Той може да сбъдне мечтата ни за чиста и изобилна енергия от вода,
но е непредвидим

БГ учените наравно с останалите си колеги овладяват енергоносителя
на бъдещето

В дълбините на Черно море го има в изобилие, въпросът как да бъде изваден оттам

Да имаме евтина, изобилна и чиста енергия e най-изконната мечта на човечеството, но същевременно тя е и една суперсложна задача. Нещо като количествено уравнение – в горната част по хоризонтала са многобройните цели, а по вертикала са ограничени ресурси и все още недоразвитите технологии и знания.

Ситуацията се усложнява още повече, като се има предвид, че ако всички се качим на електрически коли и решим да минем изцяло на климатици, за да дишаме чист въздух, ще е необходимо да произвеждаме 7 пъти повече електроенергия, отколкото сега.

Откъде обаче ще дойде тя? Над атомните електроцентрали вече е произнесена смъртната присъдата, а дори и някога да бъдат „помилвани“, вече няма такива големи количества уран. Краят на въглищните централи също изглежда предизвестен. Така до появата на

нов перспективен и чист енергоносител

решението на задачата изглежда доста трудно.

Затова на този етап не остава нищо друго освен да се залага на баланса – или по-точно на микса между водородната енергетика, възобновяемите източници, газовите централи, атомните и въглищните. Заедно с това са необходими около 800 млрд. евро, за да се коригират енергоизточниците. Целта е до 2030 г. въглищата да съставляват 12% от енергийния микс, а до 2050 г. – 9,4%. Използването на петрола до 2030 г. трябва да се понижи до 34%, а до 2050 г. – до около 14%. Природният газ трябва да се запази на сегашните нива около 20-25% от енергийния микс.

Атомните централи ще осигуряват до 12% от тока до 2030 г., а до 2050 г. - между 2,6 и 17,5 на сто. За сметка на това делът на възобновяемите източници, сред които и зеленият водород, трябва да нарасне до 21 - 25% до 2030 г., а до 2050 г. да е в диапазона 40 - 59%.

Изчисленията сочат, че необходимите инвестиции само за тази цел ще са около 430 млрд. евро.

Зеленият водород е ключов приоритет за постигане на Европейската зелена сделка и прехода на Европа към чиста енергия. Причината е, че при горивните клетки или както ги наричат специалистите - горивните елементи, водородът реагира електрохимично с кислорода и от това се отделя енергия, а отпадният продукт е единствено вода.

Но това съвсем не е всичко. Той има огромен потенциал да съхранява възобновяема енергия, може да се използва при батериите, в транспорта, в индустрията и осигурява резервна енергия в по-отдалечените от големите центрове населени места.

Затова в стратегията за климатично неутрален ЕС делът на зеления водород в енергийния микс на Европа трябва да се увеличи от сегашните малко над 2% до 14% през 2050 г. Целта е

парниковите емисии

да намалеят с 50-55% до 2030 г.

Във Водородната стратегия на ЕС е записано, че за да се декарбонизират различни сектори, до 2024 г. трябва да се инсталират най-малко 6 GW електролизьори, работещи с енергия от възобновяеми източници, и 40 GW до 2030 г. По този начин до 2-3 години трябва да се осигури производството на до 1 милион тона зелен водород, а до 2030 г. да се произвеждат около 10 милиона. Целта е той да се пренасочи за декарбонизирането на съществуващото производство на водород примерно в химическия сектор, в промишлеността, както и за тежкотоварния транспорт. Предвижда се електролизьорите, включително големи – до 100 MW, да бъдат инсталирани до по-големи рафинерии, стоманодобивни заводи и химически комплекси. В идеалния случай те биха се захранвали директно от местни възобновяеми източници на електроенергия.

Според стратегията трябва да започне изграждането и на необходимите станции за зареждане с водород за автобусите с горивни клетки и на по-късен етап за камионите.

Ползите ще са много, казват авторите на стратегията. Първо, зеленият водород, който се добива от възобновяеми енергийни източници, ще играе ключова роля за намаляване на парниковите газове и вредните емисии. Второ, големият проблем при ВЕИ-тата е, че те много често генерират енергия, която

няма къде и как да се съхранява.

Именно тук водородът може да се намеси и да реши този въпрос, като преодолее сегашното разхищение на енергия, улеснявайки интегрирането на възобновяемите енергии в енергийната мрежа.

Статистиката в ЕС показва, че от 109-те региона, свързани с производството на водород, заедно с Обединеното кралство, 88 региона (81%) имат излишък от производство на електроенергия от ВЕИ, а при 84 – този излишък е над 50%. В момента тази енергия не може да се използва и в повечето случаи се изхвърля, защото няма как да бъде съхранена. С въвеждането на водородните технологии тя ще се използва за производство на зелен водород, който може да се съхранява и при необходимост да се използва за вторично производство на електроенергия чрез електрохимично преобразуване в горивните елементи.

Отоплението и охлаждането представляват повече от половината от потреблението на енергия в ЕС. 50% от енергията, консумирана за такива цели, идва от газ, тъй като отоплителният сектор се основава на взаимосвързана газова инфраструктура, която доставя енергията, необходима за отопление на домовете. Тук водородът също може да бъде алтернатива, особено в страните с добре развита мрежа за разпределение на природен газ. Затова прогнозите са, че ако зеленият водород се вкара в газоразпределителната мрежа, декарбонизацията в тези сфери ще започне по-бързо, отколкото сме очаквали.

Друга голяма полза от водорода е, че и в момента той играе важна роля в нефтохимическата и химическата промишленост, особено при производството на амоняк и торове за селското стопанство. Именно тук ЕС вижда голям потенциал за декарбонизация на тези замърсяващи сектори. Заедно с това водородът ще се използва и като основа за производството на метанол – бъдещото гориво на самолетите. Сегашните изчисления сочат, че с него те ще замърсяват атмосферата няколко пъти по-малко.

И не на последно място, разчита се, че този енергоизточник ще реши редица проблеми с емисиите, отделяни от

селското стопанство

и хранителната промишленост.

И ако някой си мисли, че България изостава от тези процеси в ЕС, много бърка.

„Интересът към водорода в научните среди у нас се възобнови през 90-те години“, разказа пред сп. „Космос“ проф. д-р на химическите науки Евелина Славчева, която е и директор на Института по електрохимия и енергийни системи към БАН. Именно този институт вече повече от 30 години изучава водорода и потенциалните му приложения като енергиен вектор.

„Той е екологичен и ефективен преносител на енергия, но проблемът е, че макар да е разпространен във Вселената, в своя чист вид е в ограничени количества и трябва да се добива – казва проф. Славчева. - Най-разпространеният метод за получаването му е от въглеводороди от нефт и природни изкопаеми чрез реформинг - по химичен начин, при което обаче се отделят вредни вещества в атмосферата. Затова вниманието се насочи към електрохимичния процес - чрез електролиза на вода. Класическата алкална електролиза е добре известна технология, която се прилага за индустриални цели повече от век, но заради високата цена на влаганата електроенергия само около 6% от световния добив на водород се получава по този метод. Развитието на технологиите за добив на електроенергия от възобновяеми източници (слънце, вятър, приливни вълни и др.) даде нов тласък в развитието на водородните електрохимични технологии. Разработиха се електролизьори от нов тип, които работят с полимерни електролитни мембрани, особено подходящи за работа с флуктуираща енергия, каквато е тази от ВЕИ. Тези електролизьори, наричани още ПЕМ водородни генератори, произвеждат водород с висока чистота (99,9999%), подходящ за ПЕМ горивните елементи. Много важна роля в ПЕМ водородните преобразуватели играят интегрираните в тях катализатори, които осигуряват бързо и ефективно протичане на съответните електродни реакции – отделяне на водород и кислород при електролизата на вода и рекомбинацията им в горивния елемент. През 90-те и в началото на 2000 г. нашите изследвания бяха концентрирани върху разработването на каталитични материали за тези реакции. През 2002 - 2006 г. участвахме в голям европроект по Шеста рамкова програма, в който съвместно с германски колеги разработихме изключително ефективни катализатори под формата на тънки филми от платина и иридиев оксид. Усъвършенствахме технологията за производство на мембранни електродни пакети – това е основният компонент на всяка ПЕМ водородна система, където се извършва същинското електохимично преобразуване на енергията (от електрическа в химична или обратно), преминахме и към разработка на стакове със скалирана мощност и

лабораторни прототипи на тези системи.

Освен ПЕМ водородни генератори и горивни елементи, които работят в температурния интервал 70 - 90°С, в Института се разработват и друг клас високотемпературни горивни елементи, работещи в интервала над 700 градуса, провеждат се изследвания по създаване на обратими системи, създават се методики за ускорени тестове за дълготрайност на работните им характеристики, за предикативна диагностика на деградационни процеси и определяне на оптимални експлоатационни режими.

Горди сме, че Институтът ни е водещ национален изследователски център в тази толкова актуална област и има устойчиво участие в Рамковите програми на ЕС от Трета до Хоризонт 2020. Сега приключи проект, посветен на изграждане на електронна виртуална система Net Tools за обучение на специалисти, докторанти и други експерти, заинтересовани от водородните технологии, в напреднал етап е друг – ADASTRA, за твърдооксидни горивни елементи“, казва проф. Славчева.

През последното десетилетие в целия ЕС се реализират мащабни демопроекти, за да се покаже колко ефективни са този тип системи, именно защото могат да работят с енергия от възобновяеми източници. Двигатели на прогреса в тази област са няколко центъра в Европа, където водещи учени трасират пътя към водородното бъдеще на континента.

„Ние поддържаме от години контакти с няколко много мощни организации в тази сфера: с Немската космическа асоциация, обединяваща около 40 института в Германия, един от които е пряко свързан с водорода и е наш дългогодишен партньор в различни проекти - казва проф. Славчева. - Работим с колегите от университетите в Карлсруе и Аахен, с партньори в Дания, с колеги от CNRS в Италия и много други.“

Заради високата си специализация Институтът вече е координатор и на център за компетентност „ХИТМОБИЛ“ по ОП НОИР, съфинансиран от ЕС чрез ЕФРР, който е посветен на системите за генериране, съхранение и потребление на чиста енергия.

„Работим в две основни сфери - батерии и водород – казва проф. Славчева. Центърът обединява учени от няколко института на БАН, висши училища и две частни научни организации. Над 21 млн. лева ще бъдат инвестирани в изграждане на уникална на национално и регионално ниво научна инфраструктура за индустриални изследвания и експериментално развитие на съвременни технологии и системи, обхващащи целия

зелен водороден цикъл.

Освен лаборатории за нови материали, компоненти и прототипи на системи, се изграждат и две полеви лаборатории. Те ще бъдат оборудвани с по-мащабни съоръжения, които да ни позволят да участваме и в демонстрационни проекти, за да покажем възможностите на тези технологии. Разчитаме силно и на връзките си с бизнеса. По щастливо стечение на обстоятелствата днес нашата тематична област е приоритетна както за Европа, за България, така и за целия свят. Центърът предлага експертиза, целеви разработки, обучение на специалисти. Можем да правим анализи, препоръки кои иновативни системи са най-подходящи, за кои географски райони, каква е ефективността им, както и да демонстрираме възможностите на новите технологии в областта на Зелената сделка.“

Хубавата новина е, че българският бизнес вече е все по-активен и Институтът непрекъснато отговаря на запитвания на фирми от различен мащаб. „Интерес към нас наскоро прояви и австралийски инвестиционен фонд – съобщи професор Славчева. - Проведохме разговори, тъй като те търсят научно-развоен център, с който да установят коя е най-подходящата технология, в която да инвестират.“

Факт е, че компании от целия ЕС се интересуват как могат да преодолеят недостатъците на сегашните батерии за електрическите автомобили. При тях проблемът е, че за да се развие по-висока мощност и по-дълъг пробег, тя трябва да е по-тежка. За разлика от тях, тези с водородни горивни елементи са много по-леки, защото самият водород е изключително лек.

„Именно поради тази причина те са подходящи за по-дълги разстояния – посочва проф. Славчева. – Неслучайно в Германия вече има влакове, задвижвани с водород. Да, този тип транспорт все още е по-скъп, но стратегията на ЕС е до 2050 г. да се мине изцяло към възобновяема енергия и включването на водорода в енергийната система е безалтернативно.“

Според нея пробегът с водород, получен чрез електролиза, непрекъснато поевтинява.

„Не искам да се ангажирам с точна стойност, защото цените в различните страни варират, но в момента те са с 10 - 20% по-високи в сравнение с тези на бензина – отбелязва проф. Славчева. – Когато тези технологии станат масови, цените ще паднат допълнително и прогнозата ми е, че няма да са по-високи от тези на сегашните горива, напротив.“

Друго възможно приложение на този чист енергоносител е в централите, работещи с природен газ.

„При тях той може

да се впръска,

за да се повиши ефективността им – смята директорката на Института. – Още повече, това не изисква смяна на газовите турбини. Предполагам, че на по-късен етап следващата стъпка ще е изцяло да се премине към водород.“

За нея друг голям плюс на водорода е, че горивните елементи могат да се разполагат дори в най-отдалечените райони като подпомагащи звена, а също и за енергийно захранване на изцяло екологични селища.

Може би затова Институтът иска да демонстрира и предимствата на един такъв дом.

„Изграждаме водородна къща – усмихва се проф. Славчева. - Целият цикъл ще го демонстрираме в края на годината – тя ще има фотопанели, вятърен генератор, водороден цикъл и батериен цикъл. Те са инсталирани като апаратура в Института и енергията от тях отива за захранване на малък офис обект. Всичко това ще може да се види как работи при нас до няколко месеца. Ще демонстрираме какво представлява инсталационната система и как тази енергия може да захранва с чиста енергия офиса, климатика, кухненския бокс, хладилника, кафемашината, компютъра, телевизора, принтерите.“

На въпрос каква ще е приблизително цената на тази екокъща, която ще си е самодостатъчна, проф. Славчева казва, че през 2008 г., когато започнали първите изчисления за инсталационната част, сумата била около 100 хил. евро. „Сега обаче всичко е по-евтино и сумата е с около 40% по-ниска“, твърди тя.

Относно безопасността на водорода и неговата „непредвидимост“ проф. Славчева казва: „Той наистина е взривоопасен в досег с кислород. При това концентрацията, в която е опасен, е в много ниски нива - ако дори само 4 - 5% водород се изпуснат в атмосферата, той може да предизвика взрив, но както всяко нещо и това е въпрос на предохранителни мерки. Както беше с метановите бутилки. И тук има технологични начини как този минус да се предотврати. Тъй като взривната вълна е насочена нагоре, при японските автомобили с горивни елементи с водород има специални катапулти и когато се регистрира такъв процес, те веднага изхвърлят бутилката нагоре. Има решения.“

България също

има възможност за производство на водород.

„С Института по инженерна химия работехме по европейски проект за извличане на водород чрез електролиза от сероводород от Черно море – казва проф. Славчева. – Говорим за дълбоките части, където няма живот заради големите концентрации на сероводород. Самата химическа реакция е много по-лесна, по-ефективна и изисква много по-малко енергия, но там се сблъскваме с друг технологичен проблем - извличането на водата от тези дълбочини.“ Пред България се отваря още една възможност в тази сфера, макар и засега хипотетична.

„Наскоро на международна среща на Европейския алианс за чист водород беше заявено, че Германия изпитва остра нужда от количества водород и че страни като България и Румъния могат да произвеждат и транспортират водород за Германия. Това е един перспективен и добър бизнес за в бъдеще“, убедена е директорката на Института.

Разбира се, всичко е въпрос на цена и ефективност - колко киловата енергия се влагат, за да се получи водород, и колко енергия се получава от този чист енергоносител. Оттук нататък можем само да се надяваме, че икономическите стимули ще провокират учените и бизнеса да разработят още по-ефективни технологии и водородната ера няма да остане една красива илюзия, както бе през последните над 100 години.