Prošli tjedan korejska KIA položila je kamen temeljac za izgradnju tvornice u kineskom Guangzhou u kojoj će se izrađivati vodikove gorivne ćelije i sustavi koji će služiti kao izvor energije u automobilskoj i drugim industrijama. Tako su i Koreanci krenuli putem kojim već naveliko ide japanska Toyota i startup Nikola, o čemu smo pisali na stranicama Buga.   

Zašto baš vodik?

Vodik se može koristiti za pohranjivanje ogromnih količina energije i ključna je sirovina za većinu kemijske industrije. Vodik se danas primarno koristi za rafiniranje nafte i proizvodnju amonijaka, ali sve je traženija roba u proizvodnji čelika i prijevozu, nadogradnji biogoriva i proizvodnji sintetičkih goriva koja mogu koristiti ugljični dioksid kao sirovinu.

Gotovo sav vodik trenutno dolazi iz prirodnog plina koji se na visokim temperaturama pretvara u plinoviti vodik i ugljični dioksid. Izazov je u tome što bi se globalna potražnja za vodikom mogla povećati za deset puta, nadmašujući trenutnu infrastrukturu za proizvodnju i isporuku vodika. Stoga se sve više razmišlja o razvoju novih tehnologija kako bi se učinkovito povećala proizvodnja vodika koristeći sve izvore energije, uključujući nuklearnu.

Nuklearne elektrane mogu proizvoditi vodik na razne načine s kojima bi se smanjile emisije i istovremeno iskoristila konstantna toplinska i električna energija. Postojeće nuklearne elektrane mogle bi proizvoditi visokokvalitetnu paru jeftinije od kotlova na prirodni plin i iskoristiti u mnogim industrijskim procesima.

No, što kad bi se ta visokokvalitetna para elektrolizirala i podijelila u čisti vodik i kisik? Jedan nuklearni reaktor od 1000 megavata mogao bi godišnje proizvesti više od 200.000 tona vodika. A deset nuklearnih reaktora moglo bi proizvesti čak petinu trenutnog vodika koji se koristi u Sjedinjenim Američkim Državama. 

Napredni reaktori mogli bi raditi na znatno višim temperaturama i time omogućiti nuklearnim elektranama učinkovitiju i sve veću proizvodnju vodika. Razvijaju se i novi elektrokemijski procesi za izravnu pretvorbu prirodnog plina u vodik i plastiku nuklearnim postupkom, čime bi se u potpunosti izbjegle emisije i postigla znatno veća učinkovitost. Štoviše, nuklearna energija postala bi izvor čiste energije za proizvodnju vodika, goriva, gnojiva, čelika, plastike...

Tadić: Neki misle da su sve nuklearke kao Černobil

"Cilj dakle nije proizvodnja struje nego vodika", objašnjava dr. sc. Tonči Tadić, viši znanstveni suradnik Laboratorija za interakcije ionskih snopova Zavoda za eksperimentalnu fiziku na Institutu Ruđer Bošković. Puno je toga, kaže, zapisano i u programu Međunarodnog foruma za razvoj reaktora IV. generacije (GIF) koji postoji već dva desetljeća. Forum okuplja 13 razvijenih zemalja, ali i Euratom koji predstavlja članice Europske unije, a osnovni mu je cilj ispitati izvedivost takvih nuklearnih sustava i učiniti ih dostupnima za industrijsku primjenu do 2030. 

GIF je dosad odabrao šest reaktorskih tehnologija za daljnja istraživanja i razvoj: brze reaktore hlađene plinom (GFR), olovom (LFR) ili natrijem (SFR), reaktore rastaljene soli (MSR), reaktore sa superkritičnim vodenim hlađenjem (SCWR) i reaktore s vrlo visokom temperaturom (VHTR). Upravo takvi, VHTR reaktori, kakvi razvijaju ogromne temperature, od 900 pa i tisuću Celzijevih stupnjeva, u startu ciljaju baš na vodik.

"Svi bježe od nuklearki i vodi se brutalno jaka kampanja za obnovljive izvore. No to neće riješiti globalno zatopljenje, ali mi smo zato na dobrom putu da tehnološki budemo ispod Kenije i Ugande", upozorava Tadić i nudi rješenje koje bi spojilo Gen-IV i fuziju i istovremeno u paketu razvijalo obnovljive izvore jer samo to, kaže, vodi spašavanu planeta.

"Nuklearke često kritiziraju oni koji su za njih zadnji put čuli u Černobilu. Oni misle da nuklearke vode imbecili koji sigurnost provjeravaju isključivanjem svih sklopova", kaže Tadić. "To bi bilo kao da juriš autom prema zidu i onda mu prerežeš sve kočnice i otpustiš pojaseve; a tko to radi?"

Kovač: veliki potencijali vodika i gorivnih članaka

A kad smo već kod prometa, krajem 2019. u svijetu je prometovalo 25.212 vozila na vodikove gorivne članke; najviše, njih 59% u Aziji, zatim 32% u Sjevernoj Americi i 9% u Europi. Većinom je riječ o osobnim automobilima (75%), autobusima (17,7%) te dostavnim vozilima i lakim kamionima (7,3%). Udio teških kamiona još uvijek je zanemariv, ali se to može vrlo brzo promijeniti jer se primjena gorivnih članaka za pogon teških kamiona smatra iznimno obećavajućom tehnologijom, kaže doc. dr. sc. Ankica Kovač sa Zavoda za energetska postrojenja, energetiku i okoliš Fakulteta strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu. Posebno je zanimljiva Švicarska u kojoj do 2025. planiraju flotu od 1.600 teških kamiona. 

Broj svih vozila na pogon vodikom te je 2019. porastao 95%, dok je broj punionica vodika povećan za 23%. Pogon na vodik uvodi se u sve segmente transporta, od cestovnog preko željezničkog i morskog do zračnog prometa.

"Tehnologija vodika otišla je toliko daleko da danas postoje i ultra laki gorivni članci i spremnici vodika koji se koriste u zrakoplovima i dronovima. Dakle, vodik i gorivni članci imaju veliki potencijal u energetskoj tranziciji i sektoru prometa", kaže Kovač. Puno se govori o tome kako se pretičak termalne energije može koristiti za proizvodnju vodika...

Do vodika se pokušava doći i nuklearkama četvrte generacije. Priča se kako se na razini Europske unije očekuje odluka o proglašavanju nuklearne energije zelenom investicijom. 

"Očigledno je da nuklearni lobi i u Bruxellesu nameće nuklearke. One jesu zelene dok ne promjene boju i postanu crvene ili crne, kako hoćete", upozorava Kovač. "Nuklearne elektrane primarno proizvode električnu energiju u baznom režimu, znači da rade dan i noć jednako od remonta do remonta tako da ne vidim nikakve viškove topline koji bi se mogli koristiti za proizvodnju vodika." 

"Njihova je proizvodnja prilično precizno planirana. Nije to vjetar ili Sunce koji osciliraju i uopće ih ne zanima ima li ili nema potrošnje. Drugo je pitanje namjenske gradnje nuklearki za masovnu proizvodnju vodika", kaže Kovač koja smatra da je to problematično.

"Nuklearke moraju biti u svom radu hlađene, ali to je otpadna toplina na niskoj temperaturnoj razini, nepogodna za učinkovitu pretvorbu u vodik, tako da se to pitanje može gledati više kao na još jedan pokušaj monopolističkih proizvođača velikih količina električne energije da zadrže stečena prava i da se zakoče obnovljivi izvori energije koji su puno više demokratičnija energetska pretvorba." 

Također, upozorava Kovač, nuklearni otpad nije niti najmanje zelen, a globalne zalihe urana nisu Suncu, vjetru i valovima niti do koljena. Općenito, svaka nezavisnost od uvoza energije mnogima ne paše tako da se eventualno proglašavanje nuklearne energije zelenom investicijom može smatrati običnim podmetanjem lobista.

"Ja radije hodam uokolo s osjetnikom za vodik nego s Gajgerovim brojačem. Vodik u sprezi sa Sunčevom energijom lako je dostupna i bezopasna energija bez popratnih emisija radijacije i nuklearnog otpada. U globalnim okvirima je široko dostupna, što se za tehnologiju nuklearne energije ne može reći", kaže Kovač i napominje kako da se u sljedećih 30 godina emisije CO2 moraju svesti na nulu. A to je, kaže, vrhovni kriterij koji eliminira svako razmišljanje o nuklearnim elektranama. 

"Potreban broj nuklearnih kapaciteta nije moguće napraviti niti po količini niti po potrebnoj brzini", kaže Kovač i podsjeća kako izgradnja jedne nuklearke traje desetak godina. "Umjetno proizvedena fuzija nije u dogledno vrijeme SIGURNO rješenje. Zato je bolje koristiti proces fuzije koji već radi na Suncu. Sunce je idealan fuzijski reaktor i grije nas milijunima godina bez nuklearnog otpada." 

Biliškov: Vodik nije izvor nego spremnik energije

"Ekološka prihvatljivost nuklearne energetike određena je najprljavijom karikom u cijelom tehnološkom lancu. Zato svaku tehnologiju treba kritički razmatrati kroz njen cijeli životni ciklus, dakle od ekstrakcije i prerade sirovina, preko implementacije tehnologije pa do zbrinjavanja otpada nastalog korištenjem te tehnologije", smatra dr. sc. Nikola Biliškov, viši znanstveni suradnik Laboratorija za kemiju čvrstog stanja i kompleksnih spojeva Zavoda za kemiju materijala na Institutu Ruđer Bošković. 

"Svima su već poznati problemi sa zbrinjavanjem nuklearnog otpada, ali zapravo je vrlo problematična ekstrakcija ruda i njihova prerada u gorivo. To su procesi koji za sobom povlače cijeli niz ne samo ekoloških, nego i socijalnih problema", upozorava Biliškov koji smatra da je nuklearna energetika ekološki prihvatljiva samo u dijelu svog ukupnog životnog ciklusa.

S obzirom na način dobivanja, vodik se obično dijeli na crni, plavi i zeleni, s dodatkom još nekih nijansi. Crni vodik se dobiva iz fosilnih goriva i čini više od 90% proizvedenog vodika. Plavi se dobiva iz fosilnih goriva, uz korištenje tehnologija za hvatanje i skladištenje CO2 (CCS). Proizvodnja zelenog vodika ne uključuje emisije stakleničkih plinova i to ga čini jedinim ekološki prihvatljivim, kaže Biliškov.  

Zeleni vodik najučinkovitije se dobiva kombinacijom obnovljivih izvora energije s elektrolizom vode, a razmatraju se još neke mogućnosti, poput direktne pretvorbe sunčeve u kemijsku energiju potrebnu za fotolitičko cijepanje vode. To su zapravo glavni istraživački pravci u smislu razvoja tehnologija za dobivanje vodika. 

Vodik zapravo ne treba razmatrati kao izvor, nego kao nosač ili spremnik energije, kaže Biliškov. Jedna od najproblematičnijih karakteristika obnovljivih izvora energije je nekonstantna isporuka energije. U nekim situacijama obnovljivi izvori daju velike suviške energije, u drugima je produkcija minimalna ili čak nikakva. Zato je važno imati dobar način skladištenja energije. 

"Za kratkoročno skladištenje nameću se baterije, ali za dugoročno skladištenje vodik je puno efikasniji, a uz to može isporučiti i više energije u kraćim vremenskim intervalima. Zato je vodik odličan spremnik, koji može uskladištiti dovoljno energije za napajanje kućanstava i vozila pa sve do gradova", kaže Biliškov. "Dobivanje vodika pretvorbom toplinske u kemijsku energiju, kakvo se razmatra u slučaju nuklearki, puno je neefikasniji proces."  

"Gustoća energije u vodiku je oko tri puta veća u odnosu na jednaku masu benzina. No, vodik je vrlo lagan plin, zapravo najlakši od svih plinova pa je volumna gustoća energije vodika mala", kaže Biliškov. "Postoje vrlo efikasni načini nadilaženja tog problema, a najbolji su materijali za kemijsku pohranu vodika u čvrstom stanju. Ti se materijali vrlo intenzivno istražuju, ali mnogi od njih su daleko od tehnološke primjene u realnom svijetu." 

Uvijek je dobro otpadnu energiju koristiti za nešto korisno pa u tom smislu svakako treba podržati nastojanje pretvorbe toplinske energije u dobivanje vodika. No, treba li nam za to nužno toplina iz nuklearki, pita se Biliškov. Možda se za to može koristiti i geotermalna energija?