Vodikova ekonomija - Oslobađanje elementa H nikako da preraste u ozbiljan biznis

Navršit će se dogodine pola stoljeća otkako je južnoafrički elektrokemičar John Bockris, zaposlen u to doba kao profesor Sveučilišta Pennsylvania u američkoj Philadelphiji, kovanicom vodikova ekonomija opisao sav potencijal energetske primjene vodika. Unatoč sve raširenijoj primjeni tog prvog i najlakšega kemijskog elementa u tabličnom periodnom sustavu, pravog razloga za obljetničarsko slavlje, međutim, još uvijek nema na vidiku.

Premda su od te Bockrisove kovanice i kontroverznih mu i nikad dokazanih pronalazaka prvih metoda za oslobađanje vodika iz vode kilolitri vodene mase elektrolizom razdvojeni na elementarne čestice, a čak i industrijska proizvodnja vodika postala razmjerno jednostavna, svijet je još daleko od vodikove ekonomije koju je u 'Tajanstvenom otoku' davne 1875. godine naslutio slavni Jules Verne. No približava joj se ubrzanim korakom, a mnogi dekarbonizacijski procesi upućuju na to da bi upravo taj plin bez boje, mirisa i okusa, najprisutniji od svih u čitavom svemiru, već za koju godinu mogao postati ključan element u tranziciji prema svijetu bez fosilnih goriva. Mnoga istraživanja, ali i konkretne primjene već desetljećima ukazuju na potencijalnu iskoristivost vodika kao osnovnog energenta bliske budućnosti, a recentniji procesi upućuju na to da bi na scenu u velikom stilu mogao stupiti kao element koji će omogućiti prevladavanje najvećeg izazova – skladištenja energije iz obnovljivih izvora.

Povijesna uloga

Da bi vodiku doista pripala ta povijesna uloga svojevrsnog medija u izazovima pohrane, proizvodnja elektrokemijskim razlaganjem vode odnosno pretvaranje električne energije dobivene od sunca ili vjetra u kemijsku energiju vodika koja se pohranjuje u spremnike i prema potrebi upotrebljava za ponovno stvaranje struje, tek treba postati komercijalno isplativija. Na pronalasku različitih novih načina i unaprjeđenju postojećih ekološki prihvatljivih metoda proizvodnje vodika neumorno stoga rade znanstvenici diljem svijeta, a sa svakim novim njihovim otkrićem korak smo bliže ekonomiji vodika i svijetu s niskom emisijom ugljika.

Velike i znanstveno relevantne korake za poboljšanje poznatih metoda proizvodnje vodika kao obnovljivog izvora energije poduzimaju i domaći znanstvenici. Tim znanstvenika iz Grupe za računalne bioznanosti iz Instituta 'Ruđer Bošković' (IRB) u suradnji s njemačkim kolegama sa Sveučilišta Friedrich-Alexandera Erlangena iz njemačkog Nürnberga razjasnio je, primjerice, industrijski najiskoristiviji mehanizam proizvodnje vodika. Njihove spoznaje o procesu proizvodnje vodika u reakciji izmjene vodenog plina (WGSR) uz pomoć katalizatora zasnovanog na ruteniju objavljene su početkom ove godine u međunarodnom izdanju utjecajnog njemačkog znanstvenog časopisa Angewandte Chemie.

Poboljšanje reaktora

Razjasnili su ruđerovci kemijske pretvorbe koje se odvijaju prilikom te jedne od tehnološki najvažnijih reakcija kojom se dobiva vodik visoke čistoće, a koja se u klasičnim primjenama uglavnom odvija na visokim temperaturama i uz relativno malu iskoristivost.

– Reakcija se temelji na pretvorbi vode i ugljikova monoksida u vodik i ugljikov dioksid, uz pomoć katalizatora zasnovanog na ruteniju koji pokazuje izvrsne rezultate na niskim temperaturama. Nova saznanja o procesima na kojima se temelji ova, za sada najperspektivnija primjena WGSR-a omogućuje povećanje učinkovitosti i funkcionalnosti modernih reaktora za pročišćavanje i proizvodnju vodika – objašnjava postignuće svog tima Robert Stepić s IRB-a, prvi autor objavljenog rada.

Dvije godine ranije, znanstvenici IRB-ovih Laboratorija za kemiju čvrstog stanja i kompleksnih spojeva te Laboratorija za zelenu sintezu, u suradnji s istraživačima srpskog Instituta za nuklearne nauke Vinča i švicarskog federalnog instituta EMPA, razvili su, pak, metodu praćenja sinteze materijala za pohranu vodika. Voditelj istraživanja Nikola Biliškov objašnjava da je riječ o metodi koja omogućuje brže i efikasnije priređivanje materijala za kemijsku pohranu vodika te da je pritom detaljno karakteriziran novi materijal za pohranu. Taj novi materijal naziva se amonijev boran, a isti je znanstvenik još 2016. godine u znanstvenom radu detaljno opisao tehnološki važan proces termičkog raspada tog spoja i kao najvažniji rezultat istraživanja naveo izostanak emisija borovih spojeva koji onečišćuju vodik.

Održiva tehnologija

Novi materijal nanodimenzija, katalizator za učinkovito iskorištavanje solarne energije u svrhu pročišćavanja vode i proizvodnje vodika, razvijaju već dvije godine na zagrebačkom Fakultetu kemijskog inženjerstva i tehnologije. Projekt naziva 'Nanokatalizatori aktivirani Sunčevim zračenjem u tehnologijama zaštite okoliša' rezultate bi trebao pokazati najkasnije 2022. godine za kada je predviđen njegov završetak. Voditelj projekta Hrvoje Kušić u ovoj ranoj fazi radije ne bi javno govorio, a ono što se za sada zna jest to da istraživanje počiva na inovativnoj ideji dobivanja energije za vrijeme pročišćavanja vode i da je hipoteza utemeljena na činjenici da se i tijekom fotokatalitičkog pročišćavanja vode te fotoelektrokemijskog cijepanja vode u svrhu proizvodnje vodika upotrebljava isti osnovni mehanizam. Zna se i da tehnologije proizvodnje energije i čiste vode nisu za sada odgovarajuće integrirane i da bi rezultati istraživanja mogli utrti put primjeni nove, čiste i održive tehnologije.

Materijali za katalizatore

Pronalasku što povoljnijih i učinkovitijih materijala za proizvodnju vodika kojima bi se zamijenili tradicionalni skupi katalizatori poput iridijeva oksida, rutenijeva oksida i platine posvećeni su znanstvenici diljem svijeta. Jedan od njih je i Anthony O'Mullane s australskog Tehničkog sveučilišta u Queenslandu, koji je potkraj 2018. godine objavio otkriće da kobalt i niklov oksid u kombinaciji s nanočesticama zlata mogu stvoriti znatno jeftiniji, a stabilan i učinkovit katalizator za korištenje tijekom elektrolize vode i proizvodnje vodika. Iznimno učinkovit nanomaterijal koji služi kao katalizator u procesu izdvajanja vodika iz vode stvorili su i znanstvenici sa američkog Sveučilišta u Indiani predvođeni Trevorom Douglasom. Taj katalizator ustvari je modificirani enzim nastao iz dva gena bakterije Escherichia coli zaštićen unutar proteinske ovojnice bakterijskog virusa.

– Kombinirali smo virus koji ima sposobnost stvaranja ogromne količine genskog materijala s osjetljivim enzimom koji ima izvanredno svojstvo stvaranja vodika. Tako smo dobili česticu s karakteristikama iznimno naprednoga katalizatora u proizvodnji vodika. Ovaj materijal usporediv je s platinom, uz iznimku kako je riječ o potpuno obnovljivom izvoru. Ne morate ga iskapati već možete proizvesti ogromnu količinu na sobnoj temperaturu pomoću fermentacijske tehnologije, a i biorazgradiv je – nahvalio je Douglas katalizatorska i druga svojstva stvorenog nanomaterijala.

Dekarbonizirani svijet

Pronalazak što jeftinijih i učinkovitijih katalizatora koji igraju ključnu ulogu u proizvodnji vodika i daljnje pojednostavnjivanje i pronalazak novih ekološki prihvatljivih metoda proizvodnje tog prvog i najlakšega kemijskog elementa u tabličnom periodnom sustavu trebao bi u nadolazećem razdoblju tehnologiju vodika učiniti komercijalno još isplativijom i raširenijom. Ta bi tehnologija vodika proizvedenog iz čiste ili pročišćene vode u godinama koje dolaze mogla od tog u svemiru najrasprostranjenijeg elementa stvoriti energent bez kojega neće biti moguće zamisliti energetsku budućnost i najvažniji element u izazovnom procesu skladištenja energije iz obnovljivih izvora.

Tehnologiji vodika sve važnija uloga u energetskoj budućnosti trebala bi pripasti zahvaljujući zahuktaloj borbi protiv klimatskih promjena odnosno globalnog zatopljenja i složenog nastojanja smanjenja emisije stakleničkih plinova od kojih na povećanje temperature najveći utjecaj ima već omraženi spoj ugljika. Tranzicija prema svijetu bez fosilnih goriva – ugljena, nafte i plina poznatih pod zajedničkim nazivom ugljikovodici mogla bi u ne tako dalekoj budućnosti razviti sav potencijal energetske primjene čistog vodika, plina bez boje, mirisa i okusa koji već naveliko oslobađamo iz obične vode. U tom zamišljenom dekarboniziranom svijetu moći ćemo tada govoriti i o vodikovoj ekonomiji, o kovanici elektrokemičara Johna Bockrisa kojoj bi dogodine, kada bi za to postojali opravdani razlozi, mogli proslaviti pedeseti rođendan. Sva je, međutim, prilika da put prema vodikovoj ekonomiji odnosno onoj s malo i nimalo ugljika neće biti tako jednostavan i da ćemo valjani razlog za proslavu mogli imati neke nadolazeće obljetnice.