Има ли място водородното гориво в борбата с климатичните промени?
Учени, енергийни експерти и предприемачи приемат, че водородното гориво ще играе важна роля за постигането на икономика с нулев въглероден отпечатък
Източник: Климатека.
Д-р Надежда Ангелова е гл. асистент в катедра Неорганична химия на ФХФ на СУ “Св. Климент Охридски”. Научната ѝ работа е съсредоточена върху синтезиране и охарактеризиране на различни наночастици, които служат като сорбенти и могат да се използват в медицинската практика или в системи за пречистване на води от органични и неорганични замърсители. Надежда има опит и като учител по природни науки и в преподавателската си практика включва много предизвикателства към учениците, свързани с намаляване на опаковките в ежедневието им, изложби по темата за климатичните промени, отпадъци, потребителска осъзнатост и устойчив начин на живот.
Климатичните промени в последните години се дължат основно на антропогенна дейност, свързана с отделяне на парникови газове. Най-голям дял има енергетиката, която използва изкопаеми горива. Освен че задълбочават климатичните промени, тези горива са и изчерпаем енергиен източник, което прави много примамлива възможността за възобновяемо гориво, отделящо нула вредни емисии. Водородът има потенциал да бъде такова гориво и от десетилетия тази тема вълнува учени и предприемачи. Но пред тази утопична мечта все още има редица предизвикателства за преодоляване, които са обект на дискусии и печелят привърженици и противници на водорода като гориво на бъдещето.
Научна предистория на химичния елемент водород
Водородът е първият химичен елемент от Периодичната система и е най-разпространеното химично вещество във Вселената. Звездите захранват своето горене именно с водород и той е съставна част от почти всяка органична молекула. Открит е през 18 в. от Хенри Кавендиш и е кръстен от Антоан Лавоазие заради способността му да „ражда вода“ при взаимодействието си с кислород. Поради голямата си реактивоспособност той не съществува на Земята като просто вещество, а в състава на различни химични съединения. Затова първата стъпка в опитите да бъде използван за гориво е получаването му. Най-често използваните методи са парна компресия (реформинг) на въглеводороди и електролиза.
Реформингът на въглеводороди е високотемпературен процес, при който водни пари реагират с въглеводороди до получаването на водород. Много въглеводородни горива, като природен газ, дизел, възобновяеми течни горива, газифицирани въглища или газифицирана биомаса са подходящи за получаването на водород. Днес около 95% от целия водород се произвежда при парна компресия на метан (CH4), който е основен компонент на природния газ.
CH4 + H2O (пáра) → H2 + CO
За протичането на реакцията водните пáри трябва да са с температура между 700°C и 1000°C. При по-нататъшна обработка въглеродният оксид се превръща във въглероден диоксид. Недостатъците на този процес са високата температура, която трябва да бъде поддържана за получаването на водорода и отделянето на парникови газове, и фактът, че за изходна суровина се използват отново въглеводородни горива.
Електролизата е процес на получаване на водород и кислород от вода под действие на електричен ток и е една от обещаващите опции за производство на водород без въглероден отпечатък. За тази цел електричеството, което се използва трябва да бъде от възобновяеми източници. За съжаление към момента производството на водород чрез електролиза е в пъти по-скъпо от парната компресия и затова слабо застъпено в промишлеността.
Водородните горивни клетки – предимства и предизвикателства
Обратният процес на електролизата е в основата на водородните горивни клетки, върху които има големи очаквания. Работят на принципа на батерия, на чийто електроди се подава водород и кислород, смесен с въздух. Между двете е поставена полимерна мембрана, пропускаща протони и продуктът на реакцията е вода.
Предимство на водородните горивни клетки е тяхната енергоефективност –
докато една конвенционална електроцентрала, захранвана от въглища, генерира електричество с ефективност от 33 до 35%, при системите с водородни горивни клетки тази ефективност е минимум 60%. Това е и съществено преимущество спрямо бензиновия двигател на стандартен автомобил, който е с по-малко от 20% ефективност при преобразуване на химическата енергия на бензина в мощност, която движи превозното средство при нормални условия на шофиране. По отношение на отделеното количество парникови газове производството на водород от природен газ е двойно по-щадящо атмосферата в сравнение със сегашните бензинови двигатели. Освен това горивните клетки работят тихо, имат по-малко движещи се части, които да се амортизират, а и отпадъчният продукт е чиста вода.
За да бъде използвано в автомобилната индустрия, водородното гориво трябва да преодолее едно съществено предизвикателство — съхранението на водородното гориво. Водородът може да бъде съхраняван по 4 възможни начина:
- сгъстен под високо налягане;
- течен водород, под формата на метални хидриди;
- на повърхността на порести материали;
- въглеродни нанотръби.
Съхранението на водород като газ обикновено изисква резервоари с високо налягане (350 — 700 бара), при които не е изключена възможността за протичане. Водородът е силно експлозивен дори и при ниски концентрации във въздуха и това е сериозно съображение за сигурност. Съхранението на водорода като течност изисква много ниски температури, тъй като температурата на кипене на водорода при атмосферно налягане е -252,8°C. Поддържането на тази температура в автомобилен резервоар е енергийно неефективно. Значително по-лесно и безопасно е съхранението на водород под формата на метални хидриди (съединения на метал с водород), но тук пречка се явява масата на количеството хидрид, необходимо за преминаването на дадено разстояние. Теглото на някои сплави може да достигне до 1250 кг за съхранение на 15 кг водород, като по този начин значително се намалява енергийната ефективност на автомобила.
Тези недостатъци за стандартния автомобил не са толкова големи пречки пред големи транспортни средства. В продължение на десетилетия НАСА разчита на водородния газ като ракетно гориво, за да доставя екипаж и товари в космоса. С космическите кораби на Centaur, Apollo и космическите совалки НАСА е събрала богат опит в безопасното и ефективно боравене с водород. Например ракетните двигатели на всеки полет на совалка изгарят около 500 000 галона течен водород и още 239 000 галона, използвани за операциите по изпаряване, прехвърляне и съхранение на горивото.
Съхранението на водородното гориво не представлява проблем и за тежката промишленост, която е един от големите замърсители на атмосферата. Производството на бетон и цимент е отговорно за 15% от отделяните парникови газове в световен мащаб. Електрическата енергия не е достатъчно мощна, за да замести въглищата, като алтернативен енергиен източник без въглероден отпечатък. Водородното гориво от своя страна притежава необходимите качества за покриване на тези енергийни нужди, но добивът на водород изисква голямо количество енергия, получена от изкопаеми горива или ядрени електроцентрали. Това го прави много скъпо гориво, докато изкопаемите горива са много по-евтини и достъпни на този етап. Изградена е добре развита инфраструктура за добив, преработка и транспорт, създадена в продължение на десетилетия. Зад нея стоят големи компании, инвестирали милиарди, които защитават интересите си и отхвърлят опитите за алтернативни източници на енергия.
Място на водорода в световната икономика към днешна дата
Фигура 1. Обявени в света проекти за производство на водородна енергия. Източник: Hydrogen Insights 07.2021.
Поради нарастващите проблеми с климатичните промени и след публикуването на доклада Hydrogen Insights през февруари 2021 г., повече държави са се ангажирали с целите за декарбонизация. В световен мащаб са обявени проекти за чист водород, възлизащи на капацитет общо над 10 милиона тона до 2030 г. или около 1/3 от общия ръст на търсенето на чист водород, очакван в следващото десетилетие. Китай се очертава като потенциален водороден гигант – обявена е насока към нула въглеродни емисии до 2060 г. и се планира да постигне „въглероден пик“ в различни сектори, включително авиация и стомана преди 2030 г. За цял свят са предложени и одобрени над 350 широкомащабни водородни проекта, а световната инвестиция е за над 500 млрд. долара. Тези инвестиции, заедно с усилията на учени, енергийни експерти и предприемачи определено поставят водорода в централна позиция за постигането на икономика с нулев въглероден отпечатък.
Мястото на България във водородната енергетика
Фигура 2. Система за добив на водород, община Белене. Снимка източник: https://bit.ly/3fgP3qV
По отношение на развитието на водородните технологии в България, силна градивна подкрепа идва от българската научна общност, която е най-информираната обществена група, предвид че е част от Европейското изследователско пространство (ERA) и работи интензивно по европейски проекти. Редица организации, изследователски центрове и министерства си партнират близо 20 г. по въвеждането на “Зелената енергия” в Република България чрез ускорено внедряване на върховите за световната наука водородни технологии. Създадена е националната програма „Водородни технологии – водородна икономика”, като към момента в България има няколко центъра за локално производство на водород за промишлени приложения. Сред тях доминира производство на водород чрез водна електролиза с изключение рафинерията в Бургас (собственост на фирмата Лукойл), където се прилага реформинг. Пример за реализация на общинско ниво е община Белене. От април 2021 г. официално влезе в експлоатация нова система за добив на водород с цел използването му в отоплителните системи на публичните сгради. Собственик на разработката и изпълнител на проекта е българската фирма “Грийн Иновейшън“.
Бедна на въглеродни горива, България се превръща в регион с отлични възможности за развитие на възобновяеми енергийни източници (ВЕИ), което може да се превърне в позитив за нейната икономика.
________________________________________________________________________________________________________
В публикацията са използвани материали от:
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/06/f52/fcto_state_of_states_2017_0.pdf
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/10/f37/fcto_2016_market_report.pdf
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/03/f34/fcto-h2-storage-fact-sheet.pdf
https://www.nasa.gov/content/space-applications-of-hydrogen-and-fuel-cells
https://www.hylaw.eu/sites/default/files/2019-02/HyLAW_%20policy%20Paper_Bulgaria_in%20Bulgarian.pdf