Ο µηδενισµός των καθαρών εκποµπών άνθρακα στη βιοµηχανία αποτελεί έναν από τους πλέον σύνθετους στόχους της καθαρής ενεργειακής µετάβασης. Σε αντίθεση µε το κτιριακό, το πρωτογενή ή τον τριτογενή τοµέα, η βιοµηχανία χαρακτηρίζεται από υψηλή και συνήθως συνεχή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και σηµαντική κατανάλωση θερµότητας σε διαφορετικές θερµοκρασίες. Υπολογίζεται ότι διεθνώς ο βιοµηχανικός τοµέας είναι υπεύθυνος για το 35% περίπου της παγκόσµιας κατανάλωσης ενέργειας και για το 30% περίπου των παγκόσµιων εκποµπών άνθρακα. Σε γενικές γραµµές η αποανθρακοποίηση της βιοµηχανίας είναι πιο πολύπλοκη και δύσκολη από την αποανθρακοποίηση των κτιρίων. Η µετάβαση από ένα ενεργειακό σύστηµα βασισµένο στα ορυκτά καύσιµα σε ένα σύστηµα χαµηλών ή µηδενικών εκποµπών άνθρακα απαιτεί συνδυασµό πράσινων ενεργειακών τεχνολογιών, στρατηγικό σχεδιασµό και σηµαντικές επενδύσεις. Στο πλαίσιο αυτό, οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, η αποθήκευση ηλεκτρικής και θερµικής ενέργειας, οι τεχνολογίες υψηλής ενεργειακής απόδοσης και το πράσινο υδρογόνο διαδραµατίζουν κρίσιµο ρόλο.
Α) Φωτοβολταϊκά συστήµατα και ανεµογεννήτριες: Ο ρόλος και οι περιορισµοί της χρήσης τους στη βιοµηχανία
Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήµατα και οι ανεµογεννήτριες (Α/Γ) αποτελούν απαραίτητες τεχνολογίες για παραγωγή πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ραγδαία µείωση του κόστους τους την τελευταία δεκαετία τις έχει καταστήσει οικονοµικά ανταγωνιστικές έναντι των συµβατικών ενεργειακών τεχνολογιών, ακόµη και χωρίς επιδοτήσεις. Για τη βιοµηχανία, η αξία τους δεν περιορίζεται µόνο στη µείωση των εκποµπών άνθρακα, αλλά επεκτείνεται στη διαχείριση του ενεργειακού κόστους και στη µείωση της έκθεσης σε ευµετάβλητες τιµές της ενέργειας και των καυσίµων. Ωστόσο, η χρήση τους στη βιοµηχανία δεν αποτελεί πανάκεια. Η εγκατάσταση Φ/Β συστηµάτων σε βιοµηχανίες συχνά περιορίζεται από τη διαθέσιµη ελεύθερη επιφάνεια για την εγκατάσταση τους, ενώ η εγκατάσταση Α/Γ εξαρτάται από τη µέση ταχύτητα ανέµου στο χώρο των εγκαταστάσεων και από αδειοδοτικούς παράγοντες. Για τον λόγο αυτό, τα Φ/Β συστήµατα και οι Α/Γ λειτουργούν κυρίως σαν µέρος ενός ευρύτερου πράσινου ενεργειακού µείγµατος. Εναλλακτικά τα µακροχρόνια συµβόλαια αγοράς πράσινης ενέργειας (Power Purchasing Agreements – PPAs) από τρίτους παραγωγούς – αντί της εγκατάστασης Φ/β συστηµάτων και Α/Γ στο χώρο των βιοµηχανιών – επιτρέπουν στις βιοµηχανίες να εξασφαλίσουν πράσινη ηλεκτρική ενέργεια σε σταθερές τιµές. Η πραγµατική αξία της χρήσης Φ/Β τεχνολογίας και των Α/Γ στις βιοµηχανίες µεγιστοποιείται όταν αυτές συνδυάζονται µε αποθήκευση ενέργειας σε ηλεκτρικές µπαταρίες.
Β) Βιοµάζα και βιοαέριο: σταθερότητα έναντι βιωσιµότητας
Σε αντίθεση µε τη Φ/β τεχνολογία και τις Α/Γ, η βιοµάζα και το βιοαέριο προσφέρουν σταθερή και ελεγχόµενη παραγωγή θερµικής αλλά και ηλεκτρικής ενέργειας, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικές για βιοµηχανικές εφαρµογές που χαρακτηρίζονται από σταθερή κατανάλωση ενέργειας. Η δυνατότητα παραγωγής θερµότητας υψηλών θερµοκρασιών και η συµβατότητα µε υφιστάµενες τεχνολογίες καύσης επιτρέπουν την ευκολότερη ενσωµάτωσή τους σε υφιστάµενες βιοµηχανικές εγκαταστάσεις. Ιδιαίτερα σηµαντική είναι η συµβολή τους στη παραγωγή θερµότητας, έναν τοµέα όπου η υποκατάσταση θερµικών µηχανηµάτων και συσκευών µε ηλεκτρικά παραµένει τεχνικά ή οικονοµικά δύσκολη. Επιπλέον, η χρήση βιοαερίου παραγόµενου από οργανικά απόβλητα στη βιοµηχανία ενισχύει την κυκλική οικονοµία, µετατρέποντας ένα απόβλητο σε ενεργειακό πόρο. Παρά τα πλεονεκτήµατα της, η βιοενέργεια εγείρει σοβαρά ζητήµατα βιωσιµότητας. Η διαθεσιµότητα πρώτων υλών είναι περιορισµένη και συχνά ανταγωνίζεται άλλες χρήσεις, όπως η παραγωγή τροφίµων και η προστασία των δασικών οικοσυστηµάτων. Επιπλέον, οι εκποµπές σωµατιδίων και οξειδίων του αζώτου από την καύση βιοµάζας απαιτούν προηγµένα συστήµατα ελέγχου ρύπων. Συνεπώς, η βιοµάζα και το βιοαέριο δεν µπορούν να αποτελέσουν καθολική λύση στη βιοµηχανία. Όµως αποτελούν ανανεώσιµα καύσιµα χαµηλών εκποµπών άνθρακα κατάλληλα για συγκεκριµένους κλάδους και περιοχές, όπου υπάρχουν επαρκείς ποσότητες βιοµάζας και κατάλληλα συστήµατα συλλογής και µεταφοράς της.
Γ) Παραγωγή θερµότητας από την ηλιακή ενέργεια στη βιοµηχανία: Περιορισµένες εφαρµογές
Η ηλιοθερµική ενέργεια παραµένει λιγότερο διαδεδοµένη στη βιοµηχανία σε σύγκριση µε την εγκατάσταση τους σε κτίρια, παρά το γεγονός ότι σηµαντικό ποσοστό των βιοµηχανικών διεργασιών απαιτεί θερµότητα κάτω των 150°C η οποία µπορεί να παραχθεί σχετικά εύκολα και οικονοµικά µε ηλιοθερµικά συστήµατα αντί µε πετρέλαιο ή φυσικό αέριο. Τα ηλιοθερµικά συστήµατα µπορούν να καλύψουν σηµαντικό µέρος αυτών των αναγκών σε θερµότητα χαµηλών θερµοκρασιών σε διάφορους βιοµηχανικούς κλάδους µε υψηλή απόδοση και χαµηλό λειτουργικό κόστος. Η βασική πρόκληση για τη προώθηση των ηλιοθερµικών συστηµάτων σε βιοµηχανικές εφαρµογές έγκειται στην ενσωµάτωση τους σε υφιστάµενες βιοµηχανικές θερµικές διεργασίες, οι οποίες συχνά έχουν σχεδιαστεί µε βάση την καύση ορυκτών καυσίµων. Επιπλέον, η εποχικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας δηµιουργεί ανάγκη για θερµική αποθήκευση ή συνδυασµό των ηλιοθερµικών συστηµάτων µε άλλα ενεργειακά συστήµατα.
∆) Η χρήση των αντλιών θερµότητας για παραγωγή θερµικής ενέργειας: Πολύ υψηλοί βαθµοί απόδοσης
Στο πλαίσιο της βιοµηχανικής απανθρακοποίησης, οι αντλίες θερµότητας αναδεικνύονται ως σηµαντική τεχνολογία για τη µείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιµα και τη µετάβαση σε καθαρότερες µορφές ενέργειας. Οι αντλίες θερµότητας είναι συσκευές που δεν παράγουν αλλά µεταφέρουν θερµότητα από πηγές σχετικά χαµηλής θερµοκρασίας, όπως η θερµοκρασία του περιβάλλοντος, σε υψηλότερες θερµοκρασίες κατάλληλες για βιοµηχανική χρήση. Σε αντίθεση µε τους συµβατικούς λέβητες που καίνε ορυκτά καύσιµα για την παραγωγή θερµότητας, οι αντλίες θερµότητας χρησιµοποιούν ηλεκτρική ενέργεια (του δικτύου ή παραγόµενη από ανανεώσιµες πηγές) µε ιδιαίτερα υψηλό βαθµό απόδοσης (της τάξης 300%-600%) για τη µεταφορά θερµότητας. Αυτό σηµαίνει ότι για κάθε µονάδα ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται, µπορούν να παραχθούν πολλαπλάσιες µονάδες θερµικής ενέργειας, µειώνοντας σηµαντικά τη συνολική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας. Στον βιοµηχανικό τοµέα, οι αντλίες θερµότητας µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε διεργασίες που απαιτούν θερµότητα χαµηλών και µεσαίων θερµοκρασιών (µέχρι 150-200oC). Η συµβολή των αντλιών θερµότητας στη βιοµηχανική απανθρακοποίηση ενισχύεται περαιτέρω όταν η απαιτούµενη ηλεκτρική ενέργεια δεν προέρχεται από το δίκτυο αλλά από ανανεώσιµες πηγές όπως π.χ. από Φ/Β συστήµατα. Παρότι οι αντλίες θερµότητας έχουν κάποια µειονεκτήµατα όπως το υψηλό αρχικό κόστος της επένδυσης και η σηµερινή τεχνολογία δεν επιτρέπει τη χρήση τους σε υψηλές θερµοκρασίες (άνω των 200oC), δεν παύουν να αποτελούν µία σηµαντική τεχνολογία για τη µείωση των ανθρακούχων εκποµπών που σχετίζονται µε τη χρήση θερµότητας στη βιοµηχανία.
Ε) Τα συστήµατα συµπαραγωγής θερµότητας και ηλεκτρισµού: Τεχνολογία που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε πληθώρα βιοµηχανιών
Στο πλαίσιο απανθρακοποίησης της βιοµηχανίας τα συστήµατα Συµπαραγωγής Ηλεκτρισµού και Θερµότητας (ΣΗΘ) διαδραµατίζουν καίριο ρόλο, προσφέροντας υψηλή ενεργειακή απόδοση και µείωση των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου. Τα συστήµατα ΣΗΘ βασίζονται στην ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής και θερµικής ενέργειας από µία ενιαία πηγή καυσίµου. Σε αντίθεση µε τη συµβατική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπου σηµαντικό µέρος της παραγόµενης θερµότητας απορρίπτεται στο περιβάλλον, η ΣΗΘ αξιοποιεί τη παραγόµενη θερµότητα για βιοµηχανικές διεργασίες, θέρµανση χώρων ή παραγωγή ατµού. Έτσι, η συνολική απόδοση ενός συστήµατος ΣΗΘ µπορεί να ξεπεράσει το 80%, µειώνοντας σηµαντικά την κατανάλωση καυσίµων. Η συµβολή των ΣΗΘ στην απανθρακοποίηση της βιοµηχανίας είναι πολυδιάστατη. Αρχικά, η αυξηµένη ενεργειακή απόδοση οδηγεί σε άµεση µείωση των εκποµπών CO₂. Επιπλέον, τα συστήµατα αυτά µπορούν να λειτουργήσουν µε καύσιµα χαµηλότερου ανθρακικού αποτυπώµατος – σε σχέση µε το φυσικό αέριο – όπως το βιοαέριο ή µελλοντικά το πράσινο υδρογόνο, µειώνοντας περαιτέρω ή εξαλείφοντας το ανθρακούχο αποτύπωµα τους. Συνεπώς, τα συστήµατα ΣΗΘ αποτελούν µια ώριµη και αποδοτική τεχνολογία που µπορεί να προάγει την αποανθρακοποίηση των βιοµηχανιών συµβάλλοντας στην επίτευξη των κλιµατικών στόχων.
ΣΤ) Αποθήκευση ενέργειας και υδρογόνο: ο κρίσιµος συνδετικός κρίκος
Η αποθήκευση ενέργειας αποτελεί βασικό µηχανισµό εξισορρόπησης µεταξύ µεταβλητής παραγωγής και σταθερής ζήτησης θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Στη βιοµηχανία, οι ηλεκτρικές µπαταρίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη βραχυχρόνια εξοµάλυνση φορτίου και µείωση των αιχµών, ενώ η θερµική αποθήκευση είναι συχνά πιο αποδοτική για διεργασίες θερµότητας. Το υδρογόνο, ωστόσο, εισάγει µια ποιοτικά διαφορετική διάσταση. Λειτουργεί όχι µόνο ως µέσο αποθήκευσης ενέργειας, αλλά και ως ενεργειακός φορέας και καύσιµη ύλη. Το πράσινο υδρογόνο – δηλαδή το υδρογόνο που παράγεται µε ηλεκτρόλυση νερού και χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας – µπορεί να υποκαταστήσει τον άνθρακα και το φυσικό αέριο σε διεργασίες υψηλών θερµοκρασιών, όπως στην παραγωγή χάλυβα, χηµικών και διυλιστηρίων µειώνοντας δραστικά τις ανθρακούχες εκποµπές. Παρά τις µεγάλες προσδοκίες που έχουν καλλιεργηθεί, το πράσινο υδρογόνο παραµένει σήµερα ακριβό και απαιτεί εκτεταµένες υποδοµές παραγωγής, αποθήκευσης και µεταφοράς του. Το υψηλό κόστος παραγωγής και τα προβλήµατα κατά την παραγωγή, αποθήκευση και µεταφορά του περιορίζουν την αποδοτικότητά του, καθιστώντας αναγκαία τη χρήση του µόνο όπου δεν υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις.
Συµπεράσµατα
Η ενεργειακή µετάβαση της βιοµηχανίας δεν µπορεί να επιτευχθεί µε µία µόνο ενεργειακή τεχνολογία χαµηλών ή µηδενικών εκποµπών άνθρακα αλλά µε µίγµα πράσινων τεχνολογιών. Τα Φ/Β συστήµατα και οι Α/Γ προσφέρουν φθηνή και καθαρή ηλεκτρική ενέργεια, αλλά απαιτούν αποθήκευση και ευελιξία. Η βιοµάζα και το βιοαέριο προσφέρουν σταθερότητα, αλλά µε περιορισµούς βιωσιµότητας και µε τη προϋπόθεση ότι υπάρχει επαρκής πρώτη ύλη. Τα ηλιοθερµικά συστήµατα µπορούν να καλύψουν µεγάλο µέρος της θερµότητας χαµηλών θερµοκρασιών στη βιοµηχανία, εφόσον η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ικανοποιητική, αλλά οι εφαρµογές τους µέχρι σήµερα είναι περιορισµένες. Οι αντλίες θερµότητας χαρακτηρίζονται από πολύ µεγάλους βαθµούς απόδοσης και είναι κατάλληλες για τη κάλυψη θερµικών αναγκών χαµηλών και µέσων θερµοκρασιών έχοντας χαµηλό ή µηδενικό ανθρακούχο αποτύπωµα. Τα συστήµατα συµπαραγωγής θερµότητας και ηλεκτρισµού έχουν υψηλό βαθµό απόδοσης και µπορούν να καλύψουν τις ανάγκες σε ηλεκτρική και θερµική ενέργεια των βιοµηχανιών έχοντας χαµηλό ή και µηδενικό κλιµατικό αποτύπωµα. Τέλος, η αποθήκευση θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας και το πράσινο υδρογόνο λειτουργούν ως καταλύτες που επιτρέπουν τη βαθύτερη διείσδυση των ανανεώσιµων πηγών. Η χρήση των προαναφερθέντων ήπιων ενεργειακών τεχνολογιών σε συνδυασµό µε τη δυνατότητα αντιστάθµισης όσων εκποµπών άνθρακα δεν µπορούν να εξαλειφθούν µπορεί να µειώσει δραστικά ή και να εξαλείψει πλήρως τις ανθρακούχες εκποµπές διαφόρων βιοµηχανιών. Συνεπώς µόνο µέσω µιας ολοκληρωµένης και ρεαλιστικής προσέγγισης µπορεί η βιοµηχανία να επιτύχει τη µετάβαση σε ένα βιώσιµο ενεργειακό µέλλον επιτυγχάνοντας το στόχο για µηδενικές καθαρές εκποµπές άνθρακα µέχρι τα µέσα του 21ου αιώνα.
Περισσότερα στοιχεία για το θέµα αυτό είναι διαθέσιµα στο άρθρο του γράφοντος µε τίτλο “The contribution of renewable energy technologies in industrial decarbonization” το οποίο θα δηµοσιευθεί το επόµενο διάστηµα στο διεθνές αγγλόφωνο επιστηµονικό περιοδικό “Engineering and Technology Journal’.
*Ο Γιάννης Βουρδουµπάς είναι xηµικός µηχανικός, ΕΜΠ, M.Sc., Ph.D. (vourdoubas.com)
