Водородна зарядна инфраструктура – задължителна първа стъпка за водородна мобилност

гл.ас. д-р Благой Бурдин от Институт по електрохимия и енергийни системи в БАН пред сп. Енергетика – Електроенергийни ракурси 

Изменението на климата и нарушаването на екосистемите е възприето като заплаха пред Европа и света. За преодоляване на тези предизвикателства Европейският съюз (ЕС) приема за цел достигане на климатична и ресурсна неутралност при нулеви нетни емисии на парникови газове до 2050 г. Емисиите, които не могат да бъдат елиминирани до 2050 г., ще трябва да бъдат компенсирани чрез естествено поглъщане, например от гори, както и чрез технологиите за улавяне и съхранение на въглероден двуокис.

Междинната цел за този преход е към 2030 г. ЕС да намали нетните емисии на парникови газове с най-малко 55 % спрямо приетите за сравнение нива от 1990 г. Международното положение и смущенията на световния енергиен пазар, водещи и до появата на физически недостиг на енергия, доведе до необходимост от ускоряване на вече доста амбициозния план за енергиен преход и увеличаване на енергийната независимост на Европа.

За целта Европейската комисия представи плана „REPowerEU“, чиито основни стълбове са в посока икономия на енергия, производство на възобновяема енергия и диверсифициране на енергийните доставки. Изключително амбициозните цели за 2050 г. представляват сериозно предизвикателство пред ЕС, но на практика още по-голямо пред България. Достигането им ще изисква на практика почти пълна енергийна трансформация във всички сектори, както и замяна на голяма част от съществуващата инфраструктура с нова.

Отказът от изкопаеми горива и преминаването към възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) ще изисква все по-голям процент електрификация в крайното енергийно потребление. Предвид волатилния характер на производството на енергия от ВЕИ и техния нисък коефициент на годишна използваемост, особено нисък при фотоволтачините централи, се поставят на първо място въпросите, свързани с осигуряването на устойчивост на енергийната система и сигурността на енергийните доставки. При насищане на енергийната система с ВЕИ, гарантирането им ще изисква осигуряване на сезонен и дори годишен баланс на енергия – въпроси, които на този етап все още нямат икономически издържан отговор.

Предизвикателствата стоят пред всички сектори в България. Въпреки че в обществените дискусии не е достатъчно видно, то едни от основните предизвикателства са свързани с транспортния сектор. Основните фактори за това са няколко:

• Сектор транспорт е секторът с най-високо крайно енергийно потребление в България – по данни на Националния статистически институт за 2020 година то се равнява на 3 215,3 хил. т н.е. или приблизително на 37,4 TWh. От тях само 9,1 % са възобновяема енергия, основно базирана на биогорива. В енергиен аспект до 2050 г. трябва да бъдат заменени течни и газообразни изкопаеми горива, използвани от транспорта в България, с еквивалент повече от 1,5 пъти производството на електроенергия от въглищните ни централи, които също би следвало да бъдат заменени с енергия от ВЕИ – последното само по себе си считано на този етап за непреодолимо висока цел до средата на века. Очакваното намаление на енергийната консумация в транспорта с поне 30 % поради по-високата енергийна ефективност на електрическите превозни средства практически не променя сложността на проблема, пред който сме изправени;
• За да бъде насочена към сектор транспорт, ВЕИ енергията първо трябва да бъде произведена в достатъчен мащаб. Електрическата енергия, произведена от ВЕИ в България като дял от брутното потребление на електрическа енергия за 2020г., отново по данни от Националния статистически институт, се равнява на близо 24%. Наред с необходимото значително увеличаване на производството на ВЕИ енергия за вече електрифицираните крайни потребители и все още недостатъчно реални проекти за достигане на целите към 2030г., тепърва ще трябва да бъде произведена и ВЕИ енергия в по-големи мащаби за замяна на изкопаемите горива в транспорта;
• Автопаркът в България, представляващ над 3,5 млн. автомобила, трябва да бъде почти изцяло обновен с нови задвижващи системи до 2050 г. със скорост над 150 хил. автомобила на година. На този етап това изглежда невъзможно, тъй като от една страна пазарът на нови автомобили е около 30 хил. на година, а от друга – все още липсват употребявани електрически автомобили на ниска цена и в достатъчен мащаб, за да бъде достигната необходимата скорост на замяна на автомобилния парк. В нито една прогноза или стратегически документ в България не се вижда подобна скорост, което поставя под силно съмнение постигането на целите в сектор транспорт към 2050 г.;
• Замяната на източниците на енергия за транспорта ще изисква изграждане на почти изцяло нова инфраструктура за зареждане на транспортните средства, която трябва да бъде оптимално проектирана и изградена, за което ще трябват също инвестиции в огромен мащаб;
• Поради неравномерното производство на енергия от ВЕИ, необходимостта от гарантиране сигурността на доставките на енергия за транспорта ще изисква допълнителни големи системи за баланс и съхранение на енергия;
• И може би последно, но не и по важност, изключително слабо дискутираният както в публичното пространство, така и в експертните среди въпрос – как при един силно електрифициран сектор транспорт ще бъде осигурен 60-90-дневен запас на горива? При посоченото по-горе енергийно потребление това означава запасяване на горива/енергия с енергиен еквивалент в TWh–ов мащаб, при това не само енергия, която да бъде запасена под някаква форма и при необходимост да бъде преобразувана в електрическа, а и енергия, която да може лесно и директно да бъде насочвана към транспортните средства.

Така описани предизвикателствата изглеждат силно демотивиращи и обезсърчаващи. Но тъй като настоящата ситуация показва колко е важна енергийната независимост на България, а от друга страна и самото име на невъзобновяемите енергийни източници показва тяхното изчерпване и/ или силен недостиг в даден момент, то по-скоро сериозните предизвикателства трябва да бъдат разглеждани като много силен мотив за ускоряване на енергийния преход и трансформация на необходимите сектори на икономиката на страната, в т.ч. и транспорта.

За да се даде отговор или поне посока как да бъде организиран преходът в сектор транспорт, е необходимо стратегически да се оценят наличните технологии, в какво съотношение и как да бъдат приложени. На фиг. 1 са показани основните технологии за запасяване на енергия [1]. Видно е, че в TWh-ов мащаб, необходим за осигуряване на сезонен баланс на ВЕИ енергията, както и за осигуряване на резерв на горива за критични ситуации, са позиционирани единствено водородът и негови деривати – синтетичните горива.

Фигура – 1. Технологии за запасяване на енергия

Отговорът, обаче, не е еднозначен или с други думи водородът и синтетичните горива не са единственото решение, което трябва да се прилага самостоятелно. В повече дълбочина и в паралел трябва да бъдат разгледани и въпросите, свързани с енергийната ефективност по цялата верига от производството на ВЕИ енергия до задвижване на транспортното средство, както и необходимата нова инфраструктура за доставяне на тази енергия. На фиг. 2 са показани схематично основните начини за доставяне на ВЕИ енергия за транспорта.

Директната електрификация и използването на батерийни електромобили е начинът за доставяне на ВЕИ енергия с най-висока енергийна ефективност – около 70% от нейното производство до образно казано колелата на автомобила. Но този път на енергията е свързан със следното основно предизвикателство – осигуряване на баланс между производство на енергия и нейното зареждане на транспортното средство, което при насищане с електрически автомобили на транспортния сектор в България ще изисква GWh-ов или дори TWh-ов мащаб на системите за съхранение. Също така на пръв поглед не е необходимо мащабно изграждане на много нова инфраструктура, но противно на очакваното зарядната инфраструктура не се свежда до нова зарядна точка или допълнителен контакт в дома или офиса. За да се отговори на необходимия мащаб на електрификация в транспорта, ще са необходими огромни инвестиции в разширяване на електропреносните и електроразпределителните мрежи, както и в системите за сезонно запасяване на енергия.

Необходимостта от тези системи, както и на практика единствените възможни начини за запасяване на такова количество енергия под формата на водород и синтетични горива обуславя и другите два начина за захранване на транспорта. При бъдещо наличие на сезонни складове за сезонно съхранение на енергия под формата на водород, вместо той да бъде преобразуван в електрическа енергия, водородът може директно да бъде използван за гориво в транспорта. По този начин се решават голяма част от въпросите, свързани с балансиране на енергия от ВЕИ, както и тези свързани с времето за зареждане на транспортното средство. За реализиране на този подход обаче се изисква изграждане на изцяло нова водородна инфраструктура, но в допълнение и загубите от преобразуване на енергия ще са по-големи в сравнение с директната електрификация. В случая само 35% от наличната в началото енергия ще се използва за задвижване на транспортното средство. При синтетичните горива загубата на енергия е още по-голяма – до 80% от наличната в началото, но при този подход голяма част от наличната инфраструктура и конвенционални транспортни средства могат да бъдат използвани, а възможностите за сезонно запасяване на енергия на ниска цена са значително по-големи.

Също така синтетичните горива могат да осигурят лесно резерв на горива за транспорта, необходим за критични ситуации, например към отделни региони при наличие на бедствия или аварии.

Очевидно, в противовес на по-ниската енергийна ефективност при водорода и синтетичните горива, е възможността за балансиране на енергия в голям мащаб. По отношение на баланса по мощност също – за да се отговори на желанието и необходимостта на крайните потребители за ниско време за зареждане на автомобила, се изисква неминуемо висока мощност на зареждане.

На фиг. 3 е показано сравнение на мощностите на зареждане на транспортното средство в зависимост от използвания енергиен носител. За сравнение с начините за зареждане на батерийни електромобили – постояннотокови (DC) или променливотокови (AC), са използвани данните за скорост за зареждане на газообразен водород - съгласно стандарт SAE J2601 [2] и техническа информация за скоростта на зареждане на зарядни колонки за компресиран природен газ [3] и дизелово гориво [4]. Синтетичното гориво от своя страна може да използва наличната зарядна инфраструктура, при което времето за зареждане ще бъде същото и на практика за крайния потребител няма да има никаква разлика в начина на зареждане и използване на транспортното средство, захранвано със синтетично гориво.

Очевидно от фигурата, водородът се доближава като мощност, съответно и разликата като време за зареждане с конвенционално гориво не е значителна за крайния потребител. При това водородът позволява значителни балансиращи възможности за електроенергийния сектор.

При батерийните електромобили разликата в порядъци означава както много дълго време на зареждане, възможност от натрупване на опашки пред зарядните станции, така и значително повишаване на предизвикателствата пред електрическите мрежи.

* Дизелово гориво

Забележка: Посочените стойности са максимални и могат да варират.

Очевидно от гореизложеното водородът има своето важно място като енергиен носител в транспорта и тук възниква въпросът защо този вид транспорт все още не присъства в България? Относително високата цена на водородните технологии в сравнение с конвенционалните и необоснованите притеснения на хората, свързани с безопасността при използване на водород, не са причина за пълно отсъствие на водородни електромобили. Всъщност, основната причина за това е липсата на зарядна инфраструктура. Докато за използване на един батериен електромобил не е необходима нова инфраструктура – макар и бавно, електромобил с батерии може да бъде зареденпрез обикновен контакт в дома и в най-малките населени места с налична електрическа мрежа, то за водородните автомобили е необходимо изграждане на зарядна водородна станция.

Тези станции са скъпи и сложни съоръжения за компресиране на водород при високо налягане – 350 bar за автобуси и товарни автомобили и 700 bar за леки автомобили. За да може да бъде търсен икономически смисъл от изграждането им обаче, е необходимо осигуряване на достатъчна дневна консумация от водород – около 500-1000kg/ден за всяка зарядна станция. За да се осигури тя, са необходими транспортни средства от порядъка на 20-30 товарни автомобила или 40-50 водородни автобуса или пък няколко стотин леки автомобила, разбира се или комбинация между тях. При положение, че никой транспортен оператор или краен потребител няма да закупи такива превозни средства без наличие на зарядна инфраструктура, то тя се явява критична необходимост за начало на водородния транспорт в България. Икономически най-обосновано е паралелно изграждане на екосистемата от зарядни станции и водородни автомобили, но при всички случаи инфраструктурата трябва да предхожда транспортните средства и трябва да бъде подпомогнато нейното изграждане на национално ниво. В Западна Европа този процес е започнал преди повече от 10 години и вече са налични няколко стотин станции за зареждане с водород (Фиг.4 ляво) [5].

От картата е видно и че Източна Европа, в т.ч. и България, все още не присъства в този процес. Въпреки налични мощни инструменти за финансиране на инфраструктурата като „Проекти от общ интерес“ (IPCEI) или Механизъм за свързване на Европа (CEF), България все още не успява да реализира стъпки в тази посока. В краткосрочен и средносрочен аспект, наличието на водородни зарядни станции по основните транспортни коридори в Европа на всеки 150км се очаква да стане задължително. При запазване на текущото състояние в даден момент това може да доведе и до санкции за страната ни. Същевременно при непланирано разгръщане на екосистемата автомобили-водородни зарядни станции можем да достигнем и до момент, в който ще се налага да изграждаме зарядна инфраструктура независимо дали водородните електромобили присъстват в автомобилния ни парк или не. В паралел на зарядната инфраструктура за транспорта се разработват и планове с хоризонт 2040г.-2050г. за изграждане на основна преносна инфраструктура за водород (Фиг.4 дясно) [6] – свързваща основни производители, потребители и системи за сезонно запасяване на водород, като за съжаление България все още не участва достатъчно активно и в този процес.

Въпреки че в началния момент зарядната инфраструктура за водородни транспортни средства, отнесена към броя на транспортните средства, е изключително скъпа в сравнение с тази за батерийни електромобили, при по-голям автомобилен парк тази зависимост се обръща. Това се дължи на комбинацията от висока скорост на зареждане, съответно и голям брой заредени автомобили за единица време от зарядната станция, както и на възможностите за балансиране на енергийната система с използване на водород. В резултат, при голям мащаб и автомобилен парк наситен с водородни автомобили усилията и разходите за изграждане на зарядна инфраструктура за водородни транспортни средства биха били значително по-ниски от тези за изграждане на зарядна инфраструктура за батерийни електромобили. За преодоляване на тази специфика и достигане на икономически обоснован водороден транспорт е необходимо начално масирано изграждане на критична маса от зарядни станции и подкрепа на закупуването на автомобили, които да ги използват.

Фигура 5. – Зарядна инфраструктура – усилия и разходи за изграждане

Една от реалните първи стъпки при изграждане на водородна зарядна инфраструктура в България е планирана в рамките на Център по компетентност „ХИТМОБИЛ – Технологии и системи за генериране, съхранение и потребление на чиста енергия“, АДБФП No BG05M2OP001-1.002-0014, финансиран от ОП „Наука и образование и интелигентен растеж“, съфинансирана от ЕС чрез Европейския фонд за регионално развитие (ЕФРР). Предвижда се закупуване на мобилна водородна зарядна станция, в комбинация с водороден електромобил с очакван срок за въвеждане в експлоатация преди края на 2023г. Тази първа стъпка ще даде възможност както за демонстриране на водородните технологии в транспорта пред обществеността в България, така и провеждане на изследователски задачи, свързани с балансиране на енергия от ВЕИ, производство на „зелен“/нискоемисионен водород и неговото зареждане на борда на транспортното средство.

Заключение

Европа, а и светът, са поели път към енергиен преход от невъзобновяема енергия към енергия от ВЕИ, който ще се случва със скорост, която не зависи от страни като България. Всъщност, преходът е толкова значим, че нито една страна самостоятелно не би могла да му влияе. Това означава, че за да е максимално икономически ефективен и без сериозни сътресения, преходът в България трябва да бъде максимално организиран и много добре планиран в съответствие с общата скорост на промяна. Вероятно в транспортния сектор, поради неговите специфики, промяната към ВЕИ ще бъде най-сложна и скъпа.

Необходимо е равномерно изграждане на всички видове инфраструктура за алтернативни горива. Паралелно е необходимо и балансирано разгръщане на автопарка от батерийни, водородни електромобили и автомобили с конвенционални двигатели, използващи биогорива или синтетични горива. Задачата за оптимизиране е с много фактори – различни пътища за прилагането на ВЕИ в транспортните средства с различна енергийна ефективност, цена за изграждане и поддържане на новата зарядната инфраструктура, цена на новите транспортни средства, цена за балансиране и за сезонно запасяване на ВЕИ енергия в TWh-ов мащаб, сигурност на доставките на енергия, в т.ч. и необходимост от физически резерв на горива за транспорта. Хаотичен преход би довел освен до изключително високи цени, но и до проблеми със сигурността на доставките на енергия. Само при прецизен технико-икономически анализ и използване на предимствата на всяка налична технология преходът към ВЕИ ще може да бъде извършен в икономически възможен мащаб и без сериозни сътресения.

Литература

[1] School of Engineering, RMIT University

[2] Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles J2601_202005

[3] https://www.tatsuno-europe.com/_en/cng-dispensersseries-ocean-euro-cng.html

[4] http://www.adastsystems.com/fuel-dispensers

[5] https://www.faber-italy.com/eng-press-2020-03-18-hydrogen.html

[6] https://www.cedigaz.org/germany-hydrogen-industry-andnational-strategy/