Usled efekta “staklene bašte”, i smanjivanja emisije CO2, od 90-tih godina XX veka, počelo se ozbiljnije razmišljati o zameni fosilnih goriva. Cilj, koji je tada postavljen, je da se emisija CO2 do 2030. godine smanji za 60% u odnosu na 1990. godinu, a da do kraja 2050. godine, emisija CO2 u atmosferu bude 0% (tzv. “zero” emisija).
Smanjenje emisije CO2 moguće je ostvariti putem:
1. Smanjivanja potrošnje goriva SUS motora koji su ugrađeni u putnička i komercijalna vozila;
2. Upotrebom TNG i CNG za pogon već postojećih SUS motora;
3. Uvođenjem vozila na hibridni i električni pogon;
4. Zamenom fosilnih goriva (čvrsta i tečna goriva) sa obnovljim izvorima energije (energija vetra ili sunca) pri proizvodnji električne energije;
5. Upotrebom vodonika kao pogonskog obnovljivog goriva za primenu u industriji, za pogon putničkih i komercijalnih vozila i dr.
Zašto primena vodonika ?
Dva hemijska elementa u prirodi gore. To su ugljenik i vodonik. Ugljenik, prilikom sagorevanja, obrazuje ugljen dioksid (CO2), dok vodonik (H2) obrazuje vodu.
Dakle, vodonik je ekološki prihvatljiv. Ali, kako proizvesti i skladištiti slobodan vodonik? Vodonik se u prirodi, u 95%, nalazi u jedinjenjima. Stoga, potrebna su nam tehnička i tehnološka rešenja kako bi se ovi problemi rešili.
Ideja o primeni vodonika kao pogonskog goriva pojavila se pre više od 50 godina, kada su i napravljeni prototipovi motora za vozila (slika 1). Zbog povoljne cene nafte i naftinih derivata, kao i usled tehničkih i tehnoloških prepreka, primena vodonika nije našla primenu u praksi, te sve ostalo na pokušaju. Međutim, vodonik kao pogonsko gorivo, našao je primenu u kosmičkim programima Apolo, Skylab, Viking i dr.
Proizvodnja i skladištenje vodonika
Vodonik se, najčešće, proizvodi putem elektrolize morske vode. Postoje i drugi načini za proizvodnju kao što je redukcija vodene pare sa ugljenikom ili gvožđem, ali ovi načini nisu našli široku primenu.
Dobijeni vodonik u gasovitom stanju, se komprimuje na vrlo visokom pritisku (200-500 bara) i tako skladišti u čelične boce.
Za skladištenje vodonika u tečnom stanju, potrebno ga je čuvati na kriogenim temperaturama (blizu apsolutne nule), jer na temperaturi od -253C (oko 20K) vodonik počinje da ključa.
Primena vodonika za pogon motornih vozila
1. Vodonik kao pogonsko gorivo u SUS motorima
Vodonik se može koristiti kao pogonsko gorivo jer je sa ekološke strane prihvatljiviji od fosilnih goriva. Pri njegovom sagorevanju obrazuje se vodena para i delom azotni oksidi (NOx). Poseduje veću energetsku vrednost, tako da je 1 kg vodonika ekvivalentan sa 2,8 kg benzina. Za paljenje vodonika potrebna je manja toplota nego za paljenje tečnih fosilnih goriva, pa se i njegovo sagorevanje odvija na nižim temperaturama, što doprinosi manjoj produkciji NOx. Takođe, brzina širenja plamena je veća nego što je to slučaj kod tečnih fosilnih goriva.
No, pored svojih dobrih strana, vodonik ima i svojih loših strana. Sklonost vodonika ka nekontrolisanom samoupaljenju je veća nego što je to slučaj sa benzinom i dizel gorivom. Vodonik, koji se koristi kao gorivo, nalazi se u gasovitom stanju, komprimovan pod visokim pritiskom u, za to, posebno izrađenim čeličnim rezervoarima. Sve navedeno uzrokuje da se SUS motori pogonjeni vodonikom konstrukciono razlikuju od motora pogonjenih drugim tečnim fosilnim gorivima.
Uzrok pojave nekontrolisanog samoupaljenja vodonika u komori za sagorevanje je pojava čestiča čađi koje su nastale pri prodoru i sagorevanju motornog ulja. Takođe, samoupaljenju uzrok može biti i visoka temperatura izduvnog ventila. Iz tih razloga, ventili kod ovih motora su robusniji, a ugrađuju se 4 ventila po cilindru. Hlađenje motora mora biti intenzivnije u odnosu na standardne motore. Na kolenastom vratilu motora je ugrađen dodatni ventil, čime se sprečava da u slučaju prodora vodonika u kolenasto vratilo, dođe do paljenja dospelog vodonika unutar vratila. Zaptivanje između klipa i cilindra mora biti znatno kvalitetnije nego kod standardnih SUS motora (izuzetno kvalitetni klipni prstenovi). Klipnjače motora moraju biti ojačane, a injektori za ubrizgavanje moraju se prilagoditi ubrizgavanju vodonika u gasovitom stanju. U praksi se pokazalo da je direktno ubrizgavanje pouzdanije od klasičnog karburatorskog sistema. Svećice za paljenje smeše moraju biti znatno kvalitetnije nego što je kvalitet standardnih svećica. Zbog eliminacije nekontrolisanog samoupaljenja u praksi se upotrebljava i sistem sa 2 svećice po cilindru (slika 2).
EGR sistem recirkuliše deo izduvnih gasova nazad u usisni kolektor. Uvođenje izduvnih gasova pomaže u smanjenju temperature žarišta, smanjujući mogućnost predpaljenja. Dodatno, recirkulišući izduvni gasovi smanjuju maksimalnu temperaturu sagorevanja, što smanjuje emisiju NOx. S druge strane, izlazna snaga motora se smanjuje kada se koristi EGR. Prisustvo izduvnih gasova smanjuje količinu smeše goriva koja se može uvući u komoru za sagorevanje.
Druga tehnika za termičko razblaživanje smeše goriva je ubrizgavanje vode. Ubrizgavanje vode u struju vodonika pre mešanja sa vazduhom dalo je bolje rezultate od ubrizgavanja u smešu vodonik-vazduh unutar usisnog razvodnika. Potencijalni problem ove vrste sistema je taj što se voda može pomešati sa uljem, pa se mora voditi računa da zaptivke budu visokog kvaliteta.
Motorno ulje koje se koristi za podmazivanje ovih motora mora sadržavati izuzetno nizak sadržaj sulfatnog pepela kao i visoku otportnost na visoke temperature. Sve ovo poskupljuje motor za oko 50% u odnosu na klasične motore.
2. Vodonik u kombinaciji sa drugim gorivima za pogon SUS motora
Vodonik se može korisno koristiti u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem kao dodatak ugljovodoničnom gorivu.
U tu svrhu se vodonik najčešće meša sa prirodnim gasom visokog pritiska (CNG), jer se oba gasa mogu skladištiti u istom rezervoaru. Ako se vodonik meša sa drugim gorivima, obično se mora skladištiti odvojeno i mešati u gasovitom stanju neposredno pre paljenja. Generalno, nepraktično je koristiti vodonik u kombinaciji sa drugim gorivima koja takođe zahtevaju glomazne sisteme za skladištenje, kao što je TNG.
Gasoviti vodonik se ne može skladištiti u istom rezervoaru kao tečno gorivo. Niska gustina vodonika će dovesti do toga da ostane na vrhu tečnosti i da se ne meša. Takođe, tečni vodonik se ne može skladištiti u istom rezervoaru kao i druga goriva. Niska tačka ključanja vodonika dovešće do zamrzavanja drugih goriva.
Vodonik se može koristiti zajedno sa kompaktnim tečnim gorivima kao što su benzin, alkohol ili dizel, pod uslovom da se goriva nalaze u odvojenim rezervoarima. U ovim primenama, rezervoari za gorivo se mogu oblikovati tako da se uklope u neiskorišćene prostore na vozilu. Postojeća vozila ove vrste obično rade sa jednim ili drugim gorivom, ali ne oba istovremeno. Jedna od prednosti ove primene je što vozilo može da nastavi da radi i ako vodonik nije dostupan.
Vodonik se ne može koristiti direktno u dizel motoru, jer je temperatura samozapaljenja vodonika previsoka (to se odnosi i na CNG). Dakle, dizel motori moraju biti opremljeni svećicama ili koristiti malu količinu dizel goriva za paljenje vodonika, tzv.“pilot paljenje” (slika 3).
Jedna komercijalno dostupna smeša gasa poznata kao Hythane sadrži 20% vodonika i 80% CNG. U ovom odnosu H2 : CNG, nisu potrebne modifikacije motora na CNG, a studije su pokazale da su emisije smanjene za više od 20%. Smeše sa više od 20% vodonika sa prirodnim gasom mogu dodatno smanjiti emisiju, ali su potrebne neke modifikacije motora.
3. Primena vodonika u gorivnim ćelijama (eng. fuel cell)
Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku energiju koja je sadržana u vodoniku direktno u električnu energiju,izbegavajući međukorak u kome se energija goriva najpre pretvara u toplotu, koja se zatim koristi za stvaranje mehaničkog kretanja i konačno električne snage. Pri direktnom pretvaranju energije vodonika u električnu energiju efikasnost iznosi i do 65%, što daje gorivnim ćelijama mogućnost da budu dva puta efikasnije od SUS motora.
Gorivna ćelija (slika 4) deluje slično električnoj bateriji, pretvarajući hemijsku energiju u električnu energiju koristeći kretanje naelektrisanih jona vodonika kroz elektrolitsku membranu da bi stvorila struju. Tamo se rekombinuju sa kiseonikom da bi proizveli vodu - jedinu emisiju gorivih ćelija, zajedno sa vrućim vazduhom.
Gorivne ćelije su pronađene još u prvoj plovini XIX veka. Tek sa razvojem svemirskog programa, tokom 60-tih godina XX veka, našle su svoju praktičnu primenu.
U današnje vreme, gorivne ćelije su našle primenu u EV vozilima. Jedini ograničavajući faktor je cena gorivnih ćelija, jer se elektrode izrađuju od plemenitih metala (platina, panadijum i dr.). Elektrode provode elektrone, pa se izrađuju iz metala ili materijala s poluvodičkim svojstvima. Površina elektrode mora ubrzati elektrohemijsku reakciju adsorbovanjem i disociranjem reagenasa, te brzim desorbovanjem proizvoda reakcije. Od elektrode se traže dobra mehanička svojstva, tako da se mogu izraditi u željenom obliku, s visokom specifičnom površinom i određenom veličinom pora. Elektrode se ne smeju koroditirati u elektrolitu gorivne ćelije, ali su štetni i zaštitni oksidni slojevi, koji pružaju otpor prolazu elektrona.
Iz svega navedenog, zaključujemo sledeće:
1. Vodonik, kao pogonsko gorivo, je ekološki prihvatljivije od fosilnih goriva;
2. Energetska vrednost 1 kg vodonika je 2,8 puta veća od energetske vrednosti iste količine benzina;
3. Vodonik u gasovitom obliku je daleko više zastupljen od vodonika u tečnom obliku. Najveću primenu vodonik je našao u procesnoj tehnici, dok su u mobilnoj tehnici napravljeni tek početni koraci;
4. SUS motori, namenjenih za pogon na vodonik, zbog neophodnih tehničkih izmena, su za 50% skuplji od standardnih SUS motora na fosilna goriva;
5. Za proizvodnju električne struje u EV vozilima, gorivne ćelije su pravo rešenje, ali zbog korišćenja plemenitih i retkih metala u proizvodnji istih, njihova cena je još visoka;
6. Proizvodnja čistog vodonika kao pogonskog goriva, je danas neisplativa u odnosu na proizvodnju fosilnih goriva. Sa današnjom tehnologijom cena 1 kg vodonika je 8 puta skuplja od proizvodnje iste količine fosilnog goriva.
Autor:
sci. dipl. ing. Aleksandar Kekić,
Inženjer razvoja, primene i tehničke podrške, ADECO
