Енергетиката е от онези икономически фактори, които ни принуждават да бъдем здраво стъпили във физическата реалност. Пари се печатат, дълг се емитира, но енергия можеш да имаш само толкова, колкото законите на природата ти позволяват. А тези закони са еднакви винаги и навсякъде, дори след милиарди години, дори в отдалечени галактики.

Затова дори да не можем да предположим как ще изглеждат човешките общества след векове, поне можем да изкажем доста добри предположения за това как ще изглежда енергетиката. И моето лично убеждение е, че енергетиката на бъдещето ще се базира на така наречената „водородна икономика“.

Защо точно водородът?

Водородът представлява 73% от материята във вселената, защото е първият елемент, който се е формирал след Големия взрив, когато вселената изстива достатъчно, че да се образува материя. Водородът е най-простият елемент в менделеевата таблица – само един протон в ядрото.

Както може би знаете, химичните свойства на всеки елемент се определят от броя на протоните в ядрото му.

Водородът в молекулна форма (H2) може да бъде източник на енергия като бъде изгорен, образувайки вода (H2O) и отделяйки енергия. Но водородът в тази му форма е изключително рядък на планетата Земя, въпреки че изобилства навсякъде в космоса.

Ако искаме да получим молекулен водород, трябва да разделим водната молекула чрез „електролиза“. Този процес изисква да вложим енергия в него (буквално ток), като тази енергия обичайно е повече от енергията, която ще получим изгаряйки получения водород.

Затова водородът, поне на Земята, може да бъде единствено метод за съхранение и пренос на енергия, и то с немалки загуби (по нататък има полезна графика за това какви са загубите). Но именно това ще бъде неговата ключова функция за енергетиката на бъдещето.

Енергетиката в бъдещето ще изисква мащабна инфраструктура за складиране на енергия. Това е, защото фундаментално, цялата ни енергия идва (или някога е дошла) от слънцето. А ние не можем да му кажем кога колко силно да грее. Затова ще имаме моменти на излишък и недостиг, които ще трябва да компенсираме с някакъв енергиен буфер.

Но малко избързвам. Първо нека обясня защо всяка енергия всъщност е слънчева енергия и защо в бъдеще все повече ще си набавяме енергията директно от слънцето.

Всяка енергия е слънчева енергия

Припомнете си първия закон на термодинамиката, който гласи, че енергия не може да се създава или разрушава, а само да преминава от една форма в друга.

Това означава, че за да преминава земната материя в по-висока енергийна форма (каквато е животът), трябва да идва енергия някъде отвън. Никакъв живот не би бил възможен без да ни облъчва слънцето. То е източникът на цялата енергия, която използваме.

Слънцето не е просто един от много възможни източници на енергия, то е единственият източник на енергия на Земята. Фотоволтаиците черпят тази енергия директно, но всички други форми на енергия са просто преобразувана слънчева енергия.

Например петролът се е образувал от натрупването на планктон по океанските дъна, където под въздействието на огромните налягания се е превърнал в една каша от въглеводороди.

Но самият планктон е формирал тези органични съединения чрез фотосинтеза. Слънчевата енергия е навързала въглеродните атоми в сложните съединения, които изграждат целия живот на Земята. А пък въглищата са просто остатъците от древните гори.

Припомнете си от училище, че фотосинтеза е процесът, чрез който въглероден диоксид и вода се превръщат в сложни въглеводородни съединения, под въздействието на слънчевата светлина. Тяхното горене освобождава тази енергия и ги превръща обратно във въглероден диоксид и вода.

Дори ВЕЦ-овете използват преобразувана слънчева енергия. Все пак, за да текат реките, трябва първо да са валяли като сняг по планинските върхове. А за да валят, трябва първо да са били изпарени от водните басейни. Това изпаряване го върши слънцето. Ами ветрогенераторите? Въздушните маси се движат заради температурни диференциали. Кой затопля въздушните маси?

Ядрената енергия пък изисква тежки елементи (примерно Уран), които са образувани в свръхнова преди повече от 4,5 милиарда години (както почти всички елементи на Земята). Тоест тази енергия технически не идва от нашето слънце, но идва от древно слънце, значи пак е слънчева енергия.

Самото слънце получава своята енергия чрез процес наречен „ядрен синтез“. Дълги години много хора са мислели, че ако успеем да пресъздадем този процес на Земята, това ще бъде революция в енергетиката ни.

Има ли почва в ядрения синтез?

Припомнете си, че 73% от вселената е водород. Същото важи и за слънцето. Само че този водород не гори, тъй като на слънцето няма кислород. По-скоро това, което се случва е, че водородните ядра се сливат и образуват хелий (който има два протона в своето ядро), който пък е 25% от вселената.

При този процес се отделя огромно количество енергия. И тази енергия пада на Земята под формата на слънчеви лъчи. Но да слееш две атомни ядра е изключително трудно. Необходими са условия, които не съществуват никъде във вселената, освен в ядрата на слънцата. Гравитационната сила създава такива огромни налягания и температури, които преодоляват силите на отблъскване между атомните ядра.

За да създадем този процес на Земята е необходимо да пресъздадем условията в ядрото на слънцето, което изисква страшно много енергия, само за да задвижим процеса. Това се случва в т.нар. „термоядрен реактор“. За жалост, засега не е произведен такъв, който да отделя повече енергия, отколкото поглъща.

Възможно е в бъдеще да успеем да създадем работещи термоядрени реактори, но дори тогава, те биха били огромни и скъпи инсталации, които ще бъдат мишена за терористи. Не знам дали ядреният синтез е бъдещето. Но знам, че към момента най-големият дългосрочен потенциал е във фотоволтаиците.

Вместо да строим огромни централизирани инсталации, можем просто да усвояваме енергията от термоядрения реактор, който от 4,5 милиарда години грее на небето и вече е захранил целия живот на Земята.

Защо фотоволтаиците са бъдещето?

Настоящето са изкопаемите горива. Тук няма никакъв спор. Без въглища, природен газ, петрол, човешката цивилизация нямаше да постигне този огромен напредък от индустриализацията през последните 200 години. Но те неизбежно все някога ще свършат. Те са се натрупвали, складирали са слънчевата енергия в продължение на милиони, дори милиарди години, а ние почти сме ги изчерпали за 200 години.

Разбира се, няма как да знаем със сигурност, но някои експерти предполагат, че петролът и газта ще се изчерпат в рамките на следващите 50 години, а въглищата след около 140 години. (повече инфо за това тук)

От друга страна, слънцето ни ще умре след 5 милиарда години. След като изчерпаме изкопаемите горива, поне за следващите 5 милиарда години след това, ще можем да разчитаме на слънцето. И единствената технология за добив на енергия, която е устойчива в големи мащаби са фотоволтаиците (или ФЕЦ-овете).

Фотоволтаиците към момента са най-евтината технология за добив на енергия (повече инфо тук). За тяхното производство се изисква предимно силиций (вторият най-изобилен елемент в земната кора), нямат никакви движещи се части и лесно се рециклират.

Освен това фотоволтаиците позволяват децентрализирано производство на енергия. Повече няма да бъдем зависими от ужасни авторитарни режими, от които да купуваме енергийни ресурси. Буквално всяка къща ще може да произвежда енергията, от която се нуждае. Всяка страна, огрявана от слънцето, ще бъде равнопоставена, от енергийна гледна точка.

Какъв е проблемът с фотоволтаиците?

Но фотоволтаиците имат един много съществен проблем. Техният добив варира през деня. Когато слънцето грее най-силно, добивът е най-висок, а през нощта няма никакъв добив.

А при електропреносната мрежа работата е там, че цялата енергия, консумирана от мрежата трябва да бъде налична на момента. Затова например ТЕЦ-овете вдигат и намаляват своите мощности, когато се променя натоварването по мрежата. Това с изкопаеми горива е относително лесно. Със соларни панели е невъзможно, защото не можеш да кажеш на слънцето колко силно да грее.

Затова ако искаме да използваме соларни панели в някакви по-големи мащаби, най-вече ни трябва някакъв надежден енергиен буфер. Един възможен вариант са батериите. Но основният въпрос при батериите е дали бихме могли да произвеждаме батерии в такива мащаби, които ще ни бъдат необходими, за да се компенсират излишъците и недостизите на соларна мощност.

Ще може ли една нация цяло лято да складира излишна енергия в батерии и зимата да я използва за отопление? По-скоро не. От една страна, защото батериите се разреждат относително бързо и от друга, защото тяхното производство изисква редки елементи, които не са много изобилни в земната кора.

Батериите са супер ако ти трябва „мобилна“ енергия, но за поддържането на дългосрочни резерви не са много подходящи. А и производството им може някой ден да стане прекалено скъпо, поради редките елементи, които се изискват.

Има и много други възможности за склад на енергия, но те не са оптимални за складирането на енергия в големи мащаби, по различни причини.

Как водородът решава проблема със складирането на енергия

Хубавото на водорода е, че поради своята простота, може да се използва в много големи мащаби и в много различни приложения. Все пак водородът е най-базовият елемент във вселената.

Той може да бъде получаван по всяко време от обикновена вода. Единствено ни трябва излишна енергия. И после много лесно можем да го превръщаме обратно във вода, при което си връщаме част от вложената енергия.

Това означава, че всеки производител на соларна енергия ще може да превръща своя излишък във водород, да го складира в цистерни, да го пренася в тръби. Това крие опасности, разбира се, тъй като водородът ще трябва да се съхранява под налягане и все пак е лесно запалим. Но опасностите във всеки случай не са по-големи от тези при складирането и преноса на природен газ.

Има ли потенциал във водородните коли?

Всъщност ние ВЕЧЕ имаме водородни коли, въпреки че те още са в много ранен стадий. Докато повечето автомобилни компании минават към производство на електрически коли, Тойота гледат една стъпка по-напред и се стремят да бъдат пионери със своите водородни коли (FCEV).

Техният водороден модел се казва Мирай. Той не използва двигател с вътрешно горене, а горивни клетки (fuel cells), които превръщат водорода в ток, с който захранват електромотори.

Водородните коли имат някои предимства пред електрическите, но за момента основното препятствие за развитието на тази технология е високата цена и липсата на инфраструктура. И двата проблема вероятно ще бъдат решени с течение на времето. Самите физически характеристики правят водородните коли по-подходящи от електрическите, особено за превозни средства над определена маса. За малки градски коли батериите вероятно дълго ще бъдат добър вариант.

Основният проблем с използването на водород за складиране на енергия е, че загубите при преобразуването не са малки. При батериите например имаме КПД от почти 94%, а при водородните коли е 68%, (което пак е повече от ДВГ).

Но пък ако производството и смяната на батериите в нужните мащаби стане прекалено скъпо, то ще бъде по-икономично да произвеждаш водород със загубите. А и все пак има приложения, за които батериите просто не са подходящи. Като например, сезонното складиране на енергия.

Другият момент е, че както с електрическите коли, производството на водород в момента не е много екологично. Към момента водородът се произвежда в промишлеността основно от метан, тъй като електролизата излиза по-скъпо.

Но ако трябва да го получаваш от метан, защо просто не си караш колата на метан? Този аргумент е валиден днес, но ще спре да бъде валиден след около 50 години, когато свърши природния газ.

Как би изглеждало бъдещето?

Може би в бъдеще ще имаме един наистина децентрализиран модел на производство на енергия, при който всяко семейство само ще си произвежда енергията. Част от излишъка, поне този необходим в рамките на 24 часа, може да се складира в батерии, а всичко над това, ще се преобразува във водород чрез електролиза.

Този водород после семейството ще може да продава, да го използва зимата за отопление или дори да си зарежда колата с него. Днес звучи някак фантастично, но замислете се... някой ден ще можем сами да си произвеждаме горивото, което сипваме в колите си.

Какво ще означава това за геополитиката, която днес е толкова силно обвързана с енергийни ресурси? Какво ще се случи с държави като Русия и Саудитска Арабия, където авторитарните режими използват своите енергийни ресурси, за да проектират влияние?

Какво ще правят всички добивни компании и енергийни монополи? Какво ще прави петролният картел ОПЕК?

Как ще се промени световната геополитика, когато основният енергиен ресурс ти е площ, огрявана от слънцето?

А може би пък в бъдеще най-богатите хора отново ще бъдат едри земевладелци и ще се върнем към някаква форма на феодализъм. Може би пък след 1000 години цялата земя ще бъде покрита със соларни панели и няма да има никаква растителност.

Какви енергийни източници ще използваме е горе-долу ясно. Но как ще се променят обществата ни, зависи изцяло от нас.