Tehnični izzivi in problemi z vodikom
pod kategorijami: energija vodik

Vodik se ponuja kot ena izmed rešitev za nekatere energetske nizkoogljične izzive. Sledi kratek pregled izzivov z rokovanjem vodika.

Najprej je pomembno, da razumemo, da vodik kot ga pojmujemo danes, ni vir energije. Vir energije se nahaja v naravi, vloga vodika pa se pojavlja predvsem kot shramba energije. Vir nam daje energijo, npr. sončna elektrarna, zatem to električno energijo pretvorimo v vodik, ki učinkuje kot shramba. Obstajajo sicer indici, da se vodik pojavlja tudi v naravi, a se pojavlja na drugačnih lokacijah kot nafta in fosilni plin. Ker ga nismo iskali, ga do sedaj nismo našli.

Tehnični izzivi vodika

Vodik je vnetljiv. To je precej pomembna lastnost, saj na sproščanju energije pri gorenju temelji pridobivanje energije iz vodika.

Vodik je plin brez vonja in barve. Ker je brez vonja in barve, obstaja nevarnost zadušitve zaradi pomanjkanja kisika, ki ga lahko vodik potencialno izpodrine v zaprtih prostorih. Zaželeno je, da se z vodikom operira na dobro prezračevanih lokacijah.

Smiselno bi bilo, da se vodiku primeša marker, kot to delamo z metanom, oz. naftnim plinom. Težava je, da so zlasti gorivne celice precej občutljive na druge primesi, ki zmanjšujejo učinkovitost in življenjsko dobo celic.

Precej večja nevarnost kot zadušitev je gorenje. Za vžig vodika je potrebna precej nizka aktivacijska energija, približno 20x manjša kot pri metanu ali pri bencinu. Oba smo še vedno uspeli do neke mere zaobvladati, čeprav ne brez nesreč.

Vodik je eksploziven v zelo širokem pasu v zmesi s kisikom, v koncentracijah med 4 in 74% volumenskega deleža. Za primerjavo - metan, ki je poglavitna sestavina zemeljskega plina, je eksploziven v koncentracijah med 5% in 15%. Zunaj eksplozivnega območja gori, a ne eksplodira.

Plamen vodika je slabo opazen. Nima intenzivne barve oz. je rahlo svetlo moder, ter je ob dnevni svetlobi za človeško oko neopazen. Plamen vodika tudi ne seva močno v infrardečem spektru, tako da lahko človek stoji poleg plamena vodika, pa se tega sploh ne zaveda. Če nekdo stopi v plamen vodika, nepodučenemu opazovalcu ne bo jasno, da se je človek vžgal.

Vodik ima velik volumen. Energija na kilogram mase oz. specifična energija je za vodik precej velika, kar 120 MJ/kg. Težava je, da ima 1kg vodika v primerjavi z drugimi energenti zelo velik volumen. Za doseganje boljše volumetrične gostote ga je potrebno bodisi stiskati bodisi utekočiniti. Raziskave potekajo tudi v smeri iskanja materiala, ki bi omogočal vezavo večjih količin vodika ter s tem omogočil hrambo vodika.

Vodik se utekočinja pri 20K oz. pri -253°C, kar je zelo nizka temperatura. Za doseganje tako nizke temperature je potrebno veliko energije, kar dela postopek utekočinjanja energetsko potraten. S segrevanjem se vodik uplinja in s tem viša tlak v rezervoarju. Da tlak ne preseže tehničnih omejitev posode, v kateri je vodik, je potrebno presežno uplinjen vodik bodisi nadzorovano izpuščati skozi varnostni ventil, bodisi je potrebno uplinjen vodik ponovno ohladiti in utekočinjati.

Vodik glede na spin elektronov obstaja v dveh stanjih, orto-vodik, kjer je spin elektronov pri obeh atomih v isto smer, in para-vodik, kjer je spin elektronov v različno smer. Pri sobni temperaturi je ravnovesno razmerje med orto in para vodikom 3:1. Pri temperaturah, pri katerih se vodik utekočinja, pa je razmerje precej bolj v prid para-vodiku. S časom se utekočinjen orto-vodik pretvarja v para-vodik. Težava je, da se pri pretvorbi iz orto v paravodik sprošča toplota, ki je dovoljšnja, da bi lahko uplinila ves utekočinjen vodik.

Uplinjanje tekočega vodika predstavlja velik problem za trajnejšo hrambo. BMW je izdelal osebno vozilo Hydrogen 7, kateremu se zaradi izparevanja vodika poln rezervoar izprazni v 10 do 12 dneh. Zaradi potencialnega uhajanja vodika tako vozilo ne sme biti parkirano v zaprtem prostoru. Večina novejših osebnih vozil ima zato rezervoar z vodikom, stisnjenim na 700 bar, kjer problema z izparevanjem ni.

Vodik se segreva, ko se razteza. Črpanje vodika v rezervoar vozila je prečrpavanje vodika iz rezervoarja z višjim tlakom (polnilna postaja) v rezervoar z nižjim tlakom (vozilo). Pri tem se zaradi raztezanja sprošča toplota, problem pa postane večji pri večjih volumnih rezervoarja vozila. To povečuje tveganje za vžig oz. eksplozijo.

V vozilih na vodikov pogon se danes večinoma uporablja stisnjen vodik pri 350 barih oz. 700 barih tlaka. Pri polnjenju z višjim tlakom se vodik pred črpanjem v vozilo predhodno ohladi, da se izniči efekte segrevanja pri raztezanju vodika, zato v raznih demonstracijah polnjenja večjih vozil pogosto vidite kako operater priklaplja polnilno cev za vodik v zelo debelih toplotno izolativnih rokavicah, da ne utrpi ozeblin.

Rezervoar za vodik mora biti sposoben prenašati večje raztezne obremenitve. Kljub tem izzivom gre razvoj naprej in so rezervoarji sposobni opraviti tudi 5500 ciklov polnjenja in praznenja. Tak rezervoar bi ob vsakodnevnem polnjenju in praznenju zadostoval za 15 let, zato lahko mirno rečemo, da bi ob odsotnosti drugih faktorjev rezervoar zadostoval za življenjsko dobo vozila.

Vodik je ena izmed najmanjših molekul. Je tako majhna, da je sposobna vdreti v strukturo marsikaterega materiala. S kovinami rad tvori hidride, pri tem pa poveča krhkost materiala. Posebej rado se to dogaja na mestih, kjer prihaja do mehanskih napetosti, npr. pri zvarih. Zaradi tega bo pri morebitnem prehodu na višji delež vodika v plinovodih še kar nekaj težav, saj se zna zgoditi, da bo prihajalo do poškodb na plinovodih, če ti ne bodo ustrezno nadgrajeni.

Ker je vodik ena od najmanjših molekul, lahko prodre skozi marsikateri material. Znana je epizoda, ko je uhajanje večjih količin helija povzročilo nedelovanje mobilnih telefonov iPhone, ker je helij prodrl v mikro-elektromehanski čip, ki je skrbel za delovanje frekvence električne naprave. Helij je žlahten element in ne reagira z drugimi materiali, vodik pa je zelo reaktiven in je večja možnost, da naprave tudi trajno poškoduje.

Vodik ima toplogredni učinek. Vodik sam ni toplogredni plin, njegov toplogredni prispevek pa nastane predvsem s podaljšanjem življenjske dobe metana v zraku. Hidroksilni radikal (OH-), ki bi se sicer vezal z metanom, se v tem primeru veže z vodikom, s tem pa metan dlje ostane v atmosferi. Toplogredni učinek vodika je ocenjen na 11x CO2e na 100 let.

Pridobivanje vodika je energetsko potratno. Shranjevanje električne energije v baterije ter uporaba energije iz baterije dosega učinkovitost cikla med 70% in 95%. Izdelava vodika in pridobivanje električne energije dosega učinkovitost 54%, kar je približno polovico učinkovitosti, ki jo dosegajo baterije.

V kolikor bi vodik uporabljali za zgorevanje, je učinkovitost še nižja in razen v izjemnih situacijah ni komercialno zanimiva.

Poglavitna nevarnost vodika

Poglavitna nevarnost vodika je ogenj in eksplozija. Vodik je lahko vnetljiv in eksploziven na širokem področju koncentracij. Je brez vonja, barve ali okusa. Molekula vodika je majhna in lažje pušča skozi membrane.

Utekočinjen vodik predstavlja še hujši tehnični zalogaj, saj je potrebno poleg zagotavljanja tesnosti skrbeti še za toplotno izolacijo vseh vodov, po katerih se pretaka vodik. V primeru, da tesnenja ni, se namreč znotraj vodov začne vodik uplinjati, problemi pa nastajajo tudi na zunanjih vodih, saj ima tekoči vodik tako nizko temperaturo, da se utekočinja zrak, ki pride v stik z vodom.

Ker se kisik utekočinja pri višji temperaturi kot dušik, pride do tega, da z voda kaplja utekočinjen kisik. Če utekočinjen kisik kapne na kar koli gorljivega, je precej visoka verjetnost, da snov zagori.

Nevarnost, ki jo predstavlja vodik, je zato precej bolj obsežna kot pa smo je navajeni iz drugih goriv.

Izvor vodika

Vodik se praviloma smatra kot shramba energije, ne kot vir. Večina danes porabljenega vodika namreč pride iz pretvorbe drugih surovin, pogosto iz metana ali vode. Da se je ljudem lažje pogovarjati, so se ljudje izmislili poimenovati vodik po barvah glede na vir energije in surovine za proizvodnjo vodika. Vodik kot plin fizikalno gledano nima barve, gre zgolj za poimenovanje.

Sivi vodik je iz zemeljskega plina, pri čemer se CO2 izpusti v ozračje. To predstavlja večino danes komercialno proizvedenega vodika.

Črni vodik je iz premoga.

Modri vodik je iz zemeljskega plina, pri čemer se stranski proizvod CO2 zajame in shrani.

Zeleni vodik je iz obnovljivih virov energije in je nekako najbolj zaželen, če se želimo izogniti hujšim posledicam toplogrednega efekta.

Roza ali rdeči vodik, ki se ga proizvaja s pomočjo jedrske energije, kjer se koristno uporablja tudi toploto jedrske reakcije.

Rjavi vodik, ki se pridobiva iz biomase.

Rumeni vodik, ki se ga proizvaja iz mešanice elektike, ki je na omrežju.

Beli vodik je vodik, ki se že v naravi pojavlja kot vodik in je edini izvor vodika, za katerega lahko rečemo, da je vir energije. Do nedavnega nismo vedeli, da se vodik pojavlja tudi elementarno v naravi v večjih količinah. V Franciji so v stari vrtini našli presenetljivo visoke koncentracije vodika.

Povezave: