Климатичните промени в последните години се дължат основно на антропогенна

Климатичните промени в последните години се дължат главно на антропогенна активност, обвързвана с обособяване на парникови газове. Най-голям дял има енергетиката, която употребява изкопаеми горива. Освен че задълбочават климатичните промени, тези горива са и изчерпаем енергиен източник, което прави доста примамлива опцията за възобновимо гориво, отделящо нула нездравословни излъчвания. Водородът има капацитет да бъде такова гориво и от десетилетия тази тематика вълнува учени и бизнесмени. Но пред тази утопична фантазия към момента има редица провокации за превъзмогване, които са обект на полемики и печелят последователи и съперници на водорода като гориво на бъдещето. Научна предистория на химичния детайл водород

Водородът е първият химичен детайл от Периодичната система и е най-разпространеното химично вещество във Вселената. Звездите зареждат своето горене точно с водород и той е съставка от съвсем всяка органична молекула. Открит е през 18 в. от Хенри Кавендиш и е кръстен от Антоан Лавоазие поради способността му да „ ражда вода “ при взаимоотношението си с О2. Поради огромната си реактивоспособност той не съществува на Земята като просто вещество, а в състава на разнообразни химични съединения. Затова първата стъпка в опитите да бъде употребен за гориво е приемането му. Най-често употребяваните способи са парна компресия (реформинг) на въглеводороди и електролиза.

Реформингът  на въглеводороди е високотемпературен развой, при който водни пари реагират с въглеводороди до приемането на водород. Много въглеводородни горива, като природен газ, дизел, възобновими течни горива, газифицирани въглища или газифицирана биомаса са подобаващи за приемането на водород. Днес към 95% от целия водород се създава при парна компресия на метан (CH4), който е главен съставен елемент на природния газ.

CH4 + H2O (пáра) → H2 + CO

За протичането на реакцията водните пáри би трябвало да са с температура сред 700°C и 1000°C. При по-нататъшна обработка въглеродният оксид се трансформира във въглероден диоксид. Недостатъците на този развой са високата температура, която би трябвало да бъде поддържана за приемането на водорода и отделянето на парникови газове, и фактът, че за изходна суровина се употребяват още веднъж въглеводородни горива. 

Електролизата  е развой на приемане на водород и О2 от вода под деяние на електричен ток и е една от обещаващите варианти за произвеждане на водород без въглероден отпечатък. За тази цел електричеството, което се употребява би трябвало да бъде от възобновими източници. За страдание все още производството на водород посредством електролиза е в пъти по-скъпо от парната компресия и по тази причина едва застъпено в индустрията.

 Водородните горивни кафези – преимущества и провокации

Обратният развой на електролизата е в основата на водородните горивни кафези, върху които има огромни упования. Работят на правилото на батерия, на чийто електроди се подава водород и О2, разбъркан с въздух. Между двете е сложена полимерна мембрана, пропускаща протони и продуктът на реакцията е вода.

Предимство на водородните горивни кафези е тяхната енергоефективност  – 

до момента в който една стандартна електроцентрала, захранвана от въглища, генерира електричество с успеваемост от 33 до 35%, при системите с водородни горивни кафези тази успеваемост е най-малко 60%. Това е и значително предимство по отношение на бензиновия мотор на общоприет автомобил, който е с по-малко от 20% успеваемост при превръщане на химическата сила на бензина в мощ, която движи транспортното средство при естествени условия на шофиране. По отношение на отделеното количество парникови газове производството на водород от природен газ е двойно по-щадящо атмосферата в съпоставяне със сегашните бензинови мотори. Освен това горивните кафези работят безшумно, имат по-малко движещи се елементи, които да се амортизират, а и отпадъчният артикул е чиста вода.

За да бъде употребявано в автомобилната промишленост, водородното гориво би трябвало да преодолее едно значително предизвикателство  —   съхранението на водородното гориво.  Водородът може да бъде съхраняван по 4 вероятни метода:

- сбит под високо налягане; 

- течен водород, под формата на железни хидриди;

- на повърхността на порести материали; 

- въглеродни нанотръби. 

Съхранението на водород като газ нормално изисква резервоари с високо налягане (350 — 700 бара), при които не е изключена опцията за протичане. Водородът е мощно избухлив даже и при ниски концентрации във въздуха и това е съществено основание за сигурност. Съхранението на водорода като течност изисква доста ниски температури, защото температурата на шупване на водорода при атмосферно налягане е -252,8°C. Поддържането на тази температура в авто контейнер е енергийно неефективно. Значително по-лесно и безвредно е съхранението на водород под формата на железни хидриди (съединения на метал с водород), само че тук спънка се явява масата на количеството хидрид, належащо за прекосяването на обещано разстояние. Теглото на някои сплави може да доближи до 1250 кг за предпазване на 15 кг водород, като по този метод доста се понижава енергийната успеваемост на автомобила. 

Тези дефекти за общоприетия автомобил не са толкоз огромни спънки пред огромни транспортни средства. В продължение на десетилетия НАСА разчита на водородния газ като ракетно гориво, с цел да доставя екипаж и товари в космоса. С галактическите кораби на Centaur, Apollo и галактическите совалки НАСА е събрала богат опит в безвредното и дейно боравене с водород. Например ракетните мотори на всеки полет на совалка изгарят към 500 000 галона течен водород и още 239 000 галона, употребявани за интервенциите по изпаряване, прекачване и предпазване на горивото. 

Съхранението на водородното гориво не съставлява проблем и за тежката индустрия, която е един от огромните замърсители на атмосферата. Производството на бетон и цимент е отговорно за 15% от отделяните парникови газове в международен мащаб. Електрическата сила не е задоволително мощна, с цел да замести въглищата, като различен енергиен източник без въглероден отпечатък. Водородното гориво от своя страна има нужните качества за покриване на тези енергийни потребности, само че добивът на водород изисква огромно количество сила, получена от изкопаеми горива или нуклеарни електроцентрали. Това го прави доста скъпо гориво, до момента в който изкопаемите горива са доста по-евтини и налични на този стадий. Изградена е добре развита инфраструктура за рандеман, преправка и превоз, основана в продължение на десетилетия. Зад нея стоят огромни компании, вложили милиарди, които пазят ползите си и отхвърлят опитите за различни източници на сила. 

Място на водорода в международната стопанска система към днешна дата Обявени в света планове за произвеждане на атомна сила. Източник: Hydrogen Insights 07.2021.

Поради възходящите проблеми с климатичните промени и след публикуването на доклада Hydrogen Insights през февруари 2021 година, повече страни са се заели с задачите за декарбонизация. В международен мащаб са оповестени планове за чист водород, възлизащи на потенциал общо над 10  милиона тона до 2030 година или към 1/3 от общия растеж на търсенето на чист водород, предстоящ в идващото десетилетие. Китай се обрисува като евентуален водороден колос – оповестена е тенденция към нула въглеродни излъчвания до 2060 година и се възнамерява да реализира „ въглероден пик “ в разнообразни браншове, в това число авиация и стомана преди 2030 година За целия свят са препоръчани и утвърдени над 350 широкомащабни водородни плана, а международната инвестиция е за над 500 милиарда $. Тези вложения, дружно с напъните на учени, енергийни специалисти и бизнесмени несъмнено слагат водорода в централна позиция за постигането на стопанска система с нулев въглероден отпечатък.

Мястото на България във водородната енергетика По отношение на развиването на водородните технологии в България, мощна градивна поддръжка идва от българската научна общественост, която е най-информираната социална група, поради че е част от Европейското изследователско пространство (ERA) и работи интензивно по европейски планове. Редица организации, проучвателен центрове и министерства си партнират близо 20 година по въвеждането на “ Зелената сила ” в Република България посредством ускорено внедряване на върховите за международната просвета водородни технологии. Създадена е националната стратегия „ Водородни технологии – атомна стопанска система ”, като все още в България има няколко центъра за локално произвеждане на водород за промишлени приложения. Сред тях господства произвеждане на водород посредством водна електролиза с изключение рафинерията в Бургас (собственост на компанията Лукойл), където се ползва реформинг. Пример за реализация на общинско равнище е община Белене. От април 2021 година публично влезе в употреба нова система за рандеман на водород за потреблението му в отоплителните системи на обществените здания. Собственик на създаването и реализатор на плана е българската компания “Грийн Иновейшън “. 

Бедна на въглеродни горива, България се трансформира в район с отлични благоприятни условия за развиване на възобновими енергийни източници (ВЕИ), което може да се трансформира в позитив за нейната стопанска система.

Автор: Надежда Ангелова / Климатека

Д-р Надежда Ангелова е гл. помощник в катедра Неорганична химия на ФХФ на СУ “Св. Климент Охридски ”. Научната ѝ работа е съсредоточена върху синтезиране и охарактеризиране на разнообразни наночастици, които служат като сорбенти и могат да се употребяват в здравната процедура или в системи за филтриране на води от органични и неорганични замърсители. Надежда има опит и като преподавател по естествени науки и в преподавателската си процедура включва доста провокации към учениците, свързани с понижаване на опаковките в всекидневието им, изложения по тематиката за климатичните промени, боклуци, потребителска осъзнатост и резистентен метод на живот.

В обявата са употребявани материали от:

1. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/06/f52/fcto_state_of_states_2017_0.pdf
2. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/10/f37/fcto_2016_market_report.pdf
3. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/03/f34/fcto-h2-storage-fact-sheet.pdf
4. https://www.nasa.gov/content/space-applications-of-hydrogen-and-fuel-cells
5. https://www.sustainablefinance.hsbc.com/carbon-transition/hydrogen-enabling-decarbonisation-in-heavy-industry
6. https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2021/07/Hydrogen-Insights-July-2021-Executive-summary.pdf
7. https://dps.mn.gov/divisions/sfm/programs-services/Documents/Responder%20Safety/Alternative%20Fuels/FuelCellHydrogenFuelVehicleSafety.pdf
8. https://www.hylaw.eu/sites/default/files/2019-02/HyLAW_%20policy%20Paper_Bulgaria_in%20Bulgarian.pdf
9. https://bgh2society.org/
10. https://bit.ly/3fgP3qV