Na korak smo od budućnosti koju je predvidio Jules Verne. O vodiku govore naša dva najveća stručnjaka

Godina je 1874. i Jules Verne ima viziju o budućnosti u kojoj će primarno gorivo biti voda. Vjerovao je da će vodik i kisik iz vode, korišteni pojedinačno ili zajedno, postati neiscrpan izvor topline i svjetlosti. Tad je to bila fikcija zapisana u romanu Misteriozni otok, a danas, 147 godina poslije, strategije za tranziciju na vodik dio su globalnih politika.

“O vodiku kao gorivu budućnosti pisao je još Jules Verne, a ja o njemu govorim posljednjih 30 godina. Ma zapravo, ne da samo govorim nego i radim na tome. Ako je vodik kao gorivo nekada i bio znanstvena fantastika, on sada postaje realnost. Mislim da više nema sumnje da će vodik biti gorivo budućnosti, ali moramo biti realni u očekivanjima – za što sve ćemo koristiti to gorivo i zašto?”, pita se profesor emeritus dr. sc. Frano Barbir sa splitskog Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje. Profesor Barbir je naš najvažniji stručnjak kad je u pitanju vodik.

Na temu vodika je doktorirao, objavio je više od 300 radova te knjigu koja je prevedena na nekoliko svjetskih jezika, uključujući kineski i perzijski. U Splitu sudjeluje u projektu u sklopu kojeg se u pogon planira pustiti prvi hibridni katamaran na vodik i baterije. O tome može li vodik postati gorivo budućnosti razgovarali smo s njim te s profesorom dr. sc. Nevenom Duićem sa zagrebačkog Fakulteta strojarstva i brodogradnje. I Barbir i Duić su inače među najcitiranijim znanstvenicima u svijetu.

Odgovor na globalno zatopljenje

Razlozi prelaska na vodik prije svega su ekološki, s obzirom na to da nam je ostalo oko šest godina prije nego globalna temperatura poraste za 1.5°C u odnosu na predindustrijsko doba, što bi moglo imati kobne posljedice za civilizaciju. UN je još 2019. godine objavio izvješće na više od 1500 stranica, temeljeno na 15.000 znanstvenih radova, koje pokazuje da je civilizacija na putu prema izumiranju.

Vodik bi mogao biti dio ekološkog rješenja, a profesor Barbir ističe kako to više nije stvar budućnosti. “Vodik već sad ima podršku najviših političkih krugova, pogotovo u EU, počevši od predsjednice Europske komisije Ursule van der Leyen pa preko Fransa Timmermansa, izvršnog dopredsjednika odgovornog za Europski zeleni plan i klimatske akcije, do Kadri Simson, EU povjerenice za energiju te Mariye Gabriel, EU povjerenice za inovacije i istraživanja. Vodik se već sad nalazi u svim EU planovima za dekarbonizaciju energetske opskrbe”, govori.

Profesor Duić nam pak objašnjava da će do 2030. godine glavni pravac razvoja biti primjena u industriji te elektrolizatori, pri čemu će EU financirati 40 gigavata, što bi trebalo dovesti do pada njihove cijene na trećinu. Osim toga, oko 2050. godine, u potpuno dekarboniziranom sustavu, vodik će koristiti do pola primarne energije. No da bismo došli do toga, najprije moramo postići da zeleni vodik postane povoljniji od sivog, koji se danas uglavnom koristi u industrijskim procesima i negativno doprinosi klimatskim promjenama.

Cilj je zeleni vodik umjesto sivog

“Sivi vodik se koristi u industrijskim procesima, poput rafiniranja nafte i proizvodnje umjetnih gnojiva, a najčešće, u 96 posto slučajeva, proizvodi se reformiranjem iz prirodnog plina, dok se samo manji dio proizvodi iz električne energije, oko četiri posto. Sivi vodik ima oko 50 posto veće emisije nego prirodni plin”, objašnjava profesor Duić i dodaje:

“Kad se vodik proizvodi iz obnovljive električne energije onda ga nazivamo zelenim. Trenutno je samo pola električne energije niskougljično, to su obnovljivi izvori i nuklearna energija, pa je i takav električni vodik zaparavo samo poluzelen, a ponekad se zove i žuti. Njega se može ozeleniti tako da se kupuje samo zelena električna energija.”

U slučaju da se pri proizvodnji sivog vodika hvata CO2 i pohranjuje u trajna podzemna skladišta, onda govorimo o plavom vodiku, koji je prema nekim znanstvenicima potencijalno gori od prirodnog plina, ali to ovisi o fugitivnim emisijama metana pri proizvodnji plina te efikasnosti skladištenja CO2. Međutim, EU je u novoj taksonomiji zauzela stav da vodik nema boje nego samo ugljični otisak, koji ne smije biti veći od 3 kilograma CO2 po kilogramu vodika da bi bio čisti i održiv. Za usporedbu, sivi vodik je oko 9 kg CO2/kg H2.

Gdje će se vodik koristiti?

“Teoretski, vodik možemo koristiti kao gorivo za bilo koju primjenu umjesto bilo kojeg goriva koje koristimo danas, ali pitanje je gdje to ima najviše smisla i gdje će biti ekonomski opravdano. Ako ćemo vodik proizvoditi iz električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije, onda taj vodik ne može biti konkurentan toj električnoj energiji, odnosno bolje je električnu energiju koristiti direktno nego je pretvarati u vodik”, započinje profesor Barbir i dodaje:

“Vodik ćemo, dakle, koristiti tamo gdje se dekarbonizacija ne može postići električnom energijom i tamo gdje bi korištenje vodika bilo bolje, zgodnije, efikasnije i na koncu jeftinije. Najznačajnija uloga vodika je ta što bi omogućio veću ili čak potpunu penetraciju obnovljivih izvora energije, jer bi se neminovni viškovi električne energije u periodima kad proizvodnja iz sunca i vjetra premašuje potrošnju, mogli koristiti za proizvodnju vodika.”

Tako proizvedeni vodik mogao bi se koristiti za različite primjene ili pohraniti za kasniju uporabu. Električna energija se može pohraniti i u baterijama, no one su dobre za relativno male količine energije i za kratko vrijeme. Za pohranu velikih količina energije te na duži period pogodan je vodik.

Profesor Barbir nadodaje da bi vodik eventualno mogao potpuno zamijeniti prirodni plin ili bi se iz vodika mogao proizvoditi plin sintetski metan (prirodni plin je zapravo metan). Iz vodika se također mogu proizvoditi i druga takozvana e-goriva, primjerice sintetski kerozin (za zrakoplove) ili amonijak (za prekooceanske brodove).

“Korištenje vodika sa ili umjesto prirodnog plina za grijanje prostora i zgrada ili za kuhanje bi se teško moglo opravdati, ako za te potrebe možemo elegantno koristiti električnu energiju, bilo direktno ili pomoću dizalica topline. Ipak, ima jedna tehnologija koja bi se mogla opravdati i koja bi mogla biti konkurentna, a to su vodikovi gorivni članci za kogeneraciju, dakle za istovremenu proizvodnju i električne energije i topline”, govori.

Profesor Duić predviđa da će čeličane i željezare prve krenuti u korištenje vodika jer su jedan od većih emitera ugljičnog dioksida te ih sustav trgovanja emisijama tjera prema dekarbonizaciji. Iako željezare trenutno dobivaju većinu CO2 certifikata besplatno, u njihovom je poslovnom interesu izbjeći emisije, zaraditi na njihovoj prodaji te se pripremiti za razdoblje kad će se emisije morati plaćati.

Da bi se europske željezare zaštitile od konkurencije koja ne mora plaćati CO2 emisije, EU uvodi mehanizam za graničnu prilagodbu emisija ugljika, tzv. CBAM (Carbon border adjustment mechanism). On bi trebao spriječiti seobu emisija u zemlje u razvoju te potaknuti uvođenje naplate emisija CO2. “Za očekivati je da će i ostala industrija s procesima koji se ne mogu elektrificirati krenuti u pravcu zamjene fosilnih goriva zelenim vodikom. Primjerice, crna i obojena metalurgija, proizvodnja umjetnih gnojiva, proizvodnja cementa, vapna, opeke i građevinskog materijala, rafinerije i slično”, govori profesor Duić.

Avioni, brodovi i tegljači na vodik

Zanimalo nas je i što je s automobilskom industrijom i možemo li očekivati automobile na vodik. I Duić i Barbir su složni oko toga da je izgledniji kod težih vozila, poput tegljača, brodova pa i aviona, nego kod osobnih automobila. Razloga za to je nekoliko. Profesor Duić objašnjava da prodaja električnih automobila rapidno raste i kreće se u milijunima godišnje, a proizvodnja automobila na vodik stagnira na stotinama.

“Treba uzeti u obzir da je kod dugolinijskog transporta vodik u kompeticiji s drugim čistim alternativama, poput elektrifikacije magistralnih cesta, elektrogoriva proizvedenih iz vodika, poput amonijaka, metana, metanola, dimetiletera, ukapljenog metana i slično, biogoriva iz otpada, ili bioelektrogoriva dobivenih u biorafinerijama budućnosti. Odluka o tome koje gorivo će za koji vid transporta pobijediti nije još donesena, a donijet će je politika u dogovoru s kompanijama, koje će ta goriva koristiti. Hoće li to biti vodik ili će on biti samo baza za proizvodnju elektrogoriva, doznat ćemo do 2030. godine”, govori Duić.

Profesor Barbir ističe da su prednosti vodika njegova težina jer je dva do tri puta lakši od baterija te trajnost jer se može napuniti u svega nekoliko minuta. “Zbog toga bi vodik mogao konkurirati za pogon težih vozila gdje treba pohraniti veće količine energije. Na primjer, vlak između dva najveća hrvatska grada, Splita i Zagreba, bi mogao ići na vodik jer ta linija ispunjava sve uvjete za konkurentnost vlakova na vodik. To znači da nije elektrificirana, dulja je od 200 km i ima malu frekvenciju od dva do tri vlaka na dan. Naravno, prije toga bi tu prugu trebalo modernizirati i tako omogućiti veće brzine”, govori profesor Barbir.

Split će imati katamaran na vodik

“Projekt katamarana na vodik priprema tvrtka Catamaran Line, koja brodom Komiza drži sezonsku liniju povezujući splitsku zračnu luku i splitsku gradsku brodsku luku. Ideja je da se katamaran preradi tako da se iz njega izbaci dizel motor i ugradi električni motor koji bi pogonili vodikovi gorivni članci i baterije. Dakle, to bi bio hibridni pogon. Vodik bi bio spremljen u posudama pod tlakom od 350 bara. Gorivni članci bi radili cijelo vrijeme, ali njihova snaga ne bi bila dovoljna za rad elektromotora pri punoj brzini pa bi se ostatak snage vukao iz baterija”, objašnjava profesor Barbir i nastavlja:

“Ali zato dok elektromotor ne bi radio punom snagom, prilikom manevra pri ulasku i izlasku iz luke, ili dok ne bi radio uopće, prilikom iskrcaja i ukrcaja putnika, gorivni članci bi nadopunjivali baterije. Na taj način brod bi mogao napraviti šest vožnji dnevno bez potrebe za punjenjem baterija. Ovakav hibridni pogon se pokazao optimalan jer ako bi išli samo na baterije one bi bile preteške i ne bismo mogli postići potrebnu brzinu, a ako bismo išli samo na vodik i gorivne članke, spremnici vodika bi bili preveliki i ne bi mogli stati na raspoloživi prostor na palubi broda.”

U projektu inače uz Catamaran Line sudjeluje Fakultet elektrotehnike strojarstva i brodogradnje u Splitu na kojemu je profesor Barbir zaposlen kao voditelj projektne aktivnosti Istraživanje i razvoj gorivnih članaka i elektrolizatora na projektu STIM-REI. Projekt katamarana na vodik trenutno je u fazi prikupljanja i evaluacije ponuda za opremu, a procjenjuje se da će za to biti potrebno nekoliko milijuna eura. Kad se osigura financiranje projekta, katamaran bi mogao zaploviti za 18 mjeseci.

Postoje izazovi pri tranziciji

“Kako postepeno prelazimo na integriranu energetiku temeljenu na varijabilnim obnovljivim izvorima, u dijelovima dana kad vjetar puše ili sunce sija, imat ćemo viškove električne energije koju možemo iskoristiti za proizvodnju zelenog vodika. Zeleni je vodik još uvijek tri puta skuplji od sivog pa je težište europske strategije za vodik do 2030. investiranje u elektrolizatore, koji mogu iz viškova obnovljive električne energije proizvoditi vodik, da bi se trošak takvog obnovljivog vodika doveo na razinu sivog”, objašnjava profesor Duić.

Vodik je inače kao i svako drugo gorivo zapaljiv u zraku, i to u koncentracijama između 4 i 75 posto, a eksplozivan u koncentracijama između 18,3 i 59 posto, no profesor Barbir napominje da u primjeni zapravo nije opasniji od drugih goriva, što je dosadašnja praksa i pokazala. Profesor Duić dodaje da su inženjeri već pronašli rješenje za potencijalne rizike pa su nesreće u industriji relativno rijetke. Uz financijske izazove proizvodnje, veći je problem prilagodba prometne infrastrukture i potencijalni sigurnosni rizik kod dugolinijskih plovidbi.

“Molekula vodika je malena pa on lako iscuri. Uz to je i vrlo lagan, zapravo je i najlakši element, pa se skuplja pod stropom. Zbog svega toga, prostorije gdje se koristi vodik trebaju imati odzračnike na stropu. Generalno se vodik često koristi u industriji gdje su nesreće relativno rijetke. Ako se sjetimo gradskog plina, on je bio mješavina vodika i ugljičnog monoksida. Međutim, prilagodba garaža, tunela i druge natkrivene prometne infrastrukture odzračnicima na stropu upućuje na teškoće tranzicije”, objašnjava profesor Duić i dodaje:

“Vodik kao gorivo za transport će značiti gradnju infrastrukture za njegovo punjenje. To nije nepremostiva prepreka, ali zahtjeva rješenje problema “kokoš ili jaje”. Naime, neće se krenuti u gradnju guste mreže punionica dok proizvođači tegljača ne izađu s kamionima na novi pogon, a kompanije za transport ne odluče prijeći na vodik. Kako su moguće alternative, elektrifikacija magistralnih cesta, ili korištenje elektrogoriva, svi čekaju da netko drugi donese odluku.

Također, sjetimo se nedavne blokade Sueskog kanala kad je prekooceanski brod Ever Given samo zapeo i zaustavio gotovo kompletnu svjetsku trgovinu na tjedan dana. Brodovi pogonjeni vodikom lakša su meta za terorističke napade zbog čega je neophodno pažljivo planiranje te sigurna rješenja”, zaključuje.

Kutina i Rijeka koriste najviše vodika

EU strategija predviđa komercijalnu primjenu vodika u razdoblju nakon 2030. godine, kad se očekuje pad troškova tehnologije proizvodnje vodika i pojava viškova električne energije koji će se moći iskoristiti za projekte vodika. Kako ističu u Sektoru za strategiju i razvoj, HEP planira pripremiti realizaciju pojedinih projekata na vodik, ovisno o lokacijama, poticajima te zakonodavnim i drugim specifičnostima koji utječu na njihovu izvodljivost. Razvoj konkretnih projekata uskladit će se s nacionalnom strategijom za vodik za razdoblje od 2021. do 2050., koja je u izradi.

“Ja bih bio presretan kad bismo do 2030. u Hrvatskoj proizvodili vodik, naravno iz obnovljivih izvora energije, te kad bismo imali nekoliko punionica, a na cestama automobile, autobuse i kamione na vodik. Uostalom, hrvatska strategija za vodik, na kojoj trenutno radimo, upravo to i planira. U Hrvatskoj se najdalje došlo u planiranju projekta autobusa na vodik za grad Zagreb s pripadajućom infrastrukturom proizvodnje i dostave vodika”, govori profesor Barbir.

Uz pomoć PDA (Project Development Assistance) programa Zajedničkog poduzeća za gorivne članke i vodik (Fuel Cells & Hydrogen Joint Undertaking) iz Brisela, razvijen je poslovni model i projekt je pripremljen za prijavu za financiranje iz EU fondova.

Profesor Duić dodaje da bi u Hrvatskoj u ovom trenutku bilo optimalno staviti težište na dva postrojenja koja koriste najveći dio vodika danas. To su rafineriju u Rijeci i tvornica umjetnih gnojiva u Kutini. Rafinerija već istražuje mogućnosti proizvodnje zelenog vodika. Također bi trebalo postaviti minimalnu transportnu infrastrukturu, otprilike pet do šest punionica na magistralnim putevima. Vodikova strategija u pripremi će to vjerojatno predložiti, smatra.

Budućnost je uzbudljiva

Kao trenutno najznačajniji projekt u Europi profesor Barbir izdvaja Hydrogen Energy Application in Valley Environment for Northern Netherlands (HEAVENN). Projekt je dobio gotovo 90 milijuna eura potpore za uspostavu kompletnog lanca proizvodnje vodika iz obnovljivih izvora energije, poput sunca i vjetra, na kopnu te na moru, skladištenja vodika, dostave i korištenja vodika u čak 11 primjena u industriji te u transportu širom sjeverne Nizozemske.

Projekti zasnovani na ovom konceptu vodikova dolina (Hydrogen Valley) su ključni sa početak masovne primjene vodika i nekoliko sličnih projekata se planira i razvija u Europi i u svijetu. Postoje naznake da bi se i Hrvatska u suradnji s Italijom i Slovenijom mogla kandidirati za jedan od slijedećih hydrogen valley projekata. Profesor Duić izdvaja i primjer švedske čeličane Hofros, koja je u suradnji s proizvođačem vodika Linde Gas pokazala da korištenje vodika umjesto plina ne utječe na kvalitetu čelika.

“Dakle, kad cijena CO2 poraste dovoljno da prijelaz na vodik bude isplativ, crna će metalurgija preći na zeleni vodik. Toyota prodaje automobil na vodik Mirai, koji se može voziti po Zapadnoj Europi. Nažalost, nama najbliža točka za punjenje vodikom automobila je u Grazu. Punionica vodika na zagrebačkom Fakultetu strojarstva i brodogradnje može puniti samo na nižim tlakovima, pa je dobar samo za bicikle”, zaključuje profesor Duić, a profesor Barbir dodaje da će biti zanimljivo vidjeti tko će u Hrvatskoj energetsku tranziciju na vodik vidjeti kao priliku, a tko kao prijetnju.

Sadržaj nastao u suradnji s HEP-om.