  του  2018 εκτιμά ότι το  κόστος  παραγωγής  του  πράσινου υδρογόνου κυμαίνεται μεταξύ $3 t και $7,5 το κιλό, ενώ το κόστος παραγωγής υδρογόνου από τη διεργασία αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό κυμαίνεται μεταξύ $0,9 και $3,2 το κιλό43Νεότερες έρευνες δείχνουν ότι το πράσινο υδρογόνο είναι ήδη ανταγωνιστικό με το γκρι στο Τέξας και τη Γερμανία σε τεχνολογίες αιχμής, αλλά όχι σε βιομηχανική κλίμακα. Αυτό όμως προβλέπεται να αντιστραφεί εντός της δεκαετίας, όπου το κόστος παραγωγής του πράσινου υδρογόνου εκτιμάται ότι θα πέσει στα $2,5 το κιλό.

 Η ηλεκτρόλυση είναι η διεργασία διάσπασης του νερού στα συστατικά του, δηλαδή αέριο υδρογόνο και οξυγόνο, λόγω της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτό, σύμφωνα με την αντίδραση:2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g). Όταν η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση προέρχεται από ΑΠΕ, τότε το παραγόμενο υδρογόνο αποκαλείται “πράσινο” καθώς τα αέρια του θερμοκηπίου εκπέμπονται κατά την παρασκευή του υδρογόνου είναι μηδενικά. Τα συστήματα ηλεκτρόλυσης αποτελούνται από μία άνοδο και μία κάθοδο και έναν ηλεκτρολύτη ανάμεσά τους, μια χημική ουσία δηλαδή που έχει την ιδιότητα να διασπάται σε θετικά και αρνητικά ιόντα όταν διαλυθεί σε κάποιον διαλύτη, όπως το νερό. Το είδος του ηλεκτρολύτη επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο συντελείται η διεργασία της ηλεκτρόλυσης. Έτσι τα συστήματα ηλεκτρόλυσης διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες.

Η αρχή λειτουργίας των 3 βασικών τεχνολογιών ηλεκτρόλυσης για παραγωγή υδρογόνου

Αλκαλική ηλεκτρόλυση (alkaline electrolyzers):

 H αλκαλική ηλεκτρόλυση αποτελεί την πιο ώριμη  τεχνολογία  ηλεκτρόλυσης,  καθώς  χρησιμοποιείται  από  τη  δεκαετία  του  1920  για παραγωγή υδρογόνου που αξιοποιείται στη βιομηχανία λιπασμάτων. Το κόστος εγκατάστασης είναι συγκριτικά χαμηλό λόγω της αποφυγής χρήσης πολύτιμων υλικών. Ο ηλεκτρολύτης σε αυτά  τα  συστήματα  είναι  συνήθως  κάποιο  υγρό  διάλυμα  καυστικού  νατρίου  (NaOH) ή καυστικού καλίου (KOH). Τα παραγόμενα ανιόντα υδροξυλίου (ΟΗ-) κινούνται από την κάθοδο προς την άνοδο, ενώ το υδρογόνο σχηματίζεται στην κάθοδο.

Πολυμερείς ηλεκτρολυτικές μεμβράνες (Polymer Electrolyte Membranes –PEM):

Τέτοια συστήματα αναπτύχθηκαν στη δεκαετία του 1960 με σκοπό να ξεπεράσουν κάποια από τα προβλήματα που παρουσίαζαν τα συστήματα αλκαλικής ηλεκτρόλυσης. Σε αντίθεση με τα τελευταία, τα συστήματα PEM χρησιμοποιούν καθαρό νερό αντί για διάλυμα ηλεκτρολύτη κι έτσι αποφεύγεται η ανάγκη ανάκτησης και ανακύκλωσης του υδροξειδίου του νατρίου ή καλίου που είναι απαραίτητη σε συστήματα αλκαλικής ηλεκτρόλυσης. Επίσης τα συστήματα PEM είναι μικρότερα σε όγκο κι έτσι καταλληλότερα για εγκατάσταση σε πυκνοκατοικημένες περιοχές. Από την άλλη μεριά, έχουν μικρότερο χρόνο ζωής και είναι σαφώς ακριβότερα από τα συστήματα αλκαλικής ηλεκτρόλυσης, κυρίως λόγω των ακριβών καταλυτών στα ηλεκτρόδια (παλλάδιο, ιρίδιο) και των μεμβρανών. Η βασική διαφορά τους είναι ότι ο ηλεκτρολύτης στα συστήματα τύπου  PEM δεν είναι κάποιο υγρόδιάλυμα αλλά ένα ειδικό πλαστικό φύλλο πολυμερούς. Το νερό αντιδρά στην άνοδο σχηματίζοντας οξυγόνο, θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου  (πρωτόνια)  και  ηλεκτρόνια. Τα  ηλεκτρόνια  ρέουν  μέσω  ενός  εξωτερικού κυκλώματος, ενώ τα ιόντα υδρογόνου διαπερνούν επιλεκτικά την ηλεκτρολυτική μεμβράνη καταλήγοντας στην κάθοδο, όπου συνδυάζονται με ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα για να σχηματίσουν αέριο H2.

Ηλεκτρόλυση στερεών ηλεκτρολυτών (Solid Oxide Electrolysis -SOEC):

Είναι η λιγότερο ώριμη  τεχνολογία και δεν έχει  ακόμα  κυκλοφορήσει  εμπορικά. Σε αυτά  τα  συστήματα ο ηλεκτρολύτης είναι κάποιο στερεό κεραμικό υλικό, το οποίο σε υψηλές θερμοκρασίες 700° μεταφέρει επιλεκτικά αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου (Ο-2). Το νερό στην κάθοδο συνδυάζεται με ηλεκτρόνια από ένα εξωτερικό κύκλωμα και παράγει αέριο υδρογόνο και αρνητικά  φορτισμένα  ιόντα  οξυγόνου.  Τα  τελευταία  περνούν  μέσα  από  στερεή  κεραμική μεμβράνη και καταλήγουν στην άνοδο, όπου μετατρέπονται σε αέριο οξυγόνο και ηλεκτρόνια για το εξωτερικό κύκλωμα. Τα συστήματα τύπου SOEC μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συν-ηλεκτρόλυση οδηγώντας στην παραγωγή συνθετικού αερίου όταν τροφοδοτούνται με νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Το μεγάλο όμως συγκριτικό τους πλεονέκτημα είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν  και  αντίστροφα,  δηλαδή  ως  κυψέλη  καυσίμου (fuel cell) παράγοντας ηλεκτρισμό από υδρογόνο. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης του συστήματος το οποίο μπορεί να λειτουργήσει όχι μόνο ως μονάδα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και ως εξισορροπητής του δικτύου. Από την άλλη μεριά, η μεγαλύτερη πρόκληση για την εξέλιξη των συστημάτων τύπου SOEC είναι ο υψηλός ρυθμός φθοράς των υλικών που οδηγεί σε χαμηλή  διάρκεια  ζωής,  λόγω  των  πολύ  υψηλών  θερμοκρασιών  που  απαιτούνται  για  τη συγκεκριμένη διεργασία.

Οι περισσότεροι ειδικοί θεωρούν ότι στη δεκαετία που διανύουμε τα συστήματα PEM θα επικρατήσουν των αλκαλικών συστημάτων στην αγορά, ενώ υψηλή αβεβαιότητα χαρακτηρίζει την εξέλιξη των συστημάτων SOEC. Εκτός από την ανάπτυξη της έρευνας γύρω από τις διάφορες τεχνολογίες ηλεκτρόλυσης, καθοριστικός παράγοντας για τη μείωση του κόστους τους είναι η μεγέθυνση της αγοράς του υδρογόνο.