TEMA BROJA

Miloslav Rajković

Vodonik i vodonične tehnologije

Rađa se era vodonika

“U toku je rađanje privrede pokretane vodoničnom energijom”, nagovestio je još početkom veka futurolog Džejms Kanton (Extreme Future, 2006). “Ta energija će”, pojasnio je Kanton, “dovesti do sveobuhvatnih promena, koje će se odvijati brzinom do sada nezabeleženom u istoriji”. Elektrane na vodonik, ma koliko sada delovale fency, nekome i “krajnje apsurdno”, najavljuju dolazak novog doba. Dugoročne strategije u energetici razvoju vodonika i vodoničnih tehnologija poklanjaju posebnu pažnju. Pišu se i posebne strategije vodonika. Poslovni ljudi već zamišljaju budućnost sa čistom i neograničenom energijom dobijenom iz vodonika, nuklearne fuzije i nanotehnologija. 

Iako zajednička istorija energije i vodonika datira od pronalaska motora sa unutrašnjim sagorevanjem pre više od dva veka, sastavni je deo moderne prerađivačke industrije, a potražnja za vodonikom širom sveta od 1975. do 2018. godine više je nego utrostručena, vodonik je tek poslednjih godina doživeo ”izuzetni politički i poslovni zalet” (izveštaj o stanju u oblasti vodonika Međunarodne agencije za energiju, IEA, 2019). Reč je pre svega o proizvodnji, primeni i korišćenju vodonične energije i čistog vodonika. 

Vesnici “vodoničnog društva”

Ova tendencija ima svoju predistoriju. Podsetićemo na međunarodni skup u Minhenu, septembra 2000, sa osnovnom temom Čista energija na bazi sunca i vode. Učesnicima skupa je još tada tehnologija korišćenja vodonične energija bila “razumljiva ili na putu da bude u potpunosti razumljiva i razjašnjena”, pa je skup imao za cilj da ukaže na njen multidisciplinarni karakter. Još tada je rečeno da će se u narednih sto godina sve više koristiti energija vodonika i da će na kraju potpuno zameniti ugljovodonike kao osnovni izvor energije za transport.
Akademik Milan Damnjanović, nanofizičar, na jedno naše pitanje o vodoniku i nanotehnologiji, setio se početka svoje saradnje sa nemačkim kolegama pre više od dvadeset godina. “Moj prvi projekat sa Nemcima se zvao Od Berlina do Vladivostoka sa jednim punjenjem. Radilo se o nanotubama”, kaže, dodajući da je vodonik kao gorivo “veoma povoljno rešenje energetsko-ekoloških pitanja”. 
Kanton u knjizi Ekstremna budućnost  navodi razgovor sa jednim od visokih rukovodilaca kompanije Toyota o budućnosti energije, imajući u vidu da vreme nafte prolazi, u kome je njegov japanski sagovornik izneo “čvrst stav” da su sadašnji hibridni automobili samo “prelazno rešenje” ka, kao je zapisao, “osposobljavanju automobilske industrije da se uhvati ukoštac s pravim izazovom: korišćenjem vodonika”.
Ne treba smetnuti s uma da je Japan vodeća zemlja u istraživanju tehnologija koje treba da unaprede alternativne izvore energije, a dugoročni cilj japanske vlade je da stvori vodonično društvo u kojem bi vodonik kao izuzetno čist energetski izvor bio u širokoj primeni: u energetici, saobraćaju, stanovima, kancelarijama i fabrikama, a ne samo automobilima. 
Toyota je proizvela prvi električni automobil sa nula emisije (model “mirai”, japan. = budućnost), radi na razvoju vodoničnog motora, a na tokijskim ulicama već saobraćaju autobusi sa gorivnom ćelijom. Japanci su krajem 2019. godine porinuli u more i prvi tanker za prenos velikih količina tečnog vodonika. U Veneciji je još 2009. godine puštena u rad prva elektrana na vodonik.
U jednoj ne tako davnoj domaćoj debati o vodoniku moglo se čuti da je Amerika prva krenula sa korišćenjem vodonika, da Kina ima najviše pumpi za prodaju vodonika kao goriva, da namera Rusije nije više “plasman gasa nego vodonika”. U zemljama EU postoje stanice za snabdevanje vodonikom i Unija podstiče njihovu gradnju. Tom prilikom prof. Tomislav Mićović, generalni sekretar "Udruženja naftnih kompanija Srbije", izrazio je očekivanje “da će se uskoro takve stanice i u Srbiji pojaviti".
Nesporna je činjenica da se vodonik kao gorivo budućnosti favorizuje kao nikada ranije. Može li zaista lepota vodonika da spase našu planetu od globalnog zagrevanja i nedostatka čiste energije? 
-Vodonik je tek poslednjih nekoliko godina postaje predmet naglo povećanog interesovanja. Prvi razlog tome je koncept klimatske krize, prema kome globalna temperatura raste, a „glavni krivac“ je ugljen-dioksid (CO₂), produkt sagorevanja fosilnih goriva. Za razliku od fosilnih goriva, vodonik u procesu reakcije sa kiseonikom ne formira CO₂, već vodu, H₂O. Forsiranje obnovljivih izvora energije i potiskivanje fosilnih goriva, potrebe za energetskom nezavisnišću i sigurnošću, favorizuju vodonik kao gorivo – smatra dr Miroljub Adžić, profesor emeritus Mašinskog fakulteta u Beogradu.
Pored više praktičnih razloga, prof. Adžić ukazuje da su za povećano interesovanje za vodonik “ne manje značajni” i geopolitički razlozi i protekcionizam. “U svemu ovome”, zaključuje, “važno je imati na umu da je hemijska energija vodonika sekundarnog tipa, dobijena transformacijom primarne energije.” 

Problemi i lepota vodonika

Profesor Branimir Grgur sa Tehnološko-metalurškog fakulteta, pisac knjige Alternativni izvori energije (2015) i jedan od koautora Koncepta vodonične strategije Srbije, pravi je sagovornik o ovoj temi. Na pitanje zašto se favorizuje vodonik, ako imamo prirodni gas, ugalj, naftu, odgovara kratko i jasno: “Proizvod sagorevanja vodonika je čista voda”.  I dodaje, i voda izaziva efekat ‘staklene bašte’ ali njen ciklus je jednodnevni i doprinos tom efektu je neznatan. Emisija CO₂, kada se ima u vidu ceo proces dobijanja i korišćenja vodonika je veoma mala, od 0,3 gr po kilovat-času električne energije, što je stvarno zanemarljivo. 
-S druge strane, vodonik je jedan od najzastupljenijih elemenata u svemiru, svaka zvezda se sastoji najmanje od 70 posto vodonika. Na Zemlji ga ima u ogromnoj količini, ali vrlo malo u slobodnom stanju, tzv. beli vodonik, zbog svoje velike reaktivnosti uglavnom je vezan u nekim jedinjenjima. Najveća količina vodonika je vezana u vodi koja može biti slatka i slana, a najveći izvor su okeani. Na žalost, okeani u sebi imaju i natrijum-hlorida i ostalih hloridnih, sulfatnih, karbonatnih soli, tako da je dobijanje vodonika iz morske vode vrlo teško, pošto se u tom procesu izdvaja i hlor (Cl), koji je otrovan gas.
Dobijanje vodonika i jeste najveći problem. Problem proizvodnje vodonika je njegova jaka hemijska veza sa kiseonikom koju treba na neki način razložiti. A tu su i ne mali troškovi.
-Najčešći način dobijanja vodonika u gasovitom stanju je elektroliza vodenih rastvora nekih elektrolita. Uglavnom se koriste alkalni elektroliti, sa 30% natrijum ili kalijum hidroksida. Teorijski, za dobijanje 1 kg vodonika je potrebno minimum oko 33 kilovat časova električne energije. Međutim, zbog ireverzibilnosti elektrohemijskih reakcija, da bi se reakcija odigravala nekom merljivom brzinom, potrebno je uložiti dodatnu električnu energiju tako da je za dobijanje kilograma vodonika potrebno između 45 do 70 kW časova po kilogramu.
Ali, šta je lepota vodonika?- pita se prof. Branimir Grgur u ovom slučaju.
-Vodonik ima električni kapacitet od 26,8 amper časova po gramu. Dva grama vodonika imaju praktično isti električni kapacitet kao olovni akumulator u vozilu težak desetak i više kilograma. Ako bismo ga uporedila sa sada aktuelnim litijumom (litijum ima teorijski električni kapacitet 3,8 amper časova po gramu), tako da vodonik ima sedam puta veći kapacitet. Litijum ima veći napon nego kod primene vodonika, ali je specifična energija kod vodoničnih sistema oko 20-ak kWh po kilogramu, a kod litijuma negde od 7-10 kWh po kilogramu, tako da i tu vodonik ima veliku energetsku prednost u odnosu na izuzetno retki litijum, koji je treći element u Periodnom sistemu.
Postoji više tehnoloških postupaka za dobijanje vodonika: elektrolizom vode, gasifikacijom ili reformingom biogoriva, primenom mikroorganizama i foto-elektrohemijskim razlaganjem vode. Danas se uglavnom za dobijanje vodonika koristi proces reforminga prirodnog gasa ili elektroliza vode. U prvom slučaju, na povišenoj temperaturi, uz određene katalizatore, prirodni gas koji je po svom hemijskom sastavu metan razlaže se na vodonik i ugljen-dioksid. Pošto je prirodni gas neobnovljivi izvor energije, emisija CO₂ opet utiče na gasove „staklene bašte“. To nije biovodonik, „zeleni“ vodonik, već plavi ili sivi.
- Da bi se dobio pravi biovodonik za elektrolizu vode mora da se koristi obnovljivi izvor energije. Ako se koristi energija iz vetrogeneratora u prevođenju kinetičke energije u mehaničku, pa električnu, gubi se oko polovine energije. To znači da od kilovatčasa vetro energije dobijemo samo 50% biovodonika. Ništa manji gubici su i kod solarnih ćelija. Njihova efikasnost je u proseku 17 posto, tako da od kilovatčasa (metar puta metar fotonaponske ćelije) dobijemo 170 W. Stoga su potrebne ogromne površine da bi se dobile velike količine biovodonika, što automatski uslovljava njegovu visoku cenu proizvodnje.
U procesu eleketrolize vode dobija se 99,9 % aposlutno čist vodonik. Od tone vode koja se elektrolizira dobije se oko sto kilograma vodonika i oko 900 kg čistog kiseonika. Eleketroliza vode je veoma razvijena, pouzdana i tehnički jednostavna metoda za razlaganje vode i dobijanje vodonika. Njena mana je to što troši velike količine električne energije po jedinici izdvojenog proizvoda. Ova metoda ima veliku perspektivu pod uslovom da se tehnološki usavrši kroz razvoj boljih elektrolizatora i konstrukciona poboljšanja.

Najveći potencijal Srbije

-Vodonik se može dobiti i gasifikacijom ili reformingom biomase. Prema procenama, Srbija raspolaže sa 5,8 miliona tona ekvivalenta nafte (ten), obnovljivih izvora energije, a to je ona energija koja se oslobodi sagorevanjem jedne tone nafte, a po najnovijim procenama i znatno više. Od tih 5,8 miliona tona ekvivalenta nafte, bioobnovljivi izvori energije čine oko 63%. To je naš najveći potencijal obnovljivih izvora energije.
Različiti vidovi biomase (ulja iz uljane repice, suncokreta, kukuruza i sl.) raznim hemijskim ili biohemijskim modifikacijama mogu da se prevode u biodizel i bioalkohole, koji mogu direktno da se primenjuju u automobilima sa unutrašnjim sagorevanjem. Istina, sa nešto manjom energijom od dizela ili benzina, ali učestvuje u prirodnom ciklusu kruženja ugljenika i tako doprinosi smanjenju efekata „staklene bašte“. Modifikovana biomasa može se koristiti i kao gorivo u gorivnim galvanskim spregovima (fuel cell) ili nakon razlaganja (reforming procesom) u obliku vodonika.
Kada je reč o gasifikaciji biomase, ona se odigrava bez ili sa vrlo malo prisustva kiseonika, pri čemu se dobija tzv. sintetički gas, koji se sastoji od dva mola vodonika, jednog mola ugljen-monoksida (koji je izuzetno otrovan) i ugljendioksida. U reakciji sa vodenom parom, ugljen-monoksid može da se prevede u dodatnu količinu vodonika i CO₂, koji je prirodan ugljen-dioksid, ima isti hemijski sastav kao CO₂ iz fosilnih goriva, ali pošto učestvuje u prirodnom ciklusu ne utiče na globalno zagrevanje.
Pri gasifikaciji biomase, navodi Grgur konkretne rezultate, dobije se od 40 do 70 zapreminskih procenata vodonika, ostatak čini uglavnom CO₂ i nekoliko grama nečeg sličnog asfaltu po kubnom metru drvne mase. Ovako dobijen vodonik može da se koristi direktno za sagorevanje, jer ima veliku toplotnu moć, ali nije dovoljno čist da bi se koristio za pogon automobila. Takva smesa ima oko 120 do 180 mega džula po litru vodonika, što je vrlo velika energija. Daljom preradom vodonika, reakcijom vodonika i ugljen-monoksida, može da se dobije biometanol, koji u  reakciji sa uljima gradi biodizel.
Pored svih dobrih osobina vodonika, njegova osnovna mana je da je prilično zapaljiv. U kontaktu sa kiseonikom, mada nije toliko reaktivan i neće neposredno doći do eksplozije, potrebna je neka varnica ili katalizator koji bi tu reakciju ubrzao, može doći do zapaljenja i same eksplozije, kao i u slučaju prirodnog gasa. U odnosu na prirodni gas koji ima toplotnu moć 50 MJ po kilogramu, energetska toplotna moć vodonika je više nego duplo veća, 120 MJ po kilogramu. 

-Problem sa vodonikom je i skladištenje. Može da se skladišti u komprimovanom stanju ili se koriste neke legure metala. Poznata nemačka firma Messer proizovdi vodonik i komprimuje ga u cilindrima. U zavisnosti od veličine cilindra, pod visokim pritiskom, od 100 do 300 bara, oni se pune vodonikom, transportuju se uz bezbednosne mere koje prate zapaljive supstance i koriste tamo gde je potrebno. Drugi način skladištenja je korišćenje legura metala koji mogu da apsorbuju vodonik. To su magnezijum i njegove legure ili titan-nikal legure, koje imaju reverzibilnu sposobnost da na određenoj temeperaturi apsorbuju vodonik i posle zagrevanja ga otpuštaju.
Što se tiče transporta vodonika, ne treba koristiti čelične cevi pošto dolazi do vodonične krtosti, kaže prof. Grgur, jedan od vodećih stručnjaka u oblasti alternativnih izvora, konverzije i skladišetenja energije.
S druge strane, problem je i veličina molekula vodonika. “To je najmanji molekul”, kaže  akademik Damnjanović , “koji curi kroz zidove normalnih materijala, ako bi vodonik bio tankovan kao benzin. Ideja od pre dvadesetak godina bila je da se on veže za neku podlogu (strukturu) i kontrolisano (mehanički, električno, toplotno, kako se već smisli) oslobađa. Međutim, ako se vodonikov molekul hemijski čvrsto veže, neće da se lako oslobodi. Tu ulaze u igru nanomaterijali kao neka vrsta sunđera koji bi se napunili vodonikom i polako cedili.”
-Kao univerzalni nosilac energije, vodonik se može koristiti u industriji, transportu, zagrevanju privatnih i poslovnih zgrada. U svetu se 90% proizvedenog vodonika koristi u industrijske svrhe, a samo deset odsto kao nosioca energije, dok se kod nas 100% koristi u industrijske svrhe, što bi u narednim godinama moralo da se promeni, kaže naš sagovornik. 
U industriji se koristi za proizvodnju amonijaka, azotnih đubriva, metanola, aminokiselina i tzv. hemikalija visoke vrednosti, kao i u preradi fosilnih goriva. Očekuje se da će u bližoj budućnosti industrija čelika biti značajan potrošač zelenog vodonika. Vodonik se koristi i kao izuzetan rashladni fluid u termoelektranama i na taj način povećava njihovu proizvodnu efikasnost. Kao gorivo u saobraćaju vodonik je namenjen električnim vozilima sa gorivnim ćelijama (autobusi, putnički automobile, kamioni, vozovi, industrijske mašine). 
-Mnoge zemlje sa razvijenom strategijom vodonika, kaže Grgur, očekuju da će vodonik najveću primenu naći upravo u industriji i transportu, pogotovo u zemljama sa razvijenom industrijom i visokim prioritetom smanjenja emisije gasova sa efektom staklene bašte. 

Gorivni galvanski spregovi

Pored supstitucije prirodnog gasa, za pogon raznih transportnih sredstava (vozila), od automobila i autobusa do kamiona i vozova koriste se gorivni galvanski spregovi koji rade na principu pozitivne i negativne elektrode. Negativna je – anoda u kojoj se odigrava oksidacija, gde vodonik prelazi u H+ jone-protone, a sa druge strane na pozitivnoj elektrodi, katodi, kiseonik iz vazduha se redukuje do vode, tako da je to razdvojena reakcija – sagorevanje. Zato se i nazivaju gorivni galvanski spregovi, objašnjava dr Grgur. 
Reč je o elektrohemijskim sistemima koji konvertuju potencijalnu hemijsku energiju goriva (obično vodonika) direktno u električnu energiju u obliku jednosmerne struje niskog napona, uz visoko iskorišćenje.
Postoji veći broj gorivnih galvanskih spregova (GGS), a danas se uglavnom koriste polimer elektrolitni galvanski spregovi koji rade na temperature oko 80 stepeni Celzijusovih, imaju visok sadržaj energije i jednostavne su konstrukcije. Nemaju tečni elektrolit nego koriste membranu koja ima sulfatnu grupu koja provodi proton. Membrana je veoma tanka, nekih stotinak mikrometara. Jedna takava ćelija može po kvadratnom santimetru da da i 2 ampera struje, što je značajno velika struja ako se uzme u obzir da se nekoliko desetina kvadratnih metara pakuje u slogove. Napon gorivne ćelije je oko 0,8 volti, pa mora da se redno spoji više pojedinačnih ćelija da bi se dobio napon od 48 volti. To dostiže debljinu nekoliko samtimetara.
Postoje i gorivni glavanski spregovi na bazi alkalija, npr. kalijum-hidroksida (kakavi su korišćeni u svemirskom programu Appolo), fosforno kiselinski, koji su izgubili primenu, pa su u upotrebi još polimer membranski gorvini spregovi i oksidno keramički. 

-Oksidno keramički gorivni glavanski spregovi rade na temperaturama višim od 600 stepeni Celzijusovih. Polimer membranski gorivni galvanski spregovi moraju da koriste čist vodonik, pošto kao katalizator koriste plemenite metale koji u tragovima sa ugljen-monoksidom izazivaju trovanje i gubljenje aktivnosti. Visokotemperaturni nemaju taj problem. Oni koriste katalizatore na bazi nikla za anodu i katodu. Pošto je visoka temepratura, ugljen-monoksid može da služi kao gorivo, tako da smesu iz gasifikacije možemo direktno da dovedemo do gorivnog galvanskog sprega sa čvrstim oksidnim elektrolitom i sagorevamo, pri čemu se razvija velika količina toplote. Ujedno, dobijamo električnu i toplotnu energiju koja se koristi za daljinsko grejanje. 
Profesor Grgur naglašava da su ovo uglavnom stacionarni sistemi velikih snaga, dok su polimer elektrolitni spregovi manje snage i predviđeni za pogon putničkih vozila (automobila). Prednost visokotemperaturnih galvanskih spregova je što praktično mogu da sagorevaju svaku organsku supstancu i da pri tom koriste kiseonik iz vazduha. Prema nekim procenama, 2019. godine bilo je svega 20.000 automobila sa pogonom na GGS, ali se 2024. očekuje da taj broj dostigne oko 250.000.
Vodonik može da se koristi i za dobijanje čelika umesto koksa, pošto je jako redukciono sredstvo. Na tome dosta rade u Nemačkoj.
-Sva istraživanja u oblasti dobijanja biovodonika su još u eksperimentalnoj fazi. Elektroliza je, po mom mišljenju, trenutno dosta neefikasna, korišćenje solarnih fotonaponskih konvertora je veoma problematično, jer je uslovljeno vremenskim prilikama, dobom dana ili godine. Dodatno, dobijenu energiju je neophodno akumulirati (skladištiti) da bi mogla da se konvertuje i tokom noći, a njeno trošenje omogućilo i pri nepovoljnim uslovima. Potrebna su još velika ulaganja u optimizaciju svih elektrolizera, pošto se ogromna količina energije koristi za dobijanje vodonika i to sa iskorišćenjem od 40 do 50%, uz veliki gubitak energije.
Konverzija i akumulacija električne i toplotne energije je naročito bitna ukoliko se konvertori koriste u uslovima gde ne postoji mogućnost povezivanja na elektrodistributivnu mrežu ili toplovod, za automobile, seoska domaćinstva, vikendice, vojne objekte, telekomunikacione repetitore i dr.
Bum vodonika se očekuje 2050. godine, ističe profesor Grgur i zaključuje: 
-Dugoročno, vodonik bi mogao da predstavlja alternativu fosilnim gorivima, ali treba prevazići niz bitnih naučnih, tehnoloških i ekonomskih poteškoća, kako bi kao gorivo našao veću primenu u različitim granama industrije.
Dotle, era fosilnih goriva će potrajati. Može li se s plavim vodonikom iz jeftinog australijskog uglja ostvariti japanski san o “vodoničnom društvu”? Grade se nove elektrane na ugalj , a jedna od njih, baš džinovska, u Tokijskom zalivu, biće puštena u rad 2023. Očekuje se da radi četrdeset godina.

Miloslav Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"