Vodonik kao važna sirovina u automobilskoj industriji današnjice

Kao što smo spominjali u prethodnom članku, vodonik je prepoznat kao izvor energije koji će imati veoma veliki uticaj na budući razvoj industrije, pogotovo transporta. Šta se to promenilo u svesti ljudi poslednjih decenija?

Sedamdesetih godina globalna ekonomija je “eksplodirala”. Tehnologija je neverovatno napredovala: čovek je šetao po Mesecu, svemirske sonde su se našle izvan solarnog sitema, tehnološka roba je postala pristupačna širokom sloju ljudi, putovanje avionom je postalo masovno, čak je i supersonični avion postao stvarnost… Opšte mišljenje je bilo da su granice nedostižne.

Međutim, gotovo preko noći, optimizam je nestao, a zamenila ga je energetska kriza. To se desilo 1973. godine, kada je OPEC uveo embargo i kada se cena sirove nafte na berzama učetvorostručila. Ekonomski i tehnološki bum je momentalno zaustavljen. Za vlade mnogih zemalja, ovo je bila otrežnjavajuća situacija. Energetska sigurnost i nezavisnost je postala tema broj jedan. Kako se preko noći zaustavio razvoj, tako su isto domaći izvori fosilnih goriva, nuklearna energija i obnovljivi izvori energije, kao što je energija vetra i sunca, postali veoma bitni. Mnoge zemlje su se naglo okrenule tehnologijama i mogućnostima koje su u tom trenutku imale. Primera radi, SAD su povećale proizvodnju domaće sirove nafte, a druge zemlje su se okrenule različitim rešenjima.

Evropske države su imale nedostatak pristupa tim prirodnim izvorima. Jedan od tadašnjih koraka Evropske ekonomske zajednice je bilo ulaganje u razvoj efikasnijih motora i vozila. Evropska komisija je uvidela potencijal, ali ipak tehnološki nerazvijenih, gorivnih ćelija i energije vodonika. Tog trenutka, Evropska unija je odlučila za pokrene inicijativu za razvoj ove tehnologije, a u isto vreme počinju da se  oko istog cilja okupljaju univerziteti, akademije, instituti, laboratorije, privatne kompanije, udruženja, civilno društvo, itd. Pored prednosti u smislu energetske sigurnosti, u vodoniku, kao gorivu, se prepoznao i njegov mali ili nulti negativni efekat na životnu sredinu, što je u međuvremenu postao veoma bitan faktor. Za ovaj preokret se kaže “Energetska evolucija je ujedno i revolucija”.

“Zeleni dokument” Evropske komisije iz 2000. godine je inicirao razvoj Evropske strategije energetske sigurnosti i uticaja na klimatske promene. Od tog trenutka, razvoj tehnologije za proizvodnju vodonika i iskorišćenje vodonika kao izvora “zelene” energije je dobio veliki značaj. Veliku ulogu u razvoju ove tehnologije ima udruženje koje okuplja naučnu zajednicu i privatne kompanije u saradnji sa Evropskom komisijom – FCH JU (Fuel Cell and Hydrogen Joined Undertaking). FCH JU aktivno učestvuje u razvoju novih tehnologija, podržan sredstvima HORIZON 2020, uključujući i privatni kapital, a uz to su pokrenute brojne inicijative i programi. Koliko je ozbiljan pristup razvoju tehnologije za proizvodnju vodonika i gorivnih ćelija, govori i budžet od minimum 1,33  milijarde evra, predviđen za program koji se završava 2020. godine.

Najvažniji tehnološki ciljevi razvoja 

“Zelena” proizvodnja vodonika – uglavnom iz procesa elektrolize vode i obnovljive energije

“Čist” transport – implementacija tehnologije gorivnih ćelija u transportnim sredstvima

Skladištenje vodonika za potrebe balansiranja električne mreže –  skladištenje viškova električne energije iz obnovljivih izvora, kaon a primer vetrogenerator u noćnom radu.

Pod “Zelenom proizvodnjom vodonika” se pre svega misli na upotrebu elektrohemijskog procesa, poznatim kao “elektroliza” vode, koji smo opisali u prethodnom članku. Da bi se ovakav način dobijanja mogao nazvati “zelenim”, bitan faktor je izvor električne energije. Električna energija koja je potrebna za proces elektrolize vode može se dobiti iz mreže, odnosno energije koja se dobija iz termoelektrana, nuklearnih elektrana, hidroelektrana i slično, ali izvori koji daju ekološki prihvatljivu energiju su obnovljivi izvori, kao što su vetar i Sunce. Direktna upotreba električne energije dobijene iz vetrogeneratora ili fotonaponskih ćelija, za potrebe dobijanja vodonika iz vode, je trenutno “najzeleniji “način dobijanja čiste energije – energije sa nultim karbonskim otiskom.

Tehnologija elektrolize vode se poslednjih godine brzo razvija, a cilj svakog projekta koji se finansira od strane EU i privatnih fondova, je povećanje energetske efikasnosti, koja podrazumeva što manje uložene električne energije za određenu količinu vodonika, dugotrajnost elektrolizera, što manje toplotne gubitke i razvijanje takvih sistema, koji će omogućiti da se dotični gubici koriste za proizvodnju električne energije preko gasnih turbina.

Trenutno, najveći projekti elektrolizera vode, koji se pre svega koriste za proizvodnju vodonika u industrijske svrhe, su 6 MW (Mega Watt snage) firme SIEMENS instaliran u čeličani u austrijskom gradu Lincu, kao i 10 MW (Mega Watt snage) firme ITM Power u jednoj od SHELL rafinerija nafte.

Elektroliza vode se smatra tehnologijom koja je u ovom trenutku najrazvijenija i koja ima najveći potencijal kako bi zadovoljila brz rast potrebe za čistim izvorom energije u automobilskoj industriji. Trenutna efikasnost ide čak do 85% i to se smatra veoma visokim procentom u odnosu na teoretskih 100%. Zato se u poslednje vreme veoma brzo širi mreža pumpnih stanica za FCEV vozila, a poslednjih nekoliko godina najveći rast mreže je zabeležila Kalifornija u SAD, koja je prva usvojila legislastivu za obnovljive izvore energije u transportu i omogućila fondovima i privatnim kompanijama finansiranje i širenje ove tehnologije.

Ukratko, jedna stanica za proizvodnju vodonika za potrebe vozila koristi električnu energiju iz vetrogeneratora ili fotonaponskih ćelija za elektrolizu vode. Dobijeni vodonik se filtrira i komprimuje u specijalne rezervoare. Današnje stanice za automobile uglavnom su kapaciteta proizvodnje oko 100 kilograma dnevno, što je dovoljno za minimum 20 automobila dnevno. Tako uskladišteni vodonik je u svakom trenutku spreman da se preko dispenzera pretoči u rezervoar vozila. Pritisci na izlazu dispenzera su uglavnom 350 ili 700 bara u zavisnosti od dizajna stanice. Punjenje jednog automobila sa gorivnim ćelijama traje do 5 minuta, što ovoj tehnologiji daje izuzetnu prednost u odnosu na punjenje baterija za električne automobile, kojima treba minimalno 30 minuta (realno i više), makar to bili superbrzi punjači. Neke od prepreka brzom razvoju komercijalnih stanica za vodonik je cena, infrastruktura izvora obnovljive električne energije, kao i broj vozila sa gorivnim ćelijama. Razvoj infrastrukture stanica mora da prati proizvodnju FCEV vozila i obrnuto.

Za gorivne ćelije se može reći da su osnova razvoja čistog transporta, jer je emisija štetnih izduvnih gasova ravna nuli, a jedini nusprodukt je voda.

Rečeno jednostavnim jezikom, gorivna ćelija je uređaj koji proizvodi električnu energiju hemijskom reakcijom vodonika i kiseonika, takoreći obrnutim procesom od elektrolize vode. Za razliku od baterija, gorivna ćelija može da isporučuje (proizvodi) električnu energiju neprestano, dokle god ima vodonika i kiseonika. I pored toga što je ova tehnologija poznata još od 1838. godine, kada ju je opisao velški inovator Vilijam Grouv, prva praktična upotreba je bila u NASA-inom svemirskom programu Gemini, 1960. godine. Naime, gorivna ćelija je proizvodila električnu energiju koristeći vodonik i kiseonik koji je već bio prisutan u letelici, a nusproizvod – čista pijaća voda, koja je i te kako bila korisna.  Moderne gorivne ćelije su izuzetno pouzdane i fleksibilne, tako da postoje dovoljno male i pogodne za montažu u putnički automobil, kao i velike za industrijske svrhe.

Da sumiramo osnovne prednosti gorivnih ćelija:

1. Iz hemijskog procesa emituje se samo voda. Ne postoje nikakvi gasovi, kao što je CO2 (ugljen-dioksid) koji se smatra za glavnog krivca globalnog zagrevanja, kao ni NOx (azotni oksidi), SOx (sumporni oksidi), niti PM čestice
2. Nemaju pokretne delove, što ih čini veoma pouzdane i tihe u radu
3. Ne oslanjaju se na sagorevanje za izvor energije, što ih čini veoma energetski efikasnim. Veoma malo gubitaka se dobija u vidu toplote, a i ta energija se može iskoristiti
4. Veoma su fleksibilne i prilagodljive, bilo da je reč o aplikacijama za automobilsku industriju (vozila, mašine, plovila) ili za industrijsku primenu

Gorivne ćelije su relativno male, ali kao i baterije, slaganjem i povezivanjem više ćelija, dobija se veći kapacitet i dosta energije za pokretanje čak i velikih vozila. Donedavno su se evropski proizvođači vozila uglavnom oslanjali na japansku i američku tehnologiju, ali ulaganjem u istraživanje i razvoj poslednjih 10-20 godina, kao što smo već spomenuli, Evropa je napravila zavidan napredak i sve više koristi sopstvenu tehnologiju. Njen napredak, umnogome će u budućnosti povesti Evropu ka većoj energetskoj “nezavisnosti” od uvoznih fosilnih goriva.

Kao primer dobre prakse spomenućemo razvoj javnog transporta – FCEB autobusa. Osnovne prednosti autobusa sa gorivnim ćelijama su nulti izduvni gasovi, velika dnevna autonomija, dobre performanse, brzo punjenje rezervoara, mogućnost rada na bilo kojoj trasi jer se punjenje vrši u garaži (depou), visok komfor za putnike, izuzetna kultura rada i tako dalje. Najveće prepreke brzom prelasku na ovakva “zelena” vozila u ovom trenutku su potreba za izgradnjom pumpnih stanica za vodonik u garažama prevoznika (infrastruktura), kao i visoka cena vozila. Ove mane će se vremenom smanjivati kako napreduje tehnologija.

Osnovne komponente jednog takvog autobusa (primer) su gorivne ćelije (150 kW), rekuperator energije prilikom kočenja (2×60 kW), baterije za skladištenje rekuperirane energije (100 kW), rezervoari za skladištenje vodonika (35 kilograma, 7 jedinica), a neki od proizvođača koji su tržištu ponudili svoja rešenja, a neka se već voze ulicama evropskih gradova, su Solaris, Evobus, VanHool i VDL.

Ono što je dobra vest za projekte ovog tipa je to što se preko HORIZON 2020 može aplicirati za finansijsku i stručnu pomoć za implementaciju i nabavku opreme. Nažalost, još uvek u Srbiji nije dovoljno razvijena svest u vezi sa ovakvim projektima, na kojima bi trebalo da se udruže lokalne samouprave, ministarstva, naučne institucije, javnost i privatne kompanije, ali nadamo se da će se uskoro i to promeniti i da ćemo na ulicama naših gradova videti prve FCEV autobuse.

Treća, ne manje bitna, korist od gore pomenutih tehnologija je balansiranje elektrosistema iz obnovljivih izvora. Naime, u nekim trenucima proizvodnje električne energije iz vetra, potrebe za tom energijom su male. To se primera radi dešava noću, kada je najmanja potrošnja, kada fabrike ne rade, kada domaćinstva utonu u san, a vremenske prilike su povoljne za proizvodnju struje. Iz tog razloga neke regije i gradovi su uveli beneficije za potrošnju električne energije noću. Zaustavljanje vetrogeneratora u najmanju ruku smanjuje njihovu efikasnost, a elektrane na ugalj ili čak nuklearne,  nemoguće je samo uključiti i isključiti. Tu stupa na scenu tehnologija za proizvodnju i skladištenja električne energije u vidu vodonika (elektroliza).

Sav “višak” struje može da se pretvori u vodonik, koji kasnije može da se koristi u najmanje dve svrhe: 1. Kao gorivo za pokretanje HCEV vozila i 2. Za proizvodnju električne energije, koja se vraća u elektromrežu u trenucima kada su veće potrebe (pikovi potrošnje). Ovoj nameni se u EU pridaje jednaka pažnja razvoju, jer su potrebe sve veće, a problematika balansa u električnom energetskom sistemu može biti veoma uspešno rešena.

Branko Hinić Hydrogen Technologies doo & AutoRepublika

(1112)