Nemačka na čelu hidrogenskog pokreta?

Stand: 20.06.2024, 17:34 Uhr

Saša Bojić, Nenad Kreizer, Amir Kamber

Jesu li Nemačka i njena teška industrija spremni za šampionsku titulu? Zašto vodonik spada u ključna rešenja za energetsku tranziciju? Da li se sve to isplati? Šta je s električnim automobilima – na hidrogen? Sasa Bojić analizira stvarnost i snove oko proizvodnje i primene vodonika u Njemačkoj. Može li hidrogen biti rešenje za celi svet bez štetnih gasova? H2 protiv CO2? Ko dobija meč? Nemačka s tim u vezi ima veoma ambicioznu nacionalnu strategiju - više o njoj saznajete od Nenada Kreizera.

„Samo sa vodonikom će veliki delovi industrije i saobraćaja moći da se urede tako da čuvaju klimu.“ Tako glasi prva rečenica u opisu nemačke nacionalne vodonične strategije na sajtu nemačke vlade, Stvar je jasna: budućnost nam je vodonična. Iliti hidrogenska. Usred takozvane zelene tranzicije, koja podrazumeva odustajanje od fosilnih izvora energije i prelazak na obnovljive izvore, dobili smo i "vodoničnu tranziciju".

Kako vodonik proizvodi energiju?

To može da se radi na više načina među kojima je najrasprostranjeniji: uz pomoć takozvane gorivne ćelije. Da bi ona proizvela energiju, u nju je potrebno odvojeno uvesti vodonik i kiseonik. Kiseonik se uvodi iz okolnog vazduha. Vodonik stiže iz rezervoara.

Gorivna ćelija ima dve elektrode, anodu i katodu. Između njih je barijera. Vodonik se uvodi na strani na kojoj je negativno naelektrisana anoda. Na njoj atomi vodonika koji imaju svoje protone i elektrone oksidiraju, odnosno, gube svoje elektrone.

Tako da ostaju samo protoni. Oni mogu da prođu kroz barijeru i pohitaju ka katodi. To bi rado učinili i elektroni ali barijera za njih nije propustljiva. Zbog toga im je omogućen okolni put kojim mogu da izađu iz prostora u koji su uvedeni, poput simsa koji vodi oko zgrade i kojim može da se pređe iz stana u stan umesto kroz hodnik. Na tom okolnom putu ka katodi, kretanje elektrona proizvodi energiju koja se koristi za pokretanje električnog motora.

Na svom daljem putu, elektroni pristižu i zajedno sa protonima koji su već tamo spajaju se sa atomima kiseonika u – vodu. Koja više ničemu ne služi pa može da se izbaci. Kroz izduvnu cev u formi pare ili tečnosti.

To je sve.

Znači reč je o čisto hemijskoj reakciji koja ima dva finalna proizvoda: jedan je voda, a drugi – onaj zbog kojeg je sve to smišljeno – je struja koja se koristi za pogon mašine.

Voda ili vodena para ničim ne zagađuju životnu sredinu i zato je to najčistiji vid pogona.

I zato je ovaj gas sve važniji u energetskom sektoru širom sveta, a Nemačka je stala na čelo svetskog hidrogenskog pokreta.

Problemi i dileme

Da li će, i kako, Nemačka da opravda svoju samoproglašenu čelnu poziciju, to ćemo tek videti u narednom periodu koji neće biti kratak. Naprotiv. Tranzicija ka korišćenju vodonične energije će biti duga i tehnički vrlo kompleksna. Ona podrazumeva ne samo vrlo zahtevno preuređivanje postojeće energetske infrastrukture, već najvećim delom stvaranje potpuno novih sistema za proizvodnju i transport vodonika kao i, naravno, njegovo korišćenje za proizvodnju energije.

Kada kažemo „vodonična energija“, tu se pre svega, u najširem smislu, misli na korišćenje vodonika u energetici. Iako je u užem smislu to zapravo hemijska energija sadržana u vodoniku. Jer, on nije izvor energije kao što su to Sunce, voda ili vetar, već je samo nosilac energije. Što znači da nečim moramo da ga podstaknemo da tu energiju oslobodi tako da možemo da je koristimo.

A to i te kako smisla, jer, vodonik – H2 – gas bez boje i mirisa, najjednostavniji je i najrasprostranjeniji hemijski element u univerzumu. Šta bi bilo lepše nego da on može da se koristi kao energent? Ali, s tim u vezi se javljaju razni problemi. Njih nije nemoguće rešiti, ali neće biti ni lako.

Najveći problem je u tome što je vodonik vrlo reaktivan, što znači da se rado vezuje sa drugim elementima i u prirodi se gotovo ne može naći u čistoj formi. Kažem „gotovo“ jer i za to postoji mala mogućnost, ali njoj ću se vratiti nešto kasnije jer je toliko mala da trenutno nije relevantna za našu „hidrogensku tranziciju“.

Prema tome: pošto vodonika u prirodi gotovo i nema u „slobodnom stanju“, ali je prisutan u ogromnom broju jedinjenja, moramo najpre da ga iz njih - izdvojimo. I to je zapravo prva i osnovna tehnička prepreka koju valja savladati. Taj zadatak se trenutno rešava na više načina.

Mnogo mogućnosti, premalo pravog "zelenila"

Najviše korišćena tehnologija za izdvajanje tj. proizvodnju vodonika, jeste njegovo izdvajanje iz prirodnog gasa. Dominantan sastojak prirodnog gasa je metan. Kada se on zagreva vodenom parom u prisustvu katalizatora, on se deli na vodonik i ugljen-monoksid. Vodonik se potom prečišćava i može da se koristi kao gorivo, za proizvodnju električne energije u gorivnim ćelijama (Brennstoffzelle) ili u industriji za razne svrhe.

Međutim, kao nusproizvod se oslobađa i ugljen-dioksid, a to je ono što nikako nećemo, to je gas koji nam je zvanični neprijatelj. Jer, čitava „zelena tranzicija“ je zapravo veliki proces dekarbonizacije naše civilizacije.

Vodonik je, naravno, prisutan u vodi iz koje takođe može da se izdvoji elektrolizom. To je postupak u kojem se voda deli na vodonik i kiseonik uz pomoć električne struje. I tu se javlja poznati problem. Ako se za elektrolizu koristi struja dobijena iz fosilnih izvora, onda proizvodeći vodonik stvaramo CO2 i tako nismo mnogo postigli.

Ako, pak za elektrolizu vode koristimo struju dobijenu korišćenjem energije vetra, sunca ili vode, onda je to pravi put. Ali, trenutno nema dovoljno takvih „zelenih“ elektrana da bismo mogli da kažemo da se trud oko elektrolize isplatio. Zbog toga mnogi tvrde da će korišćenje vodonika kao energenta imati smisla samo kada struju za elektrolizu vode budu proizvodile vetroelektrane ili solarni parkovi. A njih u ovom istorijskom trenutku za tako nešto ni izdaleka nema dovoljno.

Boje bezbojnog gasa

Vodonik proizveden uz pomoć obnovljivih izvora energije se naziva još i zeleni vodonik. Ako se u elektrolizi vode umesto fosilnih energenata za proizvodnju struje koristi nuklearna energija, popularan naziv proizvoda je: ružičasti vodonik. Ako se za elektrolizu koristi isključivo Sunčeva energija, onda dobijamo takozvani žuti vodonik.

Vodonik za čiju proizvodnju se koriste fosilni energenti pa se prirodni gas deli na vodonik i CO2 pri čemu se CO2 hvata i skladišti, naziva se i plavi vodonik. Vodonik proizveden na isti način ali bez uklanjanja ugljen-dioksida naziva se i sivi vodonik. I, naposletku, vodonik koji može da se nađe u čistoj formi i takav odmah transportuje i koristi, što je najlepše ali i najmanje verovatno rešenje, naziva se beli vodonik. Eto toliko boja u tehnološkom žargonu može da ima jedan bezbojan gas!

Čist vodonik u prirodi – ipak postoji?

Da se vratim kratko na beli vodonik, pošto sam malopre spomenuo da sa njim gotovo da i ne može da se računa. Reč je zaista o vodoniku koji se može naći u čistoj formi – u Zemljinoj kori. Donedavno se smatralo da u čistoj formi on ne postoji nigde, ali je 2012. godine u Africi, tačnije u Maliju, slučajno otkriven jedan izvor prirodnog vodonika.

Nije tačno razjašnjeno kako se takva nalazišta formiraju, a naučnici pretpostavljaju da vodonik u toj formi nastaje reakcijom vode s mineralima ispod Zemljine površine.

Kada bi takvih nalazišta bilo dovoljno, onda bi beli vodonik postao odlična alternativa zelenom vodoniku. I koštao bi deset puta manje!

Glavni problem je traženje nalazišta čistog vodonika i stabilnost takvih nalazišta, ali bez obzira na to, razne firme i naučnici širom sveta istražuju i tu mogućnost.

Kako se vodonik dobijen, na primer, elektrolizom vode, može čuvati i transportovati? To je moguće na tri načina: u sudovima pod pritiskom, u tečnom stanju, ili – u obliku jedinjenja koja ga lako oslobađaju. Kada smo tako rešili problem suda u kojem se nalazi, ostaju nam transport i distribucija gasovodima ili klasičnim kopnenim i morskim putevima – kamionima, vozovima ili brodovima.

Gasovodi su vrlo logično rešenje. Nemačka s tim u vezi ima ambiciozne planove. I pošto već znamo da je ova zemlja stala na čelo svetskog „hidrogenskog pokreta“ pravi je trenutak da nas sa strategijom i stanjem u Nemačkoj upozna moj kolega Nenad Kreizer.

Nenade, zašto je vodonik važan za energetsku transformaciju?

Važan je zato što se vodik kao gorivo može primijeniti kako u prometu tako i u industriji. Industrija je, pogotovo ona koja iziskuje mnogo energije, poput kemijske i teške, jedan od najvećih zalogaja u ostvarenju politike dekarbonizacije kompletne njemačke privrede u desetljećima koja su pred nama.

Koji su planovi nemačke vlade?

Prije otprilike godinu dana, njemačka vlada je objavila dokument pod nazivom "Ubrzanje strategije vodika" kojim se želi ubrzati pojačana primjene ovog goriva u industriji i prometu. Ova strategije se s jedne strane oslanja na energetsku učinkovitost a s druge na primjenu održivih izvora energije i tu se vodik pokazao kao prikladni izvor energije. Zapravo se više radi o vodiku kao prijenosnoj formi električne energije. Ideja je da se vodik proizvodi tamo gdje je struja jeftina i dolazi iz obnovljivih izvora te da se transportira tamo gdje su potrebne velike količine energije kao npr. u kemijskoj ili teškoj industriji.

Za automobile na vodonik sam čuo ali kako se vodonik upotrebljava u industriji?

Vodik se u industriji djelomice primjenjuje za proizvodnju električne energije, i to pomoću tzv. gorivih članaka (Brennstoffzelle). Tu se radi o tome da se vodik ponovno pretvori u električnu energiju. To je posebice važno u industrijama kojima je potrebno mnogo energije poput teške industrije, dakle proizvodnje čelike i kemijske industrije gdje su mnogi proizvodni procesi povezani s visokim temperaturama a time i mnogo energije.

Kad je u pitanju proizvodnja čelika tu je stvar još malo kompliciranije jer se tu radi o potpuno novim tehnologijama gdje se više za proizvodnju čelika u visokim pećima ne koristi koks nego vodik. Pritom ne nastaje CO2 nego voda. 

Prelazak teške industrije na vodik je važno jer recimo samo čeličana u Salzgitteru, najveća u Njemačkoj, proizvodi 1 posto emisije ugljičnog dioksida.

Tehnologija je tu samo ju treba dalje razvijati i za to vlada ulaže milijarde.

Koji su problemi?

Najveći problem je taj da za proizvodnju zelenog vodika, dakle ekološkog vodika, potrebna električna energija iz obnovljivih izvora, tj. vjetra, vode ili sunca. I to jako puno energije. Postoji i tzv. plavi vodik koji je dobiven pomoću zemnog plina dakle fosilnog goriva koje se nastoji izbjeći.

Vodik se inače dobiva elektrolizom vode koja se, kao što se sjećamo iz osnovne škole, sastoji od vodika i kisika.

Proizvodnja vodika je još uvijek skupa i zato vlada i ulaže tolika sredstva kako bi potaknula nove tehnologija za proizvodnju vodika. Njih ima ali su još uvijek u, kako se ono kaže, u povojima.

Zato se i strategija djelomice oslanja na uvoz vodika. 

Odakle bi Nemačka uvozila vodonik?

Već postoje planovi za gradnju podvodnih cijevi kojima bi se vodik do Njemačke prebacivao iz Norveške. Problem je u tome što se vodik u Norveškoj proizvodi putem plina kojeg ova zemlja ima u izobilju. Postoje planovi za dobivanje zelenog vodika u zemljama Magreba koje imaju mnogo sunca pa prema tome i zelene električne energije potrebne za proizvodnju zelenog vodika ali to za sada zapinje zbog političkih prepreka.

Tu su još i zemlje poput Argentine ili Čilea koje imaju idealne uvjete za proizvodnju zelenog vodika. Ali tu je problem transporta jer se ove zemlje nalaze na drugom kraju svijeta. Usput rečeno, sporni argentinski predsjednik Javier Milei upravo ovog vikenda boravi u Berlinu a u političkim kuloarima se govori da ga Olaf Scholz prima uz pune vojne počasti upravo zbog mogućnosti uvoza zelenog vodika iz ove zemlje.

Kako se vodonik primenjuje u saobraćaju?

Neki proizvođači poput BMW-a su isprva radili na motorima s unutarnjim sagorijevanjem koji su vodik jednostavno koristili kao gorivo, recimo slično automobilima na plin. No od ovog koncepta se brzo odustalo.

Druga uspješnija metoda je korištenje vodika u automobilu za dobivanje električne energije kojim se onda pokreće elektromotor u automobilu. To se događa preko već spomenutog gorivog članka (tj. na njemačkom Brenstoffzelle). Pritom nema nikakvih ispušnih plinova, jedno punjenje je dovoljno za 500km i samo punjenje, i tu je najveća prednost pred klasičnim električnim automobilima, traje svega nekoliko minuta.

Zvuči savršeno. Pa zašto onda nema više automobila s ovakvim pogonom na ulicama?

Upravo zbog toga što je proizvodnja transport i skladištenje vodika još uvijek u fazi razvoja. Zbog toga gotovo da i nema punionica vodika za automobile.

Čini se da kada je transport u pitanju vodonik ipak pogonsko gorivo budućnosti?

Barem tako izgleda. Jer vodik se pokazao uspješnim i kad je u pitanju cestovni željeznički ali i zračni promet. No sve te tehnologije su još u povojima.

Ipak je vodonik našao primenu u nekim specijalizovanim područjima saobraćaja?

Da i to kada su u pitanju teretna cestovna vozila ali i vozila gradskog prijevoza. Kod oba ova segmenta je lako logistički prilagoditi se postojećoj mreži punionica.

Nemačka dakle namerava da do 2030. godine ima funkcionalnu mrežu gasovoda čija dužina bi iznosila 5.100 kilometara. Od toga se 3.700 kilometara oslanja na postojeću, ali modifikovanu mrežu gasovoda. Sve to će biti veoma skupo: procenjuje se da će troškovi iznositi oko šest milijardi evra.

Uopšte, Nemačka bi kao perjanica hidrogenske tranzicije mnogo toga htela, ali je veliko pitanje šta je od toga uopšte realno moguće ostvariti u bliskoj budućnosti. Jer, reč je o tehnologiji čija primena još ni izdaleka nije potpuno definisana. Za veliki broj planiranih područja primene tek moraju da se smisle kompleksna tehnička i infrastrukturna rešenja.

Osim toga, zeleni vodonik još neko vreme neće biti na raspolaganju u dovoljnim količinama i po tržišno konkurentnim cenama. Uz probleme koji mogu nastati pri uspostavljanju distributivne mreže, meni čitava priča o vodoničnoj tranziciji još uvek izgleda kao popriličan haos u kojem neko, doduše, legitimno može da pokuša da se snađe uz dobru strategiju – kao što to hoće baš Nemačka i to kao vodeća na tom području.

Auto-industrija odustaje od gorivnih ćelija

Na primer, naveliko se govori o potrebi za proizvodnjom automobila sa gorivnom ćelijom, a ni proizvodnja „klasičnih“ električnih automobila trenutno ne može da se izvuče iz ćorsokaka, da ne kažem krize. Ona se ogleda u tome što se e-automobili sve manje kupuju, polovni e-automobili se više nego teško prodaju, infrastruktura sa stanicama za punjenje još nije dovoljna, a proizvođači poput Mercedesa najavljuju da će mimo prvobitne „elektro-euforije“ proizvoditi i vozila sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem duže nego što su planirali.

Ispostavilo se da elektroautomobili nisu popularni ni kao rent-a-kar-rešenje, pa su firme kao što je Sikst (Sixt) počele da ih povlače iz svoje ponude.

To će se sigurno odraziti i na automobile sa vodoničnom gorivnom ćelijom. Jer, i to su formalno zapravo električni automobili. S tim što oni nemaju klasičnu bateriju koja se puni na odgovarajućim stanicama, već gorivna ćelija stvara energiju koja pokreće elektromotor. Tako da se u automobilu ne tankuje struja, već se u rezervoar puni vodonik.

Pored gorivne ćelije i elektromotora koji ona pokreće, takvi automobili obično ipak imaju i jednu bateriju čija energija takođe može da učestvuje u pogonu automobila. Ona je manja od klasične e-baterije i prima i akumulira deo energije koju proizvodi gorivna ćelija tako da i ona može da se koristi kao dodatni izvor energije. Ali ona je tamo deo zatvorenog sistema. Može i da akumulira energiju koja se oslobađa kočenjem vozila – to je takozvana rekuperacija – tako da je ona sasvim koristan, mada sporedan, element u konstrukciji vozila.

Da li se sve to isplati?

Da bi bio proizveden 1 kilogram vodonika, u ovom trenutku je potrebno oko 55 kWh energije. Sa tih 55kWh jedan normalan električni automobil na auto-putu može bez problema da pređe 200 km. Drugo, vodonik koji se tankuje u automobile se aktuelno ne dobija uz pomoć obnovljivih izvora energije. To znači da je u smislu dekarbonizacije automobil sa gorivnom ćelijom manje rentabilan, tj. da ni nema mnogo smisla. Ako znamo da automobil na vodonik troši dvostruko ili trostruko više struje za isto rastojanje kao električni automobil na punjenje, onda to možda više ni uopšte nema smisla.

Zbog toga nemački proizvođači ni ne pokazuju veliko interesovanje za hidrogensku tranziciju u svetu automobila. Folksvagen je tu prvi počeo da kuje nešto ambicioznije planove, ali je u međuvremenu odustao od njih. A van Nemačke je odustala čak i Tojota koja je na tržište izbacila već nekoliko vodoničnih modela.

Svetski ekonomski forum ima važnu ulogu

Ali, stvari se menjaju ako pređemo malo u ptičju perspektivu i na vodonik jednostavno gledamo kao na energent koji bi mogao da bude vrlo koristan u teškoj industriji. Vodonik bi, na primer, trebalo da preuzme ključnu funkciju u industriji čelika: tamo gde se do sada koristio ugljenik, ubuduće bi trebalo da se koristi vodonik. „Otpad“ u tom proizvodnom procesu više ne bi bio klimatski štetan CO2, nego voda. Prelazak na novi proizvodni postupak jeste veoma skup, ali može da ima ogroman efekat: čeličane su u Nemačkoj odgovorne za industrijsku emisiju oko 30 odsto CO2.

Sve je to još u povoju. Ipak, kada sam već pomenuo ptičju perspektivu, valja napomenuti da nad svim mogućnostima korišćenja vodonika već bdije jedan veliki svetski forum. To je naravno Svetski ekonomski forum. U okviru njega je 2017. godine osnovan Hidrogenski savet (Hydrogen Council). On se sastoji od 130 preduzeća i neprofitne organizacije AISBL sa sedištem u Briselu.

Kopredsedavajući Saveta Benoa Potje (Benoit Potier) rekao je da je cilj tog tela „da objasni zašto vodonik spada u ključna rešenja za energetsku tranziciju“.

Doduše, Hidrogenski savet čine firme kojima je vrlo stalo do što većeg profita u branšama koje se adaptiraju na vodonik. U osnivače Saveta spadaju Er Likvid (Air Liquide), jedan od najvećih proizvođača gasa na svetu, kao i BMW, Dajlmer, Honda, Hjundai, Rojal dač šel (Royal Dutch Shell), Total i Tojota. A i sam Benoa Potje je jedan od šefova ER Likvida. Nema sumnje da če se oni u Savetu rukovoditi sopstvenim interesima. Na primer u izradi studija o vodoniku.

U Africi je ključ?

No, ako pažljivije pregledate sajt Hidrogenskog saveta, videćete da na njemu ima vrlo mnogo analiza o tome koliki je značaj vodonične tranzicije za – Afriku. Tamo se 2022. Godine najpre šest zemalja udružilo u „Afričku alijansu za zeleni vodonik“ (Africa Green Hydrogen Alliance). To su Kenija, Maroko, Mauritanija, Namibija, Južnoafrička republika i Egipat, kojima su se godinu dana kasnije pridružile i Angola i Etiopija.

Ta Alijansa kuje velike planove za proizvodnju zelenog vodonika. Njene zemlje-članice imaju jake vetrove na obalama, jako sunce u unutrašnjosti, a takođe i vodnu snagu. Već su pokrenuti odgovarajući projekti gradnje odgovarajućih elektrana, sa velikim investicionim volumenom – u Namibiji je, na primer, jedan takav projekat košta 10 milijardi dolara. Tehnologiju energetskih parkova će, naravno, uglavnom isporučivati strane firme. A cilj Alijanse je da njene zemlje-članice ne samo proizvode zeleni vodonik za svoje potrebe, već i da ga izvoze. Pokrenut je veliki biznis.

Naredne godine će u čitavom svetu proteći u trci oko proizvodnje i primene vodonika. U tome će ključnu ulogu imati Svetski ekonomski forum koji je 2020. osnovao i Inicijativu za ubrzanje proizvodnje zelenog hidrogena. Zašto? Zato što je procenio da tranzicija ka svetu bez emisije štetnih gasova neće uspeti do 2050. godine kako je prvobitno planirao. H2 protiv CO2 – meč dobija na tempu.