CC BY
40
Profesor dr Jovan Todorović,
dipl. in'.
Masinski fakultet, Beograd
VODONIK - ENERGENT BUDUĆNOSTI
UDC: 546.11 : 620.92
Rezime:
Potrebe za energijom su sve vece, a tradicionalni izvori, pre svega fosilna goriva, sve siromašniji. Otuda je neophodno da se i sektor energije radikalno izmeni. Potrebni su novi izvori energije i novi energenti. Rešenje ovih ozbiljnih problema je u vodoniku, kao najbo-ljem i prakti~no neiscrpnom izvoru energije. Sasvim je izvesno da je vodonik osnova nove „energetske ere“, tzv. „ere vodonika“. Da bi se to ostvarilo nu'no je da se reše sistemi pro-izvodnje, distribucije i snabdevanja vodonikom, odnosno nova infrastruktura, koja ce po svim svojstvima biti konkurentna današnjim sistemima.
Kljucne reci: nova energetska era, vodonik, proizvodnja, distribucija i snabdevanje, infrastruktura.
HYDROGEN - AN ENERGY SOURCE FOR THE FUTURE
Summary:
The energy sector has to be changed radically. New energy sources and new fuels are necessary. The solution of these serious problems is found in hydrogen, which is the best and widely available fuel. Undoubtedly hydrogen is a basis for a new „energy age“, so-called „hydrogen age“. To achieve that, it is necessary to develop systems for hydrogen production, distribution and supply, i.e. a new infrastructure competitive with the existing one, has to be build.
Key words: new energy age, hydrogen, production, distribution and supply, infrastructure.
Uvod
Tehnoloski i ukupni razvoj drustva nerazdvojno je povezan sa dva važna procesa: promenama u komunikacijama i mobilnosti i promenama u izvorima energije. Ova dva procesa se ne moraju odi-gravati istovremeno, ali jedan uslovljava, odnosno omogućava drugi [1].
Razvoj komunikacija i mobilnosti izvanredno je napredovao, tako da se da-nasnji nivo cak ni grubo ne može porediti sa onim od pre samo desetak godina. Međutim, u procesima promene energije, situacija je sasvim drugacija. Izvori ener-
gije danas su skoro isti kao i pre mnogo godina (ne racunajući, jos uvek veoma spornu, nuklearnu energiju). Naime, energija se i danas pretežno dobija iz fo-silnih goriva i znatno manje iz hidroelek-trana i drugih obnovljivih izvora. Uprkos tome, potrosnja energije stalno se pove-ćava. Objektivne prognoze pokazuju da će se u narednim godinama, uporedo sa daljim razvojem tehnologija i ukupnih potreba drustva, nastaviti stalni porast transporta roba i ljudi i odvijanja drugih aktivnosti [2]. To će zahtevati i sve vise energije, odnosno sve veću potrosnju energenata. Iako se predviđa da će u na-
484
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
rednim godinama, i pored sve većeg obi-ma proizvodnje potrosnja energije u pro-izvodnim sistemima uglavnom stagnirati, zbog sve većih zahteva siroke potrosnje i posebno zbog sve većih zahteva za pre-vozom roba i ljudi, tražnja za energijom će se prvih godina ovog veka stalno po-većavati za oko 1,5 do 2% godisnje. To znaci da će se do 2050. godine potrebe za energijom vise nego udvostruciti. Od toga će se na transport trositi oko 50% ukupne energije, odnosno osetno vise nego u ukupnom sektoru industrije (ostatak u sektoru domaćinstva). To se i danas već približno dostiglo u nekim zemljama (Danska, Grcka, SAD, Spanija). Veoma je važno da se ima u vidu da se energenti u sektoru transporta skoro u potpunosti dobijaju iz nafte [3, 4, 5, 6].
Sve veća potrosnja cini da su raspo-ložive rezerve fosilnih goriva, a posebno nafte kao osnovnog izvora energije za sektor transporta, sve manje. Prognoze o tome koliko će one jos potrajati veoma se razlikuju. Neke govore da će nafte biti jos najmanje 100, a gasa 200 godina, ali se i tvrdi da će nafte biti samo za 30 do 40, a prirodnog gasa za 15 do 60 godina. Neke prognoze govore da će već pre 2040. godine biti iskorisćeno pola svet-skih rezervi nafte, a neke da će to biti već 2010. godine. Procenjuje se da će se kri-ticna tacka dostići onda kada se od sva-kih pet barela proizvedene nafte dnevno bude trosilo tri [1]. Dakle, do polovine ovog veka ukupne potrebe za energijom sa danasnjim energetskim izvorima uglavnom bi bile zadovoljene, ali svaka-ko ne i posle 2050. godine, kada bi samo sa danasnjim gorivima nastupila ozbiljna energetska kriza.
Druga veoma važna karakteristika danasnje energetske situacije, odnosno proizvodnje i korisćenja energije iz fosil-nih goriva, vezana je za ekoloske proble-me, odnosno zagadenje okoline koje iza-ziva sagorevanje fosilnih goriva. Kada je rec o saobraćaju i transportu, odnosno svim vrstama vozila sa motorima sa unu-trasnjim sagorevanjem, može da se tvrdi da su velika tehnoloska unapredenja, a pre svega znatno bolji sistemi sagoreva-nja, skoro resila problem emitovanja naj-većeg broja zagadivaca (ugljovodonika, teskih metala i dr.). Medutim, ostao je problem emitovanja ugljendioksida koji znatno doprinosi stvaranju efekata „sta-klene baste“, odnosno smanjivanju ozon-skog sloja, sto je danas jedna od snažnih preokupacija celokupne drustvene zajed-nice. Emitovanje CO2 neizbežan je prati-lac svih procesa sagorevanja fosilnih goriva, cija toplotna moć i potice od sagorevanja ugljenika, pa ovaj problem uop-ste ne može da se resi energentima na ba-zi fosilnih goriva.
Za razliku od takvog stanja na podrucju energije razvoj u sektoru ko-munikacija i mobilnosti je intenzivan i sveobuhvatan. Nove digitalne i web ko-munikacije opslužuju sve sektore pri-vrede i života ljudi, omogućavaju nove prodore u svim oblastima i nov kvalitet života. Ako je tacna hipoteza da postoji medupovezanost procesa komunikacije i energije, logicno je da ovi visoki do-meti u razvoju komunikacija i mobilnosti moraju da se odraze i na sektor ener-gije. Ima puno osnova da se tvrdi da će ostvarena „era komunikacija“ omogu-ćiti i novu „energetsku eru“. Potreba za tim je vise nego ocigledna.
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
485
Nova energetska era
Nova „energetska era“ treba, pre svega, da obezbedi nove, svima dostupne izvore energije, a s tim u vezi i nove si-steme distribucije i kori{}enja novih energetskih oblika. Intenzivno se traga za novim obnovljivim izvorima primarne energije i alternativnim gorivima, koja bi se umesto nafte i njenih derivata koristi-la, pre svega, u motornim vozilima. U opticaju su svi potencijalno mogu}i obli-ci primarne energije. Radi se na iskori-{}enju energije Sunca (solarne energije), vetra, plime i oseke, kao i termalnih vo-da. Kada je rec o alternativnim gorivima, istraživanja su usmerena na prirodni gas, bio-mase i sagorevanje otpadnih materi-ja. Sa stanovi{ta ekologije, ve}ina ovih alternativnih goriva ne re{ava problem smanjivanja ozonskog sloja, mada su, po pravilu, ekolo{ki povoljnija od benzina i dizel goriva [7, 14, 15, 16, 17, 18].
U ovim istraživanjima posebna pa-žnja poklanja se vodoniku. Realna je pro-cena da }e u budu}nosti energetska osno-va biti vodonik. Kada }e vodonik postati osnovni energent zavisi od toga koliko je dru{tvo u stanju da se brzo i energicno od-rekne nafte i drugih fosilnih goriva, odno-sno koliko je sposobno da prihvati vodo-nik kao osnovni energent i osnovni izvor energije. Ukoliko se to odlaže, covecan-stvo }e biti potpuno nepripremljeno da blagovremeno izvr{i tranzicije u energeti-ci onda kada odnos proizvodnje i potro-{nje nafte dostigne svoje kriticne granice.
Zato je, u okviru Ekonomske komisi-je OUN za Evropu (ECE), nedavno usvo-jen dokument „Integralni evropski proje-kat vodonika“ (poznat kao EIHP), koji treba, pored ostalog, da bude i osnova za
razvoj odgovaraju}ih standarda, odnosno medunarodnih direktiva. Uporedo, u Ne-mackoj je instituisan „Konzorcijum za strate{ko re{avanje svih pitanja energetike i alternativnih goriva za sektor transpor-ta“, u koji su, pored države, ukljucene i sve velike kompanije iz podrucja industri-je vozila, energetike i naftne industry e (na primer, BMW, Dajmler Krajzler, VW, Opel i MAN, a zatim Aral, Shell, BP, RWE i drugi). Uz veliku podr{ku vlade Nemacke ovaj konzorcijum je izradio „Energetsku strategiju za sektor transpor-ta“, kojom se utvrduje politika i sistem razvoja nacionalne energetike na bazi novih izvora i oblika energije. U ovom do-kumentu decidirano se govori da je vodo-nik osnovno gorivo za budu}i „održivi“ razvoj covecanstva, ne samo za motorna vozila i sektor transporta, ve} i za druge potro{ace. Otuda protagonisti vodonika govore da se tako obezbeduje „energija za sve“ i „energija za uvek“ [1].
Slicne programske inicijative zapa-žene su i u SAD i Japanu, na nivou vlada i velikih kompanija. Ostvarena je i sarad-nja Evropske unije i SAD radi razvoja standarda za gorivne }elije i „ekonomiju vodonika“ i od toga se mnogo ocekuje. General Motors, jedan od najve}ih i eko-nomski najjacih proizvođaca vozila, oce-njuje da }e u budu}nosti ukupna svetska ekonomija biti zasnovana na vodoniku [13, 19]. BMW procenjuje da se sa vodo-nikom teorijski mogu zadovoljiti sve po-trebe saobra}aja u Evropi, nasuprot bio-gorivima i sintetickim gorivima koja zajedno mogu da pokriju manje od polovi-ne potreba [14]. Radi toga su ove dve fir-me pokrenule zajednicki razvoj uređaja i sistema za snabdevanje vozila tecnim vodonikom.
486
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
Gorivne ćelije
Vodonik kao energent može da se koristi na vise nacina. S obzirom na vi-soku toplotnu mo} on može direktno da sagoreva u ložištima, pa i u motorima sa unutrasnjim sagorevanjem, slicno kao i druga gasovita goriva fosilnog ili drugog porekla. Takva ispitivanja spro-vode se i u nekim velikim automobil-skim kompanijama (BMW, Ford). Me-đutim, najve}e sanse za primenu vodo-nika, a to znaci za novu energetsku eru ili „eru vodonika“, daju se gorivnim će-lijama koje kao gorivo koriste vodonik, a ispituju se u skoro svim velikim kompanijama, posebno u Japanu (Honda, Toyota). Karakteristicno je da se u ove veoma ozbiljne i skupe razvojne pro-jekte, pored automobilske industrije, sve vise ukljucuju i vode}e kompanije iz oblasti energetike, naftne i procesne industrije [1, 12, 18].
Gorivne ćelije veoma su jednostavni uređaji, slicni akumulatorima [11, 16], koje proizvode elektricnu energiju sve dok se snabdevaju gorivom. Sastoje se od dva „sendvica“ elektroda oko kojih je elektrolit (fosforna kiselina, tvrdi oksidi, istopljeni karbonati, i dr.). Na anodu se dovodi vodonik, a na katodu kiseonik, odnosno vazduh. Vodonik koji ulazi u ćeliju prolazi kroz membranu i tada se od svakog njegovog atoma izvlaci elektron, cime se stvara elektricna struja, a osloba-đa vodena para i toplota. Ove membrane, koje cine srž gorivne ćelije, najcesće su tzv. PEM membrane (Proton Exchange Membrane). Vodonik može direktno da se dovodi na anodu ćelije iz odgovaraju-ćih rezervoara, u tecnom ili gasovitom stanju, ili iz reformera u kojima se vodo-
nik izdvaja iz metanola, prirodnog gasa, etanola, pa cak i benzina.
Ovako proizvedena elektricna ener-gija može da se koristi za razne namene. Americki koncern General Motors ne-davno je objavio da, prema njihovim is-traživanjima, postoji veliki interes za gradnju stacionarnih „energana“ sa gorivnim ćelijama, koje treba da služe kao rezerva („back-up“) za napajanje releja za mobilnu telefoniju, centrala kompju-terskih mreža i slicnih sistema, posebno onih koji imaju problema sa napajanjem iz elektricne mreže, zbog udaljenosti, ne-pouzdanosti isporuka ili drugih razloga. Ova firma tvrdi da je u stanju da veoma brzo razvije ovakve „elektricne centrale“ sa gorivnim ćelijama [8]. Slicno tome, i General Electric, veliki multinacionalni koncern u podrucju energetike, radi na razvoju stacionarnih izvora elektricne energije sa gorivnim ćelijama, za opre-manje poslovnih i stambenih zgrada, odnosno za osvetljenje, grejanje i napajanje drugih potrosaca u domaćinstvu.
Međutim, najveći interes za gorivnim ćelijama, i ovako proizvedenom elektricnom energijom, ima automobil-ska industrija. Pored energetskih na to veoma uticu i ekoloski razlozi. Naime, sa ekoloskog stanovista vodonik je nespor-no najbolje gorivo za motorna vozila. Vozila sa elektropogonom i gorivnim će-lijama na vodonik emituju u okolinu sa-mo vodenu paru, bez ikakvih stetnih sa-stojaka. To su „vozila sa nultom emisi-jom“ („zero emission vehicles“). Ako gorivne ćelije rade na prirodni gas, meta-nol ili etanol, situacija je nesto losija, ali, ipak, znatno povoljnija nego pri radu cak i najboljih motora sa unutrasnjim sagorevanjem. U ovom slucaju u atmosferu se
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
487
emituje ugljen-dioksid, a u tragovima i ugljovodonici, ugljenmonoksid i oksidi azota, ali u kolicinama koje su 1000 puta manje nego pri sagorevanju dizel goriva. Rezultati merenja pokazuju da se generi-sanjem 1 MW elektricne energije iz go-rivnih ćelija na fosilna goriva u atmosfe-ru emituje 45 t sumpordioksida i oko 19 t oksida azota manje nego pri sagorevanju naftnih derivata. To dokazuje da je po-gon vozila gorivnim ćelijama, a posebno ćelijama koje rade na vodonik, veoma perspektivno re{enje.
Vozila sa gorivnim ćelijama na
vodonik
Primena vodonika za sada najvise dolazi do izražaja u motornim vozilima. Postoje podaci da se u svetu preko 400 kompanija bavi razvojem vozila sa gorivnim ćelijama na vodonik. Najvise ih je u SAD, Kanadi, Japanu, Nemackoj, Fran-cuskoj, Italiji, ali i u Rusiji, Koreji, Dan-skoj, Holandiji, Spaniji, pa cak i u Indiji i Saudijskoj Arabiji. Najveće domete u ovom podrucju ostvarila je kompanija Ballard Power Systems, koja je sa Daimler Krajzlerom i Fordom formirala za-jednicku firmu za proizvodnju gorivnih ćelija za vozila.
Snabdevanje gorivnih ćelija vodo-nikom na vozilu može da se resi na ne-koliko nacina. Najjednostavnije je da se na vozilo ugrade rezervoari vodonika u teenom ili komprimovanom stanju, slieno kao sto se to radi u vozilima koja koriste prirodni gas ili druga gasovita goriva. Problem je sto teeni vodonik treba da bude rashlađen na veoma niske temperature, ispod -250°C, a ukoliko je u gasovitom stanju treba da bude sabi-
jen na vrlo visoke pritiske (najmanje 250 bara). Porastom pritiska sabijanja povećava se masa rezervoara, sto dovo-di do smanjenja radijusa kretanja vozila sa jednim punjenjem rezervoara. U obe varijante podrazumeva se da se vodonik proizvodi u stacionarnim postroje-njima i da se posebnim sistemima raz-vodi, odnosno transportuje do mesta na kojima vozila treba da se popunjavaju.
Istražuju se i drugi sistemi napajanja vozila vodonikom. Jedan od njih je skla-distenje vodonika u rezervoaru u cvrstom stanju, pomoću tzv. hidrida, odnosno in-termetalnog jedinjenja nikla, hroma i va-nadijuma koje poput „magneta“ vezuje vodonik. Zagrevanjem hidrida oslobađa se vodonik u gasovitom stanju i dovodi do gorivnih ćelija. Smatra se da će bas ovo resenje omogućiti da gorivne ćelije budu realnost pre kraja ove dekade. Jos vise se radi na razvoju reformera, odno-sno uređaja u kojima se vodonik osloba-đa konverzijom nekog ugljovodonicnog goriva. „Proizvodnja“ vodonika na sa-mom vozilu pomoću reformera je bolje sa stanovista distribucije i snabdevanja vozila vodonikom, ali je tehnoloski slo-ženo i ekoloski losije resenje.
Nekoliko primera će dobro ilustro-vati ove nacelne ocene. Radi se o hibrid-nim vozilima velikih svetskih proizvođa-ca, kod kojih je paralelno moguć pogon klasicnim motorom sa unutrasnjim sago-revanjem (nacelno za kretanje po otvore-nim putevima) i elektromotorom (za kretanje u užim gradskim jezgrima), koji se napajaju elektricnom energijom iz gorivnih ćelija koje rade na vodonik.
General Motors radi na ovom pro-gramu već vise od decenije [13]. Proce-njuje se da je to vrlo perspektivan pro-
488
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.
gram, pa se u ove projekte, na kojima je angažovano preko 500 inženjera, investi-ra svake godine vise stotina miliona do-lara. Cilj je da se do 2010. godine dostig-ne proizvodnja automobila na gorivne ćelije i vodonik, a koja će biti profitabil-na, i da nesto pre 2020. godine ova firma u svetu bude prva koja će na tržiste plasi-rati milion ovakvih vozila.
Posle vise eksperimentalnih vozila, medu kojima su zapaženi modeli HydroGen 1 i HydroGen2, General Motors je nedavno na bazi platforme poznatog mo-dela Zafira, lansirao vozilo HydroGen3. Ovaj model će svakako ostati zabeležen u istoriji kao prvo vozilo na vodonik za koje je nedavno u Japanu dobijeno zva-nicno odobrenje za korisćenje u saobra-ćaju. Odobrenje je izdalo japansko Mini-starstvo za zemljiste, infrastrukturu i transport, a posebnom odlukom odobre-no je i korisćenje, odnosno ugradnja u ovaj automobil rezervoara za tecni vodonik (od nadležnog organa za sudove pod pritiskom).
General Motors u ovom razvoju usmerava pažnju ne samo na razvoj vozila već i na usavrsavanje pojedinih podsistema i elemenata, posebno na razvoj samih gorivnih ćelija. Tako je u HydroGen3 ugrađen blok od 200 ćelija nove generacije, koje generisu 94 kW i pogone elektromotor od 60 kW. Pogon je na prednje tockove, a najveća brzina iznosi 160 km/h. Vozilo može da se po-krene za samo 30 sekundi i to i pri spoljnjim temperaturama do -20°C. Ovaj blok jos uvek ima relativno veliku masu, ali se ocekuju znato lakse kon-strukcije.
Velika pažnja poklanja se i razvoju boljih rezervoara za vodonik. Gene-
ral Motors istražuje obe mogućnosti -korisćenje vodonika u gasnom stanju, sabijenog na 700 bara, i korisćenje vodonika u tecnom stanju, koji treba da se rashlađuje na - 253°C. Sa rezervoarima vodonika pod pritiskom, kakvi su ugra-đeni u automobil HydroGen3, akcioni radijus vozila je 400 km, a sa rezervoa-rima tecnog vodonika znatno manje -oko 270 km (sa jednim punjenjem rezervoara). U prvom slucaju duže staja-nje, odnosno nekorisćenje automobila, izaziva blago isticanje vodonika, pa i pad pritiska u rezervoaru, dok se u dru-gom slucaju tecni vodonik i posle du-žeg stajanja prakticno ne gubi. Problem je sto su jos uvek i jedni i drugi rezer-voari prilicno skupi, cak i pri proizvod-nji od 100.000 jedinica godisnje. Radi toga se istražuju mogućnosti smanjenja troskova proizvodnje ugljenih vlakana i kompozitnih materijala, koji cine osno-vu za izradu ovih rezervoara.
Honda je jos pre tri godine plasirala na tržiste SAD desetak hiljada hibridnih vozila Insight, u kojima se gorivne ćelije napajaju benzinom [9, 10]. Tvrdi se da je ovo vozilo, prvo komercijalno raspoloži-vo elektrovozilo sa gorivim ćelijama. Posle toga, u saradnji sa proizvođacem ćeli-ja firmom Ballard, Honda je razvila vise zapaženih modela. Pocelo se 1999. godine sa modelom FCX-V2, nazvanog Gen-1, ciji se blok gorivnih ćelija napaja vo-donikom iz ugrađenog (on-board) refor-mera, koji radi na metanol. Ovaj blok imao je zapreminu 67 litara, masu 101 kg, i snagu 30 kW. Već druga generacija, odnosno Gen-2 ili FCX-V3 iz 2001. godine, ima znatno bolje gorivne ćelije: za-premina bloka je 48 litara, masa 73 kg i snaga 35 kW. Sada je na redu treća gene-
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
489
racija, nazvana Next-Gen, kod koje blok ćelija ima zapreminu 35 litara, masu 48 kg i snagu 50 kW. Ovo vozilo, koje ima prednji pogon sa poprecno postavljenim motorom nad prednjim mostom, prikaza-no je javnosti ove godine. Za razliku od prethodnika, vodonik se u ovom vozilu ne dobija iz reformera, već iz rezervoara zapremine 156 litara u kojima se vodonik nalazi sabijen pod pritiskom od 700 bara. Pored toga, u sistem za gorivo ugra|eni su i novi, za ovo vozilo specijalno razvi-jeni „ultrakapacitatori“, koji zamenjuju paket ćelija sa metalnim hidridima, koji su se do sada koristili, {to povećava ste-pen korisnosti u procesu transformacije energije. To daje mogućnost da akcioni radijus vozila iznosi oko 275 km.
Pored znatno veće specificne snage (po jedinici zapremine i mase), nove go-rivne ćelije mogu da rade u velikom dija-pazonu temperature, od + 95 do - 20°C. Za polovinu je smanjen i broj delova ce-log bloka (u odnosu na Gen-2), {to je ostvareno mnogim pobolj{anjima: preso-vana metalna bi-polarna/separator kon-strukcija i aromatske elektrolitske membrane, koje su prvi put primenjene. Separator je od obicnog nerđajućeg celika, a ne od specijalnog grafita najveće cistoće, kao u većini PEM gorivnim ćelijama, ko-ji se te{ko obrađuje i zahteva vrlo preci-zne ma{ine. Za nove metalne separatore mogu da se koriste obicne ma{ine, a mo-gu i da se recikliraju. Ugrađene su i nove aromatske elektrolitske membrane (ume-sto onih na bazi fluora, koje se najce{će koriste). Nove membrane izrađuju se od plasticnih materijala, koji se, takođe, znatno lak{e obrađuju.
Tojota, drugi veliki japanski proizvo-đac automobila, radi na ovom programu
već niz godina. Na trži{tu se već nalazi model Prius, za koji je planirana prodaja od preko 35.000 primeraka u naredne dve godine. Međutim, sada su aktuelni noviji modeli pod oznakom FCHV. To su, tako-đe, vozila sa prednjim pogonom, sa sin-hronim elektromotorom snage 80 kW i maksimalnim obrtnim momentom 260 Nm. Blok sa 400 gorivnih ćelija, svaka sa naponom od 0,6 do 0,7 V, daje snagu od 90 kW. Upravljacka jedinica, blok goriv-nih ćelija i elektromotor imaju masu od oko 300 kg, a postavljeni su ispod prednje haube, na posebnoj {asiji. Tu je sme{ten i veliki hladnjak, koji se koristi za hlađenje gorivnih ćelija i elektromotora tecnim flu-idom. U pogledu rezervoara vodonika Tojota je tokom mnogo godina isprobavala razlicita re{enja. U model FCHV ugrađe-na su cetiri rezervoara vodonika u gasovi-tom stanju, pod pritiskom od 500 bara, is-pred i iza zadnje osovine. Zapremina rezervoara obezbeđuje akcioni radijus od 300 km za „japanski ciklus gradske vo-žnje“, odnosno oko 290 km za „kombino-vani gradski-međugradski ciklus saobra-ćaja“ prema normama u SAD. Međutim, Tojota jo{ uvek nije re{ila problem starto-vanja vozila sa vodonikom na temperatu-rama ispod 0°C. Interval temperatura u kojem se ova vozila mogu startovati je od 0 do 40°C, {to je veliko ogranicenje za mnoge korisnike (HydroGen3 može da startuje i pri - 20°C).
BMW ima, takođe, zapažene pro-grame razvoja vozila na vodonik, u cemu prednjaci među evropskim proizvođaci-ma automobila [14]. Ovaj razvoj ima vi-{e faza. U prvoj fazi i{lo se na „dvogo-rivna“ vozila, u koja se ugrađuju klasicni mo tori sa unutra{njim sagorevanjem, ali pode{eni tako da mogu da rade ili na
490
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
benzin ili na vodonik. Nedavno je zavr-sena prva probna serija od 15 ovakvih „dvogorivnih“ vozila na bazi modela 750, koja su ozna~ena kao BMW 750 hL. To zna~i da postoje dva posebna sistema za gorivo, sa dva posebna rezervoara. Sa jednim rezervoarom benzina vozilo može da pređe oko 650 km, a sa jednim rezervoarom vodonika zapremine 140 litara oko 300 km. Vodonik je u rezervoaru u te~nom stanju, odnosno radi se o tzv. „krio-rezervoaru“, u kojem se te~ni vodonik nalazi na temperaturi od -253°C.
U automobil BMW 750 hL ugra-đen je i mali blok gorivnih ćelija koji sa vodonikom kao gorivom daje snagu od 5 kW pri naponu od 42 V. Gorivne će-lije ovde se ne koriste za pogon vozila, već zamenjuju akumulator, tj. služe za napajanje svih potrosaca, pocev od startera do svetlosnih i signalnih uređa-ja. Time se resava jedan od krupnih problema savremenih vozila - zadovo-ljenje sve većih potreba za napajanje brojnih uređaja, sto sve teže može da se resava povećanjem napona i kapaciteta akumulatora.
Ford ne zaostaje mnogo i planira da model Focus FCV, sa vodonikom u gaso-vitom stanju sabijenim na oko 250 bara, pusti u prodaju 2004. godine. Na razvoju ovih vozila rade i Volkswagen, Hyundai, Mazda, Nissan, Mitsubishi, a zatim i Peugeot, Renault, Volvo, Mercedes i drugi [11, 17]. Pored putnickih vozila u sredi-stu interesa su i autobusi, posebno za gradski saobraćaj. Na primer, na ulicama Londona već je u saobraćaju nekoliko autobusa Mercedes-Benz Citaro sa goriv-nim ćelijama koje daju snagu od 250 kW. Interesantno je da se radi i na razvoju vojnih vozila sa hibridnim pogonom,
mada za sada samo sa elektropogonom koji se napaja iz akumulatora [19].
Ogranicenja u primeni vodonika
Za dalju primenu vodonika danas postoje dva velika ogranicenja koja mo-raju da se rese. Prvo se odnosi na infra-strukturu, odnosno na sistem proizvodnje i distribucije vodonika, a drugi na cenu i troskove. Treba da se rese i određeni konstrukcijski i bezbednosni problemi, ali izgleda da ova ogranicenja ne stvaraju veće teskoće. Kada se radi o korisćenju vodonika za pogon motornih vozila naj-veći problem je obezbeđenje potrebnih performansi, koje mogu da se porede sa danasnjim vozilima. To se posebno odnosi na autonomnost kretanja sa jednim punjenjem rezervoara.
Proizvodnja i distribucija
Vodonik može da se proizvodi na razlicite nacine - elektrolizom, gasifika-cijom i izdvajanjem (pomoću reformera) iz fosilnih goriva. Sa energetskog stano-vista napajanje proizvodnih postrojenja može da bude iz elektricne mreže ili iz posebnih generatora elektricne energije, vezanih za sistem u kojem se vodonik proizvodi. Izvori elektricne energije mo-gu biti toplotne, hidro ili nuklearne elek-trane, kao i svi obnovljivi izvori energije, kao sto su energija Sunca, vetra, geoter-malnih voda, plime i oseke [12, 14].
Sa ekoloskog stanovista najbolji su procesi dobijanja vodonika elektrolizom, uz pomoć elektricne energije dobijene iz obnovljivih izvora. Posto su ovi oblici primarne energije jos uvek nedovoljno
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.
491
raspoloživi, vodonik se danas dobija uglavnom iz prirodnog gasa, metanola i drugih fosilnih goriva (oko 99%). Od svih tih mogu}nosti ekolo{ki je najpo-voljnije dobijanje vodonika iz prirodnog gasa, po{to tada gorivne }elije emituju mnogo manje {tetnih gasova, posebno gasova „staklene ba{te“, od svih drugih goriva [7]. Me|utim, na ovaj nacin ne re-{ava se problem emitovanja ugljendiok-sida u atmosferu.
Dana{nja proizvodnja vodonika pro-cenjuje se na oko 500 milijardi kubnih metara godi{nje, i to pretežno za hemij-sku i procesnu industriju, pri cemu se sa-mo jedna tre}ina sagoreva, odnosno kori-sti za generisanje toplote. Proizvedeni vodonik dovodi se do korisnika uobicaje-nim transportnim sredstvima - cisterna-ma, a jedan deo cevovodima. Po celom svetu ve} je pocela da se gradi mreža ce-vovoda koja povezuje proizvolace i kori-snike, posebno u industrijskim zonama. Procenjuje se da ova mreža ve} danas ima vi{e hiljada kilometara [14].
Ima i vi{e primera eksperimentalnih pogona za proizvodnju vodonika i generisanje elektricne energije u izdvojenim je-dinicama, namenjenim odrelenim potro-{acima. Honda je, na primer, razvila eks-perimentalnu ku}nu energetsku stanicu na vodonik, tzv. HES (Home Energy Station), koja je namenjena snabdevanju do-ma}instva elektricnom energijom i to-plom vodom. Ova stanica izgra|ena je 2003. godine u Istraživackom centra ove firme u Torensu u Kaliforniji, a }elije rade na prirodni gas. Iako je ovo ve} druga sta-nica ove vrste, usavr{ena u odnosu na prethodnu koja je izgralena na istoj loka-ciji 2002. godine (bolja cak tri puta!), ona se jo{ tretira kao eksperimentalna [9, 10].
Na istoj lokaciji, u Kaliforniji u kojoj ima puno suncanih dana, Honda je izgra-dila jedno tehnolo{ki i ekolo{ki jo{ bolje eksperimentalno HES postrojenje, u ko-jem se vodonik dobija uz pomo} solarne energije. Interesantno je da je ova stanica arhitektonski dizajnirana u obliku broda i predstavlja simbol ciste energije. Ovo postrojenje ima u svom sastavu fotovoltski modul za generisanje elektricne energije, jedinicu za elektrolizu u kojoj se oslobala vodonik i rezervoare za vodonik pod priti-skom. Ugralen je i dispenzer, odnosno pumpa za napajanje vozila [10].
Ugra|eni fotovoltski moduli rezultat su posebnih istraživanja i predstavljaju znacajno tehnolo{ko unaprelenje. U modul su ugralene fine prevlake od jedinje-nja bakar-indium-galijum-selen (CIGS). Jedinica za elektrolizu i generisanje vodonika sastoji se od precistaca vode (obicne, iz „cesme“), elektrolizera, separatora koji razdvaja gasoviti vodonik i vodu i preci-staca koji iz vodonika izdvaja preostalu paru i male kolicine kiseonika. Elektroli-zer je slican gorivnim }elijama sa PEM membranama, ali sa obrnutim procesom. Na anodu se dovodi cista voda i elektricni napon, vodonik prolazi kroz PEM mem-branu, pa se gasoviti vodonik oslobala na katodi. Elektrolizer i dispenzer su dimen-zija 600 x 600 x 1000 mm, zapremina re-zervoara je 110 m3, a cisto}a vodonika 99,999% (bez vode). Ova prva HES stanica na solarnu energiju ima kapacitet 2 m3 vodonika na sat, odnosno maksimalno 2000 m3 godi{nje.
Slicno stacionarno postrojenje, ali znatno ve}ih kapaciteta, razvila je i firma General Motors. Njihova stacionarna elektrana, koja je izgralena pored Hju-stona u Teksasu, snabdeva elektricnom
492
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
energijom procesna postrojenja koncerna Dow Chemical (u kome je vodonik nus-produkt u nekim procesima). Ovo pilot postrojenje ima blok gorivnih ćelija sa PEM membranama, istim kao i u vozili-ma HydroGen, a instalacija je smestena u jednu prikolicu, koja je opremljena svim potrebnim kontrolnim i zastitnim uređaji-ma. Snaga bloka gorivnih ćelija je 75 kW, sto je inace dovoljno za snabdevanje desetak prosecnih porodicnih kuća. Pla-novi su, da se ovaj sistem ubrzano siri, tako da se do 2006. godine izgradi 400 ovakvih stacionarnih generatora, svaki sa 12 ili vise blokova gorivnih ćelija, tako da se obezbedi snaga od oko 35 MW, sto je dovoljno za jedan mali grad. Ovaj ceo sistem je svojevrsna „laboratorija za uce-nje“, koja treba da pruži potrebna znanja
0 održavanju i pouzdanosti sistema i po-jedinih komponenata, a i o troskovima izgradnje i funkcionisanja ovakvih ener-gana. Smatra se da je to važan korak ka „eri vodonika“ [8].
Postojeći kapaciteti, odnosno proiz-vodnja i infrastruktura, nisu dovoljni za siroko korisćenje ovog energenta u svim sektorima života, a posebno u saobraća-ju. Potrebno je da se izgradi siroka mreža proizvodnih jedinica - „energana“, siroka mreža cevovoda i drugih oblika transporta i odgovarajuća mreža za distribu-ciju, odnosno mreža „pumpnih stanica“ za snabdevanje krajnjih potrosaca. Ovim sistemima treba da se zadovolje sve po-trebe vozila i vozaca, analogno resenjima koja postoje za snabdevanje naftom i naftnim derivatima. Zato se u ovaj razvoj veoma mnogo ulaže. Trenutno su u SAD
1 Evropskoj zajednici na snazi razvojni programi od oko 3,7 milijardi dolara [18]. Ukupne potrebne investicije su, me-
đutim, daleko veće. U General Motorsu, na primer, smatraju da je potrebno da se u SAD u narednim godinama izgradi 11.700 novih stanica za vodonik za po-punu vozila. Cilj je da vozac u urbanim zonama ima na raspolaganju pumpne sta-nice na rastojanjima najvise do 2 milje, odnosno oko 1600 metara, a na auto-pu-tevima do 25 milja, odnosno na oko 40 kilometara, sto znaci da će biti potrebno oko 10-15 milijardi dolara [12]. Ova fir-ma je već sa naftnim koncernom Shell iz-gradila jednu takvu eksperimentalnu pumpnu stanicu u Vasingtonu, u koju se vodonik dovozi kamionima - cisternama. Eksperiment je pokazao da su troskovi gradnje i rada stanice daleko veći od predviđenih, posebno zbog velikih tro-skova sistema bezbednosti i zastite. Slic-nu takvu stanicu izgradio je nedavno na aerodromu u Minhenu i BMW, i to za napajanje vodonikom vozila aerodrom-ske službe - autobusa vodonikom pod pritiskom, a putnickih vozila tecnim vo-donikom [14].
Cena i troskovi
Pored proizvodnje i distribucije, i cena vodonika koju treba da plati krajnji ko-risnik predstavlja veliko ogranicenje za korisćenje ovog energenta. Iako se pomi-nju razlicite cene, smatra se da je cena ovog energenta zasada veoma visoka, bar 10 puta visa nego sto bi tržiste moglo da prihvati [10, 18]. Cena vodonika zavisi od korisćene primarne energije, ali i od ste-pena razvijenosti infrastrukture, narocito u vezi sa sigurnosno-bezbednosnim mera-ma. Dok je cena energije koja se dobija iz vodonika koji se proizvodi u Severnoj Africi pomoću solarne energije oko 0,25
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
493
eura po kWh (zajedno sa infrastrukturom i distribucijom), vodonik koji se dobija iz prirodnog gasa je mnogo jeftiniji. Ali, na duže staze, zbog ekoloskih razloga i oce-kivanog smanjenja rezervi fosilnih goriva, osnovni interes je da se vodonik proizvodi energijom iz obnovljivih izvora [14]. Is-traživanja su usmerena ka tome da proiz-vodnja vodonika pomoću obnovljivih izvora energije bude sto jeftinija.
Na cenu elektricne energije dobijene iz gorivnih ćelija na vodonik, znatno utice i visoka cena samih ćelija. Na primer, na-vodi se da je generisanje 1 kW snage po-moću gorivnih ćelija kostalo krajem 2000. godine oko 1.000 USD, dok se ista snaga u motorima sa unutrasnjim sagorevanjem generise za samo oko 50 do 60 USD. Iz-vesno je, da cene gorivnih ćelija iz dana u dan opadaju. Zbog toga su logicne ocene da će u bliskoj budućnosti nove tehnologi-je i veće proizvodne serije omogućiti znatno jeftinije gorivne ćelije, jeftiniji vodonik, pa i znatno nižu cenu ovako proiz-vedene elektricne energije. Prognoze su da će cena 1 kW ovako dobijene energije već 2005. godine biti oko 200 USD, a 2007. samo 100 USD. Posto vodonik ima veoma dobre ekoloske osobine, logicno je da će se njegovo korisćenje podsticati i od države i organa lokalne uprave. Ovakvi podsticajni sistemi u vidu smanjenja pore-za, popusta i drugih beneficija već postoje u nekim zemljama (SAD, Svedska, Ne-macka). Uz dalje osmisljene podsticaje treba da se ocekuje da će cena vodonika uskoro biti sasvim prihvatljiva i konku-rentna ceni danasnjih goriva.
I pored toga sto je u proteklih dese-tak godina već zabeleženo osetno sma-njenje cena i gorivnih ćelija i vodonika,
cena vozila projektovanih za ovu vrstu pogona jos uvek je veoma visoka. Na primer, japanske firme Toyota i Honda nude prodaju na lizing svojih modela FCHV, odnosno FCX, zasada samo na japanskom tržistu. Za model FCHV cena lizinga, koja obuhvata kompletno održa-vanje, servise i druge troskove logistike, iznosi za jedan mesec oko 10.000 USD, za period od 30 meseci, a za model FCX osetno manje, oko 6700 USD. Ako se to preracuna znaci da kupac posle 30 meseci dobija vozilo FCHV za 300.000 USD, a vozilo FCX za oko 200.000 USD. Fir-ma Y amaha nudi svoj skuter sa gorivnim ćelijama na vodonik po ceni od 87.000 USD. To su ogromne sume, bez obzira na to sto ukljucuju i troskove korisćenja, mada mnogo niže nego pre samo nekoli-ko godina, kada se procenjivalo da ova-kva vozila kostaju oko milion dolara.
Bezbednost i konstrukcija
Kada se radi o korisćenju vodonika kao energenta bitno je da se ima u vidu da je to izvanredno zapaljivo i opasno gorivo. Cak i u malim koncentracijama može lako da se zapali i da izazove vrlo opasne požare. Zbog toga je nužno da se u svim fazama procesa, pocev od proiz-vodnje, preko distribucije, sve do kraj-njih korisnika, obezbede posebno promi-sljene i efikasne mere zastite, znatno so-fisticiranije nego pri radu sa drugim gori-vima. To, naravno, dalje povećava cenu i troskove.
Ako se radi o pogonu motornih vo-zila na vodonik, postoje i odredena kon-strukcijska ogranicenja. Sama konstruk-cijska ugradnja gorivnih ćelija i odgova-
494
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
rajuće opreme, posebno rezervoara vodo-nika, elektromotora i opreme, ne stvara prakticno nikakve probleme. I perfor-manse koje vozilo ostvaruje sa ovim go-rivom su sasvim zadovoljavajuće. To je kod mnogih vozila već uspe{no re{eno i dokazano. Jedini ozbiljniji problem po-stoji u vezi sa obezbe|enjem potrebne autonomnosti kretanja vozila, odnosno u vezi sa akcionim radijusom koji vozilo sa gorivnim ćelijama može da prele sa jed-nim punjenjem rezervoara vodonika. Ovaj problem potice od cinjenica da vo-donik ima znatno manji sadržaj energije u jedinici zapremine rezervoara. U pore-lenju sa benzinom, isti rezervoar napu-njen tecnim vodonikom (rashlalenim na -250°C) ima samo 20% energije, a sa vodonikom u sabijenom stanju samo 16, odnosno 7% (za pritiske od 700 i 200 bara, respektivno) [14]. Zato su akcioni ra-dijusi vozila sa gorivnim ćelijama, u principu, znatno manji nego sa motorima sa unutrasnjim sagorevanjem koji rade na druga goriva. Ugradnja velikih rezervoara sa pritiscima sabijanja vodonika od 700 bara i vise, kako to rade General Motors i Honda, umanjuje ovaj problem, ali ga i ne resava potpuno.
Zaključna razmatranja
Vodonik je ocigledno izvanredno kvalitetan energent, koji može trajno da resi probleme energetike covecanstva. Zato se u celom svetu u ovom pravcu ulažu ogromni razvojno-istraživacki napori i in-vestiraju velika sredstva. Dosad ostvareni rezultati govore da je „era vodonika“ vrlo realna i da je već na pomolu.
Da bi vodonik postao prihvatljiv energent nužno je da se obezbede
osnovni logisticki elementi, a pre svega sistemi proizvodnje, distribucije i snab-devanja. Proizvodnja vodonika na duži rok mora da se zasniva na obnovljivim izvorima energije (sunce, vetar, hidro, itd.), ali u prelaznom periodu će se sva-kako koristiti i energija dobijena iz fo-silnih goriva, narocito prirodnog gasa. U pogledu infrastrukture za distribuciju i snabdevanje krajnjih korisnika trebalo bi koristiti resenja koja će biti konku-rentna postojećim sistemima za naftu, naftne derivate, prirodni gas i druga ga-so vita goriva. Od osnovne je važnosti da se ostvare efikasne mere zastite i bezbednosti.
Pored toga, treba da se obezbede i zadovoljavajuće ekonomske performan-se, odnosno prihvatljiva cena. Sasvim je izvesno, melutim, da će cena vodonika, gorivnih ćelija, infrastrukture, odnosno tako proizvedene energije, biti sve niža. Tome će doprineti nove tehnologije, ali i zakoni masovne proizvodnje, kako je to bilo sa radio-tranzistorima, racunarima i mobilnim telefonima. Zato može da se tvrdi da će vodonik kao energent biti sasvim dostupan i u pogledu cene. Pri tome je sustinski važno da će, zbog svoje izu-zetne raspoloživosti i rasprostranjenosti, moći da se proizvodi na svim krajevima sveta, u svim zemljama, i svakom nase-lju. Isto važi i za proizvodnju elektricne energije na ovim osnovama.
Doći će vreme kada će milioni krajnjih potrosaca povezati svoje go-rivne ćelije u lokalne, regionalne i na-cionalne energetske mreže, odnosno web sisteme, koristeći iste principe projektovanja i inteligentne tehnologije koje omogućavaju World Wide Web. Elektricna energija će se razme-
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.
495
njivati i deliti, od jednog proizvodaca do drugog, stvarajući novu formu de-centralizovanog upravljanja i kori{će-nja. Treći svet neće vi{e zavisiti od uvoza nafte i politike globalnih opera-tera. U takvim uslovima, velike ener-getske kompanije, proizvodaci nafte i elektricne energije, koje danas „vlada-ju svetom“, posebno siroma{nim ze-mljama u razvoju, moći će da se bave samo proizvodnjom i prodajom goriv-nih ćelij a i infrastrukturne opreme, kao i održavanjem i regulisanjem postoje-ćih i novih razvodnih mreža i energet-skih sistema [1].
Literatura:
[ 1] Rifkin, J.: Hydrogen Economy, Tarcher Putnam, London, 2003.
[2] Traffic Growth and Infrastructure Needs in Europe, AIT-FIA Euroconference, Bonn, 1996.
[3] Evolution of Tourism and the Automobile, Report by the General Secretariat of AIT, Geneva, september 1996.
[4] Energy Efficiency in Transportation — Alternatives for the Future, United Nations, Dpt. for Dev. Support and Management, Publ. ST/TCD/EB/1, New York, 1993.
[5] Bertrand, B.: Automobiles, Energy and Environment after 2005,
Proc. FISITA Congress/SAE Paper 945111, Beijing, 1994.
[6] Tichy, von G.: Industrie und Energie, Erdol Erdgas Kohle, No. 12, 1992.
[7] Patil, P.: Alternative Fuels in Future Vehicles, Automotive Engineering, No. 1. 1996.
[8] Fuel cells at a standstill, Prof, engineering, London, february 2004.
[9] Yamaguchi, J.: Honda brings the hydrogen economy closer, Automotive Engineering (SAE), No. 2, 2004.
[ 10] Footprints to the future, Automotive Engineer, London, february, 2004.
[11] Fuel cells test point DC to tomorrow’s world, Automotive Engineer, London, december 2003.
[ 12] Bridging the technologies, Automotive Engineer, London, december 2003.
[13] Diem, W.: GM’s Hydrogen projects — The future is so promising, AutoTechnology, London, No. 1, 2003.
[14] Metz, N.; Cozzarini C.: Hydrogen - the BMW strategy on the future fuels, AutoTechnology, London, No. 1, 2003.
[15] Todorović, J.: Aleternativna goriva - moda ili potreba, Vojnotehnicki glasnik, Beograd, br. 3, 1998.
[16] Clean energy — Alternative power sources, SAE — Automotive Engineering Int., feb. 2000 - DANA Ad. Supp.
[17] Preparing for the Hydrogen age, SAE — Automotive Engineering Int., oct.. 2003.
[18] Alternative fuels, AutoTechnology, London, No. 6, 2003.
[19] Drive for military efficiency, Automotive engineer, London, march 2003.
[20] En route to the hydrogen economy, Professional Engineering, No. 12, 27 june 2001.
496
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.
