Ο ρόλος του υδρογόνου στα ενεργειακά συστήματα – Πώς εξελίσσεται το παγκόσμιο δίκτυο αγωγών

Τις τελευταίες δεκαετίες, πολλές χώρες παγκοσμίως προσπαθούν να μετασχηματίσουν σταδιακά τα ενεργειακά τους συστήματα, με στόχο τη μείωση των εκπομπών άνθρακα και τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής. Τα δίκτυα μεταφοράς υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα (CO2 ) , υποδομές που έχουν σχεδιαστεί για τη μεταφορά αερίου υδρογόνου και δεσμευμένου CO2 , θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη μετάβαση προς κλιματικά ουδέτερα ενεργειακά συστήματα.

Όπως γράφει το techxplore.com, ερευνητές στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου διεξήγαγαν μια μελέτη με στόχο την καλύτερη κατανόηση του βαθμού στον οποίο τα δίκτυα μεταφοράς υδρογόνου και CO2 θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μελλοντική απαλλαγή του ευρωπαϊκού ενεργειακού συστήματος από τον άνθρακα. Η εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature Energy , υποδηλώνει ότι και οι δύο αυτοί τύποι δικτύων θα μπορούσαν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στη δημιουργία ενός βιώσιμου και καθαρού ευρωπαϊκού ενεργειακού συστήματος.

«Κατά την άποψή μας, οραματιζόμαστε μια φιλική προς το κλίμα οικονομία που βασίζεται όσο το δυνατόν λιγότερο στα ορυκτά καύσιμα και σέβεται τις κοινωνικοοικονομικές παραμέτρους», δήλωσε στο Tech Xplore ο Φάμπιαν Χόφμαν, βασικός συντάκτης της εργασίας.

«Για να επιτευχθεί αυτό, υπάρχει ένα γενικό κενό γνώσης όσον αφορά το ερώτημα του πώς θα απανθρακοποιήσουμε τους τομείς που είναι «δύσκολο να μειωθούν». Ενώ είναι σαφές ότι η ηλεκτροδότηση και η αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (μαζί με τις αποθήκες ενέργειας και τις δυνατότητες μεταφοράς) είναι η κύρια οδός για τους περισσότερους τομείς, υπάρχουν ορισμένοι ενεργοβόροι τομείς της οικονομίας όπου πρέπει να βρούμε εναλλακτικές λύσεις.»

Η εναλλακτική λύση

Το καύσιμο υδρογόνου θεωρείται συχνά ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στα συνθετικά καύσιμα για την παροχή πράσινης ενέργειας σε ορισμένες βιομηχανίες. Δύο βασικά παραδείγματα είναι η αεροπορική βιομηχανία, η οποία βασίζεται σε μεγάλες ποσότητες συνθετικών καυσίμων, και η τσιμεντοβιομηχανία, η οποία είναι γνωστό ότι εκπέμπει μεγάλες ποσότητες CO2 .

«Εδώ η διαχείριση του άνθρακα καθίσταται εξίσου σημαντική: για τα συνθετικά καύσιμα, από πού προέρχεται ο άνθρακας· για τις εκπομπές που βασίζονται στις διεργασίες, πού τις τοποθετούμε;» δήλωσε ο Χόφμαν.

«Φυσικά, τίθεται το ερώτημα κατά πόσον είναι ωφέλιμο να ενσωματωθεί πλήρως η διαχείριση του άνθρακα, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς και της αποθήκευσης, στο συνολικό ενεργειακό σύστημα. Στην εργασία μας, θέλουμε να ποσοτικοποιήσουμε αυτό το πιθανό όφελος και να εξετάσουμε πώς τα δίκτυα υδρογόνου και άνθρακα θα μπορούσαν να συμπληρώσουν ή να ανταγωνιστούν το ένα το άλλο.»

Ο βασικός στόχος της πρόσφατης μελέτης του Hofmann και των συναδέλφων του ήταν να ρίξει φως στον βαθμό στον οποίο τα δίκτυα υδρογόνου και CO2 θα μπορούσαν συλλογικά να συμβάλουν σε μελλοντικά κλιματικά ουδέτερα ευρωπαϊκά ενεργειακά συστήματα .

Τα τέσσερα σενάρια

Για να διερευνήσουν αυτό το ζήτημα, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα λεπτομερές μοντέλο του ενεργειακού τοπίου της Ευρώπης, χρησιμοποιώντας μια πλατφόρμα λογισμικού ανοιχτού κώδικα που ονομάζεται PyPSA-Eur.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την πλατφόρμα, συνέκριναν τέσσερα διαφορετικά σενάρια. Στο πρώτο σενάριο, δεν υπήρχαν εξειδικευμένα δίκτυα, στο δεύτερο μόνο δίκτυο CO2 , στο τρίτο μόνο δίκτυο υδρογόνου και στο δεύτερο, και οι δύο τύποι δικτύων.

«Το μοντέλο μας αναπαριστά την Ευρώπη ως ένα δίκτυο 90 διασυνδεδεμένων περιοχών, όπου η ενέργεια μπορεί να ρέει μεταξύ των περιοχών μέσω γραμμών μεταφοράς, αγωγών και άλλων υποδομών — καθεμία με τους δικούς της περιορισμούς χωρητικότητας και απώλειες», εξήγησε ο Χόφμαν. «Για τους αγωγούς υδρογόνου και CO2 , λάβαμε υπόψη ρεαλιστικές φυσικές ιδιότητες όπως οι απαιτήσεις ενέργειας συμπίεσης και οι απώλειες μεταφοράς».

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια προσομοίωση ολόκληρου του έτους με χρονική ανάλυση τριών ωρών. Αυτή η προσομοίωση ήταν υπολογιστικά εφικτή, ωστόσο τους επέτρεψε να καταγράψουν επαρκώς τη μεταβλητότητα που σχετίζεται με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς και την πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο τύπων δικτύων.

«Για κάθε σενάριο, υπολογίσαμε τον πιο οικονομικά αποδοτικό συνδυασμό τεχνολογιών και υποδομών για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της Ευρώπης, επιτυγχάνοντας παράλληλα μηδενικές εκπομπές έως το 2050», δήλωσε ο Χόφμαν.

«Αυτή η προσέγγιση μας βοήθησε να προσδιορίσουμε εάν έχει περισσότερο οικονομικό νόημα να μεταφέρουμε υδρογόνο σε μέρη όπου υπάρχει διαθέσιμος άνθρακας ή να μεταφέρουμε άνθρακα σε τοποθεσίες όπου το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί φθηνά, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη τους πραγματικούς περιορισμούς της γεωγραφίας, των καιρικών συνθηκών και των περιορισμών στις υποδομές».

Τα πολύτιμα συμπεράσματα

Οι προσομοιώσεις που διεξήγαγαν ο Χόφμαν και οι συνάδελφοί του απέδωσαν μερικά πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Πρώτον, διαπίστωσαν ότι ενώ τα δίκτυα υδρογόνου και CO2 μείωσαν ξεχωριστά το κόστος σε σύγκριση με σενάρια στα οποία δεν υπάρχει κανένα από τα δύο, ο συνδυασμός και των δύο δικτύων ήταν ο πιο οικονομικά αποδοτικός, εξοικονομώντας περίπου 41 δισεκατομμύρια ευρώ ετησίως.

«Το δίκτυο υδρογόνου χρησιμεύει κυρίως για τη μεταφορά υδρογόνου χαμηλού κόστους από περιοχές με πολύ καλούς ανανεώσιμους πόρους σε βιομηχανικά κέντρα και σε εγκαταστάσεις που παράγουν συνθετικά καύσιμα», πρόσθεσε ο Χόφμαν.

«Εν τω μεταξύ, το δίκτυο άνθρακα μετακινεί αποτελεσματικά το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα από βιομηχανικές εγκαταστάσεις στην ενδοχώρα σε χώρους αποθήκευσης κοντά στις ακτές. Για τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και τους ενεργειακούς σχεδιαστές, τα αποτελέσματά μας υπογραμμίζουν τη σημασία του συντονισμένου σχεδιασμού σε διαφορετικούς ενεργειακούς τομείς και εθνικά σύνορα.»

Καταλύτης το υδρογόνο

Η παγκόσμια επιδίωξη μηδενικών εκπομπών επιταχύνει τη μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα σε καθαρότερους φορείς ενέργειας, με το υδρογόνο να αναδεικνύεται ως ο ακρογωνιαίος λίθος σε αυτόν τον μετασχηματισμό. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά καύσιμα, το υδρογόνο δεν παράγει εκπομπές άνθρακα στο σημείο χρήσης, προσφέροντας μια συναρπαστική οδό για την απαλλαγή από τις εκπομπές άνθρακα βιομηχανιών όπως ο χάλυβας, τα χημικά, η αεροπορία και οι τομείς των βαρέων μεταφορών, οι οποίοι ιστορικά αντιστέκονται στην αλλαγή λόγω της υψηλής ενεργειακής τους έντασης.

Όπως αναφέρει ο Nikhil Mansukhani, διευθύνων σύμβουλος της , Man Industries Ltd, στο pv-magazine.com για να διευκολυνθεί αυτός ο μετασχηματισμός, οι κυβερνήσεις και οι βιομηχανίες πραγματοποιούν σημαντικές επενδύσεις στην παραγωγή υδρογόνου και στις υποδομές, με στόχο να καλύψουν την αυξανόμενη ζήτηση για αυτόν τον ευέλικτο ενεργειακό φορέα. 

Καθώς η παραγωγή υδρογόνου κλιμακώνεται, αναδύεται μια πιεστική πρόκληση: πώς μπορούμε να το μεταφέρουμε αποτελεσματικά και με ασφάλεια σε μεγάλες αποστάσεις; Εδώ πρέπει να εξελιχθούν οι υποδομές αγωγών, που κάποτε αποτελούσαν τη ραχοκοκαλιά της οικονομίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, για να υποστηρίξουν την οικονομία υδρογόνου του μέλλοντος.

Γιατί οι αγωγοί θα είναι κρίσιμοι για την οικονομία υδρογόνου;

Σύμφωνα με τον ίδιο η μεταφορά υδρογόνου μέσω αγωγών προσφέρει μια κλιμακούμενη, οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση σε σχέση με άλλα μέσα μεταφοράς, όπως τα φορτηγά ή τα βυτιοφόρα, ειδικά σε μεγάλες αποστάσεις. Όπως και το φυσικό αέριο, η διανομή υδρογόνου μέσω αγωγών υποστηρίζει τη δημιουργία ολοκληρωμένων οικονομιών υδρογόνου που συνδέουν τους κόμβους παραγωγής με τα κέντρα ζήτησης.

Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα είναι η πιθανή αναδιάρθρωση των υφιστάμενων αγωγών φυσικού αερίου, η οποία θα μπορούσε να μειώσει δραστικά τις κεφαλαιουχικές επενδύσεις και να επιταχύνει την ανάπτυξη υποδομών.

Οι προκλήσεις 

Ωστόσο, η μετατόπιση δεν είναι χωρίς προκλήσεις. Το χαμηλό μοριακό βάρος και η υψηλή διαχυτικότητα του υδρογόνου αυξάνουν τον κίνδυνο διαρροών, ενώ η αλληλεπίδρασή του με τον χάλυβα μπορεί να προκαλέσει ευθραυστότητα του υδρογόνου — μια διαδικασία που υποβαθμίζει τα υλικά των αγωγών, θέτοντας σε κίνδυνο την ασφάλεια και την αξιοπιστία. Αυτές οι πολυπλοκότητες απαιτούν προηγμένα υλικά αγωγών, βελτιωμένα συστήματα ασφαλείας και ενδελεχή μηχανικό επανασχεδιασμό.

Η παγκόσμια ορμή στην πρώτη γραμμή της αλλαγής

Καθώς η δυναμική αυξάνεται παγκοσμίως, οι χώρες αναπτύσσουν ραγδαία υποδομές ειδικά για το υδρογόνο. 

Για παράδειγμα, η Ευρώπη έχει ήδη κατασκευάσει πάνω από 1.600 χλμ. αγωγών υδρογόνου και σχεδιάζει τον Διάδρομο SouthH 2 - ένα δίκτυο 3.300 χλμ. που θα διασχίζει την Αυστρία, τη Γερμανία και την Ιταλία. Αυτός ο διάδρομος αναμένεται να καλύψει έως και το 40% της ζήτησης υδρογόνου της ΕΕ έως το 2030, στο πλαίσιο της πρωτοβουλίας RePowerEU.

Στη Μέση Ανατολή, οι χώρες αξιοποιούν τις υπάρχουσες ενεργειακές υποδομές τους και την ανανεώσιμη δυναμικότητα για να στοχεύσουν στις εξαγωγές υδρογόνου. Η περιοχή στοχεύει στην παραγωγή 17,6 εκατομμυρίων μετρικών τόνων υδρογόνου έως το 2030, καθιερώνοντας την ως βασικό ανταγωνιστή στη διεθνή αγορά υδρογόνου.

Η πορεία

Η μετάβαση από τους αγωγούς πετρελαίου και φυσικού αερίου σε αυτοκινητόδρομους υδρογόνου σηματοδοτεί μια σημαντική μεταμόρφωση στο παγκόσμιο σύστημα μεταφοράς ενέργειας. Η πορεία αυτή θα απαιτήσει καινοτομίες στην επιστήμη των υλικών, ισχυρά πρωτόκολλα ασφαλείας και εναρμονισμένα παγκόσμια πρότυπα.

Ωστόσο, η δυναμική είναι αναμφισβήτητη. Κυβερνήσεις, φορείς του ιδιωτικού τομέα και πολυμερείς οργανισμοί επενδύουν δισεκατομμύρια για να μετατρέψουν το υδρογόνο σε βιώσιμο ενεργειακό φορέα.