Je li ekonomija vodička ekonomična?

Ekonomija vodika (ekonomija vodika), gospodarstvo temeljeno na vodici (umjesto na prirodnom plinu, nafti i ugljenu) čini se kao san snova. Vodik je visokoenergetsko gorivo, koje višestruko nadmašuje fosilna goriva – energetska vrijednost benzina je 52 MJ/kg ili 14,4 kWh/kg, prirodnog plina (metana) 46 MJ/kg ili 12,8 kWh/kg, a vodika 120 MJ/kg ili 33,3 kWh/kg. Vodik je obnovljiv izvor energije jer od njega gorenjem ne ostaje ništa osim vode, a može se koristiti umjesto ugljena ili prirodnog plina za dobivanje željeza i obojenih metala jer je izvrsno redukcijsko sredstvo. Usto je sirovina za proizvodnju amonijaka, a time i svih dušikovih spojeva, od umjetnih gnojiva do najlona i kevlara, sintetskih smola, eksploziva i lijekova. Proizvodi se elektrolizom od svugdje dostupne sirovine, vode, a ako se električna struja dobiva iz obnovljivih izvora – sunca i vjetra – boljeg prijatelja okoliša ne može se zamisliti.

No kako to u tehnici i tehnologiji obično biva, za primjenu su ključne mane, a ne vrline. Vodik je lagan, on je najlakši plin: litra vodika pri normalnim uvjetima tlaka i temperatura ima masu od samo 0,09 grama – H₂ je 14 puta lakši od zraka. Čak i kada se ukaplji, na temperaturi od -253 ^oC, dobiva se tekućina gustoće od samo 0,07 g/cm³, a to je deset puta manja gustoća od gustoće tekućih fosilnih goriva. Vodik stoga treba držati pod visokim tlakom ili niskom temperaturom, a to iziskuje visoke troškove.

Iako sunce svugdje sije, a vjetar svugdje puše, nije svako sunce i svaki vjetar pogodan za proizvodnju energije. Iz toga slijedi neočekivan, ali nužan zaključak: za obnovljive izvore vrijedi isto što i za neobnovljive – kao što postoje ležišta ugljena, nafte i zemnog plina, tako postoje i (dobra) nalazišta vjetra i sunca. Proizvedena energija treba naći svoj put do potrošača – samo kako?

Prvi odgovor je: električna voda, u obliku električne struje. Ali to nije posve praktično. Višak električne energije se ne može skladištiti (osim kod vrlo skupih baterija). Iako prijenos električne energije ne zahtijeva pretvaranje jednog oblika energije u drugi, gubitci u mreži (električni otpor u vodovima i gubitci u transformatorskim stanicama) iznose od 6 pa i više od 16 posto (u Hrvatskoj 14 %). Umjesto toga, njemački znanstvenici sa sveučilišta Ruhr-Universität u Bochumu, predvođeni profesorom Thomasom Ernstom Müllerom, predlažu da se prijenos energije učini plinovodom, plinovodom kroz koji bi tekao vodič.

Način da se to ostvari ne zahtijeva inovacije. Vodik bi se proizvodio elektrolizom pri tlaku od 30 bara, da bi se smanjio električni otpor na elektrodama, a zatim tlačio na 80 bara i pri tom tlaku otpremao cjevovodom vanjskog promjera 1,22 m. Kroz takav bi cijev moglo proticati 390 tona vodika na sat, a to znači da bi plinovod (vodikovod) imao kapacitet prijenosa od 13 GW, što je osam puta više od prosječne snage svih potrošača električne energije u Hrvatskoj (1,56 GW). Problem bi bio dakako bio tlak, a još veća difuzivnost vodika (vodik prolazi kroz gumu, plastiku, čak i kroz čelik), bez problema bi se lako riješio čelične cijevi s vanjske strane presvučene posebnim premazom, kao vanjske zaštićene od korozije trostrukim slojem epoksidne smole i polietilena. . Tako kaže tehnologija. A što kaže ekonomija?

Elektrolizavode to je bremenito gubicima, i to nimalo zanemarivim. Za proizvodnju kilograma vodika potrebno je potrošiti 55 kWh, dok se izgaranjem može proizvesti najviše 33,3 kWh, što znači da se iskoristi samo 61% potrošene energije. Drugi problem je naravno transport vodiča kroz cjevovod. Da bi se postigao željeni kapacitet (390 tona na sat), potrebno je postaviti sedam crpnih stanica ukupne snage 218 MW na dužini od tisuću kilometara. Kada se sva potrošnja i gubici energije pretvaraju u emisiju ugljičnog dioksida, proizlazi da proizvodnja i transport kilograma vodika emitira 0,7 do 4 kg CO₂. Emisija CO₂ ovisi o udaljenosti na kojoj treba isporučiti vodič (od 0 do 4000 km), ali io načinu dobivanja energije – energija dobivena iz vjetroelektrane povoljnija je od energije dobivene s fotonaponskih ploča. Važan, ako ne i najvažniji činitelj je efektivno vrijeme rada elektrolizatoraFLH (sati punog opterećenja). Upravo taj činitelj pokazuje da se isplati transportirati vodič, pa i na udaljenost od 4000 kilometara, ako se energija proizvodi na mjestu gdje je moguće dobiti više tisuća sati godišnje.

Ni najčišća energija, ona bazirana na vodiku, ne može biti potpuno čista. Ali koja je alternativa? Vodik se uglavnom proizvodi reakcijom metana i vodene pare, pri čemu se kao nusprodukt proizvodi 9 do 12 kg CO.₂ po kilogramu vodika – a to je daleko više od emisije ugljikova dioksida pri proizvodnji i transportu vodika korištenjem obnovljivih izvora energije. Gospodarstvo temeljeno na vodici ipak se isplati.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnom zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor stotinjak znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još se od studentskih dana bavi popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 14 znanstveno-popularnih knjiga, a uskoro mu izlazi još jedna, “Kemičar u kući”, napisana prema člancima na ovim mrežnim stranicama. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.