Ako bismo htjeli najkraće reći što je osnovni problem, osnovno pitanje energetike, sve bi se dalo svesti na jednu rečenicu: „Kako pretvoriti niži oblik energije u onaj viši?“ Ili, da budemo određeniji: „Kako pretvoriti toplinu u mehaničku, električnu, svjetlosnu ili kemijsku energiju?“ Taj se problem vidi i pri proizvodnji vodika, plina koji bi uskoro trebao postati gorivo za automobile, zrakoplove i brodove. Vodik se, zna se,  najlakše i najjednostavnije dobiva elektrolizom vode, no pri elektrolizi, razumije se,  troši se električna struja, vrlo skup oblik energije. Ona se većinom proizvodi u termoelektranama s iskorištenjem koje jedva prelazi 40 %, bilo da je riječ o elektranama na ugljen, plin, Sunčevu ili nuklearnu energiju. Ove su posljednje elektrane najzanimljivije jer proizvode toplinsku i električnu energiju bez emisije ugljikova dioksida, a usto im se priprema preporod zahvaljujući „džepnim“ nuklearnim reaktorima (SMR, small modular reactor). Ti bi reaktori, o kojima je bilo riječi i na ovim stranicama, bili visoki samo 20, a široki 2,7  metara, uz toplinsku snagu oko 200 MW te  proizvodnju 60 MW električne struje.        

Problem se dakle svodi na pitanje je li moguće proizvesti vodik i bez električne struje, izravnim korištenjem toplinske energije iz „džepnih“ nuklearnih reaktora (ali i iz Sunčevih peći). Na to nije teško odgovoriti jer se danas većina vodika, potrebnog za proizvodnju amonijaka i drugih proizvoda kemijske industrije, dobiva iz metana (pirolizom ili reakcijom s vodenom parom), no tako proizveden vodik očito ne bi imalo smisla koristiti kao izvor energije.

No s vodom je druga stvar. I ona se može toplinom (pirolizom) razložiti na vodik i kisik. Zagrije li se naime vodena para na 700 ^oC u njoj će se svaka stota molekula rastaviti na kemijske elemente, da bi udio disociranih molekula porastao na 10 % pri temperaturi od 2500 ^oC.  No tu je zamka. Mogao bi se, istina, iz vodene pare difuzijom odvajati kisik i vodik, no da bi takav postupak imao smisla para bi se morala zagrijati iznad 3000 ^oC. To se doduše može izvesti, no ne može se napraviti uređaj koji bi radio pri tako visokim temperaturama (kremen se tali na 1700, a volfram pri 3410 ^oC). Toj su teškoći utekli američki kemičari kada su još šezdestih godina prošloga stoljeća predložili postupake u kojima se voda nakon niza kemijskih reakcija pri različitim temperaturama razlaže na vodik i kisik, no problem je bio u malom iskorištenju, a i u otrovnim i skupim kemikalijama (živi, kloru, vanadiju, litiju). Sasvim su drugim putem krenuli znanstvenici koji se od osamdesetih godina prošloga stoljeća bave elektrolizom vodene pare, postupkom HTSE (high temperature steam electrolysis). Riječ je, najkraće rečeno, o osebujnoj kombinaciji elektrolize i toplinskog razlaganja vode.

Iako je kompliciranije elektrolizirati vruću paru nego hladnu vodu, prvi je proces povoljniji i kinetički i termodinamički. Prvo znači da se proces zbiva brže, pa se iz elektrolitičke ćelije iste veličine za paru može dobiti više vodika nego iz one za vodu. Termodinamička nam povoljnost pak kazuje kako za elektrolizu pare treba utrošiti manje energije nego za elektrolizu vode. Za električno razlaganje jednog mola (18 g) vode pri sobnoj temperaturi treba utrošiti 237 kJ električne energije, no za elektrolizu iste količine vodene pare pri 900 ^oC treba samo 183 kJ  tog oblika energije. Kako za razlaganje vode pri 900 ^oC treba ukupno utrošiti ΔH = 249 kJ/mol, znači da u sustav treba uvesti 66 kJ/mol topline (ΔQ = 249 – 183 =  66 kJ/mol). Drugim riječima, za dobivanje vodika elektrolizom vodene pare pri 900 ^oC treba utrošiti 73 % energije u obliku elektriciteta i 27 % energije u obliku topline. Kako tu energiju ne treba pretvarati – uz gubitke – u elektricitet, nego je izravno koristiti, ušteda energije u proizvodnji vodika (uz druge povoljnosti) mogla bi biti i 40 %. Tako to stoji u teoriji. A što kaže praksa?

Proces se odvija u ćelijama koje imaju elektrode načinjene od krutih oksida (solid oxide electrolysis cell, SOEC), između kojih se nalazi staklena membrana koja sprječava miješanje elektrolizom dobivenih plinova. Takve ćelije mogu proizvoditi vodik iz vodene pare, no nažalost sa znatno manjim udjelom toplinske energije od teoretskog. No nije riječ samo o tome, o iskorištavanju topline za proizvodnju vodika.

Ako se SOEC ne zagrijava (egzotermni režim), ćelija se pretvara u proizvođača topline, u grijač. To baš ne zvuči praktično, što se ne bi moglo reći za drugu upotrebu ćelije s oksidnim elektrodama. Takva ćelija može raditi i u režimu gorivne ćelije, ako se u nju uvodi kisik i vodik. To znači da bi elektrana – a tu prije svega mislim na nuklearku s „džepnim“ reaktorom – mogla, u slučaju nagle potrebe, isporučivati električnu energiju dobivenu iz vodika što ga je sama proizvela. Sve skupa: elektrana s visokim iskorištenjem energije i brzom reakcijom na opterećenje mreže. A to je baš ono što se očekuje od takve, nuklearno-vodikove elektrane.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je više stručnih  i 13 znanstveno-popularnih knjiga, a upravo mu je izišla još jedna: „Mala škola pisanja (za znanstvenike i popularizatore)“. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.