Η Οικονομια Του Υδρογονου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μετάβασης σε μιαμελλοντική οικονομία του υδρογόνου, μέσω προσομοίωσης τόσο της παραγωγήςυδρογόνου, όσο και του δικτύου μεταφοράς, διανομής και αποθήκευσής του. Αποτέλεσματης προσομοίωσης είναι η προβολή στο μέλλον του κόστους όλων των τεχνολογιών γιαπαραγωγή, αποθήκευση, μεταφορά και διανομή υδρογόνου, καθώς και η τιμή που θαπληρώνουν οι καταναλωτές που θα το χρησιμοποιούν ως καύσιμο. Επίσης, αναλύονται οιεπιπτώσεις από εναλλακτικές πολιτικές για το περιβάλλον και την ενέργεια.Το παγκόσμιο ενδιαφέρον για το υδρογόνο ως φορέα ενέργειας έχει αυξηθεί ραγδαία τατελευταία χρόνια, ως αποτέλεσμα της μελλοντικής μείωσης των παγκόσμιων αποθεμάτωνσε πετρέλαιο και φυσικό αέριο, της περιβαλλοντικής ρύπανσης που προκαλείται από ταορυκτά καύσιμα, αλλά και των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι ανανεώσιμες πηγέςενέργειας (μη οικονομικές, χαμηλή αξιοπιστία).Στο πλαίσιο της διπλωματικής έγινε εκτεταμένη έρευνα για τη συλλογή τεχνοοικονομικώνστοιχείων για τις τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου, για τις τεχνολογίες δέσμευσης καιαποθήκευσης άνθρακα (CCS), για τις τεχνολογίες μεταφοράς και διανομής υδρογόνου καιγια τις κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούνται στα οχήματα. Επίσης, συγκεντρώθηκανστοιχεία για τις τιμές των διαφόρων τύπων καυσίμων που χρησιμοποιούνται για τηνπαραγωγή υδρογόνου και για τις τιμές πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη. Για τησυλλογή όλων των παραπάνω δεδομένων έγινε συστηματική χρήση του project CASCADEMINTS και του TECHPOL, καθώς και δεδομένων από την IEA.Για την μελέτη της μελλοντικής οικονομίας του υδρογόνου χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμαGAMS, στο οποίο μελετήθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για την παραγωγή υδρογόνου καιγια το δίκτυο των αναγκαίων υποδομών. Για την κατασκευή του μοντέλου χρησιμοποιήθηκεαρκετά η άλγεβρα του μοντέλου ΠΡΟΜΗΘΕΑΣ. Με αυτόν τον τρόπο έγινε προσομοίωσητης αγοράς υδρογόνου για τα έτη 2000 με 2050. Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί ότι τομοντέλο δεν οδηγούσε σε βέλτιστες λύσεις, αλλά έγινε προσπάθεια για την προσομοίωσητων λειτουργιών της πραγματικής αγοράς.Η οργάνωση των δεδομένων γίνεται με τη χρήση του Microsoft Excel και σε τυποποιημένημορφή, ώστε να υπάρχει αλληλοσύνδεση με το μοντέλο που κατασκευάστηκε. Με τη χρήσητου τελευταίου και με τα τεχνοοικονομικά δεδομένα που είχαν συγκεντρωθεί έγινε εφικτή ηπροσομοίωση της οικονομίας του υδρογόνου για τα έτη 2000 με 2050. Επίσης σχεδιάστηκεένα εναλλακτικό σενάριο πολιτικής φορολόγησης ρύπων, η οποία επηρεάζει μόνο τηνπαραγωγή υδρογόνου και όχι το δίκτυο υποδομών του, καθώς η ζήτηση του υδρογόνουκαθορίζεται εξωγενώς για κάθε χρονιά και θεωρείται παράμετρος στο μοντέλο. Για τηνεφαρμογή της παραπάνω πολιτικής στο μοντέλο θεωρούμε μία νέα παράμετρο, το φόρο γιατην εκπομπή ενός τόνου CO2 (στο μοντέλο carbontax - €/tn CO2), η οποία μπορεί ναμεταβάλλεται εξωγενώς για την εκάστοτε χώρα και την εκάστοτε χρονική στιγμή. Στοσενάριο γίνεται η υπόθεση ότι ο φόρος είναι κοινός για όλες τις χώρες της Ευρώπης από το2010 και θεωρήσαμε ότι ο φόρος άνθρακα μεταβάλλεται στη διάρκεια της περιόδου πουεξετάζουμε και έχει τις τιμές που αναφέρονται στο CASCADE MINTS.Επίσης έγινε ανάλυση της μελλοντικής αγοράς αυτοκινήτων στην Ευρώπη, η οποία θα είναιαρκετά διαφοροποιημένη από ότι η σημερινή. Πολλοί τύποι αυτοκινήτων θα ανταγωνίζονταιμεταξύ τους, αφού διάφορες εναλλακτικές και φιλικές ως προς το περιβάλλον τεχνολογίεςθα γίνουν οικονομικά ανταγωνιστικές με τη συμβατική βενζινοκίνηση κερδίζοντας μερίδιοστην αγορά. Εμείς μελετήσαμε περισσότερο διεξοδικά τις τεχνολογίες εκείνες πουχρησιμοποιούν το υδρογόνο ως καύσιμο.viΤα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση είναι τα εξής: α) Ηανάπτυξη της οικονομίας του υδρογόνου στο μέλλον προϋποθέτει την υψηλή ζήτηση τουυδρογόνου ως καύσιμο και την κατασκευή δικτύου αποθήκευσης, μεταφοράς και διανομής.Επίσης, απαιτούνται πρόσθετες πολιτικές και μέτρα για την προώθηση της χρήσηςυδρογόνου, παρέχοντας επιπλέον κίνητρα για τη μετάβαση. β) Όσον αφορά την παραγωγήτου υδρογόνου, υπάρχει ένα ζήτημα με την προέλευση της ενέργειας που δαπανάται γι’αυτή. Η επιβολή φόρου άνθρακα και η αύξηση των τιμών των ορυκτών καυσίμων και τουφυσικού αερίου, είναι οι δύο σημαντικότεροι παράγοντες που θα καθορίσουν την παραγωγήυδρογόνου. Έτσι, στο μέλλον θα υπάρξει μια έντονη διείσδυση των «καθαρών» τεχνολογιώνπαραγωγής υδρογόνου, αυτών δηλαδή που δεν εκπέμπουν αέρια του θερμοκηπίου, (μεχρήση βιομάζας, με ηλεκτρόλυση, με θερμόλυση) και των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνμεθόδους δέσμευσης και συγκράτησης του CO2 έναντι των ήδη ώριμων τεχνολογιών πουχρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα. γ) Η κυρίαρχη τεχνολογία για τη μεταφορά υδρογόνου θαείναι οι αγωγοί (σωληνώσεις), οι οποίοι θα έχουν και το μεγαλύτερο ποσοστό (43%) στιςμελλοντικές επενδύσεις για το δίκτυο υποδομής. δ) Η τελική τιμή που θα πληρώνει οκαταναλωτής για το υδρογόνο είναι υψηλότερη όταν έχει επιβληθεί φόρος άνθρακα. Αξίζει,όμως, να σημειωθεί ότι μετά το 2040 αρχίζει μια μείωση των τιμών του υδρογόνου με φόροάνθρακα, καθώς λαμβάνουν σημαντικό μερίδιο στην παραγωγή τεχνολογίες φιλικές προς τοπεριβάλλον, οι οποίες μειώνουν το συνολικό κόστος παραγωγής, αφού έχουν μηδενικέςεκπομπές CO2 . ε) Παρ’ ότι τα fuel cell οχήματα θα γίνουν οικονομικά ανταγωνιστικά μέχριτο 2050 και θα διεισδύσουν έντονα στην αγορά, τα συμβατικά βενζινοκίνητα οχήματα θακυριαρχήσουν σε ποσοστό 64,1%. Αυτό οφείλεται στο ήδη υπάρχον δίκτυο εφοδιασμού μεβενζίνη, στο υψηλό κόστος κεφαλαίου των νέων υποδομών εφοδιασμού, καθώς και στομεγάλο αποθεματικό όγκο οχημάτων.Στην παρούσα εργασία γίνεται μια προσπάθεια ανάλυσης της νέας κατάστασης πουδιαμορφώνεται. Συγκεκριμένα, στο 1ο κεφάλαιο, «ΕΙΣΑΓΩΓΗ», γίνεται μια σύντομηαναφορά στις ιδιότητες του υδρογόνου, στους λόγους που το κάνουν ελκυστικό ως φορέαενέργειας και στο σκοπό της έρευνας.Στο 2ο κεφάλαιο, «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ» γίνεται αρχικά αναφορά σε όλες τιςτεχνολογίες για την παραγωγή υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα. Παρουσιάζεται η διαδικασίαπαραγωγής καθώς και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της κάθε τεχνολογίας, που έχουνσυλλεχθεί. Στη συνέχεια γίνεται αναλυτική παρουσίαση της τεχνολογίας δέσμευσης καιαποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα (CCS) και της εφαρμογής που αυτή θα έχει στηνπαραγωγή υδρογόνου. Παρατίθενται αναλυτικοί πίνακες με τα οικονομικά χαρακτηριστικάτης κάθε τεχνολογίας και επιχειρείται μια σύγκριση μεταξύ τους.Στο κεφάλαιο 3, «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑ GAMS» γίνεται αναφορά στο μοντέλο που κατασκευάστηκε, με παράθεσηκαι ανάλυση των αλγεβρικών εξισώσεων που χρησιμοποιήσαμε και των παραδοχών πουκάναμε. Τέλος, γίνεται εκτενής ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τηνεκτέλεση της προσομοίωσης. Αρχικά, υπολογίζεται το τελικό κόστος παραγωγής για κάθετεχνολογία σε όλη την υπό μελέτη περίοδο, δηλαδή 2000 με 2050. Με βάση τα κόστη καιτους παράγοντες ωρίμανσης των τεχνολογιών, υπολογίζεται μέσω της συνάρτησης Weibull,το μερίδιο κάθε τεχνολογίας στην τελική παραγωγή υδρογόνου για κάθε χρονιά καιεξάγονται τα ανάλογα συμπεράσματα για τις διαχρονικές μεταβολές στην αγορά υδρογόνου.Τέλος, υπολογίζεται το μέσο κόστος για την παραγωγή υδρογόνου κάθε χρονιά.Στο κεφάλαιο 4, «ΦΟΡΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ CO2», εξετάζονται οι επιπτώσειςπου έχει η εφαρμογή πολιτικής φορολόγησης των εκπομπών CO2 στην εξέλιξη του τομέατης παραγωγής υδρογόνου στις χώρες της Ευρώπης. Στο μοντέλο μας υποθέτουμε κοινόφόρο άνθρακα για όλες τις χώρες της Ευρώπης. Ξαναγίνεται η προσομοίωση της παραγωγήςμε το μοντέλο που κατασκευάσαμε, με την εισαγωγή ενός επιπλέον παράγοντα κόστους(κόστος ρύπων). Γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων, με ιδιαίτερη έμφαση στις αλλαγέςστην αγορά υδρογόνου εξαιτίας του φόρου άνθρακα. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα τηςπροσομοίωσης με και χωρίς φόρο άνθρακα, εντοπίζουμε τις σημαντικές αλλαγές στα κόστητων τεχνολογιών και στα μερίδια τους στην αγορά και γενικά στην αγορά υδρογόνου, πουείναι πλέον τελείως διαφοροποιημένη.viiΣτο κεφάλαιο 5, «Η ΥΠΟΔΟΜΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ», γίνεται παρουσίασητων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για αποθήκευση του υδρογόνου, υγροποίηση,καθώς και των τρόπων μεταφοράς (σωλήνες, οδική μεταφορά, μεταφορά με πλοίο) καιδιανομής (πρατήρια καυσίμου).Στο κεφάλαιο 6, «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑGAMS», αναλύεται το σενάριο αναφοράς που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή τουμοντέλου, για τις υποδομές που είναι απαραίτητες για τη μετάβαση στην οικονομία τουυδρογόνου. Θεωρήθηκε μια τυπική περιοχή της Ευρωπαϊκής Ένωσης και υπολογίστηκαν τατεχνικά χαρακτηριστικά των τεχνολογιών αποθήκευσης, μεταφοράς και διανομής πουχρησιμοποιούνται στην περιοχή αυτή. Όλα τα τεχνοοικονομικά χαρακτηριστικάπαρατίθενται σε πίνακες και γίνεται ανάλυση των χρησιμοποιούμενων παραμέτρων. Στησυνέχεια, παρατίθενται οι αλγεβρικές εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευήτου μοντέλου. Τέλος, γίνεται εκτενής ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τηνεκτέλεση της προσομοίωσης. Μέσω της προσομοίωσης, υπολογίσθηκαν τα κόστη όλων τωντεχνολογιών που σχετίζονται με την αποθήκευση, τη μεταφορά και τη διανομή υδρογόνουκαι τα συνολικά κόστη για τη μεταφορά που πληρώνει ο κάθε τομέας καταναλωτών(οικιακός τομέας, βιομηχανία, μεταφορές), καθώς και οι συνολικές επενδύσεις για υποδομέςυδρογόνου που προβλέπεται ότι θα γίνουν στην Ευρωπαϊκή Ένωση μέχρι το 2050. Τέλος,υπολογίστηκαν οι τελικές τιμές για κάθε τομέα καταναλωτών, συμπεριλαμβανομένου τουκόστους παραγωγής και του κόστους μεταφοράς του υδρογόνου.Στο κεφάλαιο 7, «ΜΕΛΕΤΗ ΟΧΗΜΑΤΩΝ», παρουσιάζονται οι κυψέλες καυσίμου (fuelcells) και γίνεται αναφορά στους διάφορους τύπους τους και στον τρόπο λειτουργίας τους.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο σημαντικότερος τομέας εφαρμογής των fuel cells που είναιτα fuel cell οχήματα και περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας τους, διάφορα τεχνικά στοιχείατους και τα σημαντικότερα πλεονεκτήματά τους. Μετά την περιγραφή των fuel cellοχημάτων, παρουσιάζονται και άλλοι σύγχρονοι τύποι οχημάτων ( ηλεκτρικά οχήματα,υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, plug-in υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, συμβατικά οχήματα μεμηχανές εσωτερικής καύσης και οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης που έχουν ωςκαύσιμο το υδρογόνο) και περιγράφονται τα χαρακτηριστικά της μελλοντικής αγοράςοχημάτων. Στο τέλος, παρουσιάζεται η ανάλυση κόστους των τύπων οχημάτων πουμελετήθηκαν και σχολιάζεται η αλλαγή της αγοράς οχημάτων στη διάρκεια του χρόνου καιτην διείσδυση των οχημάτων υδρογόνου σε αυτή.Τέλος, το κεφάλαιο 8, «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ», αναφέρεται στα συμπεράσματα πουεξήχθησαν και τις προβλέψεις/προτάσεις που έγιναν σχετικά με την παραγωγή τουυδρογόνου (πώς θα διαμορφωθούν τα μερίδια των διαφόρων τεχνολογιών στην αγοράπαραγωγής του υδρογόνου στη διάρκεια των ετών), με την κατανομή των επενδύσεων γιατην οργάνωση του δικτύου υποδομής, την τιμή του υδρογόνου για τους διάφορους τύπουςκαταναλωτών (οικιακός, βιομηχανικός, μεταφορές) και τη διαμόρφωση της μελλοντικήςαγοράς οχημάτων.