Водородна енергетика – мечти и нерешени проблеми

Щерьо Щерев, заместник-председател на НТС по МДГМ

В началото на 2020 г. г-жа Кадри Симсон, еврокомисар по енергетика, заяви: „Целта на ЕС е към 2050 г. да бъде климатично неутрален. Това означава, че към тази година ще бъде прекратена употребата на всички изкопаеми енергоносители и всички доставчици в Европейския съюз трябва да го имат предвид.” За единствена алтернатива на въглищата, нефта, нефтопродуктите и природния газ е определен водородът. Тя всъщност провъзгласи като европейска цел амбициозната правителствена програма за водородна енергетика на Германия, съгласно която в страната трябва да се построят до 2030 г. допълнително 20 ГВт електростанции, които да доставят електроенергия за производство на така наречения „зелен” водород.

Интересно е да видим, с какво заменяме изкопаемите горива, чиито технологии за добив, преработка, пречистване, транспортиране, складиране, употреба и саниране са широко известни!

За много от потребителите на електрическа енергия източник за нея е контактът на стената вкъщи. А как ще бъде със „зеления” водород?...

2Н2 + О2 --à 2Н2О  - това е формулата от учебниците по химия за изгаряне на водород в чиста кислородна среда.  Земната атмосфера не се състои само от чист кислород. Над 70% от нея е азот /N/. Изгарянето на водорода в  кислородна среда е съпроводено с висока температура, която надвишава 2 800 градуса по Целзий, т. е. с 1 000 градуса над тази при горенето на метан, основната съставляваща на природния газ. И ето първият въпрос: От какъв метал трябва да бъдат изработени пещите и тръбите  на водородните електрически станции за да издържат примерно на 2 500 градуса? Такава температура е характерна за самолетните и ракетните двигатели. Химическият състав на материалите, от които те се изработват, са известни, както и цената им. Но парите са досадна подробност…На Земята са известни много термоустойчиви материали.

Да се върнем към другата основна съставка на атмосферата – азота /78% от атмосферния въздух/. При наличието на висока температура, примерно над 1000 градуса, протича химическа реакция между азота от атмосферата и кислорода и се получават азотни оксиди, които са многократно по вредни от въглеродния диоксид. Механизмът на образуване на азотните оксиди едни наричат на Зельдович, други на Фенимор. Това не е толкова важно. Проблемът с NO /азотния оксид/ е, че той не мирише, но при вдишване  може да се свърже с хемоглобина на кръвта, като нарушава способността му да пренася кислорода. Освен това прониквайки в белите дробове предизвиква възпаление и астматични процеси. Малките концентрации предизвикват главоболие, кашлица, конюнктивит, цианоза и други съществени смущения в човешкия организъм.  При продължително вдишване и отсъствие на квалифицирана медицинска помощ може да се стигне до летален изход. Но това не е всичко. Наличието на азотни оксиди във въздуха предизвикват кисели дъждове. Азотните оксиди са в пъти по-вредни за човечеството и природата отколкото въглеродните. А изключително високата температура на изгаряне на водорода неизбежно е съпроводена с много по-интензивно образуване на азотни оксиди. На практика това означава, че за да се предотврати образуването им ще се наложи към инвестициите за термоустойчиви материали за водородните електрически централи, да се добавят и такива за специално оборудване за сепариране на азота и кислорода от атмосферата.

Подобно оборудване ще бъде необходимо и за двигателите на товарните автомобили, ж.п.-локомотиви, корабите. Ако на леките автомобили се добави такова оборудване, те ще се превърнат в тежко-товарни. Необходимо е да се разработи технология за миниатюризация на оборудването за сепариране на атмосферния въздух. За нас потребителите има две възможности или да почакаме, или да се примирим с повишено съдържание на азотни оксиди в градската среда и зачестили кисели дъждове. Вероятно е възможно да се намали подаването на водород, за да се понижи температурата в камерата на горене, но тогава коефициентът на полезно действие от използването на водород се изравнява с този на бензиновите и дизеловите двигатели. А потребителите сигурно ще реагират на средната цена на килограм водород, която е около 8 $ - пет-шест пъти по-висока от тази на бензина и дизела.

Какви са изследователските данни от Япония?

В живота мечтите са едно, реалностите са доста по-различни. Далече не всички извън ЕС са склонни да изпратят на бързо в историята оборудването на действащите традиционни електрически централи и да ги заменят с нови изработени от по-скъпи сплави на волфрам, молибден и титан. За компаниите са по-важни интересите на техните акционери и потребители, а не скъпоструващите мечтания на политиците. Преди няколко години Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) е направила успешен експеримент на газова турбина с голяма мощност в една от своите електрически централи. Подали са в камерата за изгаряне на смес от природен газ и 30% водород. Температурата на газовете на изхода са били 1 600 градуса. Оборудването е издържало на по-високата температура. Коефициентът на полезно действие се е увеличил незначително, а въглеродният диоксид се намалил с 10%. По повод количеството на азотните оксиди информацията от японската компания се е ограничила само с фразата „ остават на приемливо ниво”. Препоръките към централата са били, че използването на горивна смес в съотношение 80% природен газ и 20% водород е икономически и екологично изгодно. Към тази препоръка се придържат и Kawasaki Heavy Industries и Obayashi, които през 2018 г. са провели експеримент със 100% водород. За резултатите от експеримента няма публикация.

Подобни експерименти се провеждат в много страни, но посочените по-горе са постигнали най-оптимистичните резултати. А те зависят от националните стандарти за изработване на оборудването от необходимите специални сплави. В съответствие със стандартите на развитите и богати страни към настоящия момент, добавянето на водород към природния газ е от порядъка на 0,1% за Белгия, Нова Зеландия, САЩ, и Великобритания, 10% за Германия, 12% за Нидерландия. Водородните мечти за пълен отказ от традиционните горива се сблъскват със суровата реалност – необходими са задълбочени научно-изследователски, конструкторски и практически експерименти, промяна на национално-технически стандарти, проверка на резултатите в опитно-промишлено оборудване и икономическа оценка на успешните промишлени опити. Не е без значение наличието на финансиране и подготовка на необходимите инженерни и технически кадри. При това няма гаранция, че успешните опити ще бъдат икономически обосновани и вложените огромни финансови средства ще се възвърнат.

Разчетите на Международната агенция по енергетика /МАЕ/  се опират на резултатите постигнати в Япония. Въз основа на тях тя прогнозира създаване на европейска мрежа от ТЕЦ, в които ще се използва газово-водородна смес в съотношение 80%/20%. В резултат ще се постигне снижение на емисиите на СО2 със 7% или с около 60 млн.т/г., което няма нищо общо с мечтите на чиновниците от Брюксел за използване на 100% водород в ТЕЦ и нулеви емисии на СО2, като се пренебрегват съпътстващите емисии на огромни количества азотни оксиди.

При сравненията между природния газ и водорода трябва да се разглеждат равностойни величини. Какво се има предвид? При изгаряне на 1 кг. метан се отделя 50 мегаджаула /МДж/ топлина, от 1 кг. водород – 130 МДж. Но в ежедневието в битовите мрежи се доставя газообразно гориво, което се измерва в кубически метри. Специфичното тегло на водорода е 7,3 пъти по-леко от това на метана. Така че за да получим едно и също количество топлина, примерно 130 МДж, при метана трябва да изгорим 3,96 куб.м., а при водорода 11,11 куб.м.  Като се имат предвид цените на природния газ и средната цена на водорода, транспортните разходи и търговските надценки, то за едно и също количество топлина при водорода ние потребителите ще плащаме многократно по-висока цена. Интересен е въпросът с домакинското оборудване в случай, че се премине към 2050 г. на 100% водород. От какъв метал трябва да са изработени печките, горелките им, тенджерите и тиганите за да издържат на температура не по-малка от 2000 градуса по Целзий, при която изгаря водородът, за да не се разтопят? А цената им?! Може би ще зарежем битовите газификационни мрежи и ще преминем на електрическа енергия. А нейната цена каква ще бъде към 2050 г. и в какво съотношение със средната заплата? За сега никой от привържениците на водородната газификация не я прогнозира обосновано с цифри. Само ще напомня, че себестойността на електрическата енергия от ТЕЦ зависи на 80-90% от цената на горивото.

Пред развитието на водородната енергетика стоят много сериозни проблеми свързани с химическите и физическите свойства на водорода. Те стоят нерешени от времето на нефтената криза през 1974 г., когато цената на нефта скочи четирикратно и се роди желанието да се избяга от нефтената зависимост чрез газификация.

Водородът е най-разпространеният химически елемент във Вселената, но в чист вид той отсъства на нашата планета. Той е толкова активен химически, че с голяма лекота и скорост влиза във взаимодействие, с което и да е химическо вещество. Затова изискванията за неговото съхранение са изключително високи. Той се стреми да влезе във взаимодействие с всеки материал, от който е изработена цистерната за неговото съхранение. Аналогични са проблемите и с тръбопроводите на газопреносната и разпределителната мрежа в Европа и у нас. Използването на наличната мрежа е свързано с огромни загуби и компрометират икономическата обосновка на всеки проект за доставка на водород по тях. Вътрешната повърхност на използваните понастоящем газопроводи ще деградира/корозира в сравнително много кратки периоди. Срокът им на експлоатация би бил по-дълъг, ако добавката от водород е до 30%, а за най-новите „морски” тръбопроводи до 70%. Няма публикувана информация, дали в ЕС е направена такава проверка на газопроводите за 100% пренос на водород по тях.

Бензин или водород?

Замяната на бензина с водород в автотранспорта поставя изискване за приемлив пробег без зареждане с новото гориво. Това зависи както от обема на резервоара,  от качествата на материала, от който е изработен, така и от налягането на нагнетяване на водорода. При повишаването на налягането се увеличава и вероятността за изтичане на газа и при микроскопични дефекти на вътрешната повърхност на балона. В Русия е приет стандарт 200 атмосфери на водорода в балона и се маркира на видимата страна. Но при това налягане за зареждането с 1 кг. водород, обемът на балона-резервоар трябва да бъде 56,3 литра. Количество крайно недостатъчно за приемлив пробег. Следващата стъпка за увеличаване на количеството водород в балона е той да се изработи от титан за да издържа налягане от 400 атмосфери.

Фиг.1

Но и това се оказва недостатъчно за конструкторите.

Япония е водеща страна в света по производство на автомобили ползващи водородно гориво. На фиг.1 е показан балон за водород на лека кола Тойота. Изработен е от композитни материали, които са изключително химически устойчиви и не реагират с водорода. Якостта е достатъчна да издържа налягане над 700 атмосфери. При пряко попадение на куршуми корпусът се разкъсва по цялата си дължина, като осигурява мигновено изтичане на цялото съдържание на водорода, което се устремява бързо нагоре далече от хората. Целта е да се избегне взривоопасна смес на водорода с кислорода от атмосферата. Всички цифри се виждат ясно на корпуса на балона.

Но и при това налягане енергийната плътност на водорода е недостатъчна – 4,4 МДж на литър, докато при 1 литър бензин е 31,6 МДж. Да, 700 атм. налягане, високотехнологичен материал на резервоара, а в резултат 7,7 пъти по-малко гориво в сравнение с традиционния бензин в същия резервоар. Наистина емисиите на СО2 са по-малко, но при високата температура на изгаряне на водорода се увеличават емисиите на азотни оксиди.

Като се имат предвид завишените изисквания към течните горива въведени със стандарт „Евро-5”, инвестициите за постигането им съвсем не са малки, но те са многократно по-малки от тези за масово производство на леки автомобили на водородно гориво.

Необходимостта от високо налягане в цистерните, пожаро-опасността при изтичане на водород от тях и огромния риск при транспортирането на промишлени количества чист газообразен водород изисква огромни инвестиции за безопасно оборудване както на транспортните средства така и на авто-зарядните водородни станции.

Възможно е втечняване на водорода, но с това не се намаляват нито инвестициите нито проблемите. Той се втечнява при температура минус 252,76 градуса по Целзий при нормално налягане. Природният газ се втечнява при минус 161 градуса, но трябва да се знае, че това е най-високо технологичният процес на газовата промишленост. Разликата в плътността на природния газ и водорода е повече от 7,8 пъти в полза на първия. Разходите за втечняване на водорода нарастват скокообразно при необходимост за съхранението му в това агрегатно състояние. Цистерните за съхранение на течен водород се изработват от висококачествена стомана. Те са съоръжени с филтри за фино почистване на течния водород и специална конструкция на пробовземащите устройства/прибори и най-важното с високоефективна топло-изолационна система. Ако можем да се примирим с изтичането на водород от цистерните с голяма вместимост, то всякакви загуби от резервоарите на автомобилите са за сметка на собствениците им. Затова изискванията към тях са по-високи. За автомобил BMW Hydrogen 7 конструкторите на компанията са разработили 74-литров резервоар за течен водород, загубите от който са около 1,5% на ден. В абсолютни цифри това са 1,1 литра течен водород  на денонощие изчезват безследно, което е 8,8 $ от джоба на собственика на колата!

Изводите са очевидни.

Използването на ТЕЦ не на смес природен газ и водород, а само на чист водород изисква многомилиардни инвестиции както за преустройване на съществуващи централи така и за строителство на нови. Разходите растат и във връзка с необходимостта от съоръжения за сепариране на атмосферния въздух с цел да се осигури вдухване на чист кислород в котлите/пещите на ТЕЦ и да се предотврати емитирането на азотни оксиди, които са много по-опасни за здравето на хората и опазването на природата от СО2.

Изгарянето на водород в двигателите на автомобилите намалява образуването на СО2, но увеличава това на азотните оксиди.

Доставката на чист водород по съществуващите газови тръбопроводи е невъзможен. Необходимо е да се строят нови магистрални, газопреносни и газоразпределителни системи със специални водородоустойчиви тръби.

Съхранението и използването на водород в газообразно състояние изисква резервоари с различна вместимост, изработени от композитни материали, както за ТЕЦ така и за всякакви транспортни средства /леко-, тежкотоварни автомобили, локомотиви и др./

Съхранението и използването на водорода в течно състояние има същите изисквания плюс поддържане на нискотемпературна среда.

Относно безопасността:

Водородът има един от най-широките диапазони на експлозивни / запалителни смеси с въздуха от всички газове, с малки изключения като ацетилен , силан и етиленоксид. Това означава, че каквото и да е съотношение на смесване между въздух и водород, при запалване на изтичащ водород най-вероятно ще доведе до експлозия, а не до просто пламък.

В тази връзка европейските специалисти предлагат складовете за водород да се изграждат на минимум 40 км. от най-близкото селище.

Практическата реализация на всичко изброено до тук изисква огромни, многомилиардни инвестиции.

Използването на чист водород в бита  е невъзможно поради физико-химичните му качества. Замяната на природния газ в жилищния фонд е възможна с електрическа енергия с приемлива за потребителите цена, като се осъвремени окабеляването на сградите.

Практическата реализация на 100% декарбонизация на бита и индустрията е все още в областта на мечтите на богатите страни и вещае кошмар за бедните. Възниква въпросът: Защо е необходимо да се замени местната, евтина, енергийна суровина от лигнитни въглища, която дава поминък на стотици хиляди хора в Европа и осигурява на голяма част от страните членки на Съюза относителна енергийна независимост и по-висок стандарт на живот, с вносен природен газ, чиято цена е трудно прогнозируема в близка и по-дългосрочна перспектива? Както моментно тя е ниска, до една година може да стане по-скъпа, и ако се увеличи употребата и търсенето й, то скокът на цената може да бъде шоков.

По отношение на цените на „зеления” водород се откроява тенденциозното прогнозиране на изключително ниски стойности от страна на активно лобиращите агенции за спешна декарбонизация като Bloomberg NEF, Международната агенция по енергетика и Международната агенция за възобновяема енергия (IRENA). Прогнозните им цени са от порядъка на 1,4 – 2,9 щатски долара за кг през 2030 г. и към 0,8 до 1 щатски долара за кг. през 2050 г. В същото време доклад на консултантската компания Prognos отпреди месец, публикуван на страницата на немското министерство сочи, че може да се очаква цената на зеленият водород през 2050 г. да варира от 4,6 до 7,8 евро за килограм.

Производството на водород и частичното му смесване с природния газ е възможно, но твърде луксозно удоволствие за масовите потребители на фона на очаквания екологичен ефект.

Целта на висшето политическо ръководство да направи Европейския съюз пионер в декарбонизирането на бита, енергетиката и индустрията може да постигне печални резултати – разпиляване на многомлиардни средства, тотално обедняване и разпадане на Съюза. Политическите ръководства на големите световни икономики – Индия, Китай, Русия, САЩ - поставят на първо място икономическите, здравните, образователните и социалните интереси на страните си и след това решаването на екологичните проблеми съобразно реалните си технически, технологични и финансово-икономически възможности.

Ползвани публикации:

-  https://theicct.org/sites/default/files/icct2020_assessment_of_hydrogen_production_costs_v1.pdf

-  Сообщество «Геоэнергетика»  28 июля 2020 ... Борис Марцинкевич. «Здравствуй, чудный водородный мир!»

-  Зеленият водород е добра, устойчива алтернатива на фосилните горива, но по-скъпа, Боян Рашев, Денкщат

· ICCT за цените на зеления водород в САЩ и Европа.