Milan M. Ćirković

Naučni savetnik Astronomske opservatorije u Beogradu

Vreme čitanja: 11 minuta

Foto:UnSplash

Kao što govori o ovome i u svima svojim poslanicama, u kojima imaju neke stvari teške za razumeti, koje nenaučeni i neutvrđeni izvrću, kao i ostala pisma, na svoju pogibao.

2 Petrova 3:16

 

U neka srećnija vremena u kojima su domaći mediji redovno izveštavali o događajima u svetu bez palanačke pakosti, zluradosti i zagledanosti u vlastiti medijski pupak, bar jednom godišnje se moglo čuti/videti/pročitati kako je Neko Negde izmislio automobil sa pogonom na vodu. U to doba u kojem su teorije zavere bile nedužne (pa i zanimljive) ekscentričnosti, a ne tajnopolicijski zadaci i stranačke radne obaveze kao danas, ponekad bi se uz tu vest provukao i komentar kako se vest neće dopasti naftnoj industriji ili lobiju fosilnih goriva uopšteno.

Naravno, posle se o Genijalnom Izumitelju automobila na vodi više ništa ne bi čulo – što je nešto što bi razuman čovek i očekivao kada se o takvoj besmislici radi, a dežurne Ilije Čvorovići bi, uz pivo ispred dragstora, coktali jezikom ili “mudro“ klimali glavama kao dokaz potvrde svojih zaveroloških halucinacija (“ućutkali su ga!“).

 

 

Avaj, stvari su se promenile, klimatski alarmizam izbio je u prvi plan, ekohipsteraj je postao tema dana, te je basna o automobilu na vodu dobila novo, fensi ime: vodonična ekonomija! Ko bi još tome odoleo? Ne samo dežurne Ilije Čvorovići, već i istaknuti svetski lideri su zaključili da je „vodonična ekonomija“ put u svetlu i zelenu budućnost. 6. februara 2003. godine, tadašnji američki predsednik, Džordž Buš Mlađi je održao govor u kojem je najavio i veličao navodne koristi sagorevanja vodonika kao zamene za prljava i politički sporna fosilna goriva, pre svega ugalj i naftu.

To je postala stalna tema u potonjim Bušovim govorima, naročito onima o “stanju nacije“ pred Kongresom. Kao što je Bušov sekretar za energiju neumorno ponavljao, vodonik je najrasprostranjeniji element u svemiru. Skoro 90% svih atoma u svemiru su atomi vodonika! Iako najlakši element periodnog sistema, ukupna masa vodonika je skoro 3 puta veća od mase svih drugih elemenata zajedno! Zar to nije sjajno?

Ako ima nešto još lepše od obilnosti, onda je to čistoća. Kada vodonik koristimo kao standardno gorivo – dakle spaljujemo ga u atmosferi naše planete bogatoj slobodnim kiseonikom – proizvod takve reakcije je, uz veliku količinu potencijalno iskoristive energije, samo voda, odnosno vodena para. Sagorevanje vodonika, dakle, ne stvara čađ, pepeo i šljaku, ne oslobađa aerosole, sulfate, radon, teške metale i ostale otrovane i opasne supstance kao što to čini, na primer, sagorevanje uglja. Samo čistu vodu! Eto ekološki superiornog goriva koje bi rešilo sve užasne probleme do kojih nas dovodi korišćenje fosilnih goriva. 

Nikakvo čudo da su vodonik i “vodonična ekonomija“ postali vrlo omiljeni u brojnim eko-aktivističkim krugovima. Pod uticajem masivne propagande, ali i neodgovornih državnih subvencija, čak i ozbiljni ekonomski akteri poput Tojote, Honde i Dženeral Motorsa su uložili ogromna sredstva u istraživanje i razvoj pogona na vodonik i odgovarajuće logistike. To za sada nije dalo značajnije rezultate – što nije nimalo čudno, pošto je “vodonična ekonomija“ (kako se obično sagledava) od samog početka besmislena ideja u sukobu sa relativno elementarnim činjenicama hemije i fizičke hemije. Njena promocija predstavlja verovatno najuspešniji PR projekat onoga što se označava neprevodivom engleskom sintagmom greenwashing, što otprilike znači ispiranje kako mozga, tako i tehnologije, dok se ne dobije željena zelena nijansa privlačna za ekohipstere. 

 

 

Počnimo sa raspoloživošću. Vodonika u svemiru doista ima najviše, ali ga na Zemlji u slobodnom obliku gotovo uopšte nema, a i ono malo što se pojavi, npr. pri vulkanskim erupcijama, odmah odleti van atmosfere i raspe se po međuplanetskom prostoru zbog veoma male molekularne težine.

Ako bismo hteli da rudarimo vodonik, po ugledu na recimo rudarenje uglja ili prirodnog gasa, morali bismo da odemo do Sunca (150 miliona kilometara, temperatura 5800 kelvina, gravitaciono ubrzanje na „površini“ oko 28 puta veće od Zemljinog) ili do Jupitera (između 588 i 968 miliona kilometara, gravitaciono ubrzanje na „površini“ oko 2,5 puta veće od Zemljinog).

Puno sreće i sa jednim i sa drugim! Iako smo u ovoj rubrici najveći pobornici i entuzijasti ljudske kolonizacije svemira i korišćenja svemirskih resursa, nema ni najmanje šanse da se ova vrsta rudarenja vodonika odigra tokom životnog veka bilo autora, bilo čitalaca ovog teksta. Čak i kada bi se zamislilo – u autentičnom naučnofantastičnom duhu – da je moguće konstruisati postrojenje za ekstrakciju vodonika recimo na Jupiterovom najbližem velikom satelitu Iou, problemi sa transportom vodonika do Zemlje (tranzit po najekonomičnoj putanji oko 2,5 godina) bili bi ogromni i verovatno nerešivi. Na logistiku vodonika, kao jednu od najslabijih tačaka snova o „vodoničnoj ekonomiji“, ću se još vratiti.

Ako ne možemo da nabavimo vodonik u čistom stanju, šta je sa dobijanjem vodonika iz njegovih jedinjenja, pre svega iz najpoznatijeg – vode (H2O)? U laboratoriji se to može postići na različite načine, najčešće korišćenjem električne struje (elektroliza), ili visokom temperaturom (piroliza), ili visokim pritiskom (disocijacija pritiskom). Šta je zajedničko ovim načinima?

Očigledno da oni troše energiju – pre nego što dobijemo ikakvu energiju iz vodonika, potrebno je da uložimo jako mnogo energije u samo dobijanje vodonika. Već sama ta činjenica konceptualno ograničava smisao „vodonične ekonomije“: vodonik ne treba posmatrati kao izvor energije, u onom smislu u kojem su izvori recimo ugalj, prirodni gas ili uranijum. Vodonik je tek prenosilac energije.

Podrži Talas donacijom

Elementarna primena zakona održanja energije nam kaže da, ako spalimo određenu količinu vodonika i dobijemo određenu količinu vode, najmanje dobijenu energiju moramo da uložimo da bismo istu količinu vodonika dobili iz vode; u realnosti je ta količina veća, jer je proces konverzije npr. toplote u električnu struju neophodnu za elektrolizu ograničene efikasnosti. 

Pa kako se onda vodonik uopšte dobija? Daleko najveći deo (preko polovine svetske proizvodnje) se, o ironije, dobija upravo iz fosilnih goriva. Reakcija poznata kao reformiranje prirodnog gasa, pretvara vodenu paru i metan u molekularni vodonik, uz oslobađanje ugljen-dioksida. Reformiranje je endotermna reakcija, dakle ona kojoj treba spolja dobaviti energiju da bi se uopšte desila.

U praksi, to se postiže tako što se prirodni gas zagreva na 700–1000 stepeni pri pritisku od 3–25 puta većem od atmosferskog. Da bi se obezbedili ovi uslovi, jedan deo prirodnog gasa direktno sagoreva – dakle sa njim se radi upravo ono što smo želeli da izbegnemo. U oba koraka, i pri sagorevanju metana i pri reformiranju sa vodenom parom, oslobađa se CO2, dakle klimatski najsporniji proizvod. 

Naravno, postoje i drugi metodi proizvodnje vodonika od kojih neki, kao piroliza metana, ne oslobađaju ugljen-dioksid. Međutim, svima im je zajedničko što u startu troše fosilna goriva, pre svega prirodni gas. Dakle, „vodonična ekonomija“ je i dalje zavisna od ekonomije fosilnih goriva, što je čini najblaže rečeno, ahem, upitnom.

Povrh svega, vodonik dobijen iz prirodnog gasa koji se prodaje za oko 10$ po kilogramu  je generalno prljav u smislu da sadrži brojne primese koje umanjuju njegovu efikasnost kao goriva. Nasuprot njemu, daleko čistiji vodonik iz elektrolize vode košta preko 100$ po kilogramu. Inače, čisto za orijentaciju čitalaca, 1 kg vodonika daje otprilike istu energiju kao 4 litra dizela. Zaključak nije teško izvesti. 

Ironično, termin „vodonična ekonomija“ predložio je veliki evolucioni biolog i polihistor Džon B. S. Holdejn još pre gotovo čitavog veka, 1923. godine. Naravno, Holdejn je u svom futurističkom govoru – koji je pretočio u knjižicu Dedal – govorio o tome krajnje uopšteno i bez ulaska u tehničke detalje, koji nisu mogli ni biti osmišljeni u to doba.

Sem toga, on je dobijanje energije iz vodonika postavio u grubo isti nivo tehnologije kao onaj koji omogućuje kloniranje i dizajniranje beba, te prilagođavanje ljudskih bića biotehnološkim putem da žive u dubinama mora ili na drugim planetama. Dakle, radi se o stvarima koje su i za nas predmet budućnosti, još daleko od toga da su neke aktuelne praktične brige. Za razliku od realnih energetskih i klimatskih briga koje jesu aktuelne.

Da progovorimo sad koju o samom procesu sagorevanja vodonika. Da je on rizičan, jasno je svakome ko se priseti istorije avijacije – ono što je istorijski zaustavilo razvoj letelica lakših od vazduha bile su nesreće vazdušnih brodova/cepelina punjenih vodonikom. U najpoznatijoj, 6. maja 1937. godine, vazdušni brod LZ129 Hindenburg zapalio se ukotvljen uz jarbol pomorske stanice Lejkhurst u Nju Džersiju uz 36 žrtava među posadom i putnicima, kao i jednog poginulog na tlu.

Brzina kojom je Hindenburg izgoreo daje nam jedan od ključeva za razumevanje zašto je korišćenje vodonika kao goriva neizbežno rizično. Najpre, mešavina vodonika sa vazduhom je zapaljiva u izuzetno širokom rasponu kombinacija: između 4% i 80% zapreminske koncentracije vodonika u mešavini će se lako zapaliti. Minimalna energija paljenja smeše vodonika i vazduha iznosi svega 0,017 mJ, što je najmanje red veličine manje od minimalne energije paljenja standardnih ugljovodonika od kojih se sastoji nafta.

Samim tim, verovatnoća paljenja kao posledice ili neprimetno slabe varnice ili gradijenta pritiska ili neke druge turbulencije je daleko, daleko veća kod vodonika nego kod standardnih tečnih goriva poput benzina ili dizela. Konačno i najočiglednije iz snimaka havarije Hindenburga, vodonik gori izuzetno brzo. Ova veličina se u teoriji sagorevanja meri kroz tzv. laminarnu brzinu plamena (ili laminarnu brzinu gorenja) koja opisuje brzinu kojom će se plamen širiti kroz homogenu mešavinu reaktanata.

Laminarna brzina plamena za mešavinu vodonika i (suvog) vazduha iznosi oko 3,2 metra u sekundi, što je 8 puta brže nego kod prosečnog dizel goriva. Upravo ovo objašnjava zbog čega je Hindenburg, iako 4 puta duži od Boinga 747 i par stotina puta veće zapremine, izgoreo doslovce u sekundama. 

Dakle, vodonik je izuzetno lako zapaljiv – i gori veoma brzo. Pored toga što čini kontrolisano sagorevanje vodonika daleko rizičnijim nego kod fosilnih goriva, sve ovo čini skladištenje i transport vodonika daleko težim, a samim tim i skupljim. Da bi se vodonik preneo iz tačke A u tačku B, neophodno je da bude ili u tečnom stanju ili jako kompresovan.

Pretvaranje u tečno stanje („likvefakcija“) zahteva hlađenje na oko 20 kelvina – 20 stepeni iznad apsolutne nule, odnosno oko minus 253 stepeni Celzijusa! – što je samo po sebi dovoljno skupo da se procenjuje da bi se oko 40% energije samog vodonika moralo potrošiti na pokretanje uređaja za hlađenje. Naravno, dodatni gubici se mogu očekivati zbog isparavanja tečnog vodonika u transportu, ukoliko se on sprovodi na Zemlji. Tečni vodonik ima smisla kada se radi o raketnim motorima koji ionako koštaju milione dolara i praktično su nezavisni od cene goriva; za pokretanje automobila, kriotehnologija je za sad beznadežno skupa.

Kompresovani gasoviti vodonik ima druge probleme. Sabijanje do, recimo, pritiska od 350 bara (350 puta više od prosečnog atmosferskog pritiska na nivou mora), takođe zahteva veliku količinu energije, čak do oko 20% energije dobijene sagorevanjem tog istog vodonika. Premda energetski pogodnije od pretvaranja u tečnost, sabijanje gasovitog vodonika ima dodatne teškoće.

Standardni čelični kanister koji pouzdano radi na 35o bara je čitavih 65 puta masivniji od vodonika koji se u njemu može uskladištiti pod tim pritiskom! Kao što obrazlaže Robert Zubrin u tekstu o „vodoničnoj ekonomiji“ u New Atlantis-u, dostavljanje sabijenog vodonika na buduće „vodonične pumpe“ bi moralo da se ponavlja, sa standardnim veličinama cisterni, na svakih deset usluženih mušterija. 

(Jedna od „poslastica“ u negativnom smislu srodnih rizika jeste mogućnost da se u čitavom ciklusu proizvodnje, transporta i korišćenja vodonika naiđe na hlor. Reakcija vodonika i hlora kojom se dobija hlorovodonik, HCl, ima tu zanimljivu osobinu da se u mraku i na niskoj temperaturi dešava sporo, ali u prisustvu svetlosti ili toplote poprima izrazito eksplozivni karakter. Čak i veoma male koncentracije reaktanata, ispod 3%, mogu eksplodirati ukoliko se za trenutak nađu izloženi svetlosti, recimo prilikom otvaranja ventila ili inspekcije cevi. Tako stvoreni hlorovodonik je izuzetno korozivna i toksična supstanca, opasna po život već pri koncentraciji od 5 delova u milion.)

Interakcija vodonika sa metalima je takođe izvor logističkih noćnih mora. Za razliku od ogromnih molekula ugljovodonika kakvi se nalaze u sirovoj nafti, majušni molekuli vodonika H2, lako probijaju čak i najkvalitetnije izrađene ventile i pečate. Zapravo, oni su toliko mali da će, na duže staze, težiti da procure direktno kroz metalni zid bilo kakvog rezervoara ili kanistra.

Pri tome ne samo da ćemo imati nezaustavljive gubitke iz cevi i rezervoara, dramatično uvećavajući cenu skladištenja i prenosa, već će i sam metal u procesu biti oštećen i učinjen daleko podložnijim „napadima“ atmosferskog kiseonika – rđanju. Metalni zidovi rezervoara sa vodonikom pokazuju, nakon izvesnog vremena, karakteristične „plikove“ i „bubuljice“ koji prethode ubrzanoj oksidaciji i gubitku strukturnog integriteta. 

Svi ovi faktori ulaze u procenjenu cenu instalacije jedne jedine „vodonične pumpe“ koja bi trebalo da zameni benzinsku pumpu: preko 2 miliona dolara. Poređenja radi, instalacija uređaja za punjenje plug-in hibrida ili električnih vozila na postojećim benzinskim pumpama košta tek oko 50 hiljada dolara. „Vodonična ekonomija“, nema šta.

Konačno, toliko reklamirana čistoća sagorevanja vodonika je relativna i varljiva pojava. Da, vodonični automobil bi oslobađao vodenu paru, po pretpostavci je emitujući u atmosferu kroz auspuh, kao što to rade svi motori sa unutrašnjim sagorevanjem. Vodena para, nasuprot onome što se naivcima čini, nije nimalo bezazlena – ona je zapravo glavni izvor globalnog zagrevanja kroz efekat staklene bašte. (Zapravo, razmislimo od čega tačno potiče sam naziv „efekat staklene bašte“ i kako to tačno izgleda u nekoj stvarnoj staklenoj bašti.) Većina ljudskih aktivnosti koje oslobađaju vodenu paru, poput kuvanja jutarnje kafe, jeste klimatski štetna, samo što se to u ekohipsterskim krugovima retko pominje.

Na sreću, ove aktivnosti su minorne u pogledu količine proizvedene vodene pare i višestruke studije su pokazale da to za sada nema merljive klimatske efekte. Kada bismo, međutim, u misaonom eksperimentu imali razvijenu „vodoničnu ekonomiju“ masovna emisija vodene pare – uključujući i masovnu stratosfersku emisiju od hipotetičnih vodoničnih aviona – bi dramatično uticala na klimu. 

Naravno, fanovi i adepti „vodonične ekonomije“ mogu pokušati da izbegnu ovu posledicu tvrdnjom da će budući vodonični motori izbeći emisiju u atmosferu, po pretpostavci kondenzacijom u tečnu vodu. Poznavanje zakona održanja energije, kao i drugog zakona termodinamike, će vas svakako daleko odvesti – između ostalog i do shvatanja koliko je ovakva ideja besmislena. Kondenzacija zahteva da vodena para dođe u kontakt sa rezervoarom toplote na nižoj temperaturi od tačke ključanja (na zadatom pritisku); kao posledica tog faznog prelaza, temperatura rezervoara se podiže.

Kada ova temperatura jednom dovoljno poraste, za svako dalje hlađenje biće neophodno uložiti energiju sa strane; tipičan primer ovoga je frižider koji mora da crpi energiju iz električne mreže. Dakle, svaki kondenzator proizvoda sagorevanja vodonika bi imao vrlo kratak vek trajanja pre nego što počne da dramatično umanjuje efikasnost samog izdvajanja energije. 

Sve to i jeste razlog zašto je u čitavom ovom tekstu „vodonična ekonomija“ pod navodnicima: ona je zapravo oksimoron, vodonik je suštinski neekonomično gorivo, koje u javnom diskursu opstaje zahvaljujući direktno antiekonomskim pritiscima kao što su ekohipstersko ispiranje mozga i rasipničke državne „zelene“ subvencije. Nasuprot tom širokom značenju, jasno je da postoje pojedine specijalizovane primene sagorevanja vodonika. Raketni motori na vodonik svakako funkcionišu – najpoznatiji od njih, RS-25 koji je pokretao spejs šatl i koji će biti korišćen u okviru tekućeg Nasinog projekta Artemis, imao je pouzdanost od 99,95%; tek jedan jedini nefatalni incident sa kvarom na motoru u radu zabeležen je u čitavoj istoriji programa šatla.

Astronomska cena, a i efikasna konkurencija drugih vrsta raketnih goriva, pre svega tečnog metana, svakako ograničava ovu vrstu primene vodonika. Island, koji ima ogroman višak električne struje kao posledica male populacije spojene sa obilnom geotermalnom energijom, odnedavno ima malu flotu autobusa koji rade na komprimovani vodonik. Za sada nije bilo incidenata sa smrtnim ishodima i nadamo se da ih neće ni biti, ali iskustvo Islanda će se preneti drugde podjednako teško kao i druge osobine ostrvske nacije, poput broja pročitanih knjiga po glavi stanovnika, gde su oni za više od standardne devijacije iznad evropskog proseka.

Gorive ćelije punjene vodonikom se koriste u više specijalizovanih aplikacija. Mercedesovi Citaro BZ autobusi funkcionišu u nekoliko gradova sveta kao deo eksperimentalnih programa – svih oko 35 komada koliko je proizvedeno. Zašto nije proizvedeno više? Deo odgovora se svakako krije u činjenici, koju nećete pročitati u ekohipsterskim tekstovima, da membranske gorive ćelije sa izmenom protona koriste platinske katalizatore, čija cena ne pada ispod oko 7 hiljada dolara po kilovatu.

Obzirom da Citaro (i bilo koje slično vozilo) zahteva najmanje oko 200 kilovata da bi se pokrenulo s mesta, elementarna aritmetika pokazuje da se mora potrošiti preko 1.400.000 dolara samo na gorive ćelije pojedinačnog vozila, što je moguće isključivo uz masivne državne subvencije. Koje, naravno, i dalje neće učiniti da autobusi na vodonik budu i po jednom parametru bolji od, recimo, klasičnih električnih autobusa koji koriste litijum-jonske baterije. Naprotiv, naročito po teškim drumskim uslovima, po hladnim zimama, visokim nivoima vlažnosti i koncentracije atmosferskih aerosola, performanse čak i najskupljih gorivih ćelija dramatično opadaju; svi ovi problemi su veoma, veoma daleko od komercijalno iskoristivih rešenja. 

Ali, ali, ali šta je sa nuklearnom fuzijom, pitaće neko. Zar se fuzija ne zasniva na proizvodnji težih elemenata, recimo helijuma, upravo od vodonika? Naravno, još od pionirskih radova Edingtona, Gamova i Betea pre 80-tak godina znamo da zvezde sijaju na osnovu fuzije vodonika u helijum.

Četiri jezgra vodonika se spajaju da stvore jedno jezgro helijuma-4, uz oslobađanje ogromne količine energije; ovo se dešava na osnovu lanca tzv. proton-protonskih (p+p) reakcija. Na osnovu ove nuklearne reakcije naše Sunce sija već 4,5 milijardi godina i činiće to još najmanje 5 milijardi godina u budućnosti. Međutim, ostvarenje kontrolisane termonuklearne fuzije na Zemlji podrazumeva slične, ali ipak drugačije fuzione reakcije; najviše nade polaže se u reakciju u kojoj se fuzionišu dva vodonikova izotopa, deuterijum i tricijum (D+T reakcija).

Na ovoj reakciji se zasniva najveći istraživački projekat današnjice, ITER. Još ambiciozniji cilj je postizanje fuzije deuterijuma i helijuma-3 (D+3He reakcija), što potencijalno obećava najviše energije po jedinici mase goriva od svih zamislivih nuklearnih reakcija, ali je tu problem ekstremna nedostupnost lakog izotopa helijuma, 3He, na Zemlji. Ove reakcije zahtevaju daleko niže temperature i pritiske od p+p reakcije, te su stoga daleko izglednije za realizaciju u bližoj budućnosti.

Uglavnom, ekonomija zasnovana na fuziji je svakako izgledna perspektiva za budućnost, ali i nakon što se komercijalno realizuje biće još dugo zasnovana na egzotičnim izotopima lakih elemenata, a ne na samom vodoniku. I to svakako nije ono na šta se misli kada se „vodonična ekonomija“ reklamira danas. 

Naravno, za umove na nivou (ne)istaknute beogradske kolumnistkinje koja voli da naglasi „imam prostor za još sto reči, pa da skratim“, sve rečeno se može rezimirati na sledeći način: vodonik je preskup, neefikasan, logistički košmaran i veoma rizičan kao gorivo.

Gorive ćelije imaju smisla za pojedine, visoko specijalizovane primene, ali su veoma, veoma daleko od skalabilnosti i logističkih osobina koje bi mogle masovno zameniti fosilna goriva. Vozila sa gorivim ćelijama nemaju ni najmanje šanse da konkurišu hibridnim i električnim vozilima koji se usavršavaju dramatičnom brzinom i postaju jeftinija iz dana u dan.

Stoga je čitav koncept “vodonične ekonomije“ lišen smisla na isti način kao što je i lišena smisla i ideja o automobilu u koji se sipa voda umesto benzina. Radi se u najboljem slučaju o dokonoj maštariji, a u najgorem (i nažalost realističnom) o političkoj manipulaciji koja skreće pažnju sa istinski značajnih energetskih i ekoloških problema, a zasniva se na činjenici da su hemija i fizička hemija vodonika veoma slabo shvaćene u biračkom telu. 

Što je samo još jedan dokaz besmislenosti populizma i neophodnosti meritokratije.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *