Нужен ли е – и защо – зеленият водород?

Напоследък доста се говори за зелен водород. Новоизбраният американски президент обеща да използва енергия от възобновяеми източници за производството на зелен водород, който да струва по-малко от природния газ. Европейският съюз обещава да инвестира 430 млрд. долара в зелен водород до 2030 г., за да спомогне за постигане на целите на своята „Зелена сделка”. Чили, Япония, Германия, Италия, Саудитска Арабия и Австралия правят големи инвестиции в зелен водород. Защо ни е нужен той?

Понятието зелен водород обозначава процеса на производство на водород като гориво чрез използване на възобновяема енергия вместо изкопаеми горива. Водородът има потенциала да осигури чиста енергия за производството, транспорта и други сектори – и единственият му страничен продукт е… вода.

Във вселената има повече водород от който и да е друг елемент – изчислено е, че приблизително 90% от всички атоми са водород, отбелязва Techxplore. Но водородните атоми не съществуват в природата самостоятелно. Те обикновено са свързани с други вещества. За да се добие водород, атомите трябва да бъдат отделени от тези на другите елементи, с които имат връзка – например от вода, от растения или от изкопаеми горива. Начинът на това отделяне определя устойчивостта на водородната енергия.

По-голямата част от използвания в момента водород се получава чрез процес на преработка на изкопаеми горива – най-вече метан. Използва се технология на работа с пара при висока температура. Водородът се отделя, като има и странични продукти – въглероден окис и малко количество въглероден диоксид. Други изкопаеми горива като пропан, бензин и въглища също могат да се използват за получаване на водород по тази технология. Този метод на производство се нарича „сив водород”, тъй като отделя вредни емисии: по 830 милиона тона CO2 емисии всяка година.

Когато въглеродният диоксид, получен от процеса на преработката на метана с пара, се улавя и съхранява, произведеният водород се нарича „син водород”.

Но водород може да се получи и чрез електролиза на водата. Като страничен продукт не се отделя нищо друго освен кислород. Електролизата използва електрически ток за разделяне на водата на нейните съставни атоми – водород и кислород. И ако електроенергията се произвежда от възобновяеми източници, например слънце или вятър, то полученият водород без замърсители се нарича „зелен водород”.

Защо е необходим зелен водород

Бързо намаляващите разходи за възобновяема енергия са една от причините за нарастващия интерес към зеления водород. Повечето експерти са на мнение, че зеленият водород ще бъде от съществено значение за постигането на целите на Парижкото споразумение, тъй като има определени части от икономиката, чиито емисии е трудно да се елиминират. Като цяло водещите три източника на емисии са секторите транспорт, производство на електроенергия и промишлеността.

Енергийната ефективност, възобновяемата енергия и директната електрификация могат да намалят емисиите от производството на електроенергия и отчасти от транспорта; но има част от икономиката, за която е трудно да намали емисиите си до нула – например авиацията, корабоплаването, превозите на дълги разстояния и производството на бетон и стомана. Тези сектори изискват гориво с висока енергийна плътност или интензивна топлина. Зеленият водород може да отговори на техните нужди.

Предимства на зеления водород

Водородът е наличен в природата в изобилие и неговото снабдяване е практически неограничено. Може да се използва там, където се произвежда, или да се транспортира другаде. За разлика от батериите, които не могат да съхраняват големи количества електричество за продължителни периоди от време, водородът може да се произвежда от излишната възобновяема енергия и да се съхранява в големи количества за дълго време.

При равно тегло водородът съдържа почти три пъти повече енергия от изкопаемите горива. Затова за извършването на дадена работа е необходимо значително по-малко количество от екологичното „гориво”. Най-хубавото е, че той може да се произвежда навсякъде, където има вода и електричество.

Водородът има много приложения. Зеленият водород може да се използва в промишлеността и да се пренася чрез съществуващите газопроводи за захранване на домакински уреди. Той може да захранва транспортни средства, включително и кораби. С помощта на водородни горивни клетки е в състояние да задвижва коли, автобуси, влакове.

Горивните клетки работят подобно на батерии: водородът се подава към анода, кислородът се подава към катода; те са разделени от катализатор и електролитна мембрана, която пропуска само положително заредени протони до катода. Катализаторът разделя отрицателно заредените електрони на водорода, позволявайки на положително заредените протони да преминат през електролита до катода. Междувременно електроните се движат по външна верига – създавайки електричество, което може да бъде впрегнато в работа – за да се срещнат с протоните на катода, където те реагират с кислорода, за да образуват вода.

Поради своята енергийна ефективност водородната горивна клетка е два до три пъти по-ефективна от двигателя с вътрешно горене, задвижван с газ. А времето за зареждане с водородно гориво на електрическите превозни средства е средно по-малко от четири минути.

Тъй като могат да функционират независимо от мрежата, горивните клетки могат да се използват във военното дело или пък в зони на бедствия и да работят като независими генератори на електричество или топлина. Когато са фиксирани, водородните генератори могат да бъдат свързани към електро-мрежата, за да генерират постоянна надеждна електроенергия.

Предизвикателствата

Запалимостта и лекотата на водорода означават, че той, подобно на другите горива, трябва да се обработва правилно. В сравнение с бензина, природния газ и пропана водородът е по-запалим във въздуха. Въпреки това ниските концентрации на водород имат подобен потенциал на запалимост като другите горива. Тъй като водородът е много лек – около 57 пъти по-лек от бензиновите изпарения – той може може бързо да се разпръсне в атмосферата, което е добре от гледна точка на безопасността.

Трудно е транспортирането на водорода. За целта той или трябва да се охлади до -253°C, за да се втечни, или да се компресира до 700 пъти атмосферното налягане, за да може да се достави като компресиран газ. Понастоящем водородът се транспортира по специални тръбопроводи, в нискотемпературни камиони за цистерни с течности, в ремаркета с тръби, които носят газообразен водород, или по железопътен транспорт или баржи.

Съществуват някои тръбопроводи, които вече работят с газообразен водород за подаване към индустриални съоръжения – главно в райони, където водородът се използва за захранване на химически заводи и рафинерии. Все пак за масовото използване на водорода като гориво е нужна много повече инфраструктура.

В някои случаи тръбопроводите за природен газ биха могли да се използват за транспортиране на ограничено количество водород, но това е предизвикателство също, тъй като водородът може да направи стоманените тръби и заварките крехки, а това може да доведе до появата на пукнатини. Когато водородът се смеси с природен газ (5-10%), той може безопасно да се пренася чрез инфраструктурата за природен газ. За да се пренася само чист водород през съществуващите тръбопроводи, направени за природен газ, ще се изискват значителни промени. Алтернативно, трябва да бъдат изградени изцяло нови, водородни тръбопроводи.

Що се касае до горивните клетки, технологията все още е ограничена поради високата им цена, тъй като за производството им се използва платина, а тя е скъпа. Продължават проучванията за подобряване на работата на горивните клетки и за намиране на по-ефективни и по-евтини материали.

Предизвикателство за електрическите превозни средства с горивни клетки е и как да съхраняват достатъчно водород – 5 до 13 килограма сгъстен водороден газ – в автомобила, за да постигнат обичайния пробег от 450 км. Пазарът на електрически превозни средства с горивни клетки е затруднен и от недостига на зарядни станции.

Ами цената?

Различните препятствия, които стоят пред разпространението на зеления водород, всъщност могат да бъдат сведени до само едно нещо: разходи. Хулио Фридман, старши изследовател в Центъра за глобална енергийна политика на Колумбийския университет, вярва, че единственото истинско предизвикателство пред зеления водород е неговата цена.

По света се произвеждат 70 милиона тона водород всяка година. Това следва да покаже, че основният проблем е в техническите предизвикателства за разпределението и използването на водород.

Проблем е и, че понастоящем зеленият водород струва значително повече от природния газ. Наред с това производството на зелен водород е много по-скъпо от производството на сив или син водород, тъй като електролизата е скъпа. В момента сивият водород струва около 1,50 евро за килограм, синият – 2 до 3 евро за килограм, а зеленият – от 3,50 до 6 евро за килограм, според скорошно проучване.

Фридман подробно описва три стратегии, които са ключови за намаляване на цената на зеления водород, така че повече хора да могат да го купуват:

Подкрепа за иновации, свързани с производството и употребата на водород;

Подкрепа за цените на водорода, например данъчен кредит за производство, подобно на стимулите, които бяха прилагани за развитието на вятърноенергийните и соларните системи за добив на електроенергия, които спомогнаха за намаляване на цените;

Нормативен стандарт за ограничаване на емисиите. Например половината амоняк, използван днес, отива за производство на торове. Например, правителствата могат да изискат всички горива в даден сектор да съдържат определен процент зелен водород.

Бъдещето

Фридман вярва, че през следващите пет до десет години ще станем свидетели на значително използване на зелен водород, особено в Европа и Япония. Той обаче смята, че границите на съществуващата инфраструктура ще бъдат достигнати много бързо. Това важи за тръбопроводната инфраструктура, а също и за преносните линии, тъй като производството на зелен водород ще изисква около 300 процента повече електрически капацитет, отколкото имаме сега.

„Ще достигнем границите на производството на електролизатори, на електрическата инфраструктура, на способността на пристанищата да произвеждат и доставят, на скоростта, с която бихме могли да модернизираме индустриите”, казва той. „Ние нямаме човешки капитал и нямаме инфраструктура. Ще ни трябва време, за да направим тези неща”.

Много експерти прогнозират, че ще са нужни поне 10 години, за да видим широкото разпространение на зеления водород. Фридман обаче поддържа тезата, че тази 10-годишна прогноза се основава на редица предположения. „Това се основава на очакването за масово производство на електролизатори, което не се е случвало никъде по света”, каза той. „Основава се и на куп промени в политиката, които все още не са направени. Предполага и върху набор от промени в инфраструктурата, които обаче могат да се случат при определени пазарни пазари”.

Hydrogen Europe Industry – асоциация, популяризираща водорода – разработва процес за добиване на чист водород чрез газификацията на биомаса от растителни и горски остатъци. Тъй като биомасата абсорбира въглеродния диоксид от атмосферата по време на своя растеж, според асоциацията, тя произвежда относително малко нетни въглеродни емисии.

През декември 2020 г. ООН стартира инициативата „Катапулт за зелен водород”, обединявайки седем от най-големите разработчици на проекти за зелен водород с цел намаляване на разходите за зелен водород под 2 долара за килограм и увеличаване на производството на зелен водород 50 пъти до 2027 г.

В крайна сметка дали зеленият водород ще изпълни обещанието си и потенциала си зависи и от това колко производители на автомобили, собственици на бензиностанции, енергийни компании и правителства са готови да инвестират в него през следващите няколко години.