Υποκαθίστανται οι υδρογονάνθρακες από εναλλακτικές μορφές ενέργειας;

Η ενεργειακή κρίση, που προϋπήρξε αλλά παροξύνθηκε λόγω του πολέμου στην Ουκρανία και των εκατέρωθεν κυρώσεων, έχει επαναφέρει με ένταση στην ημερήσια διάταξη το ερώτημα του τίτλου. Επί του παρόντος, οι συνεισφορές που έχουν μορφές ενέργειας, όπως η πυρηνική, η υδροηλεκτρική, η ηλεκτρόλυση του υδρογόνου, η γεωθερμία και οι ανανεώσιμες πηγές (αιολική και ηλιακή), είναι  σχετικά μικρές στο παγκόσμιο ενεργειακό μείγμα.

Δυστυχώς δεν υπάρχουν σοβαρές συγκριτικές αναφορές μεταξύ του συνολικού ενεργειακού κόστους (ερευνητικό, κατασκευαστικό, κοινωνικό, περιβαλλοντικό) και της ενεργειακής απόδοσή τους, ενώ η κάθε μέθοδος έχει τους υποστηρικτές της. Μορφές ενέργειας χαμηλότερης απόδοσης, όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια, μπορεί να συμβάλουν, αλλά όχι να καλύψουν, τις παγκόσμιες ανάγκες. Το μεγάλο πρόβλημα με τις πηγές χαμηλής ενεργειακής απόδοσης είναι ότι η καθαρή ενέργειά τους είναι χαμηλή, δηλαδή απαιτούν ένα μεγάλο ποσοστό εισερχόμενης ενέργειας, για να αποδώσουν κάποια εξερχόμενη ενέργεια, σε αντίθεση με το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, τα οποία έχουν υψηλές καθαρές ενεργειακές τιμές.

Η μετάβαση από ορυκτά καύσιμα σε μια πηγή χαμηλότερης ενεργειακής απόδοση, θα ασκήσει περαιτέρω πίεση χρήσης σε άλλες εναπομένουσες πηγές ενέργειας παγκοσμίως, όπως το ξύλο και ο άνθρακας. Το βλέπουμε ήδη να γίνεται στην Ευρώπη και ειδικά στη Γερμανία, η οποία αντιμετωπίζει ίσως το οξύτερο πρόβλημα, λόγω των κυρώσεων εναντίον της Ρωσίας και κατ’ επέκταση της ρωσικής απόφασης να διακόψει την παροχή φυσικού αερίου μέσω του Nord Stream 1.

Η έστω και πρόσκαιρη(;) επιστροφή στον άνθρακα θα μπορούσε να οδηγήσει σε περαιτέρω πιέσεις στους επιφανειακούς και υπόγειους πόρους με ισχυρό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, απρόβλεπτο σήμερα από διεθνείς και εθνικούς οργανισμούς. Η ενέργεια από πυρηνική σχάση δεν είναι η απάντηση αντικατάστασης του πετρελαίου και του φυσικού αερίου, που παρέχει σήμερα στον κόσμο το 60% των ενεργειακών πόρων.

Εναλλακτικές μορφές ενέργειας

Η πυρηνική ενέργεια σχάσης παρέχει σήμερα το 5,6% των ενεργειακών πόρων και η ανάπτυξή της θα απαιτούσε σήμερα τεράστιες επενδύσεις υποδομών και ασφάλειας, αλλά και την κατανάλωση τεράστιων ποσοτήτων εισερχόμενης ενέργειας υψηλής απόδοσης, σε μια περίοδο που οι καθημερινές πρακτικές ανάγκες των αναπτυσσόμενων χωρών σε πετρέλαιο και φυσικό αέριο αυξάνονται.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ένα γραμμάριο ουράνιου 235 απελευθερώνει ενέργεια που ισοδυναμεί με αυτήν πολλών τόνων άνθρακα, αλλά η σχάση για παραγωγή ηλεκτρισμού σε εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας εξακολουθεί να βρίσκεται πιο κοντά στην επιστημονική φαντασία. Κι αυτό, παρότι οι εργαστηριακές έρευνες –υποστηριζόμενες από διεθνή χρηματοδότηση– παρουσιάζουν κάποια ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον υπήρξε στις αρχές της δεκαετίας του 2010 για την συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας για βιομηχανική και οικιακή χρήση (πχ. το ευρωπαϊκό πρόγραμμα ARCHER, Advanced High Temperature Reactors).

Σε αντίθεση με μορφές ενέργειας όπως η πυρηνική σχάση, η πυρηνική σύντηξη δεν παράγει μακροπρόθεσμα ραδιενεργά απόβλητα, ή αέρια θερμοκηπίου. Θα επέτρεπε, λοιπόν, την παράγωγή τεράστιας ποσότητας καθαρής ενέργειας, από συγχώνευση των ισοτόπων του υδρογόνου, του δευτέριου (βρίσκεται σε αφθονία στους ωκεανούς) και του τρίτιου (προέρχεται από την επεξεργασία του λιθίου 6).

Για να επιτευχθεί αυτό, όμως, απαιτείται να διατηρηθεί στη θέση του ένα σύννεφο σωματιδίων, ένα πλάσμα, σε περισσότερους από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, ή επτά φορές τη θερμότητα του πυρήνα του ήλιου! Κι αυτά υπό συνθήκες ακραίας πίεσης, μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο που παράγεται από ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες. Σε ίση μάζα, η σύντηξη απελευθερώνει τέσσερα εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από τον άνθρακα!

Πού στοχεύει η επιστημονική κοινότητα

Η επιστημονική κοινότητα εργάζεται εδώ και 80 χρόνια πάνω σε αυτό το θέμα και οι πρώτοι αντιδραστήρες χτίστηκαν στην Σοβιετική Ένωση πριν από έξι δεκαετίες. Το 2019 το ρεκόρ διατήρησης του πλάσματος ήταν οκτώ δευτερόλεπτα. Το 2010, Κορεάτες επιστήμονες διατήρησαν σταθερό πλάσμα για 20 δευτερόλεπτα και στοχεύουν να κρατήσουν ένα πλάσμα σταθερό για 300 δευτερόλεπτα (πέντε λεπτά) μέχρι το 2025. Η Βόρεια Αμερική, η Δυτική Ευρώπη και η Ρωσία έχουν διερευνήσει πολλές οδούς για τον έλεγχο αυτής της σύνθετης τεχνολογίας, ενώ η Κίνα είναι τώρα η πιο πολλά υποσχόμενη.

Οι Κινέζοι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι διατήρησαν ένα υψηλής θερμοκρασίας πλάσμα για 101,2 δευτερόλεπτα. Ο ITER στο Cadarache της Γαλλίας θα παράγει το πρώτο του πλάσμα μετά από πέντε χρόνια. Οι επτά χώρες μέλη του έργου ήταν η ΕΕ, η Κίνα, οι ΗΠΑ, η Ρωσία, η Ιαπωνία, η Κορέα και η Ινδία. Θα ακολουθήσουν 10 χρόνια δοκιμών με πλάσμα χαμηλής ενέργειας, πριν από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γύρω στο 2035, ενώ οι πρώτοι “πραγματικοί” αντιδραστήρες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας –πάντα σύμφωνα με τις εκτιμήσεις– θα κατασκευαστούν γύρω στο 2060.

Αναζητώντας νέες μορφές ενέργειας, η ΕΕ χρηματοδοτεί το έργο κατά 45%, ανοίγοντας το δρόμο για τη βιομηχανική και εμπορική εκμετάλλευση της σύντηξης, ενώ το αρχικό κόστος των 20 δισ. ευρώ, έχει ήδη τετραπλασιαστεί. Η μαζική και συνεχής ενέργεια της σύντηξης θα μπορούσε να διορθώσει ένα από τα αδύναμα σημεία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που είναι η γεωγραφική τους διασπορά. Ενδεικτικό είναι ότι ο στόχος απανθρακοποίησης του 2050 συμβαδίζει με τα ανωτέρω χρονοδιαγράμματα, αν και μετά τις τελευταίες εξελίξεις υπάρχει οπισθοδρόμηση.

Παραγωγή υδρογόνου

Ο πρόσφατος προσανατολισμός παραγωγής υδρογόνου από ηλεκτρόλυση τυγχάνει γενικής υποστήριξης, διότι το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από διάφορες πρώτες ύλες, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία τεχνολογιών επεξεργασίας με στόχο την ενσωμάτωσή του στις ενεργειακές και βιομηχανικές υποδομές. Αν και το υδρογόνο που προέρχεται από το φυσικό αέριο είναι εμπορικά βιώσιμο (μέχρι πρότινος), θεωρείται τεχνολογία γέφυρας, η οποία θα επιτρέψει ενεργειακά σενάρια, όπου το υδρογόνο θα παράγεται, χρησιμοποιώντας όλους τους διαθέσιμους διαφορετικούς πόρους.

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το φως του ήλιου, τον άνεμο, και τις πυρηνικές πηγές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει ηλεκτρολυτικά το υδρογόνο από το νερό. Ιδιαίτερα το φως του ήλιου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει υδρογόνο από το νερό, χρησιμοποιώντας φωτοηλεκτροχημικές και φωτοβιολογικές διαδικασίες. Αλλά η παραγωγή του από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παραμένει προς το παρόν αντιοικονομική.

Οι έρευνες εστιάζουν όλη αυτή την περίοδο στην παραγωγή υδρογόνου από αεριοποίηση άνθρακα για την λειτουργία εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με μηδενικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Η ενεργειακή και οικονομική αποδοτικότητα από τις διάφορες πηγές (ανανεώσιμες, βιομάζα, ορυκτά καύσιμα και πυρηνική ενέργεια) είναι ακόμα υπό έρευνα.

Η τελευταία μελέτη του 2020 του Τμήματος Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) συμπεραίνει ότι σήμερα το κόστος παραγωγής υδρογόνου που συνδέεται με μεθόδους αεριοποίησης του άνθρακα και δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα (CCUS) δεν ξεπερνά τα δύο δολάρια το κιλό. Το κόστος παραγωγής από βιομάζα κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα. Αντίθετα, το κόστος παραγωγής από πυρηνική ή αιολική ενέργεια κυμαίνεται μεταξύ 5,5-6 το κιλό, ενώ από ηλιακή ηλεκτρόλυση φθάνει μέχρι τα 14,5 το κιλό, που σε ισοδύναμο κόστος ενός βαρελιού πετρελαίου θα αντιστοιχούσε σε 687 δολάρια κόστος το βαρέλι!

Ηλεκτροκίνηση και περιβαλλοντικός αντίκτυπος

Μεγάλο μέρος της παραγωγής πετρελαίου τροφοδοτεί τις μεταφορές και η κύρια ιδέα είναι η αντικατάσταση των πετρελαιοκίνητων οχημάτων από ηλεκτρικά οχήματα. Προς το παρόν, όμως, υπάρχουν πολλά προβλήματα:

Πρώτον, η ενεργειακή απόδοση των ηλεκτρικών μπαταριών οχημάτων είναι αρκετά μικρότερη από την ενεργειακή απόδοση των παραγώγων του πετρελαίου. Αυτό παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα για τα οχήματα που κινούνται με πετρέλαιο ή φυσικό αέριο, που σημαίνει ότι ο μέσος καταναλωτής δεν έχει συμφέρον να ενδιαφέρεται ακόμα για την αγορά ηλεκτρικών οχημάτων.

Δεύτερον, σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων (από την εξόρυξη πόρων για την κατασκευή ενός οχήματος μέχρι το τέλος της ζωής του οχήματος), καταναλώνουν σημαντικές ποσότητες ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και παράγουν σημαντικές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, συμβάλλοντας στο σύνολο των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Αυτό περιλαμβάνει το μέταλλο, το πλαστικό, τις βαφές και όλα τα παράγωγα μετάλλων και υδρογονανθράκων από την στιγμή της εξόρυξης, της βιομηχανικής επεξεργασίας, της μεταφοράς και της τελικής μεταποίησης μέχρι την περιβαλλοντική αποκατάσταση των περιοχών.

Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή ενός ηλεκτρικού οχήματος παράγει περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από ένα αντίστοιχο όχημα που τροφοδοτείται από παράγωγα διύλισης του πετρελαίου. Επίσης, ότι οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από την εξόρυξη πόρων για την κατασκευή του, είναι ένα σημαντικό μέρος των συνολικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από τα οχήματα. Ένας πρόσθετος παράγοντας μόλυνσης συνδέεται με τα ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιούνται επίσης για την απόκτηση λιθίου, το οποίο είναι αναγκαίο για την κατασκευή μπαταριών ιόντων λιθίου, με την περιβαλλοντική αποκατάσταση και με την ανακύκλωσή κατά την απόσυρση των οχημάτων.