Παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Dale Gardner* 

Εάν θέλουμε να έχουμε μια βιώσιμη υποδομή μεταφορών που περιλαμβάνει οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου, πρέπει να παράγουμε τον ενεργειακό φορέα-υδρογόνο- σε μεγάλες ποσότητες από καθαρές, μη ορυκτές πηγές ενέργειας, και αυτό σημαίνει από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τι ακριβώς επιλογές έχουμε λοιπόν για να μας βάλουν στο μονοπάτι καθαρού υδρογόνου και ποιες προκλήσεις πρέπει να ξεπεραστούν στην πορεία;

Καθώς σχεδιάζουμε για τον καθαρό στόλο αυτοκινήτων και φορτηγών χωρίς πετρέλαιο του μέλλοντος, οραματιζόμαστε ένα χαρτοφυλάκιο τεχνολογίας πρόωσης που περιλαμβάνει οχήματα με βιοκαύσιμα, ηλεκτροκίνηση και κυψέλες καυσίμου υδρογόνου (FCV).

Η τελευταία από αυτές είναι ίσως η πιο τεχνικά προκλητική, αλλά και η πιο ελκυστική τεχνολογία όσον αφορά την ικανότητά της να μειώνει δραματικά την κατανάλωση πετρελαίου, τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου CO2 και τη ρύπανση των σωλήνων της ουράς. Ωστόσο, το υδρογόνο δεν είναι πηγή ενέργειας – είναι φορέας ενέργειας. Και για να συνειδητοποιήσουμε πλήρως τα οφέλη του, πρέπει να το παράγουμε όχι από ορυκτές πηγές, αλλά από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Ο κόσμος παράγει σήμερα τεράστιες ποσότητες υδρογόνου για βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς, πιθανώς άνω των 50 εκατομμυρίων τόνων/έτος. Αλλά το μεγαλύτερο μέρος αυτής της παραγωγής βασίζεται στην ορυκτά ενέργεια, είτε από αναμόρφωση φυσικού αερίου είτε από ηλεκτρόλυση με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από άνθρακα, φυσικό αέριο, πετρέλαιο ή πυρηνική ενέργεια.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας από την άλλη πλευρά είναι μια επιθυμητή πηγή ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου λόγω της ποικιλομορφίας, της περιφερειακότητας, της αφθονίας και των δυνατοτήτων τους για βιωσιμότητα. Τούτου λεχθέντος, υπάρχουν πολλές προκλήσεις για την παραγωγή Υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας – και ίσως η σημαντικότερη είναι η μείωση του κόστους για να είναι ανταγωνιστικός με τη βενζίνη και το ντίζελ.

Το ανανεώσιμο υδρογόνο μπορεί να παραχθεί με διάφορους τρόπους:

• Ηλεκτρόλυση – διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από μία από τις πολλές ανανεώσιμες πηγές.
• Μετατροπή βιομάζας – μέσω είτε θερμοχημικής είτε βιοχημικής μετατροπής σε ενδιάμεσα προϊόντα που μπορούν στη συνέχεια να διαχωριστούν ή να μετατραπούν σε υδρογόνο. ή τεχνικές ζύμωσης που παράγουν υδρογόνο άμεσα.
• Ηλιακή μετατροπή – είτε με θερμόλυση, με χρήση ηλιακής θερμότητας για παραγωγή υδρογόνου σε χημικό κύκλο υψηλής θερμοκρασίας ή φωτόλυση, στην οποία τα ηλιακά φωτόνια χρησιμοποιούνται σε βιολογικά ή ηλεκτροχημικά συστήματα για την άμεση παραγωγή υδρογόνου.

Η παραπάνω σειρά είναι, σε γενικές γραμμές, αντιπροσωπευτική της τεχνολογικής ωριμότητας αυτών των μονοπατιών, και επομένως, κατά προσέγγιση, της χρονολογικής σειράς με την οποία θα περιμέναμε να τα δούμε εμπορικά διαθέσιμα.

Το σχήμα 1 παρέχει μια επισκόπηση των διαφόρων επιλογών.

Ηλεκτρόλυση

Υπάρχει μια σημαντική παγκόσμια δραστηριότητα στην παραγωγή ηλεκτρόλυσης και στην κατασκευή εγκαταστάσεων ηλεκτρόλυσης για την παραγωγή υδρογόνου. Οι προκλήσεις για το ανανεώσιμο υδρογόνο που είναι έτοιμο για μεταφορά είναι τόσο στο κόστος όσο και στην κατανόηση των logistics και των οικονομικών των μεγάλων κεντρικών εργοστασίων παραγωγής έναντι των μικρότερων κατανεμημένων εγκαταστάσεων που βρίσκονται πιο κοντά στους χρήστες του οχήματος.

Ένας 100% αποδοτικός ηλεκτρολύτης απαιτεί 39 kWh ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή 1 kg υδρογόνου. Οι συσκευές σήμερα απαιτούν έως και 48 kWh/kg. Έτσι, εάν το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας είναι 0,05 US$/kWh, το κόστος ισχύος μόνο για τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης είναι 2,40 US$/kg υδρογόνου. (Σημείωση: Στις ΗΠΑ, το μέσο κόστος οικιακής ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 0,10 US$/kWh και βιομηχανικό 0,06 US$/kWh). Το κόστος κεφαλαίου για μια εγκατάσταση ηλεκτρόλυσης μπορεί να είναι ένας τεράστιος παράγοντας και για μικρότερες εγκαταστάσεις μπορεί στην πραγματικότητα να γίνει ο κυρίαρχος παράγοντας κόστους.

Ένα πλεονέκτημα της ηλεκτρόλυσης είναι ότι μπορεί να παράγει υδρογόνο υψηλής καθαρότητας (>99,999%), το οποίο είναι καλό για FCV, των οποίων οι κυψέλες καυσίμου θα είναι, τουλάχιστον αρχικά, ευαίσθητες σε ρύπους και θα απαιτούν εξαιρετικά υψηλή καθαρότητα υδρογόνου.

Το παγκόσμιο δυναμικό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι εκπληκτικό. Εάν αντιμετωπιστεί και χρησιμοποιηθεί επιθετικά, υπάρχουν επαρκείς πόροι για την υποστήριξη όχι μόνο μεγάλων εισροών στα ηλεκτρικά δίκτυα σε ολόκληρο τον πλανήτη, αλλά και σημαντικής παραγωγής υδρογόνου. Για παράδειγμα, από μόνη της ο διαθέσιμος αιολικός πόρος στις ΗΠΑ εκτιμάται ότι είναι πάνω από 2.800 GW (σήμερα, η συνολική δυναμικότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ είναι περίπου 1.100 GW), αρκετή για την παραγωγή πάνω από 150 δισεκατομμύρια kg/έτος υδρογόνου, που υπερβαίνει η ποσότητα βενζίνης των ΗΠΑ που καταναλώνεται ετησίως ως προς την ενεργειακή ισοδυναμία.

Αρκετά έργα δοκιμών ηλεκτρόλυσης από ανανεώσιμες πηγές σε υδρογόνο βρίσκονται σε εξέλιξη στις ΗΠΑ και παγκοσμίως. Στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας των ΗΠΑ ( NREL ) στο Κολοράντο, μια συνεργασία μεταξύ της NREL και της τοπικής εταιρείας κοινής ωφελείας, Xcel Energy , οδήγησε σε ένα πιλοτικό έργο κλίμακας που χρησιμοποιεί αιολικά και φωτοβολταϊκά (βλ. σχήμα 2 και μελέτη περίπτωσης - «ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε υδρογόνο») . Το υδρογόνο αποθηκεύεται, στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει το Mercedes Benz F-Cell FCV της NREL ή μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια για έγχυση πίσω στο δίκτυο σε περιόδους αιχμής ηλεκτρικών φορτίων.

Στις δεκαετίες του 1920 και του 1930, κατασκευάστηκαν αλκαλικοί ηλεκτρολύτες κλίμακας MW δίπλα σε υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις σε διάφορες τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο. Έτσι, ξέρουμε πώς να κάνουμε ανανεώσιμο υδρογόνο μέσω ηλεκτρόλυσης, το έχουμε κάνει στο παρελθόν και τώρα πρέπει να ξεπεράσουμε τα σχετικά μέτρια τεχνικά και οικονομικά εμπόδια στην ηλεκτρόλυση ανανεώσιμων πηγών υδρογόνου για μελλοντικές ανάγκες μεταφοράς.

Μετατροπή Βιομάζας

Επειδή η βιομάζα είναι η μόνη μας ανανεώσιμη πηγή υδρογονανθράκων, η μετατροπή ενός μικρού τμήματος του τεράστιου πόρου βιομάζας του πλανήτη σε καύσιμα είναι μια σημαντική επιλογή για τις μεταφορικές μας ανάγκες. Από αυτή την ανανεώσιμη πρώτη ύλη μπορεί να παραχθεί υδρογόνο. Μια πρόσφατη έκθεση του Εθνικού Συμβουλίου Έρευνας των ΗΠΑ ( NRC ) (Transitions to Alternative Transportation Technologies: A Focus on Hydrogen, Ιούλιος 2008) υποστηρίζει ότι η κεντρική παραγωγή υδρογόνου από αεριοποίηση βιομάζας είναι η οδός ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που έχει την υψηλότερη πιθανότητα εμπορικής βιωσιμότητας το 2015- 3035 χρονικό πλαίσιο.

Η βιομάζα σε υδρογόνο είναι πολύπλοκη, όχι μόνο λόγω των τεχνικών λεπτομερειών των ίδιων των διαδικασιών μετατροπής, αλλά και λόγω των πολλών τύπων διεργασιών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν. Ο τύπος μετατροπής με τις περισσότερες δυνατότητες για κεντρική παραγωγή μεγάλης κλίμακας, όπως επισημαίνεται στην έκθεση NRC, είναι η αεριοποίηση, η οποία από μόνη της δεν είναι παρά μία από τις πολλές τεχνολογίες που διατίθενται στη μεγαλύτερη κατηγορία που ονομάζεται θερμοχημική μετατροπή.

Η αεριοποίηση – είτε με ατμό, αέρα/οξυγόνο, καταλυτική είτε έμμεση – περιλαμβάνει την υποβολή της βιομάζας σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις προκειμένου να μειωθούν τα οργανικά υλικά σε αέρια υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα/διοξειδίου (μαζί με ποικίλες ποσότητες ανεπιθύμητων στερεών και αέριων υποπροϊόντων). . Από εκεί, το υδρογόνο μπορεί να διαχωριστεί με μεμβράνη, χημικά ή καταλυτικά βήματα. Οι τεχνοοικονομικές αναλύσεις δείχνουν ότι τα βιοδιυλιστήρια αεριοποίησης μπορεί να πρέπει να είναι μεγάλα για να είναι οικονομικά εφικτά, πράγμα που σημαίνει σημαντικές επενδύσεις κεφαλαίου καθώς και ευρεία υποδομή παραγωγής και παράδοσης πρώτης ύλης για την τροφοδοσία κάθε εγκατάστασης.

Μια δεύτερη θερμοχημική επιλογή είναι η μετατροπή της βιομάζας σε βιοέλαιο μέσω θερμικής αποσύνθεσης γνωστής ως γρήγορης πυρόλυσης, ακολουθούμενη από καταλυτική αναμόρφωση του υγρού (ή των ατμών του) σε υδρογόνο. Ένα πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι το βιοέλαιο, ως ενδιάμεσο προϊόν, έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από την πρώτη ύλη βιομάζας και μπορεί να μεταφερθεί πιο εύκολα. Αυτή η τεχνική μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι εφαρμόσιμη σε μικρότερα, κατανεμημένα βιοδιυλιστήρια, ενώ η διαδικασία αεριοποίησης που περιγράφεται παραπάνω μπορεί να εξυπηρετήσει τις μεγάλες, κεντρικές εγκαταστάσεις.

Η βιοχημική μετατροπή της βιομάζας σε υδρογόνο παρουσιάζει επίσης αρκετές πιθανές οδούς. Η αιθανόλη που παράγεται από λιγνοκυτταρινικά υλικά θα μπορούσε να μετατραπεί περαιτέρω σε υδρογόνο, όπως και άλλα βιοκαύσιμα ή ενδιάμεσα προϊόντα διαφόρων βιοχημικών οδών.

Πιο ενδιαφέρουσα ίσως είναι η σκοτεινή ζύμωση, μια διαδικασία που χρησιμοποιεί αναερόβιους μικροοργανισμούς για την άμεση παραγωγή υδρογόνου, με τον τρόπο που τα βακτήρια ή η ζύμη μπορούν να παράγουν αιθανόλη μέσω ζύμωσης. Τέτοιοι οργανισμοί θα μπορούσαν να ενισχυθούν ώστε να εκτελούν καλύτερα το έργο παραγωγής υδρογόνου. Συνήθως πρέπει να ξεκινούν με γλυκόζη, επομένως οι τεχνικές προεπεξεργασίας και υδρόλυσης με κυτταρινική αιθανόλη που αναπτύσσονται τώρα για τη διάσπαση της κυτταρίνης σε γλυκόζη θα απαιτούνται επίσης για τη σκοτεινή οδό ζύμωσης.

Ηλιακή Μετατροπή

Ίσως οι πιο ενδιαφέρουσες επιλογές, με τεράστιες δυνατότητες αλλά που απαιτούν περισσότερο χρόνο ανάπτυξης, είναι οι τεχνικές ηλιακής μετατροπής. Αυτά είναι η θερμόλυση και η φωτόλυση, και φαίνονται στο αριστερό και στο άκρο δεξιά του σχήματος 1, αντίστοιχα.

Η θερμόλυση περιλαμβάνει τη χρήση της θερμότητας που παράγεται από τη συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια (CSP) για να οδηγήσει μια από τις πολλές θερμοχημικές αντιδράσεις (εκατοντάδες από τις οποίες είναι γνωστές) που μπορούν να παράγουν υδρογόνο ή για να οδηγήσει την ηλεκτρόλυση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες για πιο αποτελεσματική αποσύνθεση του νερού.

Η φωτόλυση μπορεί να είναι το απόλυτο «ιερό δισκοπότηρο» για την παραγωγή υδρογόνου, χρησιμοποιώντας ηλιακά φωτόνια για την παραγωγή υδρογόνου απευθείας μέσω βιολογικών ή ηλεκτροχημικών συστημάτων. Οι φωτοβιολογικές μέθοδοι χρησιμοποιούν φωτοσυνθετικούς οργανισμούς όπως ορισμένα κυανοβακτήρια και πράσινα φύκια για τη φωτοπαραγωγή υδρογόνου – δεν χρειάζονται μόρια με βάση τον άνθρακα στη διαδικασία. Χρειάζεται ακόμη πολλή δουλειά για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών εντός των οργανισμών και πολλές μηχανικές προκλήσεις πρέπει να αντιμετωπιστούν για την ανάπτυξη μεγάλων φωτοβιολογικών συστημάτων παραγωγής υδρογόνου.

Η φωτοηλεκτροχημική φωτόλυση περιλαμβάνει τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο απευθείας στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού μέσω της ακτινοβολίας του ημιαγωγού από ηλιακά φωτόνια. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ηλεκτρόλυση χωρίς τον ηλεκτρολύτη, επειδή το υλικό του φωτοβολταϊκού ημιαγωγού δρα ως καταλύτης για την παραγωγή υδρογόνου απευθείας στη διεπαφή ημιαγωγού και νερού. Ένα σημαντικό εμπόδιο είναι η εύρεση ενός ημιαγωγού υλικού που έχει τις σωστές φωτοηλεκτροχημικές ιδιότητες, ενώ είναι αρκετά οικονομικό και στιβαρό ώστε να αντέχει στο σοβαρό χημικό και φυσικό περιβάλλον.

Είναι αρκετά;

Μπορούν πραγματικά οι ανανεώσιμες πηγές να παράγουν αρκετό υδρογόνο για να κάνουν τη διαφορά; Το Σχήμα 2 απαντά σε αυτήν την ερώτηση για τις ΗΠΑ, παρέχοντας μια ένδειξη ανά νομό του δυναμικού υδρογόνου από την ηλιακή, την αιολική και τη βιομάζα – σε σύγκριση με την κατανάλωση βενζίνης μόνο στις ΗΠΑ.

Μόνο εκείνοι με μπλε χρώμα θα μπορούσαν να παράγουν λιγότερο υδρογόνο από την αντίστοιχη χρήση βενζίνης και εκείνοι με πράσινο προσεγγίζουν την ικανότητα 1.000 φορές περισσότερο υδρογόνου από τις δικές τους ανάγκες. Οι λίγες κομητείες που υπολείπονται συνήθως περιβάλλονται από άλλες με αφθονία. Παρόλο που οι ΗΠΑ διαθέτουν σημαντικό ανανεώσιμο πόρο, μια παγκόσμια ανάλυση αναμένεται να δώσει παρόμοια αποτελέσματα.

Έτσι, με όλες αυτές τις επιλογές για την παραγωγή ανανεώσιμων πηγών υδρογόνου και τους σημαντικούς, ποικίλους ανανεώσιμους πόρους ενέργειας στους οποίους θα μπορούσαμε να αντλήσουμε παγκοσμίως, πού βρισκόμαστε όσον αφορά την έρευνα και ανάπτυξη (Ε&Α) που απαιτείται για την αντιμετώπιση των προκλήσεων;

Η απάντηση δεν είναι ξεκάθαρη, κυρίως λόγω της συγκεχυμένης παγκόσμιας ενεργειακής εικόνας και της πρόσφατης οικονομικής ύφεσης, σε συνδυασμό με την προφανή έμφαση σε πιο βραχυπρόθεσμες λύσεις που αξιολογούνται για τη μείωση των εκπομπών CO2 και τον περιορισμό της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Κάποιοι εικάζουν ότι υπάρχει λιγότερος ενθουσιασμός για το υδρογόνο από ό,τι έχουμε δει τα τελευταία χρόνια, ενώ άλλοι προσφέρουν ότι το υδρογόνο και οι κυψέλες καυσίμου πρέπει να βρουν τη θέση τους στο χαρτοφυλάκιο των μελλοντικών επιλογών πρόωσης μεταφορών.

Στις ΗΠΑ, το τέλος της Πρωτοβουλίας του Προέδρου για τα καύσιμα υδρογόνου (στην οποία ο Πρόεδρος Μπους υποσχέθηκε 1,2 δισεκατομμύρια δολάρια για Έρευνα και Ανάπτυξη υδρογόνου και κυψελών καυσίμου κατά τη διάρκεια των οικονομικών ετών 2003 έως 2008) είχε δημοσιονομική επίδραση στην Ε&Α υδρογόνου γενικά και στην Ε&Α παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας συγκεκριμένα. Ενώ ο προϋπολογισμός Ε&Α υδρογόνου του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είχε ανέλθει σε περισσότερα από 280 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2008, το αίτημα του Υπουργείου για το οικονομικό έτος 2009 έδειξε μείωση, συμπεριλαμβανομένου μηδενισμού της εφαρμοσμένης χρηματοδότησης Ε&Α για την παραγωγή υδρογόνου (που ήταν 40 εκατομμύρια δολάρια το 2008 ). Το σκεπτικό ήταν ότι τουλάχιστον ένα μονοπάτι παραγωγής είχε θέσει τον στόχο κόστους των 2-3 $ ΗΠΑ/κιλό – αν και μέσω μιας οδού μη ανανεώσιμης ενέργειας, γνωστής ως αναμόρφωσης φυσικού αερίου με κατανεμημένο ατμό – και ότι η χρηματοδότηση εστιαζόταν στην αποθήκευση υδρογόνου και τις κυψέλες καυσίμου Ε&Α,

Σε διεθνές επίπεδο, οι προσπάθειες Ε&Α παραγωγής υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές συνεχίζονται. Η μακροχρόνια Συμφωνία Εφαρμογής Υδρογόνου του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας ( ΙΕΑ ), που ισχύει από το 1977, συνεχίζει να εργάζεται για την παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές. Και πολλές μεμονωμένες χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Ιαπωνίας, της Αυστραλίας, της Ισλανδίας, για να αναφέρουμε μόνο μερικές, συνεχίζουν να επιδιώκουν επιλογές ανανεώσιμων πηγών υδρογόνου. Επίσης, η πιο πρόσφατη Διεθνής Συνεργασία για την Οικονομία του Υδρογόνου (IPHE) συνδέει πολλά έθνη σε συλλογικές προσπάθειες.

Εάν είμαστε σε θέση να ξεπεράσουμε το πρόβλημα «κοτόπουλου και αυγού» σε σχέση με τα FCV και την υποστηρικτική υποδομή παραγωγής και διανομής υδρογόνου, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να κάνουμε την τεχνική και επιχειρηματική άποψη για το ανανεώσιμο υδρογόνο ως φορέα ενέργειας για τα καθαρά οχήματά μας του μέλλοντος. Και, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να το κάνουμε αυτό, όχι μέχρι το χρονοδιάγραμμα 2040-2050 όπως προτείνουν ορισμένοι, αλλά βραχυπρόθεσμα, προκειμένου να προσφέρουμε μια ανανεώσιμη, βιώσιμη και καθαρή επιλογή μεταφοράς στο μελλοντικό παγκόσμιο χαρτοφυλάκιό μας.

 

Σχετικά με τον Συγγραφέα

Ο Dale Gardner είναι ο αναπληρωτής διευθυντής εργαστηρίου για Ανανεώσιμα Καύσιμα & Συστήματα Οχημάτων στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) , ένα εργαστήριο του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ που βρίσκεται στο Γκόλντεν του Κολοράντο των ΗΠΑ. Το χαρτοφυλάκιο τεχνολογιών έρευνας, ανάπτυξης και επίδειξης στο εργαστήριο περιλαμβάνει βιοκαύσιμα, υδρογόνο και κυψέλες καυσίμου και προηγμένες τεχνολογίες οχημάτων.