Добив на водород

Възобновяеми енергийни технологии

Водородът като източник на енергия е изключително привлекателна възможност, която от години не дава мира на учени, икономисти и инженери. Магнетичността му идва от начина на работа: при своето „горене“ водородът отдава енергия, а единственият остатъчен продукт от процеса е вода – полезно вещество, което се явява и суровина за добиването на водорода. Кръгът е затворен. Не е ли прекрасно? 

Текст: списание Енергия

Във време, когато светът все повече се стреми към декарбонизация и намаляване на вредните емисии, вниманието се насочва към иновативни и устойчиви решения за производство на енергия. Водородът, често наричан „горивото на бъдещето“, играе ключова роля в тази преходна динамика. Способността му да се произвежда по екологичен начин и да се използва в разнообразие от приложения – от захранване на транспорт и промишлени процеси до съхранение на енергия и отопление на домове, го превръща в един от най-обещаващите кандидати за възобновяем енергиен източник на бъдещето.

Съвременните тенденции при използването на водород подчертават иновациите и технологичните постижения в сектора. От зеления водород, произведен чрез електролиза на вода с електричество от възобновяеми енергийни източници, до разработването на синия водород, при който емисиите на въглероден диоксид се улавят и съхраняват, тези подходи представляват основата на усилията за постигане на устойчиво енергийно бъдеще.

Въпреки че водородът е най-изобилният елемент във Вселената, той рядко се среща в свободна форма на Земята и трябва да бъде произведен от водни или органични източници. Затова в тази статия ще разгледа ключовите съвременни тенденции в производството на водород като възобновяем източник на енергия, обръщайки внимание на предизвикателствата и възможностите, които той предоставя. В контекста на глобалните усилия за борба с климатичните промени и прехода към нисковъглеродна икономика, изследването на водорода като възобновяем източник на енергия се явява не само актуално, но и критично за бъдещето на нашата планета.

Методи за производство и добив на водород

Традиционните методи на добиване на водород разчитат предимно на преработката на изкопаеми горива (въглеводороди). Най-предпочитан е метанът. Все пак преработката на въглеводородите има редица особености, все по-неприемливи от гледна точка на опазването на околната среда. Процесите са ендотермични, тоест изискват топлина, следователно са енергоемки, а сред отпадъчните продукти има небезопасни вещества. Най-голямото количество остатъчна субстанция се пада на въглеродния оксид. Справянето с толкова много CO изисква допълнителна преработка, която пък се нуждае от още енергия и суровини. 

Друг проблем е, че почти всички горива, от които може да се извлича водород, съдържат сяра. Налага се прилагането и на технологии за премахването й. Освен, че оскъпяват преработката, тези процеси също изискват оборудване и енергия, а някои от тях все пак отделят токсични отпадъчни продукти. 

Източник на водород е и биомасата. Тя няма лошия имидж на изкопаемите горива, но преработката й е трудна. Биомасата се добива от широк кръг източници като животински отпадъци, твърди битови отпадъци, растителни остатъци, дървесни култури с кратък цикъл на ротация, селскостопански отпадъци, дървени стърготини, водни растения, тревисти видове с кратка ротация, отпадъчна хартия, царевица и много други. За генериране на водород от подобни суровини настоящите технологии за биомаса включват: газификация, пиролиза, превръщане в течни горива чрез суперкритична екстракция, втечняване, хидролиза и др. Тези технологии имат своите недостатъци, например остатъчни утайки, енергоемкост, използване на скъпи каталитични материали. 

Поради всичко това съвременните търсения на технологии за добив на водород са насочени към технологии за създаване на водород без отделяне на емисии, без опасни отпадъчни продукти и чрез използването на щадящи природата методи. Част от проучванията са насочени към биологично производство – посредством различни микроорганизми или естествени процеси. Друга много съществена част от усилията разчитат на процеса на електролиза, когато обаче тя се захранва с „чисто“ електричество. Това означава токът да идва не от електроцентрали, които горят изкопаеми горива, а от екологични централи – вятърни, слънчеви. 

Сив, син или зелен водород?

Различните технологии за добив на водород условно са групирани в три „цвята“ в зависимост от това какво е тяхното влияние върху околната среда, най-вече от гледна точка на парникови емисии. Най-старото поколение технологии за добив разчитат на преработката на въглеводороди. При това се отделя въглероден оксид. След известна обработка той се преобразува във въглероден диоксид, който се освобождава. CO2 обаче е парников газ. Следователно този метод на производство не е екологичен и е наречен „сив“ водород. 

По-новото поколение инсталации за преработка на въглеводороди и добив на водород се съчетават с методи за улавяне и съхранение на въглерода. Този метод спестява на природата парниковия ефект, но оставя отворен въпроса за съхранението на излишния въглерод. Този добив е наречен „син“ водород. Електролизното разделяне на вода за добив на водород остава само един остатъчен продукт – кислород. Когато електролизата е захранена от възобновяемо електричество, процесът се приема за „чист“, а добитият водород е наречен „зелен“.

Водород от биомаса

Поради повишеното внимание към устойчивото развитие и минимизиране на отпадъците, изследванията в областта на биоводорода имат значителен ефект и се увеличиха през последните няколко години. Основните технологии за биопроцеси, използвани за производство на водород, включват: фотолитично производство от вода чрез зелени водорасли или цианобактерии (известен също като директна фотолиза), тъмноферментативно производство на водород на база анаеробно смилане на органичен материал, фотоферментативни процеси. Добиването на водород по тези начини става чрез входяща суровина, която е вода (при фотолизата) или биомаса (при ферментационните процеси). За тези технологии има редица предизвикателства и все още е трудно да се приложат в мащаб, но заслужават внимание заради това, че са биологични и по-щадящи за околната среда.

Директната фотолиза използва слънчевата енергия, за да превръща въглеродния диоксид и водата във въглехидрати и кислород. За някои организми излишната слънчева енергия се „издишва“ чрез производство на водород посредством директна фотолиза на вода. Изследователите се опитват да култивират такива водорасли и бактерии, които да могат да преработват много слънчева енергия и да има голяма част от нея, която се „издишва“ във вид на водород. Идеята е организмите да произвеждат въглехидрати само дотолкова, че да поддържат живота си. 

Директната фотолиза на вода се извършва по два начина. Първо, може да използва зелени водорасли с тяхната способност за фотосинтеза и генериране на кислородни и водородни йони. Предимството на технологията е, че основната храна е вода. Тя е евтина и е достъпна на много места. В момента този процес изисква значителна площ за събиране на достатъчно светлина. Друго предизвикателство е, че микроорганизмите произвеждат не само водород, но и кислород, който, когато бъде усетен от организма, го кара да спре производството на водород. Следователно предстои работа за справянето с този проблем. 

Ефективността на процеса все още е слаба: варира от 0,2% до 2%. Все пак привържениците на фотолитичния водород твърдят, че е 10–13% са постижими чрез препроектиране на организмите да използват по-добре слънчевата енергия. Друго предизвикателство е да се постигне непрекъснато производство на водород при аеробни условия. 

Тъмната ферментация използва предимно анаеробни бактерии, въпреки че се впрягат и някои водорасли, върху богати на въглехидрати субстрати. Те биват отглеждани, както показва името, в тъмнина. За ферментативните процеси използваната биомаса трябва да е биоразградима, налична в големи количества, с високо съдържание на въглехидрати. Предпочитани са картофено пюре, прости захари, които са лесно биоразградими – като глюкоза и лактоза, макар да не са лесно достъпни в големи количества или да са относително скъпи. Може да се използват нишесте и други суровини, които са отпадъчни за хранително-вкусовата индустрия. 

Начините за добиване са различни в зависимост от използваните бактерии. Стандартният ферментационен път има теоретичен производствен максимум от 4 мола водород на един мол глюкоза. Учените твърдят, че са в състояние да подобрят тези показатели чрез молекулярно инженерство. Целта е да се увеличи теоретичният максимум на производството на водород до 12 мола водород на мол глюкоза. 

Тук има предизвикателства също. Произведеният газ е смес от водород, въглероден диоксид, метан, въглероден оксид и малко сероводород. Следователно е необходимо тяхното разделяне за производството на водород с висока чистота. Освен това процесът на ферментация произвежда оцетна, маслена и други органични киселини, което е по-значим проблем. Тези киселини могат да понижат добива на водород. 

Електролизата - класика и надежди

Добиването на водород от вода чрез електролиза остава най-популярният и желан метод за производство на водород. Възходът на възобновяемите енергии направи възможно електричеството за електролизата да се добива изцяло от слънцето или вятъра, което означава водородът да е изцяло екологичен. Според Международната енергийна агенция, този метод на добив на водород би спестил 830 милиона тона парникови емисии годишно от производството на водород от изкопаеми горива. 

Голяма част от новите разработки на технологии за водород се основават именно на електролизата. Налице е тенденция да се търси максимална физическа близост между съоръженията за добив на водород и източниците на екологично електричество. Именно в сферата на електролизата са и най-новите постижения в добива на „зелен“ водород. Ето някои от тях. 

В проучване, публикувано наскоро, учени установиха, че влажността във въздуха може да е жизнеспособна алтернатива за добив на водород. Разработката е наречена „директен въздушен електролизатор“. Използва хигроскопичен електролит, изложен постоянно на атмосферата. Такъв електролит има висок потенциал за спонтанно извличане на влага от въздуха (без входяща външна енергия), което го прави лесно достъпен за електролиза и производство на водород, след като бъде свързан с (възобновяемо) захранване. Способността да се използва влага от въздуха прави модула приложим в отдалечени, сухи и полусухи среди, където няма значителни водни обекти и достъпът до прясна вода е труден. Това е важно, защото в повечето райони на земята с висок слънчев и вятърен потенциал липсва прясна вода. Например пустинята се смята за добро място за слънчева енергия, но там няма реки и езера. 

Други учени изобретиха соларен панел, който наред с електричеството произвежда и водород. Изследователи от Белгия направиха фотоволтаичен модул, който произвежда водород като източник на гориво за отопление на домовете. Използвайки отново влагата в атмосферата, панелът преобразува слънчевата светлина във водороден газ, произвеждайки около 250 литра газ всеки ден! Това значи, че 20 слънчеви панела могат да осигурят достатъчно енергия и електричество за отопление на дом и дори би имало резерв за следващата година. Разработката е на ниво пробни инсталации в реални домове във Фландрия. 

Въпреки че технологията със сигурност е обещаваща и е нулевоемисийна, цената на слънчевите панели, резервоарите за съхранение и оборудването за инсталацията остава неизвестна. Но дори първоначалните разходи да са високи, собствениците на жилища ще изплатят системата с течение на времето, особено ако вече не разчитат на градско електричество или природен газ.

Другаде по света, в Саудитска Арабия, учени създадоха соларен панел, който произвежда водород не чрез фотоволтаично електричество, а чрез фото-електрохимичен процес. Това прави производството директно, без използване на електрически вериги и всичкото необходимо оборудване за функционирането им. 

Иновация в добива на водород е нанопяната от желязо и никел. Изследователски екип от Вашингтонския държавен университет е разработил „начин за по-ефективно генериране на водород от вода“ с катализатор, подобен на гъба от нанопяна, направен от евтините метали желязо и никел. Тази комбинация замества редкоземните метали, които биха се използвали като катализатори в повечето системи за електролиза. Този изследователски екип е заложил на два изобилно налични и евтини метала, за да създаде катализатор, който според тях действително работи по-добре от много други.

Порестата нанопяна прилича много на гъба и може да катализира реакцията, използвайки по-малко енергия от другите, благодарение на „уникалната си атомна структура и много открити повърхности в целия материал“. Университетът каза, че системата „показва много малка загуба на активност при 12-часов тест за стабилност“. Макар че изглежда, че повечето иновации в добива на водород се случват пряка връзка с фотоволтаиката, реалните проекти са по-балансирани. Сред множеството тестови, експериментални и пилотни инсталации за производство на водород чрез ВЕИ има немалко такива, които разчитат на ветроенергийни системи, особено офшорни поради близостта им с големи източници на вода. 

Водород от морски сероводород 

Идеята за добиване на водород от сероводород от естествени източници е предложена от БАН и пионерски е приложена в българските териториални води на Черно море преди няколко години по проект, финансиран от програма „Хоризонт 2020”. Технологията разчита на своеобразна горивна клетка, в която има положително и отрицателно заредени елементи – анод и катод, и сърцевина от пропусклива мембрана. Под въздействието на електричеството морската вода със сероводород се разгражда и разделя на водород и сяра. На теория всяка клетка, работеща по тази технология, може да осигури до 1,08V напрежение, според изследователите от БАН. Практически по време на демонстрационния проект край Варна е достигнато напрежение 0,8-0,9 волта. 

Предимство на технологията е, че разчита на колосален източник - изчислено е, че в Черно море в момента има 4,8 млрд. тона сероводород. Освен това всяка година се образуват още около 7 милиона тона от веществото. Отровният химикал плува под повърхността на водата, като се появява на дълбочина около 150 метра и по-надолу става по-концентриран. В експерименталната инсталация, постигнала 0,8-0,9V, водата е изтеглена от дълбочина 500 метра. Друго предимство на технологията е, че е напълно безотпадъчна и без каквито и да е вредни емисии. Също така горивната клетка може да се пуска и спира лесно. Освен Черно море, подходящи за прилагане на подобна технология са и всички водни басейни, които са дълбоки и нямат силни водни течения, т.е. водата е относително статична. Такива освен Черно море са Балтийско и Каспийско море, някои фиорди.

Сред ключовите въпроси, които често биват отправяни към инженерите, създали системата, е съдбата на остатъчната сяра. Тя може да се връща в морската вода под формата на сулфиди, които подхранват анаеробните бактерии, произвеждащи сероводорода, посочват от БАН. Освен това сярата е потребна в редица индустрии. Нейната пазарна цена остава стабилна в глобален мащаб и дори леко се покачва в последно време. 

Предизвикателство за технологията е материалът, с който се изгражда инсталацията, т.к. сероводородът е силно корозивен и металните съдове са неподходящи. Освен това мембраната, която се използва в процеса, е специфична и засега се произвежда само в Япония. Помпите пък трябва да са изключително мощни, за да засмучат вода от дълбочини от порядъка на 1000-2000 метра. 

При реално функциониране системата би използвала пусков ток за стартиране на електрохимичната реакция, а след това – електроенергия за захранване на мощните помпи, с които да се изсмуква вода със сероводород от голяма дълбочина. Токът, необходим за самообслужване, възлиза на около 10% от добитото електричество. Трябва да се отбележи и, че технологията работи при нормални температури на околната среда. С подобно високо КПД от 90% и приложимост в естествени условия водородът от сероводород може да осигури енергийните нужди на България и целия ЕС за стотици 100 години, подчертават изследователите. 

Съхранение на водорода 

Съхранението на добития водород остава обект на вниманието на множество изследователски и пилотни разработки. Двата най-популярни метода, които се използват и доразвиват, остават съдовете под налягане и вграждането във вещества-носители: адсорбенти. Това са химически съединения, които поемат водорода, но под влиянието на дадена температура или друг външен фактор го освобождават. Най-често в тях присъства метал. 

Последното е тема на множество експерименти. Така например има редица за съхранение на водород чрез масло, провеждани от институтите в Германия. Неотдавна пък учени създадоха магнезиева „водородна паста“, която да може да захранва електромобили.  Разработката на флуидите-адсорбенти най-често е част от стремежа да се намери начин за бързо, лесно и безопасно презареждане на електрически превозни средства с водородни горивни клетки – автомобили и камиони, фериботи и самолети, влакове. 

Пазар и европейски регулации 

Стратегията на Европейския съюз REPowerEU цели 20 милиона тона доставки на възобновяем водород до 2030г. Половината от това количество следва да бъде осигурено от вътрешно производство, а другата половина евентуално чрез внос. Тази политическа амбиция се очаква да се превърне в нарастващ брой проекти за електролизен добив на водород. Общият брой на инициативите, които са „поставени на масата“, включва 35 GW системи, които вече са в процес на разработка, и още 100GW проекти, които са в ранен етап. Очаква се общото търсене на водород в цяла Европа да надхвърли 1800TWh до 2050г.

За повечето страни, според прогнозата на ЕС, най-голямото търсене ще дойде от промишлеността. Потребността от водород в сектора на мобилността ще идва от автобуси и тежкотоварни превозни средства поради трудността при електрифицирането на тези сектори. Използването в морския и авиационния сектор се очаква да се увеличи най-вече след 2040г. За момента регулациите на водородните технологии в ЕС се свеждат до предвиденото в нормите за развитие на възобновяема енергия и развитието на иновациите.