TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

Vodonik / Upotreba kao pogonskog goriva

Svuda na gas

Zbog sve većeg zagađenja životne sredine i posledica koje to izaziva po prirodu i ljudsko zdravlje, danas se kod materija koje ljudi upotrebljavaju pojavljuje i zahtev da ne zagađuju okolinu. Među njima su i goriva, materije koje pri oksidaciji (najčečće sa kiseonikom iz vazduha) u toku sagorevanja ili gorenja imaju niz egzotermnih hemijskih reakcija u kojima se, zbog promene hemijskih sastojaka, stvaraju toplota i produkti sagorevanja. Različita goriva i njihovi produkti sagorevanja utiču na okolinu na različite načine, što se utvrđuje tek nakon temeljnog ispitivanja njihove toksičnosti, npr. prirodni gas pri sagorevanju daje toplotnu energiju koja se koristi za grejanje stanova i preduzeća, kao i u elektranama za proizvodnju električne energije. On je isplativ jer je lako dostupan resurs, a čistija je alternativa uglju - najprljavijem fosilnom gorivu koje smo u prošlosti koristili za grejanje i proizvodnju električne energije. Međutim, pri sagorevanju ovog gasa se, kao otpadni proizvod, pored vodene pare, dobija i ugljen-dioksid (CO2), za koji se često kaže da je „najvažniji gas sa efektom staklene bašte koji je proizveo čovek” jer, kada se ispusti u atmosferu, izaziva efekat staklene bašte što utiče na klimatske promene.

Jedna od mogućih alternativa prirodnom gasu je vodonik (H) koji pri sagorevanju oslobađa toplotu, a otpadni proizvod je samo vodena para. Zbog toga što pri sagorevanju ne emituje CO2, korišćenje vodonika za dobijanje energije donosi brojne ekološke i društvene prednosti. Međutim, problem je što se vodonik na Zemlji ne može naći u svom čistom obliku. On mora da se proizvede, odnosno mora da se uloži energija da bi se dobilo željeno gorivo, pa se pri korišćenju vodonika vodi računa i o načinu njegove proizvodnje. Zeleni vodonik se proizvodi elektrolizom vode pomoću energije iz obnovljivih izvora, pri čemu se molekuli vode razlažu na sastavne elemente, kiseonik i vodonik u gasovitom stanju, bez štetnih nusproizvoda i emisija gasova sa efektom staklene bašte. Plavi i sivi vodonik se proizvode iz fosilnih goriva (odnosno neobnovljivih izvora energije) korišćenjem neke od dve osnovne metode. Reformiranje metana parom je najčešći metod za proizvodnju vodonika (95% u svetu), kod koje metan iz prirodnog gasa u reformatoru sa katalizatorom reguje sa vodenom para na visokoj temperaturi (700-1000°C) i pritisku (3-25 bara) pri čemu se dobijaju vodonik, ugljen-monoksid i mala količina ugljen-dioksida. Drugi metod je autotermalno reformiranje, kombinacija prethodnog postupka reformiranja metana i delimične oksidacije, gde se kiseonik i ugljen-dioksid ili vodena para mešaju sa metanom iz prirodnog gasa na visokoj temperaturi (950-1100°C) i pritisku (do 100 bara) i provode preko katalizatora gde se delimičnim sagorevanjem iz metana dobijaju vodonik i ugljen-monoksid. Loša strana ove dve metode je što proizvode ugljovodonike kao nusproizvod, tako da postoji potreba za njihovim zahvatanjem i skladištenjem (Carbon Capture and Storage-CCS), što podiže troškove i smanjuje ukupnu efikasnost postupka.

Dodatna prednost zelenog vodonika je da se, pošto se pri njegovoj proizvodnji elektrolizom koristi električna energija, može koristiti za indirektno skladištenje električne energije i njenu naknadnu konverziju. Obnovljivi izvori energije su posebno podložni sezonskim fluktuacijama jer se ponekad proizvodi više električne energije nego što se može iskoristiti, a u drugim slučajevima je dostupno premalo električne energije. Višak električne energije može se, pomoću elektrolize, pretvoriti u vodonik koji se može uskladištiti. Kada je potrebno više električne energije, uskladišteni vodonik se može kombinovati sa kiseonikom u gorivnoj ćeliji za ponovno dobijanje energije koja se zatim može vratiti u električnu mrežu. Dakle, vodonik nudi rešenje za dugoročno skladištenje električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije. Takođe, uskladišteni vodonik se može pretvoriti u metan i vodu dodavanjem CO2 i ubaciti u gasovod umesto prirodnog gasa.

Gasne turbine za početak

Toplota koja nastaje pri sagorevanju vodonika se može koristiti za proizvodnju električne energije, pa su gasne turbine sa pogonom na sintetički gas (sadrži i do 95% vodonika po zapremini) u upotrebi više od jedne decenije i već se komercijalno proizvode u velikom broju. Pored toga raste interesovanje i za korišćenje vodonika kao goriva u elektranama. U SAD, nekoliko elektrana najavilo je prelazak na rad sa mešavinom prirodnog gasa i vodonika u gasnim turbinama sa sagorevanjem, što će zahtevati modifikacije i prilagođavanja postojećih sistema. Postrojenje „Long Ridge Energy Generation Project”, u Ohaju, sa gasnom turbinom od 573 MW, novembra 2021. počelo je da radi sa mešavinom 80% prirodnog gasa i 20% vodonika, da bi za deset godina prešla na korišćenje 100% zelenog vodonika proizvedenog iz obnovljivih izvora. I postojeća elektrana na ugalj „Intermountain Power Agency” u Juti će se, do 2025, modifikovati u gasno postrojenje sa kombinovanim ciklusom, koje bi u početku koristilo do 30% da bi kasnije prešlo na 100% zeleni vodonik.

Gorivne ćelije

Upotreba vodonika u transportu, koja se ponekad naziva i „mobilnost zasnovana na vodoniku”, zahteva korišćenje gorivnih ćelija za proizvodnju električne energije. Gorivna ćelija je elektrohemijski uređaj koji služi za neposredno pretvaranje hemijske energije sadržane u nekom hemijskom elementu ili jedinjenju - u jednosmernu električnu struju. Kao i baterija, gorivna ćelija se sastoji od dve elektrode (porozne na difuziju gasa) koje su odvojene čvrstim ili tečnim elektrolitom - membranom sposobnom da provodi pozitivne jone ali ne i elektrone. Kao elektrolit se mogu koristiti razne kiseline, baze ili keramički materijali, a može se dodati i katalizator za ubrzavanje reakcija na elektrodama. Na anodu se kontinualno dovodi gorivo (neki element ili jedinjenje sa visokim sadržajem unutrašnje energije kao što su vodonik, metan, metanol, sirćetna kiselina, rastvor glukoze) i ono tu oksiduje, dok se na katodu kontinualno dovodi oksidaciono sredstvo (kiseonik, vodonik peroksid...) koje se tu redukuje. Elektrohemijskom reakcijom goriva (npr. vodonika) sa oksidacionim sredstvom (npr. kiseonikom) dolazi do njegovog razlaganja na pozitivne (proton) i negativne jone (elektrone) u blizini anode. Pri tome dolazi do difuzije protona kroz elektrolit-membranu ka katodi koja preuzima pozitivna naelektrisanja. Elektroni koji su ostali iza su privučeni prema pozitivno naelektrisanoj katodi;  ali pošto ne mogu da prođu kroz elektrolit, moraju da nađu alternativni put. Ako se između elektroda oformi spoljašnje kolo, elektroni će krenuti kroz njega iz anode i tako će se dobiti električna struja i proizvesti električna energija. Produkti reakcije, negativni i pozitivni joni, spajaju se u elektrolitu, a nastali proizvod odvodi se iz gorivne ćelije. Često je krajnji proizvod reakcije isti kao da je gorivo izgorelo u oksidatoru uz direktno pretvaranje hemijske u unutrašnju termičku energiju pa odatle i naziv gorivna ćelija.
Elektrode su obično napravljene od različitih metala, ali mogu biti i od ugljeničnih nano cevčica presvučenih katalizatorom (npr. platina ili paladijum), čime se postiže veća efikasnost. U specifičnim gorivnim ćelijama kao elektrolit se koristi gas pod visokim pritiskom. Električni napon koji nastaje je teoretski oko 1,23 V, a zavisi od vrste goriva i kvaliteta ćelije. Kod ćelija koje se danas najviše koriste napon je obično oko 0,95 V, a da bi se dobio veći napon potrebno je nekoliko ćelija povezati u niz. Mogu se korisititi kao prenosni sistemi za napajanje energijom koji, u zavisnosti od veličine, mogu varirati od malih uređaja-mikrogorivih ćelija, u opsegu od 1-50 V za napajanje manjih elektronskih uređaja, pa sve do velikih generatora od 1-5 kV za proizvodnju električne energije većeg obima (npr. vojne ispostave, udaljena naftna polja).

Putnička vozila

Iako su razvijani i automobili koje pokreće motorsa unutrašnjim sagorevanjem na vodonik, mnogo veću primenu su našla vozila sa gorivnim ćelijama pogonjena vodonikom.Ona koriste električnu energiju iz tih ćelija za napajanje električnog motora, slično potpuno električnim vozilima koja koriste električnu energiju iz baterija ili akumultora. Kod tih vozila električni pogon može da se napaja direktno iz gorivne ćelije ili iz baterije ili superkondenzatora u koju je uskladištena energija koju je proizvela gorivna ćelija. Međutim, te baterije koje koriste u automobilimasa gorivim ćelijama su mnogo manje, a samim tim i lakše u poređenju s onim koje se koriste za pogon potpuno električnihvozila, gde je kod većine paket baterija teži više od 450 kilograma. Manja težina gorivnih ćelija u odnosu na baterije (jedan kilogram gorivnih ćelija daje 236 puta više energije od jednog kilograma litijum-jonske baterije) omogućuje razvoj lakših pogonskih sistema, a samim tim i lakših vozila. To pozitivno utiče na autonomiju automobila pogonjenih gorivnim ćelijama a time i efikasnost, jer mogu preći većarastojanja u poređenju sačisto baterijskim pandanima. Već danas je njihova autonomija vožnje sa punim rezervoarom uporediva sa onom koju pružaju benzinski automobil slične veličine.Vodonik kao gorivo za automobile se toči u rezervoare pod visokim pritiskom na stanici za punjenje za dva do pet minuta, na isti način kao kod vozila koja koriste benzin ili dizel gorivo.

Za razliku od konvencionalnih vozila sa unutrašnjim sagorevanjem, vozila sa gorivnim ćelijama nemaju štetne emisije iz auspuha ali postoje i mane koje se tiču same prirode vodonika(a ne tehnologije gorivnih ćelija), za koje će se mnogo teže naći rešenje. Reč je o lakoj zapaljivosti vodonika što zahteva držanje u posebnim uslovima i velikim gubicima električne energije pri proizvodnji vodonika. Kod potpuno električnih automobila, gubitak električne energije od njene proizvodnje izobnovljivih izvora pa do pokretanja motora iznosi samo 20%, dok kod vodonika nakon procesa elektrolize, hlađenja, kompresovanja i transporta ovog goriva gubitak energije iznosi 62%.Zbog toga su mnoge automobilske kompanija koje su u prethodnoj deceniji razvijale automobile na vodonik prebacile fokus na električna vozila koja imaju samo baterije. Bez obzira na to, tri proizvođača automobila nastavili surazvoj putničkih vozila sa vodoničnim gorivnim ćelijama, a dva modela se serijski prizvode: „Toyota Mirai” i „Hyundai Nexo” („Honda Clarity” se proizvodila od 2016-2021).Kako je do kraja 2020. godine u celom svetu na putevima bilo samo 31.225 automobila na vodonik, zbog njihovog malog broja i problema sa čuvanjem vodonika izgradnja stanica za dopunu vodonika trenutno predstavlja finansijski i logistički izazov za industriju, što utiče i na mogućnosti njihovog većeg korišćenja.

Javni prevoz na kopnu i pod vodom

Vozila sa pogonom na vodonične gorivne ćelije se takođe ispituju za primenu u javnom prevozu putnika (autobusi, tramvaji i vozovi). Nekoliko velikih gradova uključujući Čikago, Vankuver, London, Tokijo, Seul i Peking eksperimentisalo je sa autobusima na vodonik. Međutim 2022, grad Monpelje, u Francuskoj, je otkazao ugovor o nabavci 51 autobusa sa pogonom na vodonične gorive ćelije kada se ustanovilo da sutroškovi upotrebe vodoničnih autobusa 6 puta veći od cene električne energije.
Tramvaji na vodonik mogu biti alternativa metrou jer su jeftiniji zbog toga što nema troškova izgradnje infrastrukture za snabdevanje električnom energijom. Iako je u martu 2015.u Kini prikazan prvi tramvaj na svetu sa pogonom na vodonične gorivne ćelije, trenutno su vodeću ulogu u razvoju ovakvih tramvaja preuzeli Nemačka i Japan. I u Južnoj Koreja planiraju da, do kraja 2023, završe razvoj tramvaja na vodonik kao ekološkog gradskog prevoznog sredstva sledeće generacije.

I putnički vozovi na vodonik su ekološki prihvatljivi jer ne emituju zagađujuće materije u vazduh. Kao i kod tramvaja, pri tome se štedi na troškovima jer nema potrebe za infrastrukturom za snabdevanje električnom energijom. Prvi voz na vodonik je uveden u upotrebu u severnoj Nemačkoj, 2018. („Coradia iLint”) sa operativnim dometom od 600-800 km. Već2019. za region Frankfurt Rajna-Majna naručeno je 27 iLint vozova (svaki sa po 160 sedišta) koji će biti isporučeni do decembra 2022, kada treba da zamene postojeće dizel vozove koji trenutno saobraćaju na tim linijama. U narednih pet godina i druge zemlje (Velika Britanija, Francuska, Italija, Japan, Južna Koreja i SAD9 planiraju da uvedu u upotrebu vozove na vodonik.

Eksperimentalni voz sa gorivnim ćelijama na vodonik „HydroFLEX” počeo je da se ispituje u Velikoj Britaniji, juna 2019, a u februaru 2022. u Japanu je počeo da se testira takav voz nazvan „Hybari”. I u Južnoj Koreji, do decembra 2022. treba da razviju voz na vodonik koji sa jednim punjenjem može da pređe više od 600 km brzinom većom od 110 km/h.
Primena vodonika u kamionima za prevoz robe može imati prednosti u odnosu na čisto električna kamione koji imaju nedostatke zbog ograničenog kapaciteta baterija i ograničenja u mreži stanica za njihovo punjenje. „Hyundai” je 2020. počeo da proizvodi model teretnog kamiona „Xcient”, nosivosti 34 t sa pogonom na vodonik, koji je u stanju da pređe 400 km sa punim rezervoarom za čije punjenje je potrebno 8 do 20 minuta. I„Daimler” je najavio da će 2023. početi proizvodnju kamiona na tečni vodonik „Mercedes-Benz GenH2”.
Vodonične gorivne ćelije još uvek nisu pogodne za pogon velikih brodova na dugim relacijama, ali se ispituju na manjim električnim brodovima za produžavanje autonomije plovidbe. Takođe, podmornice tipa 212 nemačke i italijanske mornarice koriste za pogon gorivne ćelije što omogućava da ostanu pod vodom nedeljama bez potrebe da izranjaju.

Avijacija preko 3000 km

Avion na vodonik koristi vodoničko gorivo kao izvor energije koji može direktno sagorevati u mlaznom ili motoru sa unutrašnjim sagorevanjem - ili se može koristiti za napajanje gorivne ćelije koja proizvodi električnu energiju za pogon propelera. U nekoliko eksperimentalnih programa korišćene su vodonične gorivne ćelije za pogon elektromotora kod bespilotnih letelica i malih aviona. Iako je još u februaru 1957. u SAD prvi put leteo avion u kome je 20 minuta korišćen vodonik za pogon jednog od dva mlazna motora umesto mlaznog gorivo, a 15. aprila 1988. godine u SSSR-u poleteo Tu-155 kao prvi eksperimentalni avion sa mlaznim motorom na vodonik - još nije došlo do komercijalne primene te vrste pogona. Međutim, nedavno je Erbas predstavio tri koncepta za avione „ZEROe” koji koriste tečni vodonik za pogon koji bi mogli da uđu u upotrebu do 2035. Svaki od ovih koncepata omogućava postizanje letova sa nultom emisijom na drugi način, kroz različite tehnologije i aerodinamičke konfiguracije. Tako bi se postigli klimatski neutralni ciljevi, čime bi u svetskoj vazduhoplovnoj industriji Erbas imao vodeću ulogu u postizanju dekarbonizacije.

To su koncepcije aviona sa:
1) elisom koji bi pokretao modifikovani gasno-turbinski motor na vodonik za pogon letelica do 100 putnika. Ovaj avion bi mogao da preleti više od 1.600 km, što ga čini savršenom opcijom za kraća putovanja;
2) turbo ventilatorskim mlaznim motorom koji bi pogonio letelicu za 120-200 putnika sa doletom preko 3.500 km, što bi omogućilo interkontinentalne letove. Umesto mlaznog goriva, u gasno-turbinskom motoru bi sagorevao tečni vodonik, koji bi se skladištio i distribuirao iz rezervoara u kojima bi se nalazio pod pritiskom;
3) integrisanim trupom letelice sa krilom (leteće krilo) pogonjen turbo-ventilatorskim mlaznim motorom na tečni vodonik za do 200 putnika koji bi imao dolet preko 3.500 km. Izuzetno širok trup omogućava različite opcije za skladištenje i distribuciju vodonika, kao i za raspored kabine.
Da bi mogli da opslužuju ove avione, na aerodromima će biti potrebno izgraditi značajnu infrastrukturu za skladištenje i transport vodonika, i njegovu dopunu kao goriva u avionima kako bi mogli da zadovolje potrebe svakodnevnih letova. Za postizanje ovih ciljeva biće potrebna podrška vlada, uz povećano finansiranje istraživanja i razvoja tehnologije, digitalizaciju i mehanizme koji podstiču upotrebu održivih goriva i obnavljanje flote aviona.

Istraživanje svemira novim motorima

Od pedesetih godina prošlog veka, u tečnim raketnim motorima se kao gorivna materija koristi tečni vodonik (LH2), a kao oksidator tečni kiseonik (LOX). Kombinacija tečnog vodonika i kiseonika (H2/O2) ima najčistije produkte sagorevanja jer se emituju uglavnom vodena para (H2O) i mala količina različitih azotnih oksida (NOx). Ova kombinacija se naziva „kriogena” jer je potrebno njihovo odvojeno skladištenje na ekstremno niskim temperaturama da bi bili u tečnom stanju - pošto su zajedno nestabilni. To zahteva složeni sistem sa odvojenim rezervoarima i cevovodima (vodovi i ventili) za njihov dovod u motor pod pritiskom, a zbog konstantnog ključanja vodonika, raketa se mora puniti gorivom neposredno pre lansiranja. Takođe, mala gustina i niska temperatura tečnog vodonika zahteva veće i izolovane, a samim tim i teže rezervoare za gorivo u raketama, što povećava masu rakete. Zbog toga su u višestepenim satelitskim raketama kod prvog stepena korišćena druga goriva sa većom gustinom, jer je konstrukcija bila optimalnija zbog manjeg prečnika rakete, a time i manjeg otpora vazduha. Tečni vodonik je zbog manje težine bio efikasniji za primenu u višim stepenima rakete.

NASA (Nacionalna aeronautička i svemirska administracija) je značajno stimulisala razvoj gorivnih ćelija zbog potrebe za napajanjem različitih sistema na svemirskim letilicama električnom energijom. Pored toga nus-proizvod gorivne ćelije je voda, koja se koristila za piće astronauta i druge namene koje zahtevaju vodu u svemiru. Letelice za orbitalne misije iz programa “Džemini” koristile su gorivne ćelije koje su koristile tehnologiju propusne membrane, dok su se za letelice iz programa “Apolo”, namenjene za istraživanja Meseca, i letove spejs-šatla koristile napredne verzije alkalnih gorivnih ćelija. Za duže misije u orbiti pogodnija tehnologija su fotonaponski paneli koji pretvaraju svetlosnu u električnu energiju.

Dr Vladica Božić

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