Пътно строителство с нулеви емисии
Пак ще напомним, че Европейският съюз има за цел да премине към икономика с нулеви нетни емисии на парникови газове до 2050г. Сценарият за нетни нулеви емисии/Net Zero Emissions е нормативен сценарий, който показва на енергийния сектор посоката за постигането им. Пътното строителство, един изключително сложен сектор от индустрията, също трябва да се промени. Има ли иновативни технологии, които могат да осигурят преход и достигане на нулеви емисии на тази огромна, мощна дейност, без тя да снижи показателите си? Сега ще разгледаме възможностите.
Текст: списание Инфрабилд
Предизвикателствата пред пътното строителство са много. Отдавна знаем за недостига на материали и липсата на подготвен човешки ресурс, но в последните години се оформи нов проблем. Изключително важно стана задължението за намаляване на въглеродните емисии, и то в обозримо бъдеще. Ясно е, че пътното строителство трябва да продължава въпреки всички препятствия, затова строителните компании търсят нови възможности за осигуряване жизнеспособността на сектора. Технически е възможно, с най-добрите съвременни технологии и практики, емисиите на CO2 при строителството на пътища да се намалят с повече от 75% до 2030г. и да се постигнат почти нулеви емисии до 2045г. Основната цел е да се премине плавно към устойчиви източници на енергия. Какви са вариантите?
Възможности при електрификация на тежка техника и превозни средства, използвани в пътното строителство
Електрическото задвижване е бъдещето, затова се нуждаем от преход към устойчиви източници на енергия. Разработването на строителни машини с електрическо задвижване се развива бързо. На преден план излиза въпросът със захранването с електрическа енергия. Вече има прототип на механизъм за издигане на материали, модел верижен стакер, захранван директно именно със слънчева енергия.
Електрическите стакери са перфектни машини за безопасно повдигане и транспортиране на инертни материали, а когато захранването им е от слънчеви панели, стават изключително привлекателни. Съоръжението е снабдено с достатъчен брой соларни панели, така че да бъде задвижвано изцяло от слънчева енергия. Реалният вариант на действащо захранване по този нетрадиционен начин отваря вратите пред алтернативните електрически задвижващи системи в съвременната строителната индустрия.
В идеалния случай пътностроителните машини трябва да се нуждаят от възможно най-малко енергия, която да идва от най-чистите налични енергийни източници. За строително оборудване и тежък транспорт това би означавало повишен фокус върху разработването и внедряването на хибридни и електрически технологии за превозни средства и работни инсталации, като се има предвид предпоставката за нисковъглеродно електричество. Тежкият транспорт е едно голямо предизвикателство.
Повече от половината от сегашния потенциал за намаляване на емисиите произтича от заместването на използването на дизелово гориво с транспортно биогориво (80% общо заместване), но основното направление за иновативни разработки е замяната на двигателите с вътрешно горене с електрически двигатели. В момента внедряването на възобновяема енергия в транспорта изостава. Ще отбележим, че Европейският парламент и Съветът на ЕС постигнаха временно споразумение за нулеви емисии при новите автомобили и лекотоварни коли до 2035г. От 2018г. на пътя има изцяло електрически камиони.
Предлага се цяла гама, която покрива транспортните нужди от леки доставки до трудни строителни задачи, но изцяло електрическият автопарк е нищо без съответстваща поддръжка. Оптимизирането на електрическия пробег означава, че няма да се налага да се жертва полезен товар, за да се носят повече акумулатори, отколкото всъщност са необходими. Възможен е изцяло електрически транспорт на бетона, благодарение на е-миксер. Автомобилът е с батерия с капацитет 350kWh и едно зареждане е достатъчно за няколко пътувания в градски район. При нужда от повече пътувания превозното средство се презарежда. Миксерът също е електрифициран и се презарежда през нощта в DC зарядна станция.
Възможности при електрификация в производството
Една от ключовите възможности за дълбока декарбонизация в пътното строителство е електрификацията, съпроводена с улавяне на въглерод, при производството на стомана и цимент. Производството и използването на стомана е един “труден” сектор, що се отнася до намаляване на емисиите. Доскоро експертите мислеха, че основният начин за декарбонизиране на производството на желязо е добавянето на CCS (CCS-Carbon capture and storage) технологии за улавяне и съхранение на въглерод към доменните пещи, които все още изгарят коксуващи се въглища.
Вече е ясно, че директният принос на водорода, при евентуално използване на 100% зелен водород вместо природен газ, скоро ще играе важна роля, понижавайки търсенето на коксуващи се въглища с повече от 80% до 2050г. Производството и употребата на цимент и бетон са още по-специфични. При производството на цимент се отделя CO2, независимо от използвания енергиен източник. Подразбира се, че при сегашните технологични познания добавянето на CCS технология за улавяне и съхранение на въглерода е неизбежно.
Строителните процеси предоставят огромни възможности за иновации и откриване на резерви за намаляване на въглеродните емисии. Нулевият CO2 изисква електрификация на машини/транспорт и основна промишленост, както и възможно прилагане на CCS.
Възможности, които дават водородните технологии
Една от възможностите е водороден двигател с вътрешно горене (HICEV - hydrogen internal combustion engine vehicle). Тези двигатели са просто модифицирана версия на традиционния бензинов двигател с вътрешно горене. Устройство, включващо водородно-плазмен генератор за електролиза, се инсталира в превозното средство и позволява намаляване на емисиите на замърсители в атмосферата.
Всъщност въглеродните замърсители, като въглероден оксид, въглеводороди и въглероден диоксид, са напълно елиминирани, тъй като чистият водород не съдържа въглерод, но изгарянето на водорода протича в атмосфера, съдържаща кислород и азот. Изгарянето на водород с кислород произвежда само водна пара, но изгарянето на водород при наличие на азот води до получаване на азотни оксиди. За съжаление, процесът на горене е подобен на горенето при други високотемпературни горива, като керосин, бензин, дизел или природен газ.
Ето защо водородните двигатели с вътрешно горене все още не се категоризират като двигатели с нулеви емисии, но разработките продължават. Особено голям е интересът към тези двигатели с оглед внедряването им в тежкотоварните превозни средства. Разработен е камион с водороден двигател с вътрешно горене, но са предвидени допълнителни изпитвания за надеждност и безопасност в работни условия.
Водородните двигатели са обещаваща опция за бързо намаляване на емисиите на CO2 от тежкотоварно оборудване, като същевременно отговарят на изискванията за емисии на замърсители от двигателя. В пътното строителството се налага използването на тежко оборудване, което работи дълго време и не е особено подходящо за електрификация. Макар че изгарянето на водород не е с нулеви емисии, фактът, че емисиите на CO2 са нулеви, прави водородните двигатели с вътрешно горене привлекателен вариант за хибридни превозни средства с оглед непосредствено, краткосрочно справяне със замърсяванията, особено за машини, работещи в градски зони. Ефективността на двигателя с горене на водород е сравнима с тази на традиционните двигатели с вътрешно горене.
Водородът има широк диапазон на запалимост - при наличност във въздуха от 3% до 70%, затова той може да бъде изгорен в двигател с вътрешно горене при изключително разнообразни смеси гориво-въздух. Предимството е, че двигателят може да работи с бедна гориво-въздушна смес, тогава икономията на гориво е по-голяма и реакцията на горене е по-пълна. Освен това температурата на горене обикновено е по-ниска, а това намалява количеството на емитираните замърсители - азотни оксиди.
Двигателите са устойчиви, рециклируеми и сравнително евтини за производство, особено в сравнение с батерия или горивна клетка. Вече се предлагат устройства за водородни решения за камиони и тежкотоварни трактори. Системите работят на бензинови, дизелови и LPG двигатели, като произвеждат водород от дестилирана вода. Работата на двигателя се подобрява, няма отлагания в горивната камера, предотвратяват се проблеми, засягащи филтъра за твърди частици.
Превозните средства с водородни двигатели с вътрешно горене се различават от превозните средства с водородни горивни клетки, които използват водород по електрохимичен път, а не чрез изгаряне. Интересно е сравнението между тях. Горивната клетка има висок пик на ефективност при ниско натоварване, докато при високо натоварване ефективността пада. Двигателят с водородно горене има пик при високо натоварване и може да постигне подобни нива на ефективност като водородна горивна клетка.
От това може да се заключи, че двигателите с водородно горене са съпоставими по отношение на ефективността на горивните клетки за тежки приложения. Технологията и нейното използване непрестанно се усъвършенстват. Една от идеите за подобряване е чрез резонансна електролиза на плазмено обработен и йонизиран газ с високо съдържание на водород. За да е реална възможността за ускоряване на енергийния преход за сектора на пътното строителство, технологията трябва да е изключително сигурна и безопасна.
Освен търсенето на начини за достигане на нулеви емисии, изследвания се правят и за елиминиране на един друг проблем. Водородната молекула е с много малък размер и водородът може да “изтече” през очевидно много твърди материали в процес, наречен водородна крехкост. Изпуснатият водороден газ, смесен с въздух, е потенциално експлозивен.
За да подчертаем необходимостта от иновативни разработки с ускорено темпо, ще отбележим, че към края на 2021г. само около 4% от световното производство на водород идват от електролиза. Останалите почти 96% са от 47% природен газ, 27% въглища и 22% петрол. Емисиите от изгаряне на водород могат да бъдат незначителни, но емисиите от производството на водород в момента са по-високи от директното изгаряне на източника.
Оказва се, че преди да можем да мислим за широко приложение на водорода в двигателите с вътрешно горене, трябва да се справим с редица предизвикателства. Едно от тях е увеличаването на производството на “зелен” водород. Ако се използва зелен водород от възобновяеми източници, емисиите от CO2 могат да бъдат сведени до нула.
Няколко думи за зеления водород - алтернатива на изкопаемите горива
Зеленият водород се получава при електролиза на вода, като електричеството за неговото производство е от възобновяема енергия – слънчева, вятърна или водна. Производството на достатъчни количества зелен водород ще ни гарантира стабилна алтернатива на изкопаемите горива. Особено при трудни за декарбонизиране сектори, какъвто е и пътното строителство, зеленият водород осигурява възможност за намаляване и дори елиминиране на въглеродните емисии.
Освен че производството на зелен водород допринася за укрепване на енергийната сигурност, то подобрява и качеството на въздуха. Самото производство също може да се реализира без въглерод от изкопаеми ресурси, а само със 100% използване на възобновяема енергия. Зеленият водород може да се транспортира по тръбопроводи, с кораби или камиони като газ под налягане или втечнен. Трансформиран в електричество или метан, зеленият водород всъщност предоставя енергията от възобновяемите източници за захранване на промишленост, електроцентрали, камиони, тежка техника, дори кораби и самолети.
Накратко за водородните горивни клетки
Водородните горивни клетки са икономически и екологично привлекателен енергиен носител. Те се позиционират като алтернатива на традиционните двигатели с вътрешно горене. Технологията е толкова обещаваща, че разработката в Япония е наречена “kibou”, т.е. “надежда”, до такава степен водородните клетки се възприемат като начало на устойчивото бъдеще. Те генерират електричество и топлина, използвайки водород.
Когато този водород е “зелен”, т.е. когато горивните клетки използват за самата електролиза електричество от слънчева или вятърна енергия, и когато могат да съхраняват зелената енергия от възобновяеми енергийни източници под формата на водород, те наистина са начало на едно устойчиво решение за генериране на електроенергия. Малките генератори с водородни горивни клетки могат да бъдат стартирани бързо, а при нужда - окрупнявани. Има и разработки, при които топлината, получавана от самата водородна горивна клетка, се преобразува в електроенергия, което позволява генериране на електроенергия при прекъснато електрозахранване.
Една модулна система за възобновяема енергия, която съчетава електроенергия, генерирана от слънчеви панели, от водородни горивни клетки и от съхранение чрез литиево-йонни батерии, може да покрие нуждите на даден завод за производство на асфалт или други материали, нужни за пътното строителство. Когато електроенергията от възобновяеми източници се използва комбинирано и за генератори с горивни клетки с чист водород, това може да реши проблемите с големите инсталационни площи, необходими за фотоволтаично производство, както и да елиминира чувствителността към атмосферните влияния.
Водородните горивни клетки ще трансформират производството на електроенергия в световен мащаб. Очаква се усъвършенстваните водородни горивни клетки да бъдат стабилна и многофункционална технология за производство на зелена енергия, която да допринесе за въглеродна неутралност на много производства, включително и в така трудния за декарбонизиране сектор на пътното строителство.
Нисковъглеродни горива, произведени от CO2 от атмосферата
Има идеи за иновативни процеси, способни да превърнат атмосферния CO2, чрез съоръжения за директно улавяне на въздух, в нисковъглеродни горива, които са проектирани да бъдат съвместими с наличните превозни средства. Това би било особено полезно за пътното строителство, където се използват тежки машини и камиони и замърсяването на атмосферата от дизеловите им двигатели е огромно. Идеята е улавяне на атмосферния CO2 от специални съоръжения. Уловеният CO2 се включва в синтез на гориво, като необходимата за процеса енергия трябва да е зелена. П
олучените нисковъглеродни горива се разработват така, че да бъдат готови за употреба и да могат да се произвеждат в големи количества. При тези проучвания целта е да се създаде технология за производство на възможно най-нисковъглеродно гориво, било то дизел, втечнен природен газ или др. При директното улавяне на CO2 от атмосферата наличието му там намалява. При този процес, познат като Direct Air Capture (DAC)/Непосредствено прихващане на въздух, въздухът се вкарва в съоръженията за преработка с мощни вентилатори.
Там, чрез поредица от химични реакции, става отделянето на въглеродния диоксид и последващото му използване за производство на нисковъглеродни горива или за съхранение. Електричеството, необходимо за работата на въздушните уловители и оборудването за обработка, ще бъде доставяно от възобновяеми енергийни източници с нулеви емисии. Създадените горива генерират много по-малко въглеродни емисии в сравнение с конвенционалните горива. Горивата, произведени от CO2, изгарят по-чисто от изкопаемите горива, не съдържат сяра и отделят ниски нива на частици.
Много важна подробност е, че тези горива се проектират да са съвместими с наличните рафинерии и превозни средства, т.е. без да изискват нова и скъпа инфраструктура. Тъй като този метод на производство използва атмосферен CO2 като изходна суровина, тези горива могат да се произвеждат в големи количества, за да се отговори на световното търсене на нисковъглеродни горива.
Съоръженията имат оперативни изисквания за земя повече от сто пъти по-малки от сравнимите съоръжения за биогорива и използват значително по-малко вода. Първото такова гориво е произведено през 2017г. Това производство не е идеалното решение, но би намалило чувствително емисиите на въглероден диоксид в краткосрочен план. Проучванията и подобренията не спират.
Заключение
Пътното строителство е изправено пред значително предизвикателство в прехода към бъдеще с нулеви емисии. Постепенното въвеждане на електрификация, зеления водород и иновативни решения за улавяне на въглерод демонстрира, че трансформацията е възможна. Ключът към успеха се крие в комбинирането на различни технологии. Тази промяна изисква иновации, значителни инвестиции и сътрудничество между държавните институции и частния сектор.
Потенциалът за намаляване на емисиите е в пряка зависимост от технологичното развитие и рационализиране на стандартите. В по-дългосрочен план се очаква намаляването на емисиите да е резултат от нови, революционни технологии, с използване на възобновяема електроенергия. Намаляването на емисиите в пътното строителство трябва да бъде разглеждано като съставна част от общата цел на всички за намаляване на въглеродните емисии в глобален план.