Η δημιουργία της κοιλάδας υδρογόνου στη Κρήτη

 του Ιωάννη Βουρδουμπά 

Πρόσφατα ανακοινώθηκε η πρόθεση δημιουργίας στη χώρα δύο πρωτοποριακών προγραμμάτων, κόστους αρκετών εκατ. ευρώ, για τη παραγωγή πράσινου υδρογόνου και την ενεργειακή χρήση του. Τα δύο αυτά προγράμματα θα υλοποιηθούν στη Κρήτη και στη Κόρινθο.  ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΕΔΩ

Το υδρογόνο

Το υδρογόνο  (H₂) είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στο σύμπαν και αποτελεί περίπου το 75% της γνωστής μάζας του. Το μόριο του είναι πολύ μικρό και κατά τη καύση του παράγονται σημαντικά ποσά ενέργειας και νερό (Η₂Ο). Στη γη υπάρχει άφθονο όμως το περισσότερο είναι ενωμένο με πολλές ανόργανες και οργανικές ουσίες μεταξύ των οποίων και το νερό. Δυστυχώς θα πρέπει να το διαχωρίσουμε από αυτές για να το χρησιμοποιήσουμε σαν καύσιμο. Η παραγωγή του υδρογόνου από το νερό γίνεται με την ηλεκτρόλυση του, μια τεχνολογία που είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες. Κατά την ηλεκτρόλυση προσδίδεται ηλεκτρική ενέργεια και το μόριο του νερού διασπάται στα συστατικά του το υδρογόνο και το οξυγόνο (Ο₂). Επομένως για να παράξουμε καθαρό υδρογόνο και να το χρησιμοποιήσουμε σαν καύσιμο θα πρέπει να δαπανήσουμε ηλεκτρική ενέργεια. 

Το “πράσινο υδρογόνο”

Η έννοια του “πράσινου υδρογόνου” αναφέρεται στο υδρογόνο η παραγωγή του οποίου δεν συμβάλλει στις εκπομπές θερμοκηπιακών αερίων στην ατμόσφαιρα. Παράγεται με την ηλεκτρόλυση του νερού ενώ δαπανάται ηλεκτρική ενέργεια. Εφόσον η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια παραχθεί από ανανεώσιμες πηγές, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, τότε κατά τη παραγωγή του υδρογόνου δεν εκλύονται ανθρακούχα αέρια στην ατμόσφαιρα και το υδρογόνο αποκαλείται πράσινο. 

Η κοιλάδα του υδρογόνου (hydrogen valley) στη Κρήτη

Η κοιλάδα υδρογόνου στη Κρήτη αποτελεί ένα από τα δύο έργα που αναμένεται να χρηματοδοτηθούν στη χώρα (το άλλο θα γίνει στη Κόρινθο) με ποσό περίπου 8 εκατ. ευρώ το κάθε ένα για την ανάπτυξη των τεχνολογιών παραγωγής και χρήσης του καθώς και τη δημιουργία της πρώτης φάσης μιας νέας αγοράς, αυτής του υδρογόνου. Ανάλογα έργα έχουν χρηματοδοτηθεί και σε άλλες χώρες της Ευρώπης. Η κοιλάδα του υδρογόνου θα αποτελέσει ένα τοπικό τεχνολογικό οικοσύστημα το οποίο θα περιλαμβάνει:

Α) Τη παραγωγή του υδρογόνου,

Β) Την αποθήκευση και τη μεταφορά του, και

Γ) Την αξιοποίηση του για τη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας.

Δεδομένου ότι η παραγωγή και η χρήση του υδρογόνου για παραγωγή ενέργειας στη Κρήτη αποτελεί κάτι εντελώς καινούργιο η δημιουργία της κοιλάδας του υδρογόνου αναμένεται να δώσει τη δυνατότητα εφαρμογής νέων καινοτόμων τεχνολογιών παραγωγής πράσινου υδρογόνου, τεχνολογιών μεταφοράς και αποθήκευσης του καθώς και τη δυνατότητα αξιοποίησης του για τη κάλυψη των τοπικών ενεργειακών αναγκών σε διάφορους τομείς όπως στα κτίρια, τη βιομηχανία, τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τις μεταφορές κ.α.  Συνεπώς η δημιουργία της κοιλάδας υδρογόνου στο νησί αναμένεται να συμβάλλει στη δημιουργία ενός συνόλου νέων τεχνολογιών, ενός νέου πράσινου καυσίμου και μιας νέας αγοράς εκείνης του υδρογόνου. Η Κρήτη αποτελεί μια ελκυστική περιοχή για τη παραγωγή πράσινου υδρογόνου γιατί αφ’ ενός υπάρχει άφθονη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια για την ηλεκτρόλυση του νερού ενώ αφ’ ετέρου το παραχθέν πράσινο υδρογόνο θα καταναλωθεί στο νησί χωρίς να απαιτείται η μεταφορά του κάπου αλλού. 

Η παραγωγή πράσινου υδρογόνου στη Κρήτη

Η παραγωγή πράσινου υδρογόνου στη Κρήτη μπορεί να επιτευχθεί εύκολα με την ηλεκτρόλυση του νερού μια διεργασία κατά την οποία με τη βοήθεια της ηλεκτρικής ενέργειας διασπάται το μόριο του νερού στα συστατικά του το υδρογόνο και το οξυγόνο. Η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια στη ηλεκτρόλυση του νερού μπορεί να προέλθει από την ηλιακή και την αιολική ενέργεια που αφθονούν στη Κρήτη. Οι τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών συστημάτων και των ανεμογεννητριών είναι ώριμες, αξιόπιστες και οικονομικές ενώ πολλές τέτοιες εγκαταστάσεις λειτουργούν σήμερα στη Κρήτη παράγοντας πράσινη ηλεκτρική ενέργεια. 

Η αποθήκευση και η μεταφορά του παραγόμενου υδρογόνου.

Το παραγόμενο υδρογόνο από τις εγκαταστάσεις ηλεκτρόλυσης του νερού στη Κρήτη θα πρέπει να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί στα σημεία όπου θα χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο όπως π.χ. μεγάλοι καταναλωτές και πρατήρια καυσίμων οχημάτων. Δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι ένα μικρό και ελαφρύ χημικό στοιχείο απαιτούνται ειδικές εγκαταστάσεις για την αποθήκευση και τη μεταφορά του οι οποίες δεν υπάρχουν σήμερα στη Κρήτη. Αξίζει να σημειωθεί ότι δίκτυο φυσικού αερίου το οποίο θα μπορούσε με κατάλληλες μετατροπές να χρησιμοποιηθεί και για τη μεταφορά υδρογόνου δεν υπάρχει σήμερα στη Κρήτη.

Η χρήση του υδρογόνου σαν καυσίμου.

Το πράσινο υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο για τη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε με θερμοχημικές ή με ηλεκτροχημικές διεργασίες. Οι θερμοχημικές διεργασίες περιλαμβάνουν τη καύση του σε κατάλληλα συστήματα και τη χρήση στη συνέχεια των παραγόμενων καυσαερίων για τη παραγωγή θερμότητας, ηλεκτρικής ενέργειας ή και για τη συμπαραγωγή τους. Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες περιλαμβάνουν τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή τη συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε ειδικές συσκευές που ονομάζονται κυψέλες καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου είναι σχετικά ακριβές συσκευές ενώ σε πολλές χώρες οι κυβερνήσεις επιδοτούν την εγκατάσταση τους για παραγωγή ενέργειας σε βιομηχανίες και σε άλλους τομείς. 

Η παραγωγή πράσινου υδρογόνου σαν μία μέθοδος αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας

Η παραγωγή πράσινου υδρογόνου θεωρείται σαν μία μέθοδος αποθήκευσης της πλεονάζουσας πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας η οποία όταν παράγεται (από την ηλιακή και την αιολική ενέργεια που αποτελούν ενεργειακές πηγές μη εγγυημένης ισχύος) δεν μπορεί να καταναλωθεί γιατί η ζήτηση στο δίκτυο είναι χαμηλή. Η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας υπό μορφή υδρογόνου, σε ηλεκτρικές μπαταρίες και σε συστήματα αντλησιοταμίευσης  είναι προϋπόθεση για την ανάπτυξη των ΑΠΕ σε μεγάλη κλίμακα και την επίτευξη του φιλόδοξου στόχου για μηδενικές καθαρές εκπομπές άνθρακα με ορίζοντα το 2050. 

Η ενεργειακή απόδοση κατά τη παραγωγή και χρήση του υδρογόνου

Η ενεργειακή απόδοση κατά τη παραγωγή και την ενεργειακή χρήση του υδρογόνου επηρεάζει την οικονομική αποδοτικότητα των διαφόρων τεχνολογιών.  Στο πίνακα 1 παρουσιάζεται η ενδεικτική απόδοση διαφόρων τεχνολογιών παραγωγής και ενεργειακής αξιοποίησης του υδρογόνου.

Πίνακας 1. Βαθμός απόδοσης διαφόρων τεχνολογιών παραγωγής πράσινου υδρογόνου και ενεργειακής αξιοποίησης του.

Τεχνολογία	Βαθμός απόδοσης
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοβολταϊκά συστήματα	17-19%
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ανεμογεννήτριες	30-35%
Παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση του νερού	70-80%
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με καύσιμο υδρογόνο σε κυψέλες καυσίμου	50%
Συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας με καύσιμο υδρογόνο σε κυψέλες καυσίμου	80-85%
Παραγωγή θερμότητας με καύση του υδρογόνου	85-90%
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με καύση του υδρογόνου	40%
Συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας με καύση του υδρογόνου	85-90%

 

Οι εφαρμογές του πράσινου υδρογόνου στη Κρήτη

Το υδρογόνο σαν ένα νέο μη ανθρακούχο καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με θερμοχημικές και ηλεκτροχημικές διεργασίες  για παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας στη Κρήτη σε πολλούς τομείς όπως:

Α) Σε μεγάλα κτίρια όπως νοσοκομεία, εγκαταστάσεις αεροδρομίων, πανεπιστημιακά ιδρύματα κ.α.,

Β) Σε μεγάλες βιομηχανίες, και

Γ) Στο τομέα των μεταφορών όπως σε αεροπλάνα, πλοία, επαγγελματικά και επιβατικά οχήματα κ.α. 

Πιο συγκεκριμένα το υδρογόνο αποτελεί άριστο καύσιμο για αεροπλάνα και πλοία. Σε αεροπλάνα που μεταφέρουν τουρίστες στο νησί η χρήση του υδρογόνου ίσως καθυστερήσει. Όμως σε μικρά πλοία που χρησιμοποιούνται για κοντινές θαλάσσιες διαδρομές στη Κρήτη το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υποκατάσταση των συμβατικών καυσίμων. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο σε ηλεκτρικά τρένα τα οποία πιθανώς να λειτουργούν μελλοντικά στη Κρήτη. Η χρήση του σε ηλεκτρικά λεωφορεία ενδείκνυται στη Κρήτη όπως και σε επιβατικά ηλεκτρικά οχήματα.  Τα μεγάλα ή μικρά ηλεκτρικά οχήματα θα λειτουργούν με κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιώντας σαν καύσιμο το υδρογόνο. Η χρήση του υδρογόνου για συμπαραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας με κυψέλες καυσίμου σε καταναλωτές που χρειάζονται ταυτόχρονα την ηλεκτρική και τη θερμική ενέργεια (όπως νοσοκομεία, ορισμένες βιομηχανίες κ.α.) έχει το πλεονέκτημα το μεγάλου βαθμού απόδοσης της τεχνολογίας αυτής – περίπου 80-85% - και συνεπώς το χαμηλό κόστος της παραγόμενης ενέργειας. 

Οι κυψέλες καυσίμου

Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν συσκευές που συμπαράγουν με ηλεκτροχημικές διεργασίες ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα χρησιμοποιώντας σαν καύσιμο το υδρογόνο ή κάποιες χημικές ενώσεις του. Αν και είναι δαπανηρές συσκευές το κόστος τους έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια και με την επιδότηση της αγοράς τους ήδη αυτές χρησιμοποιούνται εμπορικά σε διάφορους τομείς. Ο βαθμός απόδοσης τους είναι υψηλός, περίπου 50% για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και 80-85% περίπου για συμπαραγωγή. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου κατασκευασμένες από διαφορετικά υλικά οι οποίες λειτουργούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες και χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές. Οι πιο σημαντικές από αυτές περιλαμβάνουν: 

α)  τις κυψέλες με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων,

 β) τις κυψέλες φωσφορικού οξέος, 

γ) τις αλκαλικές κυψέλες καυσίμου,

δ) τις κυψέλες τηγμένου ανθρακικού άλατος, και 

ε) τις κυψέλες στερεού οξειδίου. 

Τα ηλεκτρικά οχήματα με κυψέλες καυσίμου είναι ακόμη ακριβά – σε σχέση με τα ηλεκτρικά που χρησιμοποιούν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, τα υβριδικά ή τα συμβατικά που κινούνται με κινητήρες εσωτερικής καύσης. 

Οι στόχοι της Ευρωπαϊκής Ένωσης και της Ελλάδας   Α) Η Ευρώπη στοχεύει να παράγει 10 εκατ. τόνους πράσινου υδρογόνου έως το 2030 και να εισαγάγει άλλους τόσους από τρίτες χώρες.   Β) Σύμφωνα με το εθνικό σχέδιο για την ενέργεια και το κλίμα η  Ελλάδα στοχεύει να παράγει 0.2 τόνους υδρογόνου μέχρι το 2030.

Ηλιακή ενέργεια, πράσινο υδρογόνο και ενεργειακή δημοκρατία

Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για τη παραγωγή ηλεκτρικής αναπτύχθηκε στη χώρα μας ραγδαία τη δεύτερη δεκαετία του 21^ου αιώνα καθώς μειώθηκαν σημαντικά οι τιμές των φωτοβολταϊκών πλαισίων και η χρήση τους είναι πλέον οικονομικά ελκυστική. Παράλληλα η πολιτεία δημιούργησε ένα κατάλληλο θεσμικό πλαίσιο για τη τοποθέτηση τους σε ακάλυπτες εκτάσεις και στις στέγες κτιρίων. Έτσι ο κάθε πολίτης μπορεί πλέον να γίνει ταυτόχρονα παραγωγός και καταναλωτής  ηλεκτρικής ενέργειας. Δηλαδή μπορεί να παράγει στο σπίτι ή στην επιχείρηση του όση ηλεκτρική ενέργεια χρειάζεται χωρίς να εξαρτάται από άλλους κρατικούς ή ιδιωτικούς οργανισμούς. Καθώς θα αναπτύσσεται στο μέλλον η οικονομία του υδρογόνου – και η κοιλάδα υδρογόνου που θα δημιουργηθεί στη Κρήτη αναμένεται να συμβάλλει σε αυτό - θα μπορεί ο κάθε πολίτης, επιπρόσθετα των φωτοβολταϊκών πλαισίων, να χρησιμοποιεί κυψέλες καυσίμου τις οποίες θα έχει στο σπίτι του ή στο αυτοκίνητο του για να παράγει (όταν δεν λειτουργεί το όχημα του) με καύσιμο το πράσινο υδρογόνο επιπλέον ηλεκτρική ενέργεια και να τη διαθέτει μέσω του δικτύου όπως νομίζει καλύτερα. Το νέο πλαίσιο που δημιουργείται με τη πρόοδο της ενεργειακής τεχνολογίας, την αλλαγή του θεσμικού πλαισίου και τις νέες πολιτικές που δίδουν προτεραιότητα στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής θεωρείται από πολλούς ότι προάγει την ενεργειακή δημοκρατία. 

Η οικονομία του υδρογόνου

Ίσως αυτός που μπόρεσε να περιγράψει καλύτερα από κάθε άλλο την έλευση της νέας εποχής του υδρογόνου ήταν ο διακεκριμένος Αμερικανός στοχαστής Jeremy Rifkin. Στο βιβλίο του “Η οικονομία του υδρογόνου- Η δημιουργία του παγκόσμιου ενεργειακού ιστού και η ανακατανομή της εξουσίας στη γη” (Εκδόσεις Α. Λιβάνη, Αθήνα, 2003) περιέγραψε τη παγκόσμια ενεργειακή οικονομία μετά το τέλος της εποχής των ορυκτών καυσίμων (που αποτελούν εξαντλήσιμους φυσικούς πόρους) και τον αγώνα για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής που οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη χρήση τους. Η παροχή ενέργειας και καυσίμων που σήμερα ελέγχεται από λίγες, μεγάλες και πανίσχυρες εταιρείες θα είναι δυνατή πλέον από κάθε ένα πολίτη ο οποίος θα μπορεί με τη χρήση καθαρών ενεργειακών πηγών να ιδιο-παράγει την ενέργεια που χρειάζεται. Συνεπώς η ισχύς των μεγάλων εταιρειών που πηγάζει από τη δυνατότητα που έχουν να ελέγχουν του ενεργειακούς πόρους του πλανήτη θα περιορισθεί, σύμφωνα με το  Jeremy Rifkin, ενώ ταυτόχρονα οι πολίτες, ιδιο-παράγοντας την ενέργεια που χρειάζονται με τη χρήση ηλιακής ενέργειας και πράσινου υδρογόνου, θα ενδυναμωθούν με αποτέλεσμα την ανακατανομή της παγκόσμιας ισχύος.

Περισσότερα στοιχεία για τις εφαρμογές του υδρογόνου στη Κρήτη είναι διαθέσιμες στα άρθρα του γράφοντος:  Α) Renewable energies use for hydrogen production powering fuel cells vehicles in the island of Crete, Greece, in American Scientific Journal for Engineering, Technology and Sciences, 75(1), 106-120, 2021, και Β) Possibilities of using fuel cells for co-generation of heat and power in Venizelio Hospital in Crete, Greece, in Environmental Management and Sustainable Development, 11(1), 51-61, 2022.

 

Ο Γιάννης Στυλ. Βουρδουμπάς είναι Χημικός Μηχανικός ΕΜΠ, M.Sc., Ph.D.

 

Φωτό 1. Ηλεκτρικό αυτοκίνητο με κυψέλη καυσίμου υδρογόνου. Τα οχήματα αυτά τροφοδοτούνται με υδρογόνο σε κατάλληλα πρατήρια όπως γίνεται σήμερα με τα οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης. 

Φωτό 2. Ηλεκτρικό τρένο εφοδιασμένο με κυψέλη καυσίμου υδρογόνου. Η δημιουργία σιδηροδρόμου για τη κάλυψη των μεταφορικών αναγκών σε ορισμένες περιοχές της Κρήτης διερευνάται σήμερα. 

Φωτό 3. Κρουαζιερόπλοιο στη Νορβηγία μηδενικών εκπομπών άνθρακα. Το πλοίο οποίο έχει εγκατεστημένη κυψέλη καυσίμου υδρογόνου ισχύος 3.2 MW και σύστημα αποθήκευσης ενέργειας σε μπαταρίες.

 

 

Φωτό 4. Κυψέλη καυσίμου υδρογόνου ισχύος 1.4 MW εγκαταστημένη στο νοσοκομείο Hartford στο Connecticut. Η κυψέλη καυσίμου παράγει ηλεκτρική ενέργεια και ατμό για το νοσοκομείο ενώ η περίσσεια της θερμικής ενέργειας διατίθεται στο σύστημα τηλεθέρμανσης της περιοχής.