Съхранение и преобразуване на възобновяема енергия
(Компонент 1)

Водещ момент във визията за Европейски енергиен съюз е изграждането на „енергиен съюз като устойчива, нисковъглеродна и екологосъобразна икономика, която е проектирана да бъде дълготрайна“, а за постигането на eвропейските цели „трябва да се откажем от икономика, задвижвана от изкопаемите горива, при която енергията се основава върху централизиран и ориентиран към предлагането подход, разчитащ на остарели технологии и бизнес модели“. Приоритетни направления са: 

• повишаване на енергийната ефективност; 
• намаляване на въглеродните емисии на икономиката; 
• научни изследвания, иновации и конкурентоспособност.

За превръщането на възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) в основен източник за производство на първична енергия, съхранение и регенерация, е необходимо разработване на авангардни системи, технологии и материали от следващо поколение. Това е предпоставка и за трансформация на въглеродно интензивните сектори, какъвто безспорно е транспортът.

В Компонент 1 на ННП ЕПЛЮС е заложено изпълнението на 4 Работни пакета, в които се изпълняват задачи с технологично ниво на готовност 2-4 и един Работен пакет, изцяло фокусиран върху изпълнението на демонстрационен проект за изграждане на енергийно автономни сгради, захранвани изцяло от ВЕИ –„Зелена водородна къща“, в комбинация с най-съвременни системи за съхранение на енергия (батерии, водородни генератори, суперкондензатори и т.н.).

Организационни дейности

Структуриране на научни колективи

Дейностите, залегнали в К1, са структурирани в 27 задачи и подзадачи, които обхващат в детайли цялото разнообразие по тематиката. Отделните научни колективи са формирани още в процеса на подготовка на Работната програма. Водещ принцип е актуалността на тематиките, експертизата на учените и наличната научна инфраструктура. Преобладаваща част от задачите изискват комбинирано познание в областите химия и електрохимия, физика, математика, технически и инженерни науки. Поради това сформираните научни екипи имат подчертано интердисциплинарен характер и най-често включват изследователи от различни партньорски организации. След стартиране на програмата бяха определени ръководители на отделните задачи и ръководители на работните пакети, които да координират дейността на екипите и да подпомагат организационно изпълнението на цялата програма. Предвижда се след изтичане на първата година да се направи задълбочен анализ на постигнатото и там, където е възможно, да се пристъпи към окрупняване на задачите на база на постигнати най-добри резултати и перспективи за реализация.

Инфраструктура

За изпълнение на залегналите в Работната програма задачи през изтеклия период е използвана основно наличната научна инфраструктура в партньорските организации. Някои от екипите за надградили и модернизирали наличната инструментална техника със средства от програмата. Изработено е технико-икономическо задание за демонстрационния проект (РП 1.5), идентифицирана е необходимата за закупуване на техника, която изисква по-голям финансов ресурс и е предмет на обществена поръчка, предстои да приключи през следващия едногодишен период, когато ще са натрупат необходимите за целта финансови средства.

Научна и научно-приложна дейност

Работен пакет 1.1. Аналитични доклади

В Работен пакет 1.1 е изготвен аналитичен доклад, третиращ различни аспекти от съвременното състояние на научните разработки, технологиите и системите за съхранение на възобновяема енергия. Наред с цялостен преглед на научната проблематика и наличните пазарни продукти, акценти в доклада са съвременните електрохимични технологии за получаване на водород, като беземисионна технология за съхранение на възобновяема енергия, в частност електролиза на вода, както и ролята на литиевите и пост-литиево йонните батерии за ускоряване на прехода към нисковъглеродна икономика. Представени са и основни теоретични подходи за моделиране на материали за батерии и фотоволтаични материали като мощен съвременен инструмент за ускоряване на научните изследвания в тази област и скъсяване на пътя лаборатория – производство – пазар. Докладът е структуриран в четири части, като в изготвянето му участват екипи от ТУ, ИЕЕС, ИОНХ и ФХФ-СУ.

• Част 1: Съвременни системи за преобразуване на енергия от възобновяеми енергийни източници (изпълнител ТУ)
• Част 2: Съвременни електрохимични технологии за получаване на водород като беземисионна технология за съхранение на възобновяема енергия (изпълнител ИЕЕС)
• Част 3: Приносът на литиевите и пост-литиево йонните батерии за ускоряване на прехода към нисковъглеродна икономика (изпълнители ИОНХ и ИЕЕС)
• Част 4: Теоретични подходи за моделиране на материали за батерии и фото- волтаични материали (изпълнител ФХФ-СУ).

Работен пакет 1.2. Съхранение на енергия в батерии

РП 1.2 е посветен на разработване на материали, електроди, електролити и технологии за производство на авангардни батерии от различен тип, включително подобрени класически оловни батерии, литиево-йонни, метало-въздушни, пост-литиеви и суперкондензатори. Пакетът се състои от 5 задачи, в изпълнението на които участват 11 научни екипа от 7 партньорски организации (ИЕЕС, ИОНХ, ИП, ИОХЦФ, ИМК, СУ и УАЗБ).

• Задача 1.2.1: Авангардни литиево-йонни и метал-въздушни батерии
• Задача 1.2.2 : Пост-литиево йонни батерии като предизвикателство за бъдещо съхранение на енергия (изпълнители ИОНХ, ИЕЕС, ИОХЦФХ, ИМК)
• Задача 1.2.3. Авангардни оловно-киселинни батерии (изпълнител ИЕЕС)
• Задача 1.2.4. Суперкондензаторни хибридни системи
• Задача 1.2.5. Тестване, диагностика и оценка на работните характеристики и електрическите параметри на електрохимични енергийни системи

Работен пакет 1.3. Получаване на водород чрез електролиза на вода

РП 1.3 е посветен на разработване на нови материали, клетки и системи за получаване на водород чрез електрохимично, фотоелектрохимично и биоелектро- химично разлагане на вода. Включени са 4 задачи, в изпълнението на които участват 5 научни екипи от 4 партньорски организации (ИЕЕС, ИФХ, ХТМУ, ЮЗУ).

• Задача 1.3.1: Авангардни катализатори, каталитични носители и електроди, мембрани и мембранни електродни пакети за електролиза на вода в клетки с полимерен електролит (изпълнители ИФХ и ИЕЕС)
• Задача 1.3.2: Водороден генератор с анионпроводяща мембрана
• Задача 1.3.3: Фотоелектролиза (изпълнители ХТМУ, ИЕЕС)
• Задача 1.3.4: Хибридна биоелектрохимична система за конверсия на енергия и получаване на водород от битови отпадни води (изпълнители ЮЗУ, ИЕЕС)

Работен пакет 1.4. Други методи за конверсия и съхранение на възобновяема енергия

Във време, когато нефтът, въглищата и природният газ са на изчерпване, а въздухът, водите и почвите ни са непоправимо замърсени, повече от всякога се нуждаем от зелени алтернативи за добив на енергия. Най-използвани за момента остават неорганичните силициеви фотоволтаици заради високата им ефективност и стабилност. Основната причина, поради която те все още не задоволяват напълно енергийните нужди на човечеството, е високата им цена. Обещаваща и много по-евтина алтернатива на неорганичните соларни клетки е органичната фотоволтаика. Тя е базирана на органични съединения, които са евтини, потенциално рециклируеми, леки и пластични. Единственият им недостатък е все още ниската им ефективност и научната общност работи активно за намирането на нови, по-ефикасни материали за органичната фотоволтаика. Ето защо, областта на органичните соларни клетки може да се класифицира като „топ“ научно направление в световен мащаб - над 5000 статии годишно (2018 г. Web of Science). Ключ към повишаване ефективността на органичните соларни клетки е процесът синглетно разцепване (SF). При него облъчването с един фотон води до получаването на цели четири зарядови носителя (вместо само два) във веригата на соларната клетка – два електрона и две дупки. Работата на екипа ни в рамките на ННП Е+ цели откриването на нови, евтини и същевременно ефикасни материали за соларни клетки, работещи на принципа на синглетно разцепване.

• Задача 1.4.1. Нови материали, методи, технологии и системи за конверсия на слънчева енергия

Работен пакет 1.5. Автономно енергийно захранване на еднофамил- ни къщи - демонстрация и анализ на възможностите

Основната цел на РП 1.5 на ННП ЕПЛЮС е, за първи път в България (и региона) да бъде демонстрирана възможността за изграждане на автономно топло- и електрозахранване на малки бизнес обекти или еднофамилни къщи чрез микро (до 5 kW) хибридна енергийна система с „нулева емисия“ като се демонстрират комбинации от алтернативни компоненти на системата: слънчев панел/ветрови генератор - батерия/водороден генератор – горивен елемент – консуматор и се проведат дългосрочни изпитания в реални експлоатационни условия за да бъдат определени основни експлоатационни, екологични и икономични показатели.