Възобновяеми газове

• Тяхната съвместимост с вече изградена инфраструктура – тръбопроводи, системи за съхранение и оборудване, ги превръща в жизненоважни компоненти от еволюиращия енергиен пейзаж
  
  
• Те са от особена стойност за декарбонизацията на сектори, които са трудни за електрификация
  
  
• Възобновяемият водород би могъл да представлява 13 – 20% от енергийния микс на ЕС до 2050 г.

Възобновяемите газове се дефинират като ниско- или безвъглеродни газообразни енергийни носители, получени от възобновяеми суровини или процеси. Те са от особена стойност за декарбонизацията на сектори, които са трудни за електрификация, като тежката индустрия, превоза на дълги разстояния, сезонното съхранение на енергия и производството на химикали и торове. Тяхната съвместимост с вече изградена инфраструктура – тръбопроводи, системи за съхранение и оборудване, ги превръща в жизненоважни преходни и дори дългосрочни компоненти от еволюиращия енергиен пейзаж. Ролята им се простира от директната замяна на изкопаеми горива до опосредстването на гъвкаво балансиране на електроенергията с променлив характер от вятърни и соларни инсталации.

Биометан

Биометанът, наричан още възобновяем природен газ (RNG), се получава чрез повишаване на качеството на биогаз, генериран в резултат на анаеробно разграждане на органични суровини. Биогазът се състои предимно от метан (обикновено 50 – 75%) и въглероден диоксид, със следи от водород, азот, водна пара и примеси като сероводород.

Процесът на подобряване на качеството на биогаза включва отстраняване на въглеродния диоксид, водната пара, силоксани, сероводород и други замърсители, в резултат на което се получава биометан с концентрации на метан, надвишаващи 90%. Този пречистен газ отговаря на необходимите стандарти за качество за подаване в мрежи за природен газ и е химично подобен на изкопаемия природен газ.

Производството на биометан се разраства бързо в Европа, водено от приоритети, свързани с опазването на околната среда и с енергийната сигурност. До април 2023 г. в Европа са регистрирани над 1300 съоръжения за биометан. През 2020 г. производството достига 31 TWh, като през 2021 г. се покачва до 37 TWh, регистрирайки 20-процентен годишен ръст. Вследствие на това комбинираният енергиен добив от биогаз и биометан надвишава 190 TWh, като някои прогнози предполагат, че до 2050 г.

30 – 40% от потреблението на газ в Европа може да бъде задоволено от устойчив биометан.
Биометанът се генерира от различни органични отпадъци – твърди битови отпадъци, утайки от пречиствателни станции за отпадъчни води, земеделски остатъци, което дава възможност за реализиране на кръгова икономика и за редуциране на емисиите на метан от неконтролирано депониране или отпадъци от животновъдството. Съвместимостта му със съществуващата инфраструктура и оборудването за крайно потребление го прави атрактивна опция от политическа и търговска гледна точка.

Синтетичен газ

Отвъд анаеробното разграждане, синтетичен метан се произвежда чрез комбиниране на водород и въглероден диоксид. Един от начините за осъществяване на това е чрез газификация на суха биомаса, отпадъчна дървесина или твърди горива, при което се получава сингаз (смес от въглероден оксид и водород). Този газ се подлага на метанизация, най-често чрез реакцията на Сабатие, до получаването на синтетичен природен газ (SNG).

Процесът на Сабатие е ключов за системите за преобразуване на електроенергия в газ (power-to-gas), в които излишна възобновяема електрическа енергия се използва за електролиза на вода за производство на водород, който след това се комбинира с въглероден диоксид до получаването на метан. Този метан може да бъде подаден в газопроводи или да се използва при необходимост за генериране на електрическа и топлинна енергия или като гориво за превозни средства. Пример за това е 6-мегаватова power-to-gas инсталация в Германия, произвеждаща синтетичен газ, използван като гориво за превозни средства.

При хидротермичната газификация мокра биомаса и течни отпадъци се подлагат на високо налагане и температура до получаването на метан и водород. Макар процесът да не е толкова утвърден, колкото сухата газификация, той предлага алтернатива за суровините, които не са подходящи за термично преобразуване.

Възобновяем водород

Възобновяемият или зелен водород се генерира чрез електролиза на вода, като използваната за това електрическа енергия е получена от възобновяеми източници. При този процес не се отделят директно емисии на въглероден диоксид и той е в подкрепа на декарбонизацията на транспорта, индустрията и съхранението на енергия.

Електолизьорните технологии са различни: алкалните електролизьори са утвърдени и разходно ефективни; PEM електролизьорите предлагат бърза реакция и чистота, подходящи за възобновяеми източници с прекъснат характер; електролизьорите с твърд оксид са ефективни при високи температури и позволяват едновременна коелектролиза на въглероден диоксид; нововъзникващите AEM електролизьори целят да съчетаят ниски разходи и гъвкавост чрез използването на неблагородни катализатори.

През 2023 г. глобалното производство на водород достига приблизително 97 Mt, от които по-малко от 1% е нискоемисионен водород. Инсталираният електролизьорен капацитет достига 1,4 GW до края на 2023 г., като според прогнозите той може да нарасне до 520 GW до 2030 г. Малка част от планираните проекти обаче достигат решения за финална инвестиция. Развитието в областта на възобновяемия водород е особено силно в Азия, Европа и Северна Америка, като Индия и Европейският съюз внедряват стратегии за подкрепа в това направление.

Авангардни биологични методи

Появяват се иновативни биологични методи, които обаче още са в изследователска или пилотна фаза. При електрометаногенезата се използва електрически ток и въглероден диоксид на биокатод с метаногенни бактерии за директното производство на метан, предлагайки билогично базиран метод за преобразуване на електроенергия в газ. Предизвикателствата по отношение на ефективността тук произтичат от свръхпотенциалите на електрода и дизайна на биокатода.

Биомасата може да послужи като източник на възобновяем водород чрез термохимичен и биологичен синтез. Посредством газификация, пиролиза и хидротермични процеси може да се произвежда водород от лигноцелулозни суровини. Чрез биологични методи като ферментацията в отсъствие на светлина, биофотолизата или хибридни технологии се получава водород, но с по-ниска ефективност. Разходите за производство на водород от анаеробно разграждане и конвенционална газификация са сравними с тези за парен реформинг на изкопаеми горива.

Пазарна динамика и технологично развитие

Пейзажът в областта на възобновяемите газове се оформя от политиките, инвестициите, адаптирането на инфраструктурата и икономическите траектории. В Европа планът REPowerEU цели достигането на 10 милиона тона вътрешен и 10 милиона тона вносен възобновяем водород до 2030 г., като същевременно се инвестират 3 милиарда евро чрез Европейската водородна банка. Регулаторни рамки, като делегирани актове по Директивата за възобновяема енергия и Партньорството за чист водород, целят да улеснят мащабирането. Възобновяемият водород би могъл да представлява 13 – 20% от енергийния микс на ЕС до 2050 г.

В Азиатско-тихоокеанския регион пазарът расте бързо. Очаква се световният пазар на зелен водород да нарасне от 12,31 милиарда щатски долара през 2025 г. до близо 199,22 милиарда щатски долара до 2034 г., като Азиатско-тихоокеанският регион ще държи над 47% от пазара. Европа и САЩ също ще разширяват пазарните си позиции, подкрепени от политически стимули, насочени към търсенето, и нуждите от декарбонизация на промишлеността.

Австралия си поставя амбициозни цели: да произвежда 15 милиона тона възобновяем водород годишно до 2050 г., с междинни цели за износ, подкрепени с над 12 милиарда австралийски долара финансиране. Чили се стреми към огромен капацитет за електролиза (5 GW до 2025 г., 25 GW до 2030 г.), потенциално произвеждайки 160 милиона тона чист водород годишно, с подкрепа от международно финансиране.

Технологичните пробиви включват разработването на електролизьор с 95% ефективност в Университета на Уолонгонг, което представлява значителен напредък в намаляването на загубите на енергия при производството на водород. Химическата индустрия проучва производството на е-метанол с ниски емисии чрез възобновяема енергия и улавяне на въглероден диоксид. Демонстрация за това е първата европейска инсталация с търговски мащаб в Дания, която подчертава значимостта на междусекторното сътрудничество и кръговото използване на въглерод.

Емисии на парникови газове

Биометанът често се характеризира с ниски емисии на парникови газове по време на жизнения си цикъл, особено когато е получен от отпадъчни материали, като хранителни остатъци, тор или утайки от пречиствателни станции за отпадъчни води. Това е благодарение на факта, че по този начин се предотвратява естественото изпускане на метан в атмосферата при гниенето на тези материали.

В някои случаи емисиите на парникови газове по време на жизнения цикъл на биометана могат да бъдат дори отрицателни. Това се случва, когато улавянето метан, който би бил изпуснат от депа или ферми, предотвратява по-големите щети от емисиите, генерирани в резултат на производството и употребата на самото гориво.
Според Европейската комисия и Международната агенция по енергетика (IEA) биометанът, получен от отпадъци, може да редуцира емисиите на парникови газове със 70% до 100% в сравнение с изкопаемия природен газ, в зависимост от това как се управлява суровината. При зеления водород процентите варират между 80 и 100 в сравнение с традиционния водород, получен от природен газ (сив водород). Ако обаче той се произвежда с електроенергия от мрежата, за генерирането на която се използват изкопаеми горива, ползата по отношение на климата е много по-ниска и дори отрицателна.

Емисиите от жизнения цикъл на синтетичния метан зависят от това как е произведен водородът, как е уловен въглеродният диоксид и колко енергия е използвана в процеса. Ако цялата енергия идва от възобновяеми източници, синтетичният метан може да бъде почти климатично неутрален. Ако обаче се използва електроенергия от изкопаеми горива или ако въглеродният диоксид се взема от изгарянето на въглища, крайният продукт може да има значителни косвени емисии.

Перспективи

Възобновяемите газове действат като допълващи компоненти в една декарбонизирана енергийна система. Технологията за получаване на биометан е утвърдена и мащабируема, базирана на оползотворяването на отпадъци с минимално адаптиране на инфраструктурата. Синтетичният метан позволява по-дългосрочно съхранение на енергия и балансиране на мрежата. Възобновяемият водород отваря пътища за чисто снабдяване в тежката промишленост, транспорта и съхранението на енергия, с намаляващи разходи и усъвършенстващи се технологии. Авангардните биологични и термохимични методи биха могли допълнително да разнообразят възможностите, особено в региони с наличност на специфични суровини.

Темпото на внедряване зависи от устойчивото намаляване на разходите, адаптирането на инфраструктурата, пазарните сигнали и политическата подкрепа. Инвестициите в производството на електролизьори, модернизирането на газопроводните мрежи и регулаторната яснота са от съществено значение.

До 2050 г. интегрираните системи за възобновяеми газове – комбиниращи биометан, синтетичен метан, възобновяем водород и нововъзникващи биологични методи – биха могли да задоволят значителна част от търсенето на газ, да декарбонизират трудни за електрификация сектори, да стабилизират енергийните системи и да подкрепят кръгово, устойчиво енергийно бъдеще със силно намалени емисии.