U zadnja dva desetljeća termini kao što su čisti zrak, zdrava hrana, čista voda i čista energija sve se češće spominju u javnim medijima. Globalni porast brojnosti i ugodan život stanovništva s jedne strane zasnovan je upravo na neupitnoj raspoloživosti navedenih dobara, a s druge strane dovodi do iscrpljivanja praktički ograničenih resursa. Paradoksalno, postojeće tehnologije zbog svoje nesavršenosti u procesu osiguravanja navedenih dobara ujedno stvaraju i probleme: iscrpljuju se ograničeni izvori ugljikovodičnih goriva, stvaraju se staklenički plinovi koji doprinose promjeni klime, zagađuju se obradive površine, proizvodi opasni otpad tj. općenito uzevši ugrožen je ne samo razvoj nego i opstanak ljudske vrste. Rađa se pojam održivog rasta, održive proizvodnje, održive poljoprivrede, održive energije i tome slično. Izvanredna knjiga „Granice rasta“, grupe znanstvenika pod okriljem međunarodne think-tank organizacije „Rimski klub“, ovakav scenario predvidjela je još prije 40 godina na temelju kompleksnog računalnog modela. Granice rasta prema toj knjizi bile bi dosegnute 2030. godine.
Najveći problem je problem energije. Bez energije nema ovakvog tipa civilizacije kakvu sada imamo. Porast broja ljudi na Zemlji direktno je zavisan o raspoloživoj energiji. Na Sl.1 prikazano je kako porast broja ljudi na Zemlji korelira s uvođenjem pojedinog primarnog izvora energije u eksploataciju na globalnoj razini.
Slika 1. Porast svjetske populacije s obzirom na raspoložive izvore primarne energije [1]
Bez ulaženja u vrlo kompliciranu diskusiju o tome što nas zapravo čeka u sljedećih 10 – 20 godina, može se zaključiti da će u bliskoj budućnosti biti potrebno primarnu energiju fosilnih goriva postupno zamjenjivati raznim oblicima obnovljive i čiste energije. Kako sada stvari stoje radi se prvenstveno o masovnijem korištenju sunčeve energije i energije vjetra, ali i drugih obnovljivih izvora energija poput geotermalne energije ili energije morskih valova zavisno o geografskoj raspoloživosti pojedinog tipa energije. Iskorištavanje svakog od nabrojenih oblika obnovljivih izvora energije iznjedrilo je i raznovrsne njima prilagođene tehnologije. U pravilu radi se o tehnologijama konverzije određenog tipa obnovljive energije u električnu energiju, budući da je taj oblik energije najpraktičnije dalje koristiti u bilo kojoj grani privrede, transportu ili kućanstvima. Obnovljivi izvori energije su u pravilu intermitentni (slučajno ili periodički promjenjivog intenziteta) pa je i proizvedena električna energija intermitentna. Potrebe korisnika električne energije su u pravilu također intermitentne pa je između proizvođača i korisnika potreban spremnik energije po mogućnosti takav koji bi se istovremeno mogao puniti i prazniti. U sadašnjoj su praksi to akumulacijska jezera kod hidroelektrana i rezervoari mazuta ili skladišta ugljena kod termoelektrana. U transportu su to rezervoari s gorivom (tekućim ili plinovitim ugljikovodicima). Prelaskom na obnovljive izvore energije u spremniku se u pravilu pohranjuje toplinska ili električna energija, a sve više i vodik. Primjer su toplinski sunčevi kolektori koji sunčevo zračenje konvertiraju u osjetnu toplinu radnog medija koji tu toplinu prenosi do spremnika gdje se toplina prenosi putem izmjenjivača topline na medij u spremniku, a zatim po potrebi preko drugog izmjenjivača prenosi na radni medij koji prenosi tu toplinu do mjesta korištenja. Vidi se da je i tu moguće istovremeno punjenje i pražnjenje spremnika toplinom. Druga je situacija s fotonaponskim modulima koji sunčevo zračenje direktno pretvaraju u istosmjernu električnu struju. Nju je moguće pohranjivati u električnim baterijama (akumulatorima). Istovremeno punjenje i pražnjenje baterija nije moguće iako je u određenim uvjetima moguće istovremeno punjenje baterije i pogon nekog uređaja iz istog fotonaponskog modula. Korištenje baterija na velikoj skali nije za sada niti praktično niti ekonomski prihvatljivo. Najveći centralizirani baterijski kapacitet na svijetu [2] ne prelazi 36 MWh (dovoljno struje za potrebe 12000 kućanstava za vrijeme od 1 sat). Korištenje baterija kao spremnika električne energije u transportu (npr. za pogon električnih automobila, brodova i aviona) danas je u ranoj fazi razvoja i opterećeno je značajnim nedostacima od kojih su svakako dva najznačajnija niska gustoća pohranjene energije po jedinici mase što znači relativno mali putni doseg (u prosjeku 150-200 km) i relativno dugotrajno punjenje strujom (6-7 sati). Na Sl. 2 dana je usporedba gustoće energije po kg mase spremnika vodika na tlaku od 350 i 700 bar i najčešće korištenih tipova baterija.
Slika 2. Usporedba gustoća energije uskladištene u spremnicima vodika i baterijama (pohranjena energija u kWh /masa uređaja za pohranu u kg) [3]
Iako su tokom vremena razvijene i druge tehnologije pohranjivanja električne energije (npr. indirektno preko mehaničke energije u rotirajućim zamašnjacima ili direktno u supraprovodljivim magnetnim spremnicima SMES – Superconducting Magnetic Electrical Storage) indirektna pohrana električne energije u formi vodika zapravo predstavlja tehnologiju od koje se najviše očekuje.
U svemiru vodik u formi jednoatomne substance predstavlja 75% baryonske mase, ali na Zemlji ne postoji u slobodnom obliku. Najviše ga ima u u vodi čije su molekule sastavljene od dva atoma vodika i jednog atoma kisika. Također ga ima u ugljikovodicima i organskim tvarima (nafta, ugljen, prirodni plin, biomasa). U uvjetima normalnog tlaka i temperature sve su to stabilni kemijski spojevi, ali ako se ti uvjeti promjene može doći do njihovog razlaganja. Ako npr. vodu zagrijemo na 3000 °C više od polovine molekula razložiti će se na vodik i kisik. Uz prisustvo katalizatora to je moguće i na mnogo nižim temperaturama (elektrolizom je moguće vodu razložiti na vodik i kisik već i kod sobnih temperatura). Vodik i kisik se mogu ponovno spojiti u vodu uz otpuštanje energije bilo u obliku toplinske (kemijsko izgaranje) ili električne i toplinske energije (elektrokemijsko „izgaranje“). Pri tom se uložena energija u dekompoziciju vode (po jedinici mase) ne može u potpunosti vratiti kod ponovne tvorbe iste količine vode. Ako se za dekompoziciju vode koristi sunčeva energija (ili energija vjetra ili morskih valova koje su njene izvedenice) onda se zapravo može govoriti o svojevrsnom održivom i potpuno čistom ciklusu proizvodnje i korištena energije koji bi takav ostao dok god bude sunčeve energije, dakle još 5 milijardi godina. Opisani ciklus proizvodnje i korištenja energije koji koristi dva praktično neiscrpna resursa, vodu i sunčevu energiju, predstavlja znanstveno-tehnološki izazov sam po sebi, a posebno u današnjim uvjetima predstojećeg iscrpljivanja rezervi ugljikovodičnih goriva. Drugačije rečeno, za njegovu realizaciju potrebno je ovladati tehnologijama konverzije sunčeve energije u toplinsku i električnu, tehnologijama za direktno korištenje ovih oblika energije, tehnologijama za pohranjivanje tih oblika energije korištenjem vode odnosno njezinom razlaganju na vodik i kisik i tehnologijama za korištenje pohranjene potencijalne energije u formi vodika. Tako danas raspolažemo uznapredovalom fotonaponskom tehnologijom (čija je učinkovitost kod komercijalnih fotonaponskih modula dosegnula 19.5%) za direktnu konverziju sunčeve energije u električnu energiju, tehnologijama elektrolize vode koje mogu koristiti električnu energiju za dekompoziciju vode s učinkovitošću od preko 60%, tehnologijama za pohranu proizvedenog vodika u komprimiranom, tekućem i u krutom obliku (kisik se obično ne pohranjuje nego otpušta u atmosferu) i tehnologijama za ponovnu konverziju vodika u električnu energiju, zasnovanu na gorivnim člancima različitih tipova čija učinkovitost također dosiže 60%. Ukupna učinkovitost ciklusa tako dosiže 18%. Ovaj postotak će dalje rasti jer postoje dovoljni potencijali za daljnje usavršavanje svih spomenutih tehnologija posebno u svijetlu nadolazeće primjene nanotehnologije.
Trenutno stanje
Proizvodnja vodika
Vodik se danas proizvodi u glavnom na dva načina, reformiranjem ugljikovodika vodenom parom i elektrolizom vode. Reformiranje je 3 puta jeftinije od elektrolize, koristi toplinsku energiju na oko 800 °C, učinkovitost je 70 – 80 %, ali se kao popratni proizvod u okoliš emitira CO2. Tim se postupkom u svijetu proizvodi većina vodika. Čistoća vodika u pravilu je veća kad je dobiven elektrolizom vode. Vodik se proizvodi za potrebe prvenstveno industrije prerade nafte (reformiranjem), prehrambene industrije (elektrolizom), elektroničke industrije i svemirske industrije. Iako postrojenja za reformiranje prirodnog plina mogu biti vrlo velikog kapaciteta, na Sl. 3 prikazan je manji reformer proizvodnog kapaciteta 100 Nm3/h.
Slika 3. Reformer za proizvodnju vodika parnim reformiranjem prirodnog plina (Mahler IGS, 100 Nm3 H2/h) [4]
Na Sl. 4 prikazan je za usporedbu elektrolizator tvrtke Norsk Hydro koji proizvodi 130 Nm3/h vodika na tlaku od 30 bara. Da bi se jasnije razumjelo o kojim se količinama radi, treba reći da je 1 kg vodika = 11,3 Nm3, a da automobili s vodikovim gorivnim člancima kao izvorom struje imaju rezervoare kapaciteta 4 do 5 kg vodika i putni doseg od 400 do 700 km.
Slika 4. Elektrolizator Norsk Hydro, KOH tip, 130 Nm3/h na 30 bar [5]
Distribucija vodika
Vodik se može transportirati cjevovodima kao npr. prirodni plin (metan). U velikim svjetskim industrijskim bazenima u Europi i USA postoje stotine kilometara cjevovoda za vodik. Može ga se komprimirati u velike nadzemne ili podzemne spremnike pod tlakom, ukapljivati ga i pohranjivati u kriogenim spremnicima. U biti postoje veći spremnici neposredno uz postrojenje gdje se vodik proizvodi, a postoje i manji spremnici na specijalnim vozilima za transport vodika u komprimiranom ili tekućem obliku. Automobili na pogon vodikom imaju još manje rezervoare i to je zbog njihovog velikog udjela u globalnoj potrošnji energije za transport posebno područje interesa.
Spremnici za vodik
Vodik je s atomskom masom 1,0 najlakši od svih elemenata. Niska atomska težina ima svoje prednosti, ali i nedostatke. Prednost je da vodik ima 2,6 puta veću energiju po jedinici mase u usporedbi s benzinom, a nedostatak je da komprimirani vodik na 200 bar treba oko 16 puta veći volumen za određenu količinu energije u usporedbi s benzinom (volumetrička gustoća energije: plinoviti vodik (200 bar) – 0,53 kWh/l; benzin – 8,76 kWh/l). To znači da vodik mora biti komprimiran na jako visoke tlakove da bi se povećalo njegov sadržaj energije po jedinici volumena.
Najveći spremnici za vodik su podzemni prostori nastali vađenjem prirodnog plina ili nepropusne slane kaverne. Postoji mnoštvo takvih prostora u svijetu u kojima se pohranjivao ili pohranjuje vodik u plinovitom komprimiranom stanju. U zadnje vrijeme spominje se veliki podzemni spremnik u ležištu soli u Texasu (volumena 636 000 m3), USA, kompanije Praxair, koji je dio cjevovoda dugog 500 km koji povezuje velike proizvođače i potrošače vodika u Meksičkom zaljevu i koji je namijenjen vršnom pokrivanju potreba za vodikom naftne industrije. Maksimalni tlak je oko 140 bar, a kaverna se nalazi na oko 800 m dubine [6].
Neki metali i legure (npr. paladij, magnezij, vanadij, lantan, nikal i drugi) imaju osobinu da formiraju reverzibilne veze s atomima vodika što vodi do formiranja metalnih hidrida. Hlađenjem ili grijanjem na relativno niskim tlakovima, vodik se ili absorbira ili desorbira iz metala. Metali se pohranjuju u praškastoj formi u metalnim spremnicima, a vodik se utiskuje u njih povišenjem tlaka uz istovremeno hlađenje spremnika. Kad se vodik želi ispustiti iz takvog spremnika mora ga se zagrijavati i osigurati niži tlak od onog u spremniku. Takvi spremnici za vodik su komercijalizirani i mogu težiti od par dekagrama do desetak tona. Npr. u Italiji je u regiji Puglia u projektu spremnik vodika takvog tipa, s magnezijevim hidridom, ukupnog kapaciteta 39 MWh. Spremnik će biti modularan, a koristiti će se upravo za kompenzaciju intermitencije proizvodnje i korištenja električne energije iz vjetroturbina i fotonaponskih elektrana. U regiji je već sada instalirano više od 3,5 GW snage iz fotonaponskih polja, vjetroturbina i energetskih postrojenja na biomasu. Spremnike će isporučiti francuska kompanija McPhy energy [7]. To je najsigurniji način pohrane jer se vodik ne može brzo osloboditi ako dođe do oštećenja rezervoara, dakle minimalizira se mogućnost eksplozije veće količine vodika. Za sada ovaj koncept ima primjenu za stacionarne spremnike, dakle i za vodikove crpke uz autoputeve, no ne i za vozila jer je koncentracija vodika u ovakvim spremnicima svega 5-7% ukupne težine pa bi oni bili preteški.
Za potrebe budućih crpki za vozila na vodik izvedeni su i podzemni rezervoari većih kapaciteta bilo za komprimirani bilo za tekući vodik. Međutim, od najvećeg su interesa spremnici vodika za pogon automobila. U njima se mora pohraniti takva količina vodika koja će omogućiti komparabilni putni doseg s automobilima na pogon tekućim ili plinovitim ugljikovodicima. Za sada su certificirani rezervoari za komprimirani vodik na tlaku od 350 i 700 bar. (Sl. 5)
Slika 5. Kompozitni spremnici za vodik 700 bar [8]
Oni su izrađeni od aluminija preko kojeg su unakrsno motana ugljikova vlakna i ujedno lijepljena epoksidnim smolama. Testirani su i rezervoari za tekući vodik. Tekući vodik ima veću gustoću i od vodika komprimiranog na 700 bar. Vodik u njima mora biti stalno održavan na temperaturi – 252,5 °C, ako se radi s atmosferskim tlakom, kako bi se osiguralo da vodik ostane u tekućoj formi. Poznata je primjena takvih spremnika u vozilima tvornice BMW (BMW Hydrogen 7, 2007. god.). Zbog nesavršene toplinske izolacije vodik pomalo isparava, pa nakon 7 dana stajanja u spremniku više nema vodika. Ako bi se spriječilo isparavanje, narastao bi tlak i spremnik eksplodirao jer nije napravljen za visoke tlakove. Kod svih oblika skladištenja vodika promatraju se gustoća energije uskladištenog vodika po težini (gravimetrijska gustoća) i po volumenu (volumna gustoća) podsustava za pohranu. Drugim riječima, teži se da određena potrebna masa vodika koja osigurava zadani putni doseg, bude pohranjena u što lakšem i što manjem podsustavu spremnika.
Korištenje vodika (gorivni članci)
Vodik se može kemijskom reakcijom spajati s kisikom iz zraka tvoreći vodenu paru (kemijsko izgaranje) i pri tom oslobađati toplinsku energiju. Može se dakle koristiti kao plinovito gorivo u motorima s unutrašnjim izgaranjem i plinskim turbinama (dobiva se mehanička energija), a može ga se i miješati s prirodnim plinom i spaljivati na gorionicima generatora pare (kotlovima). Uz određene dodatke koji mu plamen čine vidljivim i određenu konstrukciju plamenika može se koristiti i za kuhanje u kućanstvima. Mehaničku energiju na osovini motora s unutrašnjim izgaranjem ili turbine moguće je dalje koristiti za proizvodnju električne energije u klasičnim električnim generatorima. Međutim, daleko primamljivije je korištenje vodika u vodikovim gorivnim člancima. U njima se vodik spaja s kisikom na način da se odmah osim topline i vode dobija i električna energija. Izbjegnut je dakle međukorak s mehaničkom energijom. Teorijska učinkovitost vodikovog gorivnog članka je 83%, a različiti tipovi gorivnih članaka zavisno o tipu elektrolita, katalizatoru i radnoj temperaturi u praksi dosižu i 60%. Gorivni članak se sastoji od dviju elektroda na kojima su nanešeni katalizatori, razdvojeni elektrolitom (krutim, želatinoznim ili tekućim). Elektrode su mikro porozne kako bi reaktanti (vodik i kisik) imali dovoljno veliku površinu za kontakt s katalizatorom i elektrolitom koji je najčešće skupa platina. Članak se nalazi u kućištu koje je tako izvedeno da se na jednu elektrodu može cijevima dovesti vodik, a na drugu kisik (ili zrak u kojem ima kisika) i odvesti proizvedena voda odnosno toplina. Elektrode su međusobno povezane električnim vodovima preko trošila. Kad vodik i kisik počnu doticati na elektrode počinje uz pomoć katalizatora dekompozicija molekule vodika na atome vodika i dalje na protone i elektrone. Na strani kisika, također uz pomoć katalizatora, dolazi do rascjepa molekule kisika na dva atoma kisika. Usljed toga formira se razlika potencijala na elektrodama, vodikova elektroda postaje negativna (višak elektrona), a kisikova pozitivna (manjak 2 elektrona u ljusci atoma kisika). Budući da je elektrolit takav materijal koji je električki vodljiv za protone (H+), a izolator za elektrone (e–) i nepropustan za kisikove atome, dolazi do gibanja elektrona s vodikove elektrode na kisikovu, a protona vodika kroz elektrolit isto tako na kisikovu elektrodu. Time se ovdje stiču uvjeti za formiranje molekule vode. Članak dakle proizvodi istosmjernu struju i vodu, a zbog toga što ništa nije savršeno i toplinu. Opisani proces shematski je prikazan na Sl. 6..
Slika 6. Princip rada PEM gorivnog članka
Gorivni članak ima najveći mogući potencijal kad na njega nije priključen potrošač. Tada napon (otvorenog kruga) iznosi oko 1 V. Kada se priključi potrošač, napon naravno pada, električni krug članak-potrošač najčešće se konstruira tako da napon bude oko 0,6 do 0,7 V. Članci se kao i baterije mogu spajati u seriju i time dobivati visoki naponi, npr. 40 članaka u seriji dalo bi 40 V. Više spojenih članaka naziva se svežanj. Međutim da bi svežanj proizvodio struju mora mu se dovoditi vodik i kisik (zrak) i odvoditi voda, a treba ga i hladiti, za što su potrebni uređaji poput ventilatora, kompresora i izmjenjivača topline. Sve to je potrebno i nadzirati pa je u taj podsustav potrebno uključiti regulacijske krugove s osjetnicima temperature, tlaka i protoka, struje i napona. Tako podsustav koji najčešće zovemo jednostavno gorivni članak zapravo predstavlja vrlo komplicirani uređaj. Prvi komercijalni svežanj s gorivnim člancima snage 1,2 kW proizvela je kanadska kompanija Ballard Power System 2001. god. (Sl. 7)
Slika 7. Prvi komercijalni PEM svežanj gorivnih članaka 1,2 kW; potrošnja vodika 18 l/min
Gorivni članak se može izraditi u raznim dimenzijama, od onih na razini centimetra do onih na razini metra. To znači da se uz istu gustoću električne energije moguće trošiti više vodika i proizvoditi više električne energije, topline i vode ako se samo poveća površina elektroda članka. Manje jedinice mogu se povezivati u velika postrojenja za generiranje električne energije, pa ako se neka pokvari ostale nastavljaju s radom. Elektrolit može biti vrsta polimera (PEMFC – PEM fuel cell) pa tada članak radi na temperaturi do 70 °C, a može biti i od specijalne keramike (SOFC – Solid oxide fuel cell) pa tada radi na 800 – 1000 °C. SOFC može koristiti prirodni plin kao nosilac vodika, a zbog rada na visokim temperaturama ne treba skupu platinu kao katalizator. Postoje i gorivni članci s rastopljenim karbonatom (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell) kao elektrolitom ili tekućim lužnatim elektrolitom (AFC – Alkaline Fuel Cell) ili fosfornom kiselinom kao elektrolitom (PAFC – Phosporic Acid Fuel Cell). Svi oni imaju svoje posebne prednosti i posebne nedostatke koji se ovdje neće posebno spominjati.
Primjena gorivnih članaka
Zbog opisane raznovrsnosti gorivnih članaka posve je jasno da je njihova primjena moguća u svim područjima gdje postoji potreba za energijom. Gorivni članci imaju primjenu u transportu na kopnu, vodi i u zraku, te kao stacionarni izvori električne i toplinske energije u kućanstvima i industrijskim postrojenjima, ali i u prenosnim uređajima poput tableta ili mobitela. Iako su primjenjeni i na podmornicama i invalidskim kolicima, njihova najvažnija primjena je u automobilima. PEM gorivni članci snage nekoliko desetaka kW danas pokreću nekoliko stotina vodikovih automobila širom svijeta. Ti su automobili u predkomercijalnoj fazi, ali praktički spremni za masovniju proizvodnju. Najnoviji električni automobili koji električnu energiju za pogon elektromotora dobijaju iz PEM gorivnih članaka imaju putni doseg s jednim punjenjem spremnika od 400 (Honda Clarity FCX) do 700 km (Toyota FCV-R), što daleko nadmašuje električne automobile na baterije. Brzina punjenja automobilskog spremnika vodikom iznosi 2-3 minute što je u usporedbi s trajanjem punjenja baterija elektroautomobila od nekoliko sati također velika prednost. Težina spremnika za vodik u usporedbi s težinom baterija je nekoliko puta manja, samopražnjenje spremnika je manje kod spremnika vodika nego kod baterija, automobili na vodik danas mogu startati i na temperaturi od -30°C što je bio veliki tehnički problem kad znamo da je „ispušni plin“ zapravo voda. Gdje je onda prepreka masovnijoj proizvodnji i korištenju vodikovih automobila? U prvi plan je došao problem nedostatka dovoljnog broja stanica za napajanje automobila na vodik. Zbog toga upravo ovih dana četiri velike svjetske tvornice automobila idu u udruženu akciju (Daimler, Honda, Hundai i Toyota; European Hydrogen Road Tour 2012) koja bi trebala dovesti do masovnije gradnje vodikove infrastrukture prvo po gradovima, a onda i po autoputevima. Sve one predviđaju da bi do 2014-15 godine započele s masovnijom serijskom komercijalnom proizvodnjom električnih automobila na pogon strujom dobivenom ne iz baterija nego spremnika s vodikom. Danas u EU funkcionira ili je u planu graditi 143 crpke za vodik u okviru raznih nacionalnih projekata postavljanja crpki za vodik uz autoputeve. Da se te crpke već i koriste pokazuje i nedavna vožnja dva automobila na vodik (Hundai iX35, putni doseg s jednim “tankanjem” vodika 520 km) preko cijele Europe – od Osla do Monte Carla (travanj 2012., 2260 km, uz prekide putovalo se 5 dana), (Sl. 8).
Slika 8. Prvo putovanje u automobilima na vodik preko Europe uz korištenje samo instaliranih crpki za opskrbu automobila vodikom (Oslo, Hamburg, Cologne, Karlsruhe, Freiburg, Sassange, Monte Carlo)
Pa ipak, prva prava komercijalna niša za PEM gorivne članke su viljuškari u velikim trgovačkim skladištima i aerodromima (Sl. 9). Viljuškare je daleko lakše opskrbiti vodikom nego automobile jer rade u okviru predvidivog, ograničenog, prostora. U USA je preko 1000 viljuškara s električnim pogonom koji je baziran na vodiku zamijenilo viljuškare koji su koristili baterije, a još ih je toliko u fazi naručivanja.
Slika 9. Crown Equipment Corporation, Ohio, proizvela preko 500 viljuškara s vodikovim gorivnim člancima (a), Yale materials handling corporation, USA, viljuškari na pogon vodikom, pogonski sklop „GenDrive“ izradila je kompanija Plug Power (USA) (b)
SO gorivni članci na pogon prirodnim plinom za stacionarne primjene također pronalaze svoj put prema široj komercijalizaciji. U zadnje vrijeme je najpoznatiji prodor učinila kompanija Bloom Energy (www.bloomenergy.com) koja je svoje jedinice („energy server“) od 100 i 200 kW (Sl. 10) isporučila kompanijama kao što su Adobe, Banc of America, Coca Cola, eBay, Google, FedEx, Walmart itd.
Slika 10. Energy server (200 kW) kompanije Bloom energy [9]
Javljaju se i druge kompanije poput australske Ceramic Fuel Cells Limited (CFCL). Njezin proizvod je namjenjen individualnim kućanstvima, BlueGen proizvodi električnu energiju (35 kWh/dan) i toplu vodu (200 l/dan) iz prirodnog plina (Sl. 11). Godišnja proizvodnja ove kompanije otprilike se udvostručuje svake tri godine.
Slika 11. BlueGen, SOFC generator električne energije snage 1,5 kW iz prirodnog plina
Perspektiva
Praktički nema područja u kojem nema znatnog rasta primjene tehnologija vodika. U zadnjih desetak godina značajno su napredovale sve tri ključne tehnologije vodika: proizvodnja, pohrana i korištenje. Sigurna pohrana vodika je međutim najtvrđi orah i tu se trebaju napraviti najveći pomaci da bi se vodik počeo masovno koristiti, a time i obnovljivi izvori energije. Također je važno proizvesti ogromne količine vodika bez popratne emisije CO2 po što nižim cijenama. U tom smislu možda je rješenje i bliže nego što se misli. Naime, polovinom ove godine ministarstvo za energiju USA objavilo je da su USA i Japan razvili metodu za ekstrakciju metana iz metan hidrata [10]. Metan hidrat je zapravo metan obložen ledom (molekula metana se nalazi okružena molekulama vode, naziva ga se i led koji gori (Sl. 12)).
Slika 12. Metan hidrat – led koji gori
Može ga se naći na kopnu i na dnu mora ako su uvjeti tlaka i temperature odgovarajući. Postoje ogromne količine metan hidrata na Zemlji, čak ga se smatra potencijalno izuzetno opasnim ako bi se u okviru globalnog zatopljavanja iz njega počeo oslobađati metan (što je zapravo nekim mjerenjima već i dokazano), ali ga je teško eksploatirati. Naime ako se led otopi s ciljem da se dobije metan, dakle prirodni plin, postoji mogućnost da se kod masovne proizvodnje na nalazištima otpusti dio metana u atmosferu, a on ima 20 puta jači staklenički efekt od CO2, pa bi to izazvalo više štete nego koristi. Novo-objavljena metoda se sastoji u tome da se u sloj s metan hidratom utiskuje mješavina CO2 i N2 što oslobađa metan, a CO2 molekula ostaje zarobljena u ledu na njegovom mjestu. Izgaranje dobivenog metana u klasičnim energetskim postrojenjima i motorima proizvodilo bi CO2, ali bi se ovaj vraćao u led da bi se dobio novi metan. To bi značilo i simultanu pohranu CO2. Međutim, još bi bolje bilo dobiveni metan reformirati vodenom parom i toplinskom energijom dobivenom iz tog istog metana, tako proizvesti vodik pa vodik koristiti u gorivnim člancima uz dvostruko veću energetsku učinkovitost. Istu količinu CO2 kao u prethodnoj varijanti opet bi se pohranjivalo u led.
Kratkoročno gledano, sigurno i dugotrajno skladištenje vodika u većim količinama u jeftinom metalnom hidridu, uz stalni razvoj sve boljih fotonaponskih modula i niskoenergetskih kuća i zgrada – koje će trošiti sve manje energije, osigurati će sezonsku pohranu sunčeve energije, a time i kroz cijelu godinu energetski potpuno nezavisne kuće i zgrade. Lokalna proizvodnja vodika u samostojećim nisko energetskim kućama mogla bi osigurati i gorivo za vlasnikov automobil. Takav koncept Honda razvija već desetak godina [11].
Perspektive tehnologija za proizvodnju i korištenje vodika su sigurno dobre s obzirom da idu ruku pod ruku s čistim tehnologijama korištenja sunčeve energije i da se sve skupa zbiva pod pritiskom očekivanog rasta potreba za energijom cijelog čovječanstva i potrebom smanjenja čovjekovog utjecaja na globalne klimatske promjene.
dr.sc. Mihajlo Firak, dipl.ing.stroj.
Reference
[2] http://www.engadget.com/2012/01/07/china-byd-worlds-largest-battery-energy-storage/
[3] http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/education/pdfs/thomas_fcev_vs_battery_evs.pdf
[4] http://www.global-hydrogen-bus-platform.com/Technology/HydrogenProduction/reforming
[5] http://www.unido.org/fileadmin/import/84778_ICHET_06_BERNHAMOU.pdf
[6] http://www.ika.rwth-aachen.de/r2h/index.php/Large_Hydrogen_Underground_Storage
[7] http://www.engerati.com/article/italy%E2%80%99s-hydrogen-storage-project-%E2%80%93-largest-date
[9] http://www.bloomenergy.com/fuel-cell/energy-server/
[11] http://automobiles.honda.com/fcx-clarity/home-energy-station.aspx
