Преминаваме към изцяло зелена енергия. Мит или реалност?

Автор: Румен Карамихалев

“Екология” е древногръцката дума, означаваща буквално „наука за дома“. “Икономика” е със същия произход и означава „управление на дома“. Очевидно двете понятия са неразривно свързани. Екологията изучава нашия общ дом Земя, а икономиката – управлението на този дом. 

През последните десетилетия все повече се развиват и внедряват технологии за преход от използване на не-възобновяеми източници на енергия (въглища, нефт, газ, уран) към възобновяеми енергийни източници (ВЕИ): фотоволтаични (ФВ) панели, вятърни станции и водни електроцентрали, които освен класически каскадни, все повече използват приливно-отливните движения и морските постоянни течения. 

Бързото развитие на технологиите прави ВЕИ все по-евтини и по-ефективни, така че днес вече никой не оспорва, че ВЕИ са най-евтиният източник за производство на енергия, който в същото време дава и възможност да съхраним природата около нас. През последните години това развитие продължава да се ускорява и през 2021 година 28.7% от електричеството на планетата беше произведено от ВЕИ. 

Въпреки несъмнените си преимущества, ВЕИ имат и множество опоненти. Скептици или противници, яростно защитаващи тезата, че не е възможно да се премине към икономика, основана изцяло на възобновяеми енергийни източници. Тези твърдения са групирани в две направления: 

1. ВЕИ не могат да работят 24/7/365 и съответно винаги ще трябват балансиращи мощности, технологиите не позволяват изцяло да се откажем от използването на изкопаеми горива във всички сфери на производството, електрическата мрежа не би могла да поеме необходимото нарастване за изцяло електрифицирана икономика, загубите при преноса на електричество на дълги разстояния е твърде голям, ще трябва да се ограничи потреблението на ток и т.н.

2. Не може да се подмени цялото енергопроизводство с ВЕИ, защото би било твърде скъпо, няма достатъчно редкоземни елементи (например литий и кобалт) за производство на соларни панели и батерии, няма достатъчно площи за ФВ централи, няма достатъчно вятър, енергийните потребности растат твърде бързо, за да могат да бъдат обезпечавани само от ВЕИ и т.н. 

Наистина ли това е невъзможно? Какво казват фактите?

1. Основни начини за добив на енергия:

– чрез изгаряне на материя (при фосилните горива и биомаса), при което получената топлинна енергия се използва директно или генерира електроенергия;

– чрез директно използване на гореща вода от геотермални източници;

– чрез трансформиране на един химичен елемент в друг с отделяне на топлина и генерация на електроенергия (термоядрена енергетика);

– чрез преход от кинетична енергия към електрическа – ветрогенератори, ВЕЦ и приливно-отливни централи, които директно произвеждат електрическа енергия;

– чрез конверсия на светлината в електроенергия – ФВ централи.

2. Коефициент на полезно действие (КПД) 

Най-общо, това е съотношението между потенциалната и получената енергия при използването на различни източници. Изкопаемите горива дават КПД от около 1/3, тяхната трансформация в енергия поскъпва постоянно поради постепенното им изчерпване и силно замърсява околната среда. Тази ниска ефективност произтича предимно от топлинните загуби при процеса на изгаряне, т.е. реално изхвърляме поне 2 пъти повече енергия, отколкото потребяваме. Трансформирането на енергия от възобновяеми източници предоставя 2-3 пъти по-високо КПД, ресурсът е практически безкраен, с развитието на технологиите постоянно поевтинява и не замърсява околната среда. Това най-общо означава, че при една и съща консумация, при ВЕИ ще ни трябват инсталирани мощности между 2 и 3 пъти по-малко, отколкото при фосилните горива.

3. Съхранение и разполагаемост на енергията

Коефициентът на разполагаемост при фосилните горива е висок, тъй като те сравнително лесно може да се складират. ВЕИ обаче работят с периодичност през денонощието и сезоните и електроенергията трябва да се складира, за да може да се използва според потребностите, а не според производството. Съществуват няколко основни начина за складиране на електричеството:

3.1. Класически батерии

Класическите батерии използват разликите в електрохимичния потенциал на различните метали в киселинна среда, за да складират електричество, което да могат да отдават постепенно при необходимост. От времената на първите промишлени батерии до наши дни, тази технология постоянно се усъвършенства и поевтинява и днес не можем да си представим света около нас без най-различните батерии, включително и съвсем микроскопични.

Само за 10-ина години цената на батерия за електромобил падна 8 пъти от 1000 USD за 1 kWh капацитет на 120-130 USD и продължава да пада въпреки повишаващото се търсене. В същото време се създадоха и вече масово се инсталират LiFePo4 батерии, които са със същия капацитет, но с по-голяма издръжливост и по-евтини поради по-малкото съдържание на редкоземни елементи. А от тази година постепенно започнаха да навлизат и натриеви батерии с малко по-нисък капацитет на кг, но пък двукратно по-евтини и по-издръжливи, така че още в близките няколко години цената за 1kWh батериен капацитет ще падне около 20 пъти за 10-ина години. И това далеч не е предел, защото едновременно се разработват десетки нови технологии, някои от които принципно нови (силиконови, графенови и прочие батерии).

3.2. Кинетични батерии

Типичен пример за водни кинетични батерии са Помпено-Акумулаторните ВЕЦ като ПАВЕЦ Чаира в България, която е най-голямата на Балканите, но за съжаление поради безстопанственост не работи от доста време. При тях водата се спуска от най-горното ниво надолу и генерира електричество, когато има пик на потребностите, а когато през нощта има излишък на електроенергия, водата се изпомпва обратно нагоре.

3.3. Водородни батерии

При електролизата на водата тя се разпада на водород и кислород, след което водородът се компресира при налягане до 700 атмосфери, за да заема по-малко пространство. Процесът е ендотермичен и обръщаем, така че, когато потрябва, складираният водород може да се трансформира в топлинна или електрическа енергия, като КПД-то достига до 80%. Този процес е в основата на разработките на автомобили с водородни двигатели, но може да бъде още по-успешен и по-лесно приложим при стационарни инсталации за съхраняване на енергия.

3.4. Топлинни батерии

Има доста вещества, които могат да съхраняват топлина за определено време, като засега най-обещаващото решение са т.нар. пясъчни батерии. Огромни резервоари с пясък се нагряват през деня от ФВ панели чрез лещи и през нощта натрупаната в тях топлина се ползва обратно за генерация на топлинна или електрическа енергия.

4. Себестойност

Средна себестойност на произведената електроенергия в Европа за целия период на експлоатация (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems):

– ФВ наземни – 44.1 EUR / MWh

– ФВ покривни – 84.1 EUR / MWh

– ФВ покривни – 84.1 EUR / MWh

– вятърни станции наземни – 61.2 EUR / MWh

– вятърни станции марски – 96.8 EUR / MWh

– ТЕЦ на лигнитни въглища – 128.55 EUR / MWh

– ТЕЦ на кафяви/черни въглища – 155.35 EUR / MWh

– ТЕЦ на газ с турбини – 104.25 EUR / MWh

Тук трябва да се отчете и фактът, че за последните 10 години себестойността на електроенергията от ФВ е паднала средно над 2 пъти и продължава да пада, докато тази от възобновяеми източници се е повишила средно около 25-30%. Затова съвсем не е случайно, че днес 29% от електричеството в света идва от възобновяеми източници и процесът се ускорява все повече от бързо навлизащите нови технологии и от чисто икономическите интереси за преминаване към по-евтина и чиста енергия. 

Колко ще струва преходът към такова чисто и евтино бъдеще? Днес планетата потребява 165,000 TWh енергия годишно, като повече от половината се губи в процеса на производство като топлинни загуби поради ниското КПД при усвояването на изкопаеми енергоизточници. При пълно преминаване към електрификация чрез директно използване на възобновяемии източници, необходимата енергия би била между 2 и 3 пъти по-малко. 

Нека подходим консервативно и я намалим само 2 пъти, т.е. необходимата електрическа енергия за пълна електрификация е 82,000 TWh годишно. При сегашният микс на възобновяеми източници, това изисква инсталирана мощност от 30 TWh, а необходимостта от балансиране на производството и потреблението изискват също инсталирането на различни видове батерии с капацитет 240 TWh. Инвестицията за производството и инсталирането на всичко това е 10 трилиона долара по консервативни оценки, което е 10% от годишния брутен вътрешен продукт на планетата (БВП) и ще е потребна 0.2% от земната повърхност. 

Така написано изглежда внушително, но ако тези 10% от БВП се разпределят на 10 години, това ще е само 1% от годишното БВП, в замяна на който енергията ще стане неколкократно по-евтина за всеки човек и компания. 

Всъщност, дори и днес, човечеството изразходва ежегодно 14 трилиона долара за инвестиции в изкопаеми енергоизточници, което даже надхвърля общата необходима инвестиция за цялостния преход към възобновяемаа енергия. В момента само 12.5% от земната повърхност са използва за земеделие, така че има предостатъчно земя за нужните 0.2%. Освен това площите, която днес се ползва за добив и производство на изкопаеми горива са почти толкова, колкото са необходими за всички възобновяеми източници, така че почти няма да са необходими нови площи. Ето как изглежда този преход в основните сектори на икономиката.

1. Производство на електроенергия само от възобновяеми мощности 

Това ще намали с 35% използването на изкопаеми горива. Необходима e 10 TW мощност (1/3 от общата) и капацитет за съхраняването й от 24 TWh (10% от общия). Нужните инвестиции са 0.8 трилиона долара, което не е проблем дори и днес, защото това е най-бързо развиващият се индустриален сектор, поради очевидните икономически изгоди. В САЩ вече 60% от електричеството се произвежда от възобновяеми източници, в Исландия и Норвегия това 80%, а в Коста Рика даже достигна 98%. Ежегодно се инсталират 0.3 TW нови мощности и продължават да растат бързо всяка следваща година.

2. Преход към електромобилност

Това ще намали използването на изкопаеми горива с 21%, но ще изисква инсталирането на 4 TW (13% от цялата) и 115 TWh батерии (48% от целия капацитет), което е инвестиция в размер на 7 трилиона долара. Цифрата изглежда огромна, но отново икономическата изгода е основният двигател на този преход заедно с екологичността. Използвайки електричество от ВЕИ, електромобилите са 4 пъти по-ефективни в използването на енергията в сравнение с двигателите с вътрешно горене, ако се проследят пълните енергийни разходи от изпомпването на суровия нефт от земята до изгарянето на горивото за придвижване на колата. Не е случайно, че първите създадени коли не са с ДВГ, а електрически, с обикновени оловни акумулатори, но с твърде малък пробег. 

През 2021 година 9% от продаваните електромобили бяха електрически, а през 2022 те достигнаха 14%. Те вече навлязоха в т.нар. S-крива на експоненциален растеж и още през настоящето десетилетие практически ще изместят двигателите с вътрешно горене почти навсякъде. Автомобилната индустрия винаги е била двигател на техническия прогрес и днес тя се развива с нарастваща скорост към електромобилност, нови батерийни технологии, постоянно поевтиняване на чисто електрическите автомобили и подобряване на техните потребителски качества (зарядна мрежа, скорост и брой цикли на зареждане, максимален пробег и други). 

Хибридните автомобили постепенно губят съревнованието с чисто електрическите и почти сигурно през следващото десетилетие вече няма да се произвеждат. Масовото внедряване на водородни двигатели засега е прекалено скъпо и има технологични проблеми, затова изглежда по-вероятно тяхното приложение да се ограничи предимно до камиони и кораби.

3. Преминаване към отопление и охлаждане само чрез термопомпи 

Това изглежда най-привлекателно и лесно за постигане, тъй като може да намали използването на изкопаеми горива с 22%, а изисква само 0.3 трилиона долара за инсталирането на мощност от 5TW (17%) и батериен капацитет от 6TWh (2.5%). Този сектор също се развива бързо и ежегодно инсталираните мощности нарастват с по 10%, но засега изостава от първите 2 сектора и има потенциал за по-нататъшно ускоряване с известна помощ от правителствата за битовите потребители. 

Най-доброто в тази технология е, че термопомпите всъщност не произвеждат топлина, а използват наличната в природата и само я преместват отвън в помещенията или обратно в зависимост от потребностите за отопление или охлаждане, използвайки базови физически характеристики на определени газове с подходяща температура на втечняване под налягане. Процесът отдавна е познат на всички ни, тъй като се използва в хладилниците, а в климатиците предоставя КПД между 2.5 и 3.5 в зависимост от конкретните условия.

4. Електрификация и хидрогенизация на основните индустриални процеси

Повече от половината от температурно интензивните индустриални процеси се развиват при температури над 400°С и могат да бъдат електрифицирани: производство на стомани, цимент, торове, пластмаси и др. Днес в част от тези процеси ежегодно се използва около 120 милиона тона водород от изкопаеми горива, но той може изцяло да се замени с електролизен водород, включително и при производството на стомани, където може изцяло да замени въглищата и част от другите използвани технически газове. 

Инсталациите за производство на зелен водород не само са екологично чисти, но и икономически ефективни при използването на ВЕИ. Поради това, и сега и в бъдеще този водород все повече ще навлиза както при индустриалните химически процеси, така и като батериен капацитет. Това ще намали използването на изкопаеми горива с 17% при инсталиране на 6 TW мощност (20% от цялата) и 48 TWh батерии (20% от целия капацитет) чрез инвестиция от 1 трилион долара. 

5. Замяна на ДВГ при корабите и самолетите с електрически и/или водородни двигатели

Този сектор използва 5% от изкопаемите горива на планетата. Съществуващите технологии вече позволяват пълната замяна с електроенергия или водород. При самолетите все още предстои да се реши проблемът за енергийния капацитет на батериите спрямо теглото. Към момента при батериите за електромобили той е около 130-150 Wh/кг с литиево-йонните батерии, докато за самолетите ще трябва 3-4 пъти по-висок енергиен капацитет, за да обезпечи необходимия ресурс и безопасност. Такива батерии вече има, само че все още са скъпи, но решението е налице и още в близките години ще стане и икономически целесъобразно. 

Този преход със сигурност ще доведе и до промени в конструкцията на самолетите и корабите, които ще направят тяхното използване още по-ефективно. За прехода в този сектор ще трябва да се инсталират общо 4 TW мощности (13% от цялата) и 44 TWh батерии (18% от целия капацитет), което изисква инвестиция от 0.8 трилиона долара. Единственият транспорт, за който досега липсва подходяща технология за замяна на изкопаемите горива са ракетите, въпреки че и там вече се изследват принципните възможности за замяна с кислородно-водородни реактивни двигатели.

Нека обаче се върнем на първоначалния въпрос дали такъв преход е невъзможен. Описаният по-горе план доказва, че той не само е възможен, но е възможен и още в близките 2-3 десетилетия, а от нас всички зависи с каква скорост той ще напредва. А ако някой все още оспорва, че това ще ни струва твърде скъпо, запазил съм още един факт за десерт. През последните 20 години сме похарчили общо 14 трилиона долара в инвестиции за поддръжка и развитие на енергодобива от изкопаеми горива. Ако през следващите 20 години вместо това похарчим 70% от тях за преминаване към ВЕИ, ние всъщност ще спестим 4 трилиона долара. 

Изглежда напълно откачено и наистина ще бъде така, докато повечето хора на планетата не разберат, че сега ние плащаме прескъпо, за да използваме ниско ефективни енергийни технологии, които при това разрушават нашето здраве и планетата, на която живеем. Откачено е, нали? Представете си бъдеще, в което всички разполагат с евтина енергия в неограничено количество, която при това не замърсява планетата! Аз вярвам, че ще доживея да го видя. А вие?