Водородната енергетика се основана за изгарянето на промишлено получен и складиран водород, при което се получава електричество и топлина.

Водородът (Н2) е отлично гориво, с най-висока калоричност на изгаряне на килограм, от всички други горива – три пъти по-калоричен (142MJ/kg) от дизела (42MJ/kg).
Течният водород е най-лекото гориво. Един куб.м (м3) течен водород тежи само 70 кг. Парадоксален обаче е фактът, че в един куб.м вода има 167 кг водород и .
833 кг. кислород, тъй като 1 куб.м вода тежи 1000 кг.

Процесът се описва така:

 

Следва, че 8 грама кислород е необходим за изгаряне на 1 грам водород.

Земната атмосфера се състои от много газове. По принцип това е азот, който заема 77%. Газът, без който животът на Земята е немислим, изисква много по-малък обем, а съдържанието на кислород във въздуха е 21% от общия обем на атмосферата. Последните 2% са смес от различни газове, включително аргон, въглероден диоксид, хелий, неон, криптон и други. Плътността им е следната:

Вид газ Плътност, кг/м3
Водород 0,0899
Хелий 0,1785
Азот 1,2506
Кислород 1,429
Въздух 1,29

Кислородът е около 16 пъти по плътен от водорода.

При 0° градуса и нормално налягане от 760 мм живачен стълб 1м3 кислород тежи 1,43 кг., респ.  0,0007м3 кислород тежи 1 грам. Или за изгарянето на 1 грам водород са необходими 0, 0056 м3 кислород, респ. за 1 кг. водород – 5,6 м3 кислород.

Opel Zafira с 94 кВт на водородни горивни клетки консумира 1,83 кг водород на 160 километра или 6,4 литра бензинов еквивалент. Бензиновият аналог на Opel Zafira с 1,6-литров двигател с мощност 85 kW консумира 5,8 литра бензин на 100 км при магистрални условия.

За пълното изгаряне на 1 кг. бензин е необходим 14.7 кг въздух, от което следва, че за изгарянето на 1 кг. бензин е  необходимо около 3 кг. кислород, респ.11,4 м3. Оказва се двигателите с вътрешно горене са около 3 пъти по-щадящи по отношение използването на кислорода за горивния процес!

 

Кислородът се генерира от растенията при процеса фотосинтеза. Необходими са шест молекули CO2, за да се получи една молекула глюкоза чрез фотосинтеза, а шест молекули кислород се отделят като страничен продукт. Молекулата на глюкозата съдържа шест въглеродни атома, така че това е нетна печалба от една молекула кислород за всеки атом въглерод, добавен към дървото. Зрялото дърво явор може да е високо около 12 метра и да тежи два тона, включително корените и листата. Като се вземат предвид относителните молекулни тегла на кислорода и въглерода, това се равнява на 100 кг кислород на дърво годишно. Човек диша около 9,5 тона въздух за една година, но кислородът съставлява само около 21-23% от този въздух по маса, а ние извличаме само малко над една трета от кислорода от всеки дъх. Това възлиза на общо около 740 кг. кислород годишно. Което може да се добие от приблизително 8 дървета, като това зависи от неговия вид, възраст, здраве и околна среда.

Съгласно прогнози на Международната агенция по енергетика към 2030 г. употребата на водород ще бъде около 8 млн. това, а към 2040 г. то ще достигне 90 млн. тона. За осигуряване изгарянето на това количество ще са необходими 720 млн. тона кислород и 7 200 000 дървета или горска площ от около 144 000 декара. В България горската площ е около 40 млн. декара.

10% от територията на земята е покрита с ледници, а други 19% са безплодни земи – пустини, сухи солени плоскости, плажове, пясъчни дюни и открити скали. Това оставя това, което наричаме “обитаема земя”.

Горите представляват малко над една трета (38%) обитаема площ на Земята. Това е около една четвърт (26%) обитаема и необитаема земя.

Делът на горските площи е следното:

Източник: Share of global forest area, 2020, https://ourworldindata.org/grapher/share-global-forest?tab=chart&time=2020..latest&country=Africa~Asia~Europe~Oceania~South+America

По данни на организацията Hydrogen Council към момента с хоризонт до 2030 г. са планирани 228 големи „водородни“ проекта с общи капиталови разходи от 300 млрд. долара.

Разработчиците на Helios Green Fuels – завод за зелен водород на стойност 5 млрд. долара в процес на изграждане, който се намиран на северното крайбрежие на Саудитска Арабия в Червено море – вече мислят за неговото разширение. Технологичните компании Neom и Air Products и саудитската компания Acwa Power подписаха сделка през юли 2020 г. за изграждане, притежаване и експлоатация на съоръжението. Настоящият план е да се използва 20 MW електролизатор Thyssenkrupp – задвижван от 4GW възобновяема енергия – за получаване на зелен водород, който ще бъде превръщан в амоняк за по-лесното му транспортиране. Helios ще произвежда 650 тона/ден зелен водород при по-малко от 2 $/kg.

Компаниите „Роснано“ и „ЕнелРусия“ ще реализират първия проект за производство на „зелен“ водород на базата на вятърна електроцентрала в Мурманска област, Русия. Предвижда се производството на 12000 тона водород на година и износ в ЕС, като инвестициите се оценяват на 320 милиона долара. База за производството ще бъде строящата се ВяЕЦ в Мурманска област с мощност 201 мегавата, която се очаква да бъде въведена в експлоатация през декември тази година. „Роснано“ и „Енел Русия“ (56,43% принадлежат на италианската Енел) ще произвеждат „зелен“ водород на базата на електролиза на вода с помощта на енергия, получена от ВЕИ.

Десетки държави и компании вече работят по свои проекти за водородни технологии в индустрията, транспорта и енергетиката.
Европейският съюз заложи за целта бюджет от 430 млрд. евро за следващите 10 години.

Италианската Snam, която притежава и управлява най-голямата мрежа за пренос на природен газ в Европа, пък обяви, че над 70% от всичките й 42 хил. километра тръбопроводи вече са пригодени за доставка на всякакъв вид нисковъглероден водород – зелен или син (при улавяне на СО2). А това означава, че проектите в Северна Африка, при които се използва евтин соларен и вятърен ток за електролиза на морската вода и производство на водород, скоро могат да намерят директни клиенти в Европа.

По-голямата част от използвания в момента газ се получава чрез процес на преработка на изкопаеми горива – най-вече метан. Това обаче е на път бързо да се промени – по оценки на BloombergNEF към 2050 г. пазарът само на зелен водород ще е с обем от 700 млрд. долара, Goldman Sachs говори за 2.2 трлн. евро, а Bank of America екстраполира общите глобални инвестиции в този сектор до 11 трлн. долара до 2050 г.

Факт е, че зеленият H2 е все още твърде скъп (3,50 до 6 евро на килограм), за да бъде конкурентоспособен на останалите енергийни носители. Тази цена обаче е двойно по-ниска в сравнение със ситуацията преди 10 години, като според някои прогнози може да спадне с още 60% до 2030 г. Основен фактор в този процес са намаляващите цени на ВЕИ. Според дългосрочната прогноза на BloombergNEF цената на зеления H2 до 2050 г. ще падне до под 1 долар на килограм.

Със сигурност, ако амбициозните планове за енергиен преход бъдат осъществени, уравненията ще се променят драматично в полза на H2 в рамките на едно десетилетие. Водородната стратегия на ЕС предвижда мащабни инвестиции и субсидии в търсенето и предлагането на водород, както и за изследвания и разработка на нови технологии в тази област. Всичко това генерално ще разреши проблема с цената, както и всички останали предизвикателства пред водородната икономика.

H2 ще бъде зелена алтернатива на природния газ във важни приложения като производството на топлина за индустриални цели. Например зеленият водород има всички необходими качества, за да декарбонизира „мръсна“ индустрия като металургията. В същото време водородът има бляскаво бъдеще във всички видове транспорт, при които теглото на батериите е сериозен проблем. Такива са, да речем, тежкотоварните камиони, корабите и най-вече големите пътнически самолети. Влакове, задвижвани от водородни горивни клетки, могат да заместят всички останали в експлоатация дизелови локомотиви, особено по жп линиите, чиято електрификация не е рентабилна. Водородът има големи шансове да постигне своя потенциал като „гориво на бъдещето”. В голямата схема на нещата той ще изпълни ролята на „мостова технология”, която ще спечели време, за да могат ВЕИ окончателно да изместят изкопаемите източници на енергия.

Най-сериозен е въпросът за икономическата конкурентоспособност на водорода в транспорта. Горивните клетки осъществяват процес, който е огледален на електролизата, т.е. превръщат водорода в електричество и водна пара. За тях като алтернатива на двигателите с вътрешно горене се говори още от петролните кризи през 70-те години. Т.нар. FCEV (електрическо превозно средство с горивна клетка) автомобили имат своите предимства в сравнение с електромобилите с батерия (BEV). Горивните клетки осигуряват повече енергия от единица маса, а зареждането с H2 е толкова бързо, колкото и с бензин. Водородът обаче трябва да бъде компресиран/втечнен, транспортиран, зареден и накрая превърнат обратно в електричество от горивните клетки. Докато електричеството просто се пренася по електропроводи и се зарежда от зарядните устройства в батериите на някоя Tesla Model 3, Volkswagen ID.3 или друг „обикновен електромобил”. Всичко това води до сериозни разлики в енергийната ефективност по цялата верига „от източника до колелата”. По данни на Volkswagen при BEV тази ефективност е 70–90%, докато при FCEV е 25–35%. В по-практични измерения това означава, че една водородна кола изразходва 2–3 пъти повече електричество, за да измине еднакво разстояние с една кола на батерии. Изводът е, че в близкото бъдеще водородът няма да може да конкурира електричеството при масовите автомобили.

България е включила водорода в своите програмни документи. Според текущия вариант на Националния план за възстановяване и устойчивост страната ни ще инвестира в производство и инфраструктура за пренос на зелен водород. Основният акцент ще бъде върху замяната на горивната база на ТЕЦ-овете на въглища. Общата предвидена сума за това е над 550 млн. лева, а периодът за изпълнение е до 2025–2026 г. Освен това документът предвижда създаването на национална пътна карта за развитие на производството и доставката на водород. От своя страна Националният енергиен и климатичен план на България предвижда плавен ръст в производството и потреблението на водород до 2030 г. Документът предвижда, че в този срок в страната ще бъдат инсталирани електролизери за производство на зелен водород с мощност до 480 мегавата. Очаква се потреблението на водород да бъде най-голямо в индустрията и транспорта, следвани от сградите и производството на електричество. „Високият” сценарий в транспорта предвижда въвеждане в експлоатация на над 5700 камиона и 40 хил. автомобила, задвижвани с водород.

Изводи и заключение

  • Водородът е атрактивен източник на енергия за бъдещето.
  • Не се обръща внимание за запазване на кислородния баланс в атмосферния въздух, а същевременно изсичането на гори продължава усилено. Водородната енергетика изисква много повече кислород в сравнение с конвенционалната. България е на едно от последните места по горски площи спрямо общата територия на страната. Но допълнително към водорода има още различни процеси на горене, които също изискват кислород- ТЕЦ, локални и лични отоплителни инсталации, пожарите и т.н.
  • Не се обръща сериозно внимание на оксиводородните смеси(модификация на Браун-газа) (SОН- стехиометрични кислородно-водородни газови смеси), които се получават при електролиза на вода и които не ползват кислород от въздуха.
  • Но водородът и оксиводородните смеси, природния газ спадат към стандартните източници на енергия. А предизвикателството е в нови източници основани на нови физични принципи като напр. в магнетизма (диск на Сърл), гравитационните и торсионните полета, енергия от вакуума (квантов генератор) и др. върху които работят и български специалисти.
  • Човечеството е изправено пред научен пробив в организация на материята и нейните материални и полево-информационни форми на съществуване. Трябва много внимателно да се вземат политически решения, защото има опасност те да костват  скъпо на икономическото развитие. Препоръчително е паралелно да се изучават и експериментират алтернативни  решения, идеи и хипотези, за да може страната бързо да ги внедри при разработени варианти за практическо им използване.

Източници на информация:

https://www.manager.bg/lica/gotovi-li-sme-za-vodorodnata-revolyuciya-mitove-i-realnosti-za-nay-chistoto-gorivo?fbclid=IwAR0xr0TAJOOz39s4fBBxBCCcKJqoBnxnDbpkbfOFDxYrqMV5t938HsknovA

–        Apparatus for energy production on new physical principles converter, https://russianpatents.com/patent/220/2203518.html

  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82
  • Нова Енергийна Революция, http://energyrevolution.space/index.php/bg/

    Д-р инж. Александър ТрифоновАлександър Трифонов е дипломиран инженер по далекосъобщителна техника и сертифициран консултант по управление с 30 годишен опит. Притежава сертификати и референции от изтъкнати български и международни организации и фирми за успешно изпълнени проекти в областите металургия, транспортно машиностроене, внедряване на иновации и трансфер на технологии, управление на околната среда, възобновяеми енергийни източници и енергийна ефективност, планиране, финансиране и управление на индустриални зони, финансов анализ и други. Още тук