Когато се заговори за водород винаги в главата ми изплува една карикатура, която видях преди време. Среща на енергийни експерти на високо ниво. Водещият презентацията пита: „Преди да задам въпроса, някой може ли да предположи какъв ще е отговорът?“ Гора от ръце. „Водород“ – обаждат се вкупом голяма част от експертите.
В последните няколко години усилено се опитват да ни накарат да вярваме, че водородът е вълшебен газ, който ще премахне глобалното затопляне, ще замени вредните изкопаеми горива базирани на въглеводороди (вкл. природния газ), ще захрани индустрията, камионите, самолетите, градовете ни, и всички икономически дейности за които можем да си представим. Нека да видим дали е така.
Водородът е химичен елемент, който представлява 75% от масата на познатата ни Вселена. Той може да бъде открит в звездите, които го използват за производство на енергия, както и в междузвездните пространства. Той е и най-лекият и най-простият химичен елемент, състоящ се единствено от комбинация на протон и електрон. При все това, водородът е и най-разпространеният елемент на нашата планета, като съставлява близо две трети от всички открити по нашите краища молекули. Важно е да се отбележи, че на Земята той не съществува в чистата си форма в природата (с изключение на много малко количество в земната атмосфера), а се добива от химични съединения, които го съдържат в себе си, като например вода. Интересен е фактът, че около 10% от масата на всеки жив организъм на Земята се състои от водород – основно под формата на вода, протеини и мазнини. И за разлика от конвенционалните фосилни горива, водородното „гориво“ няма натрупани естествени залежи, поради което всеки грам от него е нужно да се произвежда от хората.
Водородът се употребява предимно за производство на амоняк (използва се главно за направа на тор, хладилни агенти, пластмаси, експлозиви, пестициди, багрила, текстил), както и за преработката на петрохимикали (градивните елементи на пластмасите) и метанол (използва се като антифриз, разтворител, гориво, и др.).
Химичният елемент може да се добива с помощта на различни външни природни ресурси, включително изкопаеми (фосилни) горива, ядрена енергия, биомаса и други възобновяеми енергийни източници като слънчева, вятърна и геотермална енергия, като се използва широк спектър от последователни процеси.
Съвременната класификация за водорода спрямо начините му на производство е свързана с приравняването му към редица цветове. Това е причината да съществуват термини, като черен, сив, кафяв, зелен и син водород. Сивият водород се получава от природен газ, кафявият – от лигнитни въглища (кафяви въглища), а черният – съответно от черни въглища. Досетихте ли се вече, как се произвежда зеленият водород? Да, произвежданият по екологични начини водород се добива основно чрез електролиза на вода, процес на електрохимично разграждане на водата на съставните и елементи, като за целта се използва зелена енергия – например слънчева или вятърна. За да се случи това обаче са необходими сериозни количества прясна (питейна) вода и електроенергия, които никога не могат да бъдат възстановени напълно. За всеки един създаден тон зелен водород се изразходват средно около девет тона вода.
Синият водород пък може да бъде произведен с всеки един от фосилните енергоизточници изброени по-горе, като съществената разлика е че страничният продукт при производството му – въглеродният диоксид (CO2), се съхранява дълбоко под земята в геоложки формации. Това съхранение познато още и като част от CCS процеса (Carbon Capture and Storage – процес за прихващане и съхранение на въглеродния диоксид), прави синият водород парадоксално скъп и неконкурентен. Затова няма смисъл да отваряме изобщо дума за това, дали CCS е икономически обоснован процес или не.
Така че стигаме до ключовия момент в който трябва да признаем, че в наши дни добиваният водород в момента почти изцяло се произвежда директно от въглища, нефт или природен газ, като производството му само по себе си е вече значително замърсяваща индустрия. По оценка на „Международната агенция по енергетика“ (IEA), в последните двайсетина години, всяка година се отчита производството на около 94-95 милиона тона (Mt) водород. При него метанът (CH4) от природния газ реагира с кислород и се превръща във водородни молекули и въглероден диоксид (CO2). Последният за жалост в огромната си част се… изпуска в атмосферата! А това са над 900 милиона тона/годишно, което прави над 2 % от световните емисии на CO2.
Започна ли да ви става по-ясна цялостната картина? Трябваше да направим тези уточнения до момента, за да се разбере, че преди да позиционираме водорода като магическото решение за енергийните ни проблеми, то първо трябва да се справим с добива на същия този водород, като фактор, отговорен за изменението на климата. Или да измислим далеч по-рентабилни и екологично чисти начини за производството му.
Разбрахме, че зеленият водород при чието генериране на практика не се отделят никакви количества въглероден диоксид (CO2), се произвежда чрез процеса на електролиза – с помощта на вода и любимите ни източници на възобновяема енергия. Само че, ако искаме да го произвеждаме по този начин и в големи количества, то водата и възобновяемата енергия също трябва да бъдат в съответните огромни количества. Ако приемем, само за сравнение, че процесът на електролиза има 100% ефективност (което не е така), то ще са ни необходими повече от 3000 тераватчаса (TWh) енергия от възобновяеми енергийни източници на годишна база, само за да успеем да заменин използваният днес предимно сив водород (произвеждан чрез природен газ) с не навреждащото на природата производство на зелен водород. И тъй като не може да разчитаме на 100% ефективност, по всичко личи, че необходимата ни електроенергия за изместването на процеса от сив (базиран на природен газ) към зелен (чист) в действителност ще е над 4500 TWh. Това е съпоставимо с количеството електроенергия, което Съединените Щати произвеждат за година. Ако извадим числата от сценариите на ЕС и IEA за развитието на водорода с цел постигане на нулеви нетни емисии през 2050 г., потенциалът на възобновяеми енергийни източници, който трябва да развием е направо умопомрачително голям.
Нека видим и в кои сектори зеленият водород би могъл да е алтернатива на конвенционалните горива. В следващите двадесет и седем години, оставащи до 2050 г. е възможно най-големият принос на водорода за забавяне и/или преодоляване на проблемите на глобалното затопляне да бъде свързващото звено между различни дейности – електроснабдяване, строителство, производство, логистика. Вероятно ще е по-лесно и може би по-евтино да се намаляват емисиите във всички сектори заедно, отколкото ако всеки един от тях разработи различна стратегия.
Ключов елемент в една евентуална свързана междусекторна система ще бъде производството на електроенергия. Тук водородът би могъл да спомогне за преодоляване на един добре известен недостатък от който страдат повечето източници на възобновяема енергия – нейното неравномерно производство през деня, сезона, или годината като цяло. Батериите ще помогнат за балансиране на търсенето и предлагането, но когато делът на енергията произведена от ветрогенератори и фотоволтаични панели стане преобладаваща част от енергийният микс в мрежата, най-вероятно е да стане нерентабилно и използването на батерии.
Едно от възможните решение за справяне с проблема е да се построят достатъчно допълнителни вятърни турбини и фотоволтаични паркове, за да може мрежата да премине дори през най-спокойните на ветрове зими, а през по-голямата част от годината вятърните и фотоволтаични паркове да се използват за производство на зелен водород. Този водород, ако от своя страна се използва при промишлени процеси, (като тежка промишленост, стоманодобивни предприятия, производство на течни горива, корабоплаване) които не могат или най-трудно биха могли да се електрифицират, тогава би имало смисъл от цялото начинание.
Водородът може да съществува в течна и в газообразна форма. Енергийното съдържание на течния водород е приблизително около 70 % от енергията, необходима за производството му. Ако го изгорите в газова турбина с комбиниран цикъл със средна ефективност от 50%, енергийната възвръщаемост ще спадне до около 35 %. Ако го използвате като гориво за автомобили, енергийната възвращаемост ще спадне още повече.
Въпреки че, все още има специалисти които акцентират върху ролята на водорода като транспортно гориво, той едва ли ще окаже голямо влияние в този сектор или в сектора на битовото отопление, за което батериите и електрическата енергия вече предлагат по-ефективни нисковъглеродни решения. Най-големият принос на водорода ще бъде по-скоро в изчистването на промишлените процеси в централизирани производствени центрове – от производството на пластмаси и торове до рафинирането на въглеводороди. При пренасянето на водорода съществуват опасности за течове, а и тъй като плътността на втечнения водород е много по-ниска от тази на природния газ, разходите за транспортиране ще бъдат доста по-високи тези в съществуващата газоразпределителна мрежа. Преструктурирането на икономиката с цел приспособяване към водорода ще доведе до социални последици. Дори при субсидии и огромни инвестиции тежката промишленост в някои региони ще остане в неизгодно конкурентно положение. Тъй като водородът е по-скъп и технически труден за транспортиране от въглищата, индустрии като стоманодобивната може да се наложи да се преместят по-близо до места, където водородът може да се произвежда евтино.
Често чувам подмятания, че съм прекалено краен в мнението си за нуждата да се инвестира в подобряване на енергийната ефективност на първо място, а оставям прехода към зелена енергия на втора позиция. Но за това си имам своите доводи. Например: все още си заслужава да инвестираме в енергийна ефективност на процеси, поради това че ако намалим тяхната интензивност ще намалим и нуждата им от енергия. Реновирането на сгради също си остава ключово. Подобряването на техните показатели на енергийна ефективност ще намали нуждата от енергия за отопление, независимо от нейния източник. Нужно е да обърнем внимание и на факта, че водородът не е най-доброто решение за всичко. Отоплението на домове, чрез директно използване на електроенергия добита от възобновяеми енергийни източници и подаването и към термопомпи в момента е близо шест пъти по-ефективно и по-евтино решение отколкото да вкараме водород в уравнението. Електрификацията печели и при леките автомобили, градския транспорт, междуградските влакове, и редица други дейности.
Според Rocky Mountain Institute (RMI), експертна организация появила се в Съединените Щати в разгара на енергийната криза през седемдесетте години на миналия век, от 2019 насам над 34 държави са разработили национални стратегии за производство и добив на водород. Енергийният преход най-общо може да се разглежда като преминаване от изкопаеми горива към система, в която преобладават възобновяемите енергийни източници. В този преход и в трудни за електрификация процеси има място и за зелен водород.
Само в последните шест месеца целите на Европейският Съюз (ЕС) за производство на зелен водород за 2030 г. се увеличиха четирикратно чрез стратегията за декарбонизация на съюза REPowerEU до 10 милиона метрични тона (MMt), което се равнява на приблизително 100 GW електролизен капацитет. Тук слагам и един дословен цитат: „Като се има предвид ключовата роля на зеления водород за декарбонизацията на индустрията и тежкотоварния транспорт, осигуряването на вътрешна енергийна сигурност и стабилизирането на потребителските цени, светът призна, че се нуждаем от зелен водород в голям мащаб – и то по-бързо, отколкото някога сме предполагали.“
Политиците, които се стремят да постигнат целите за нулеви нетни емисии, започнаха масово да насърчават производството и използването на водород в ЕС. В резултат на това инвестициите във водородни проекти се очаква да преживеят своеобразен разцвет. Около водорода и преди се е вдигал невъобразим шум. Но този път сумата, която се влага, подсказва че той наистина би могъл да се наложи като алтернатива на изкопаемите горива.
Поглеждайки чисто аналитично, водородът има своите предимства пред съществуващите в момента процеси нужни за захранване на трудни за декарбонизация с други средства сектори на тежката промишленост, корабоплаването, производството на торове, и др. Въпросът е има ли нужда човечеството от това да продължава да захранва и най-вече непрекъснато да надгражда производството в тези сектори? Бъдещето ще покаже.
Светослав Стойков е експерт по енергийна ефективност и устойчиво отопление и охлаждане. Координатор Сградно Обновяване в Екологично Сдружение „За Земята“ и експерт в CEE Bankwatch, съосновател на „Институт Кръгова Икономика“ и преподавател по „Кръгова Икономика в Строителството“ в Университет по Архитектура Строителство и Геодезия.
Завършил е Топлотехника в Техническия университет в София, Биомимикрия в енергийните системи в FH Kärnten в Австрия; има специализация и изследователски опит по темата за пасивни сгради и нисковъглеродно строителство към Университета в Екзитър, Англия.
