Το υδρογόνο αποτελεί μια μορφή ενέργειας που ξεχωρίζει για το πράσινο αποτύπωμά της και χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς, όπως στην παραγωγή ενέργειας, στις μεταφορές αλλά και στη βιομηχανία. Ωστόσο υπάρχουν αρκετές προκλήσεις όσον αφορά την αποθήκευση και τη μεταφορά του.
Του δρ. Σπύρου Παπαευθυμίου*
Η πράσινη μετάβαση φέρνει αλλαγές στην τεχνολογία, προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι απανθρακοποίησης, με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και το υδρογόνο να διαδραματίζουν καταλυτικό ρόλο.
Το υδρογόνο διαθέτει υψηλή θερμογόνο δύναμη, περίπου 120 MJ/kg σε σχέση με τα 33,5MJ/kg του φυσικού αερίου, ενώ ανά μονάδα όγκου το νούμερο αυτό είναι αρκετά χαμηλό (10MJ/m3). Προκειμένου να αυξηθεί η ενεργειακή (ογκομετρική) πυκνότητα, συμπιέζεται στα 700 bar (690 atm) και υγροποιείται στους -253°C. Στις συνθήκες αυτές παρουσιάζει πυκνότητα περίπου 70kg/m3, από τα περίπου 0,09 kg/m3 σε αέρια μορφή, και απώλειες περίπου 1kg ανά ημέρα ή 1,7MJ ανά ημέρα.
Το υδρογόνο σε συμπιεσμένη μορφή μεταφέρεται με αγωγούς ή σε δεξαμενές, με τους αγωγούς (pipelines) να αποτελούν τον αποτελεσματικότερο και οικονομικότερο τρόπο μεταφοράς του. Στους αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου έχει ξεκινήσει εδώ και δεκαπέντε έτη η ανάμειξη του φυσικού αερίου με υδρογόνο σε ποσοστό έως και 20%.
Με τον τρόπο αυτό δοκιμάζονται οι αντοχές των συγκολλημένων χαλύβδινων αγωγών και των υποδομών γενικότερα, και αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία αν συνυπολογιστεί πως πέραν των παραπάνω διαχειριστικών δυσκολιών και λόγω της μικρής του ατομικής ακτίνας, το υδρογόνο έχει πολλές διαρροές κατά την μεταφορά / αποθήκευση, ενώ καθιστά εύθραυστα τα μεταλλικά υλικά.
Εναλλακτική λύση στη συμπίεση αποτελεί η δέσμευση του υδρογόνου μέσω αμμωνίας ή σε υγρούς οργανικούς φορείς υδρογόνου (Liquid Organic Hydrogen Carriers [LOHC]), κάτι που αποτελεί αξιόλογη επιλογή ως προς την πυκνότητα και τη διαχείρισή του, αφού δεν απαιτεί κρυογενικές συνθήκες και διευκολύνει τις μεταφορές. Το βασικότερο όμως μειονέκτημα είναι ότι ο διαχωρισμός του υδρογόνου από την αμμωνία συνεπάγεται, επίσης, απώλειες 20 – 35%.
Αποθήκευση
Η αποθήκευση του υδρογόνου γίνεται συνήθως σε δεξαμενές από ανοξείδωτο χάλυβα (π.χ. 304L, 316L), υλικό που παρουσιάζει ισχυρή αντίσταση στη διάβρωση από το υδρογόνο. Για τις αυξημένες πιέσεις και τις χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη μεταφορά και αποθήκευση υδρογόνου, αυξάνεται η αντοχή των υλικών των δοχείων, μεταξύ άλλων, με εκλέπτυνση κόκκου και άζωτο.
Παρά την αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων κατά την κατασκευή των αγωγών και των δεξαμενών αποθήκευσης, η παρουσία υδρογόνου οδηγεί σε υποβάθμισή τους και μειωμένη ωφέλιμη διάρκεια ζωής, κάτι που καθιστά τη χρήση υδρογόνου λειτουργικά ακριβότερη.
Η επιστήμη και η τεχνολογία υλικών, μέσω της έρευνας εξετάζει νέες διεξόδους για την αποθήκευση υδρογόνου. Αυτές περιλαμβάνουν τη χρήση άλλων υλικών, όπως είναι τα κράματα χαλκού και αλουμινίου, τα οποία ωστόσο φαίνεται να παρουσιάζουν αντίστοιχα προβλήματα με τον χάλυβα. Επίσης έχουν αναπτυχθεί καινούργια υλικά, όπως είναι τα πολυστοιχειακά κράματα μέσης ή υψηλής εντροπίας, που δείχνουν να διαθέτουν μεγάλη αντίσταση στη διάβρωση από το υδρογόνο.
Τέλος, στις δεξαμενές μεταφοράς υδρογόνου σε πλοία και σε δοχεία πίεσης, χρησιμοποιούνται σήμερα και επικαλύψεις, οργανικές και μη.
Παρά τα έως τώρα θετικά ερευνητικά αποτελέσματα, δεν υπάρχουν αυτή τη στιγμή έτοιμες τεχνολογικές λύσεις για χρήση σε μεγάλη κλίμακα.
Ωστόσο, η κατά τέσσερις φορές μείωση του κόστους παραγωγής υδρογόνου, από 6-8ευρώ ανά kg που είναι σήμερα σε 1-2 ευρώ ανάkg, αναμένεται να προσφέρει τεράστια ώθηση στην υιοθέτησή του. Μάλιστα, είναι εφικτή η παραγωγή «πράσινου υδρογόνου» (χωρίς έκλυση CO2) από ΑΠΕ ή και από πυρηνική ενέργεια μέσω ηλεκτρόλυσης.
Η συμβολή του ΕΜΠ
Το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ) συμβάλλει ενεργά στην έρευνα για την πράσινη μετάβαση, την κυκλική οικονομία, τα υλικά και το υδρογόνο, ενώ συμμετέχει και συντονίζει μεγάλα ευρωπαϊκά προγράμματα και αναπτύσσει συνέργειες με τη βιομηχανία.
Αναπτύσσονται δεξιότητες, αποκτάται εμπειρία και μελετώνται νέες λύσεις και υλικά, ενώ δοκιμάζονται τεχνικές λύσεις για επίγειες και θαλάσσιες μεταφορές του υδρογόνου (σε υγροποιημένη μορφή ή μέσω αμμωνίας) ή και για τη χρήση του ως καυσίμου, προς αντικατάσταση του πετρελαίου στα πλοία, στη βιομηχανία, ή ακόμα και στα κτίρια.
Καθώς δεν υστερούμε επιστημονικά και ερευνητικά, οφείλουμε να προχωρήσουμε με πιο αποφασιστικά βήματα προς την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας, αλλά και των υποδομών. Χρειάζεται σημαντική κρατική στήριξη στην έρευνα και ολοκληρωμένο σχέδιο σύνδεσης πανεπιστημίων – βιομηχανίας.
*Ο Dr.-Ing. Σπ. Παπαευθυμίου είναι καθηγητής και αναπληρωτής κοσμήτορας της Σχολής Μεταλλειολόγων – Μεταλλουργών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
