«Net zero», ΟΠΥ και υδρογόνο

Ο στόχος απανθρακοποίησης (επίτευξη μηδενικών εκπομπών – «net zero») κατά τη δίδυμη πράσινη και ψηφιακή μετάβαση μπορεί να επιτευχθεί με αλλαγή παραδείγματος σε παραγωγή και λειτουργία. Ωστόσο, συνοδεύεται από ανάγκη για αύξηση παραγωγής μετάλλων (χαλκός, αλουμίνιο, νικέλιο, κοβάλτιο, χρώμιο, λίθιο κ.α.) και ορυκτών πρώτων υλών (ΟΠΥ).

Συνεπώς, απαιτούνται νέες εξορύξεις και καινοτόμες προσεγγίσεις σε ανακύκλωση, Εξαγωγική και Φυσική Μεταλλουργία. Όλα αυτά μας απασχολούν ιδιαίτερα σε συνδυασμό με τις τεχνολογίες μετάβασης προς παραγωγή «net zero».

Χρειάζονται νέες τεχνολογίες και λύσεις στη βιομηχανική παραγωγή (πχ. χάλυβα που αντιστοιχεί στο 7% των εκπομπών CO2, βλ. Εικόνα 1), στις μετακινήσεις (οδικές, θαλάσσιες, αέρος, 16% των εκπομπών CO2), στην παραγωγή ενέργειας (76% των εκπομπών CO2), αλλά και σε κάθε δραστηριότητα γενικώς. Αν λάβουμε υπόψη και τη μεγάλη πλέον οικονομική επιβάρυνση της παραγωγής από δικαιώματα εκπομπών άνθρακα (βλ. Εικόνα 2), γίνεται αντιληπτή η ανάγκη για επίσπευση υιοθέτησης καθαρών λύσεων.

Προς μείωση της συμμετοχής των ορυκτών καυσίμων στο ενεργειακό μείγμα, η ηλεκτροπαραγωγή από ΑΠΕ είναι απολύτως απαραίτητη, ενώ και η πυρηνική ενέργεια μέσω αρθρωτών αντιδραστήρων κερδίζει έδαφος. Βέβαια, πέραν των γενικών ανησυχιών για την πυρηνική ενέργεια, το υψηλό κόστος επένδυσης και οι γεωπολιτικές διαστάσεις της διαθεσιμότητας καυσίμου δημιουργούν δεύτερες σκέψεις. Συγχρόνως, η ηλεκτροκίνηση προσφέρει δραστική μείωση στο αποτύπωμα άνθρακα στις οδικές μετακινήσεις, ενώ λύσεις δοκιμάζονται επίσης σε θάλασσα και αέρα. Η κάλυψη των σύγχρονων αναγκών, ωστόσο, απαιτεί ευελιξία και ενεργειακή ανεξαρτησία. Το υδρογόνο προσφέρεται ως καθαρή λύση με δυνατότητες αποθήκευσης χημικής ενέργειας και χρήσης κάθε στιγμή, που υπάρχει ανάγκη. Θέτει όμως τεράστιες προκλήσεις στην παραγωγή, χρήση και αποθήκευσή του.

Το υδρογόνο διαθέτει χαμηλή ογκομετρική πυκνότητα (10MJ/m3) σε ατμοσφαιρικές συνθήκες παρά την υψηλή βαρυτομετρική του πυκνότητα (120 MJ/Kg). Σημαντικός περιορισμός.

Αντίστοιχα, η ευθραυστοποίηση, που προκαλεί στα μέταλλα, και οι προκαλούμενες διαρροές δυσχεραίνουν τη χρήση του. Για να αυξηθεί η ενεργειακή του πυκνότητα συμπιέζεται ως και 700 bar, υγροποιείται στους -253oC ή δεσμεύεται μέσω αμμωνίας ή υγρών οργανικών φορέων (LOHCs). Η μεταφορά του σε υγρή μορφή με χαμηλή ογκομετρική πυκνότητα (περίπου 70 Kg/m3), προσφέρει εναλλακτική προσέγγιση με μικρές σχετικά απώλειες ~1Kg/ημέρα.

Η αμμωνία και οι LOHCs αποτελούν καλύτερη επιλογή ως προς την πυκνότητα και τη διαχείριση, αφού δεν απαιτούν κρυογενικές συνθήκες διευκολύνοντας σημαντικά τις μεταφορές και περιορίζοντας το κόστος λειτουργίας. Ωστόσο, ο διαχωρισμός του υδρογόνου από την αμμωνία συνοδεύεται, από απώλειες 20%-35%. Η μείωση του κόστους παραγωγής υδρογόνου κατά τέσσερις φορές (από 6-8€/Kg που είναι σήμερα σε 1-2€/Kg) θα δώσει τεράστια ώθηση στην υιοθέτησή του.

Υδρογόνο σε συμπιεσμένη μορφή μεταφέρεται με αγωγούς ή σε δεξαμενές. Προφανώς οι αγωγοί («pipelines») αποτελούν τον αποτελεσματικότερο και οικονομικότερο τρόπο μεταφοράς. Στους συνηθισμένους αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου ξεκίνησε η προσθήκη ποσοστού υδρογόνου ως και 20% ήδη από το 2010, ώστε να δοκιμαστεί η αντοχή αγωγών-υποδομών.

Η αποθήκευσή του σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις προς τελική χρήση γίνεται σε δεξαμενές ανοξείδωτου χάλυβα (304L, 316L), υλικού με ισχυρή αντίσταση στη διάβρωση.

Η εκλέπτυνση της μικροδομής και η ισχυροποίηση του χάλυβα με άζωτο συμβάλλουν στην αυξημένη αντοχή του προς αντιμετώπιση των υψηλών πιέσεων λειτουργίας των δεξαμενών. Ωστόσο, η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού εξαιτίας της παρουσίας υδρογόνου περιορίζει την αντοχή σε κόπωση και απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή, καθώς σε τέτοιες δεξαμενές μεταφέρεται οδικώς και δια θαλάσσης. Οι απλές σωληνώσεις είναι ακατάλληλες για την μεταφορά του. Προβλήματα παρατηρούνται και στη χρήση χαλκού και αλουμινίου.

Η Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών προσφέρει μέσω της έρευνας νέες διεξόδους στην αποθήκευση υδρογόνου. Τα πολυστοιχειακά κράματα μέσης ή υψηλής εντροπίας επιδεικνύουν ακόμα μεγαλύτερη αντίσταση στη διάβρωση από υδρογόνο. Έτσι, δοκιμάζονται εντατικά επικαλύψεις από τέτοια υλικά για αποθήκευση και μεταφορά υδρογόνου, αλλά δεν υπάρχουν ακόμα τεχνολογικές λύσεις για χρήσεις μεγάλης κλίμακας με τέτοια υλικά.

Η Ελλάδα μπορεί να πρωταγωνιστήσει στην οικονομία του υδρογόνου. Διαθέτει τις προϋποθέσεις για φθηνή παραγωγή «πράσινου υδρογόνου» μέσω ηλεκτρόλυσης με ΑΠΕ. Η αποθήκευσή του σε σταθμούς με λιμάνια ευνοεί τη μεταφορά του μέσω αγωγών και πλοίων. Δεδομένου ότι καμία από τις σημερινές τεχνολογικές λύσεις δεν προσφέρει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, χαμηλό κόστος και ευκολία στη χρήση, γίνεται σαφές ότι πρέπει να συνεχιστεί και να εντατικοποιηθεί η έρευνα και η ανάπτυξη τεχνολογικών λύσεων.

Περαιτέρω, πρέπει να συνυπολογιστεί ότι σε ευρωπαϊκό επίπεδο καταβάλλεται προσπάθεια για την ανάπτυξη προτύπου για τον εξοπλισμό υπό πίεση, που θα χρησιμοποιείται στη μεταφορά και χρήση υδρογόνου (H2 – standardization for pressure equipment in Europe / pr 13445-15:2025 (E)). Πρόκειται για το part 15 του προτύπου ΕΝ 13445 στο πλαίσιο του CEN TC 54 για τα δοχεία πίεσης (pressure vessels).

Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι επιστημονικά και βιομηχανικά δεν υστερούμε. Οφείλουμε όμως να προχωρήσουμε με πιο αποφασιστικά βήματα προς την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας και των υποδομών. Η προσφορά τεχνικής λύσης για την παραγωγή «green steel» με χρήση υδρογόνου ως αναγωγικού μέσου αντί άνθρακα (κωκ) στην υψικάμινο, καθιστά εφικτή την παραγωγή χάλυβα μηδενικών εκπομπών άνθρακα. Στην Ελλάδα, η παραγωγή χάλυβα στηρίζεται 100% σε ροές ανακύκλωσης «scrap».

Είναι, επίσης, εφικτή η χαλυβοπαραγωγή μηδενικών εκπομπών εφόσον χρησιμοποιηθεί ρεύμα από ΑΠΕ στις ηλεκτροκαμίνους και «πράσινο υδρογόνο» στους φούρνους αναθέρμανσης και θερμικής επεξεργασίας προς αντικατάσταση του φυσικού αερίου. Επιπλέον, καταβάλλονται προσπάθειες για την αναγωγή και άλλων βασικών μετάλλων (χαλκός, αλουμίνιο) με υδρογόνο.

Περαιτέρω, στον τομέα της Μεταποίησης (1) η Ελλάδα βρίσκεται στην αιχμή. Η μεταποίηση προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας και η εξαγωγή τους στηρίζει την χώρα, βοηθά στην διατήρηση θέσεων εργασίας υψηλής κατάρτισης, ενώ δημιουργεί νέες ευκαιρίες για τους πτυχιούχους και υποστηρίζει την επιστροφή ταλέντων («brain re-gain»).

Επιπλέον, η μεταποίηση διευρύνει την γεωπολιτική σημασία της Ελλάδας, ιδιαίτερα υπό το πρίσμα της «critical raw materials act» της Ε.Ε. στο πλαίσιο της δίδυμης μετάβασης δημιουργώντας θετικές οικονομικές εισροές δρώντας πολλαπλασιαστικά, καθώς κάθε επενδυόμενο ευρώ δημιουργεί τριπλάσια αξία στο ελληνικό ΑΕΠ.

Τέλος, η ελληνική Ναυτιλία διαχρονικά πρωτοπορεί. Όπως ηγήθηκε την τελευταία πενταετία ναυπηγώντας τον μεγαλύτερο στόλο υγροποιημένου αερίου (LNG), έτσι πρέπει να συνεχίσει και στον τομέα μεταφοράς υδρογόνου με τις απαραίτητες μετατροπές.

Το Ε.Μ.Π. συμμετέχει δυναμικά στην έρευνα για την πράσινη μετάβαση, την κυκλική οικονομία, τα υλικά και το υδρογόνο, συντονίζοντας μεγάλα ευρωπαϊκά προγράμματα και σχετικές ερευνητικές δράσεις (2) και αναπτύσσοντας συνέργειες με τη βιομηχανία. Έτσι, αποκτώνται δεξιότητες και εμπειρία για την αποθήκευση υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα (πχ. «Hydrogen valeys»), για τα κατάλληλα υλικά αποθήκευσης και μεταφοράς, τις κατεργασίες διαμόρφωσης αγωγών και δοχείων πίεσης, για τις θαλάσσιες μεταφορές του υδρογόνου (σε υγροποιημένη μορφή ή μέσω αμμωνίας) και για τη χρήση του ως καυσίμου προς αντικατάσταση πετρελαίου στα πλοία.

Γίνεται, λοιπόν, σαφές ότι η απανθρακοποίηση περνάει μέσα από την αναδιάρθρωση του ενεργειακού μείγματος, ώστε να περιέχει ΑΠΕ και πυρηνική ενέργεια, καθώς και «πράσινο υδρογόνο» προσφέροντας λύσεις για βιομηχανική παραγωγή «net zero». Αναπτύσσονται οι τεχνολογίες, διευρύνονται οι προσφερόμενες λύσεις, το κόστος μειώνεται. Μένει να συνεχίσουμε χωρίς πισωγυρίσματα στην κατεύθυνση αυτή και να ιεραρχήσουμε την ανάπτυξη τεχνολογίας από τα Πανεπιστήμια και τη Βιομηχανία.

Απαιτείται σημαντική κρατική στήριξη στην έρευνα. Σημειώνεται ότι την τελευταία δεκαετία οι ετήσιες περικοπές του προϋπολογισμού του Ε.Μ.Π. αγγίζουν το 80%! Χρειάζεται ένα ολοκληρωμένο σχέδιο σύνδεσης ΟΠΥ, Μεταλλουργίας, Μεταποίησης, ΑΠΕ, υδρογόνου και Ναυτιλίας προς διεύρυνση της γεωπολιτικής θέσης της Ελλάδας και της αύξησης του ΑΕΠ.

(1)  Ενδεικτικά βιομηχανίες με σημαντική δράση σε ΑΠΕ, ΟΠΥ, παραγωγή μετάλλων, Μεταποίηση και υδρογόνο είναι:  ΣΩΛΗΝΟΥΡΓΕΙΑ ΚΟΡΙΝΘΟΥ Α.Ε. με βαθιά γνώση στον τομέα της ενέργειας, με σημαντική πλέον τεχνογνωσία και στο υδρογόνο, η Ελληνικά Καλώδια Α.Ε. και η FULGOR Α.Ε. με έντονη δραστηριότητα στην ενέργεια και στην υποστήριξη των ΑΠΕ (πχ. offshore αιολικών πάρκων), η ΕΛΒΑΛΧΑΛΚΟΡ στην παραγωγή αλουμινίου και χαλκού, η Metlen – ενέργεια και μέταλλα, με παραγωγή αλουμινίου και με επένδυση για παραγωγή γαλλίου με στόχο την κάλυψη του 90% των αναγκών της Ε.Ε. και περαιτέρω επενδύσεις προς διεύρυνση  της παραγωγής αλουμινίου (ο βωξίτης αναφέρεται ως κρίσιμη ΟΠΥ στην Ε.Ε.), καθώς και με σημαντικές επενδύσεις σε ΑΠΕ (ηλιακή και αιολική ενέργεια) και ενέργεια αντίστοιχα. Περαιτέρω ενεργειακοί όμιλοι και κατασκευαστικές εταιρείεςπαρουσιάζουν αντίστοιχα μεγάλη κινητικότητα στο πλαίσιο της πράσινης μετάβασης επενδύοντας σημαντικά ποσά σε ΑΠΕ, αλλά και στο υδρογόνο. Ενδεικτικά αναφέρουμε τις: ΔΕΗ, MOTOR OIL, ΕΛΠΕ, Helleniq Energy, ΔΕΠΑ, ΔΕΣΦΑ, ΤΑΠ και ΓΕΚ-ΤΕΡΝΑ.

(2)  Σχολή Μεταλλειολόγων – Μεταλλουργών Μηχανικών, Τομέας Μεταλλουργίας & Τεχνολογίας Υλικών: βιώσιμη παραγωγή βασικών μετάλλων, ανακύκλωση, κυκλική οικονομία, μπαταρίες,  σχεδιασμός προηγμένων υλικών και κατεργασιών, προηγμένος χαρακτηρισμός μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, προηγμένες μέθοδοι προσομοίωσης υλικών και μικροδομής / ενδεικτικά έργα: HARARE, HAlMan, HEPHAESTUS, Sidewin, EURare, κρίσιμες πρώτες ύλες (Καθ. Δ. Πάνιας, Καθ. Α. Ξενίδης) / ΤΠΠΛ – 1ο αυτόνομο ενεργειακό κτήριο έχοντας δυνατότητα ασφαλούς αποθήκευσης μέχρι 60 κιλών υδρογόνου στο πιλοτικό κτίριο του Πολυτεχνείου προς κάλυψη ενεργειακών αναγκών πέντε ημερών / Συντονίστρια του “Regional Innovation Scheme” RIS Hub Greece του European Institute of Innovation and Technology στις ΟΠΥ « ΕΙΤ RAW MATERIALS» ( https://eitrawmaterials.eu)
Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Καθ. Σ. Καρέλλας, Member of the European Hydrogen Sustainability and Circularity Panel (EHS&CP) of the Clean Hydrogen Partnership. Task Force Leader of: Hydrogen End uses,  ενδεικτικά έργα: TRIERES – Clean Hydrogen Partnership, Hyflexpower
Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών, Καθ. Ν. Τσούβαλης, ενδεικτικά έργα: “NH3CRAFT – Safe and efficient storage of ammonia within ships”, 2022-2025,  “NATURALHY – Preparing for the Hydrogen Economy by Using the Existing Natural Gas System as a Catalyst”, funded by the EU (6th Framework Programme), 2004-2007

Καθηγητής Dr.-Ing. Σπ. Παπαευθυμίου, Αν. Κοσμήτορας Σχολής Μεταλλειολόγων-Μεταλλουργών Μηχανικών Ε.Μ.Π.