Vodikova ekonomija

Vodikova ekonomija ili ekonomija vodika je ideja promjene svjetske ekonomije energije ovisne o nafti u onu temeljenu na vodiku. Kada se govori o vodikovoj ekonomiji, u prvom redu se misli na ekološki prihvatljivu proizvodnju vodika u velikim količinama i primjenu u dva velika područja: prijevozu i energetici. Glavni razlog je zagađenje koje izazivaju automobili s pogonom na fosilna goriva (ugljikovodike). Samo u SAD 2001., emisija iz motornih vozila bila je veća od 500 milijuna tona ekvivalentnog ugljika. Prije skoro 50 godina u znanstvenoj i tehničkoj literaturi najavljena je uporaba vodika kao primarnog energetskog izvora u prijevozu i elektroenergetici. Kasnih 1960-tih godina, u NASA Apollo programu upotrijebljen je gorivi članak na vodik kao energetski izvor. U 2003. predsjednik SAD-a Bush i predsjednik EU Prodi potvrdili su viziju vodikove ekonomije. Američko ministarstvo za energiju inicirao je uporabu vodikova goriva, prema kojoj bi vodikova era započela 2024.

Ideja o vodikovoj ekonomiji nije tako nova. Još 1875. francuski pisac Jules Verne prorekao je da komponente vode, vodik i kisik, mogu osigurati neograničene količine električne energije i topline. Ali sve do danas, to je ostala znanstvena fantastika. Čovječanstvo ipak postaje sve svjesnije da put kojim ide u energetici ne vodi nikuda. Korištenje pretežito fosilnih goriva za dobivanje energije dovelo je već do velikih globalnih problema (globalno zatopljenje, povećanje stakleničkih plinova, porast razine mora), rješenje kojih već sada traži visoku cijenu.

Na sreću tu je vodik, energent izvanrednih osobina, koji bi mogao sve promijeniti. Kao gorivo je potpuno čist, neograničeno pristupačan i također dostiživ i za zemlje, koje danas nemaju pristup energiji i blagostanju. Vodikova revolucija, kako je neki nazivaju, može dovesti Svijet do toga da se više ne koriste fosilna goriva za proizvodnju energije i za prijevoz. U tom svijetu neće više biti prijetnje globalnog zatopljenja ili geopolitičkih sukoba na Bliskom i Srednjem istoku. Neće više biti ispušnih cijevi stotina milijuna vozila s otrovnim plinovima, a dimnjaci će biti rijetkost. Procjenjuje se da će 2020. u svijetu biti oko 1,1 milijarde automobila. "Energija 1", www.hep.hr, 2005.

Osobine vodika Neka najvažnija fizikalna svojstva vodika kao energenta su: specifična masa plinovitog vodika 0,08995 g/dm3 specifična masa ukapljenog vodika 0,0700 g/cm3 ogrjevna vrijednost (donja) 10,79 MJ/m3 (120 MJ/kg).

Vodik se praktički uvijek javlja u molekulnom obliku H2, jer je atomni vodik H kratkog života – samo oko 0,5 sekundi, i vrlo brzo ulazi u spojeve. Od svih elemenata gradi najveći broj kemijskih spojeva. Kao plin lakši je od svih ostalih plinova i 14,4 puta lakši od zraka. Ukapljeni vodik je najlakša tekućina.

Proizvodnja vodika Vodik se proizvodi i koristi u industriji više od sto godina. Koristi se u procesnoj industriji te u laboratorijima diljem svijeta. Stlačeni vodik može se kupiti od većine trgovaca plinom. Prvi veliki korak u ekonomiji vodika je organizacija njegove ekonomične proizvodnje u velikim količinama. S jedne strane to i nije tako velik problem, jer su postupci poznati, a vodika se danas proizvodi između 500 i 600 milijardi kubnih metara godišnje za potrebe kemijske industrije, istina pretežito iz fosilnog goriva – prirodnog plina. Bolji način od toga je dobivanje vodika iz vode poznatim postupkom elektrolize. Predviđa se da će to biti glavni način, jer se može, a to se zahtijeva, koristiti ekološki proizvedena električna energija iz obnovljivih izvora. "Gorive ćelije u budućnosti", Pomorski fakultet u Rijeci, Sara Gojković, Nina Vujatović, bib.irb.hr, 2011. Budući da mnogi obnovljivi izvori energije ne mogu pratiti dnevna ili sezonska vršna opterećenja potrošnje energije, javlja se potreba za spremnikom energije. S druge strane, energiju je nerijetko potrebno prenijeti s mjesta proizvodnje na mjesto potrošnje te se stoga javlja potreba za nosiocem energije. U oba se slučaja vodik nameće kao rješenje problema. Isto tako, vodik ulazi u konkurenciju s biogorivima u zamjeni fosilnih goriva u sektoru transporta jer on čini trećinu potrošnje energije u razvijenim zemljama.

Za proizvodnju velikih količina vodika neće se moći brzo osigurati dovoljne količine energije iz obnovljivih izvora, te će se vodik jednim dijelom proizvoditi kao i do sada, rasplinjavanjem prirodnog plina. Kada ekonomija vodika bude već dovoljno razvijena, obnovljivi izvori električne energije bit će pretežiti opskrbljivači energijom.

Proizvodnja vodika iz fosilnih goriva Većina dolje navedenih procesa temelji se na zagrijavanju ugljikovodika, vodene pare i u nekim slučajevima zraka ili kisika te njihovom miješanju u reaktoru. U tim procesima razdvajaju se molekule vode i ugljikovodika što dovodi do stvaranja molekula vodika, ugljikovog monoksida te ugljikovog dioksida. Druga metoda je zagrijevanje ugljikovodika dok se on ne razdvoji na ugljik i vodik.

Rasplinjavanje ugljena Rasplinjavanje (plinofikacija) ugljena je najstarija metoda proizvodnje vodika. U starim pogonima ugljen se zagrijava na 900°C pri čemu se pretvara u plinoviti oblik, miješa se s parom te uz prisustvo nikla kao katalizatora nastaje plin koji se sastoji od vodika (60%), ali i velikih količina ugljikovog monoksida.

Postoje i kompleksnije metode rasplinjavanja ugljena. Zajedničko im je da iz ugljena, pomiješanog s vodenom parom i kisikom pri visokim temperaturama nastaju vodik, ugljikov monoksid te ugljikov dioksid. Također, dodatno nastaju sumporni i ugljični spojevi koji se moraju zbrinuti na ekološko prihvatljiv način.

Velika postrojenja za rasplinjavanje ugljena nalaze se u Europi, Južnoj Africi te u SAD-u.

Reformiranje prirodnog plina Ova metoda je trenutno najjeftiniji način proizvodnje vodika i na nju otpada oko polovice svjetske proizvodnje.

Prirodni plin sastoji se većinom od metana pomiješanog s težim ugljikovodicima i ugljikovim dioksidom. Zagrijavanjem prirodnog plina na 700 do 1000°C pri tlaku od 3 do 25 bara te njegovim miješanjem s vodenom parom nastaju vodik te CO i CO2. Nedostatak ovog procesa je to što se dodatno jedna trećina plina mora iskoristiti za zagrijavanje. Stoga se konstantno razvijaju nove metode kako bi se povećala ukupna efikasnost procesa. Razvoj ide u smjeru snižavanja temperature procesa te ugradnje sustava za sakupljanje ugljikovog dioksida.

Autotermalno reformiranje prirodnog plina ili nafte Autotermalno reformiranje je kombinacija parcijalne oksidacije (izgaranje s nepotpunom količinom ugljika) i reformiranja. Kod ovakve kombinacije se toplina za endotermno reformiranje dobiva iz egzotermne parcijalne oksidacije. U ovom procesu ugljikovodici reagiraju sa smjesom kisika i pare uz prisustvo katalizatora. Umjesto čistog kisika može se koristiti zrak zbog manjih troškova. Regulacijom količine kisika proces se kontrolira tako da nema potrebe za vanjskom energijom.

Toplinska disocijacija Zagrijavanjem ugljikovodika na visokim temperaturama bez prisustva kisika, moguće je odvojiti vodik i ugljik. Prednost ovoga procesa je dobivanje vodika bez nastanka ugljikovog dioksida.

Kvaernerov „Carbon black & hydrogen“ PROCES (KCB&H) Norveška kompanija Kvaerner Oil & Gas Company razvila je proces kod kojeg se dobivaju potpuno čisti ugljik („Carbon Black“) te vodik. Ova vrsta ugljika se koristi u industriji gume i boja. Ideja procesa je razdvajanje komercijalnih ugljikovodika ( od laganog plina do teške sirove nafte) te dobivanje čistog ugljika za daljnju industrijsku uporabu. Ugljikovodik se razdvaja u struji plazme, pri temperaturi od 1500°C, na ugljik i vodik. Plazmu stvara visokonaponski izvor. Proces se odvija bez prisustva kisika te stoga ne nastaje ugljikov dioksid.

Prototipno postrojenje koje radi s navedenim procesom izgrađeno je 1992. godine u Švedskoj., a prvo komercijalno 1999. godine u Kanadi.

Reformiranje plazmom Znanstvenici s MIT-a (Massachusetts Institute of Technology) razvili su proces u kojem koriste plazmu za reformiranje ugljikovodika. Prednost postupka je mogućnost reformiranja teških naftnih ugljikovodika. Nadalje, reformiranje ugljikovodika plazmom može se odvijati bez prisustva kisika (piroliza) pri čemu ne nastaje ugljikov dioksid, a nastaje ugljik u obliku čađe (termička razgradnja je ista kao u prethodno navedenom KCB&H procesu). MIT-ov „Plasmatron“ radi na temperaturama od 2000°C te nastaje 80-90% vodika. Nedostatak je relativno velika potrošnja električne energije (20% ogrjevne vrijednosti goriva).

Izvor: Bellona Report 6:02, "Hydrogen - Status and possibilities"

Proizvodnja vodika iz obnovljivih izvora energije Kada se vodik proizvodi samo pomoću obnovljive energije (svaka obnovljiva energija je energija Sunca), to znači da se pritom u njemu akumulira energija Sunca. Vodik se tada može prenositi ili prevesti na bilo koje mjesto, gdje se pomoću gorivih članaka ili drugih načina, akumulirana energija pretvara u električnu i toplinsku energiju. Bit svega je direktno korištenje energije Sunca, a vodik je samo vrlo pogodan medij (akumulator) za takav postupak. Sunce šalje na Zemlju više tisuća puta toliko energije (Sunčeva konstanta), koliko se na Zemlji ukupno troši. Ta energija se pretežito dobiva iz fosilnih goriva, a obnovljive energije proizvodi se toliko malo, da je to zanemarivo mali dio energije koju dobivamo od Sunca. Prema tome, vodikova ekonomija temeljena na obnovljivoj energiji može dovesti, u to treba vjerovati, do jedinog pravog rješenja problema energije na Zemlji. O tome da se takav smjer potpuno slaže s programom održivog razvoja, ne treba uopće govoriti. "Biogoriva (biofuels)", www.izvorienergije.com, 2012.

To je važno i zbog problema koje izaziva velika promjenjivost snage vjetroelektrana i sunčevih članaka. Kada ih bude mnogo, očekuju se problemi s radom na mreži (elektroenergetski sustav). Rješenje bi bila velika spremišta (akumulacije), no pogodnih za to nema, jer vjerojatno velike promjene snage nisu dobre ni za reverzibilne hidroelektrane. Pretvorbom energije obnovljivih izvora u energiju vodika, dobiva se izvanredna mogućnost akumuliranja energije.

Elektroliza vode Najjednostavniji i ekološki najbolji, ali i skuplji način proizvodnje vodika je poznati nam postupak elektrolize vode. Za idealni postupak bez gubitaka potrebno je za proizvodnju 1 kilograma vodika H2 utrošiti nešto više od 32 kWh električne energije. Zbog električnih otpora u krugu nastaju gubici, pa se potrebna energija poveća na 37 do 53 kWh/kg. Ti podaci su zanimljivi, jer se predviđa da će se u budućnosti vodik pretežito proizvoditi na ekološki potpuno prihvatljiv način, tj. električnom energijom dobivenom samo iz obnovljivih izvora. Računa se na obnovljive izvore kao što su hidroenergija, vjetar, fotonaponske ploče, biomasa i još neke druge.

Elektrolizom se voda razdvaja na vodik i kisik uz posredovanje električne energije. Proces se odvija u elektrolizatoru – uređaju za elektrolizu. Ova reakcija je obrnuta od one koja se odvija u gorivnim člancima. Elektrolizatori se dijele prema mediju koji se koristi.

Vodikova ekonomija

Źródło i licencja