Περιβάλλοντα Αποθήκευσης Υδρογόνου για την Αντικατάσταση των Συμβατών Καυσίμων

Με βάση τις ευρωπαϊκές στρατηγικές για τις άμεσες αλλαγές στις ενεργειακές πολιτικές, το Κλιματικό και Ενεργειακό πλαίσιο που τέθηκε για το 2030, έθεσε τρεις κύριους στόχους [1]:

1. Τη μείωση έως και 40 % των εκπομπών του θερμοκηπίου σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990.
2. Την κάλυψη των ηλεκτρικών αναγκών μέσω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε τουλάχιστον 32 %.
3. Τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης τουλάχιστον κατά 32 %.

Με βάση το Ενεργειακό Κατευθυντήριο Έγγραφο για το 2050 [2], η μείωση των εκπομπών του θερμοκηπίου θα πρέπει να φτάσει το 80-95 % σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990, ενώ το τουλάχιστον το 64 % των ηλεκτρικών αναγκών θα πρέπει να καλύπτεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω κατευθυντήριες γραμμές καθώς και τις χαμηλές εκπομπές άνθρακα κατά την παραγωγή ενέργειας από υδρογόνο, η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων από αυτό έχει προσελκύσει την προσοχή της βιομηχανίας με στόχο τη μείωση της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Κατ’ επέκταση, η επιστημονική κοινότητα έχει στρέψει την προσοχή της στην εύρεση ιδανικών τεχνικών παραγωγής υδρογόνου καθώς και ιδανικών περιβαλλόντων για την αποθήκευσή του.

Όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου, αυτή μπορεί να επιτευχθεί μέσω ανανεώσιμων

• μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μερικές από τις πιθανές πρωτογενείς πηγές ενέργειας είναι: η ηλεκτρική, η θερμική, η βιοχημική, η ηλεκτρο-θερμική, η φωτοηλεκτρική, η φωτοβιοχημική και η φωτονική. Όταν το υδρογόνο παράγεται από φωτονική ενέργεια αποτελεί την περιβαλλοντικά φιλικότερη επιλογή ως προς την παραγωγή ανεπιθύμητων αερίων, ενώ και η παραγωγή του από ανανεώσιμες πηγές όπως το γλυκό ή θαλασσινό νερό, το υδρόθειο και η βιομάζα, αποτελούν ιδιαιτέρως ενδιαφέρουσες από περιβαλλοντικής άποψης λύσεις. Παρόλο που η φωτοηλεκτροχημική μέθοδος ανήκει στις μεθόδους παραγωγής μέσω φωτονικής ενέργειας, αποτελεί λιγότερο ελκυστική μέθοδο λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής σε σχέση με την τελική απόδοση [3].

Αναφορικά με την αποθήκευση του υδρογόνου και τη δυνατότητα της μετέπειτα χρήσης του, δύο είναι οι κύριες μεγάλες κατηγορίες: οι επιφανειακές και οι υπόγειες (Εικόνα 1). 

Η υπόγεια αποθήκευση είναι προτιμητέα για δύο κύριος λόγους [4]: α. τη δυνατότητα αποθήκευσης μεγαλύτερων όγκων αερίου και β. τη μειωμένη οπτική όχληση λόγω των περιορισμένων επιφανειακών εγκαταστάσεων.

Η υπόγεια αποθήκευση του υδρογόνου μπορεί να πραγματοποιηθεί σε βραχώδεις κοιλότητες και πορώδη μέσα. Στις βραχώδεις κοιλότητες ανήκουν οι αλατούχες κοιλότητες, οι επενδυμένες ή μη-επενδυμένες βραχώδεις κοιλότητες, τα εγκαταλελειμμένα ορυχεία και οι εξορυχθείσες κοιλότητες υπό ψύξη. Στα πορώδη μέσα ανήκουν οι αλατούχοι υδροφορείς και οι εξαντλημένοι ταμιευτήρες υδρογονανθράκων.

Οι αλατούχες κοιλότητες αναπτύσσονται σε γεωλογικά περιβάλλοντα που περιέχουν ορυκτά άλατα, π.χ. αλίτη, σε διάφορους σχηματισμούς όπως είναι οι αλατούχοι δόμοι.

• διαδικασία διάνοιξης των κοιλοτήτων περιλαμβάνει την εισπίεση συγκεκριμένου όγκου νερού στους σχηματισμούς αυτούς, στοχεύοντας στη διάλυσή μέρους αυτών [5].
• παραγόμενη άλμη αντλείται από την περιοχή αφήνοντας το χώρο κενό για τη μετέπειτα εισπίεση του υδρογόνου. Περιοριστικός παράγοντας της συγκεκριμένης επιλογής είναι η περιορισμένη ύπαρξη των αλατούχων δομών σε συγκεκριμένα σημεία του πλανήτη.

Οι επενδυμένες ή μη επενδυμένες βραχώδεις κοιλότητες καθώς και οι εξορυχθείσες κοιλότητες υπό ψύξη δημιουργούνται κυρίως σε μαγματικά ή μεταμορφωμένα αδιαπέρατα πετρώματα μέσω συμβατικών τεχνικών εξόρυξης κοπής ή ανατίναξης [6].

• κύρια διαφορά μεταξύ επενδυμένων ή μη επενδυμένων είναι η χρήση υποστήριξης των κοιλοτήτων. Οι μη επενδυμένες αποτελούν οικονομικότερη επιλογή. Μεταξύ αυτών και των εξορυχθέντων κοιλοτήτων υπό ψύξη η κύρια διαφορά είναι η μορφή του αποθηκευμένου υδρογόνου. Με την ψύξη του αερίου επιτυγχάνεται η συμπίεση του ώστε να καταλαμβάνει μέχρι και 50 % λιγότερο χώρο [7]. Η αποθήκευση σε εγκαταλελειμμένα ορυχεία απαιτεί την ύπαρξη αυτών και τις απαραίτητες μελέτες ώστε να αποφευχθούν πιθανές αστοχίες που αφορούν την αποτυχία ανύψωσης του υπερκείμενου στρώματος, την αστοχία της βραχόμαζας ή του συστήματος επένδυσης κατά την αποθήκευση του αερίου.

Σχετικά με τα πορώδη μέσα, οι αλατούχοι υδροφορείς αποτελούν ενδιαφέρουσα επιλογή καθώς είναι ευρέως διαδεδομένοι, έναντι των εξαντλημένων ταμιευτήρων υδρογονανθράκων που έχουν τον ίδιο περιορισμό με τα εγκαταλελειμμένα ορυχεία. Στις δύο αυτές περιπτώσεις των πορώδων μέσων, το αέριο εισπιέζεται υπο-επιφανειακά καταλαμβάνοντας τους κενούς χώρους του βραχώδους σχηματισμού (Εικόνα 2) με αποτέλεσμα την επακόλουθη απομάκρυνση του νερού ή των υπολειπόμενων υδρογονανθράκων που υπάρχουν στα αντίστοιχα συστήματα. Τα πορώδη μέσα πρέπει να έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά πορώδους και υδραυλικής αγωγιμότητες (>10% και >50 mD για ψαμμίτες και >5% και > 10 mD για ανθρακικά πετρώματα, αντίστοιχα) [8].

Ανάλογα με την περιοχή ενδιαφέροντος για την αποθήκευση του υδρογόνου πρέπει να γίνεται καταγραφή των διαθέσιμων επιλογών και σύγκρισή τους για την εύρεση της πιο συμφέρουσας επιλογής από άποψη κόστους, όγκου του αποθηκευμένου αερίου και συντήρησης των υποδομών.

Βιβλιογραφία

1. 2030 climate & energy framework 2022 Available from: https://climate.ec.europa.eu/eu-action/climate-strategies-targets/2030-climate-energy-framework_en.
2. European, C., Communication from the commission to the European parliament, the council, the European economic and social committee and the committee of the regions., in Energy Roadmap 2050.
3. Dincer, I. and C. Acar, Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability. International Journal of Hydrogen Energy, 2015. 40(34): p. 11094-11111.
4. Bünger, U., et al., Large-scale underground storage of hydrogen for the grid integration of renewable energy and other applications, in Compendium of hydrogen energy, M. Ball, A. Basile, and T.N. Veziroğlu, Editors. 2016, Woodhead Publishing.
5. Lavine, A.S., K.M. Lovegrove, and J. Jordan. Thermochemical energy storage with ammonia: Aiming for the sunshot cost target. in AIP Conference Proceedings.
6. Vaskou, P. Unlined Rock Caverns: Historical & Technical Evolutions of a Concept for Underground Storage of Hydrocarbons in 10th Asian Rock Mechanics Symposium. Singapore.
7. INC, P.-K., Advanced Underground Gas Storage Concepts Refrigerated-Mined Cavern Storage. 1998: Final Report.
8. Londe, L.F. Four Ways to Store Large Quantities of Hydrogen. in Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference. Abu Dhabi, UAE.

* Λίγα λόγια για τον  Δρ. Νικόλαο Κούκουζα, Διευθυντή Ερευνών, Δρ Γεωλόγο Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης

Είναι απόφοιτος του Λεοντείου Λυκείου και κατέχει διδακτορικό δίπλωμα (PhD)  Βιομηχανικής Ορυκτολογίας και μεταπτυχιακού διπλώματος (MSc) από την Αγγλία (Leicester University) και δίπλωμα Γεωλογίας του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών. Είναι Διευθυντής Ερευνών του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων (ΙΔΕΠ) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογίας (ΕΚΕΤΑ). Ο κ. Κούκουζας έχει επαγγελματική εμπειρία περισσότερο των 30 ετών σε θέματα ενέργειας και περιβάλλοντος, ως επιστημονικός υπεύθυνος περισσότερο των 50 ευρωπαϊκών έργων, ενώ επίσης διετέλεσε Εμπειρογνώμονας στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή, Γενική Διεύθυνση Ενέργειας στις Βρυξέλλες (1999-2003, 2020-2022) και μέλος του ΔΣ του ΙΓΜΕ. Συμμετέχει στην Εκτελεστική Επιτροπή της EURACOAL, είναι συντονιστής εμπειρογνωμόνων για την αποθήκευση υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα στην Ευρωπαϊκή Ένωση Γεωλόγων (EFG), και εκπρόσωπος της χώρας στην Πολιτική και Τεχνική Ομάδα του Carbon Sequestration Leadership Forum  (CSLF) που συντονίζεται από το DoE των ΗΠΑ. Έχει δημοσιεύσει περισσότερα από 250 άρθρα σε διεθνή περιοδικά.