Prihaja vodikovo gospodarstvo

Kdor ne razmišlja o prihodnosti, je ne more imeti.
                                                            Golsworthy  

Če ne vemo, kam jadramo, je vsak veter ugoden.
                                                                Seneka   

Pred leti je na seminarju o energetiki, ki smo ga organizirali v Velenju, prof. J. Flower z univerze v Leedsu svoje predavanje začel z naslednjim stavkom: »Od vseh fizikalnih veličin je energija najbolj zlorabljena s strani politike.« Kot primer je navedel cene energije, ki jih določa politika (to še zlasti velja za surovo nafto). Sprememba cene energije ima za verižno posledico spremembe cen vseh izdelkov in storitev.

Nadaljevanje članka je vidno samo naročnikom.

Kot fizik vem, da bi lahko za energijo rekli, da imamo dve novici: dobro in slabo. Dobra je, da se ohranja, kar pomeni, da je skupna količina energije v izoliranem sistemu konstantna in samo prehaja iz ene oblike v drugo (prvi zakon termodinamike). 

Slaba novica je, da vse energije ne moremo spremeniti v mehansko delo, ki ga potrebujemo v vsakdanjem življenju. To pa je drugi zakon termodinamike, ki uvaja pojem entropije. Ta, grobo rečeno, določa, koliko energije ne moremo izkoristiti.  

Ta dva zakona resnično bistveno določata način življenja, razvoj družbe, onesnaženost okolja in še kaj. 

Energetsko ozaveščanje družbe 

Energija ne določa samo cen izdelkov in storitev, temveč tudi obliko družbe. Industrijska družba se je lahko razvila samo na močnih centraliziranih energetskih virih. Ker prehajamo v »naslednjo družbo«, (termin P. Druckerja iz članka z istim naslovom v Economistu), je pričakovati, da se bo v tej tudi področje energetike bistveno spremenilo. 

Te spremembe so se začele že pred leti, verjetno dve desetletji za tem, ko so v ZDA nastali zametki informacijske družbe (družbe tretjega vala, kot jo imenuje A. Toffler). Razvoj informacijske družbe je bistveno pospešil uspeh Sovjetske zveze v vesoljskih raziskavah oziroma izstrelitev Sputnika 4. oktobra 1957. Reakcija ZDA je bila burna, nastala je NASA, spreminjali so se učni programi, razvijala se je mikroelektronika, veda o materialih in ne nazadnje internet, ki je nastal iz ARPANET-a (omrežja, ki je povezovalo znanstvenike v ameriškem vesoljskem programu).

16 let za Sputnikom, natančneje, 6. oktobra 1973, je mednarodni dogodek bistveno spremenil naš odnos do energije. Tedaj sta Egipt in Sirija napadli Izrael in dosegli prve zmage, ker je bila napadena država presenečena. Zanimivo je, da je v tem dogodku spet sodelovala Sovjetska zveza, ki je pomagala Egiptu in Siriji z vojaškimi svetovalci. V vojno so se vključile države proizvajalke nafte, ki so odločile, da ne bodo prodajale nafte državam, ki podpirajo Izrael. Cena nafte je takoj zrasla in Zahodna Evropa je zmrzovala. Na področju energije je nastalo stanje, po katerem nič več ne bo, kot je bilo.  

V tem času sem bil na specializaciji v Kijevu, in ko sem prišel na obisk v jugoslovanski konzulat, mi je konzul hudomušno rekel: »Stanko, ali veš, da bo kapitalizem preživel samo še tri mesece?« Zmedeno sem ga vprašal, kako to, in dobil odgovor: »Beri Pravdo, tam to piše.«  

Predvidevanje Pravde se na srečo ni uresničilo, dve desetletji pozneje je propadla Sovjetska zveza, a je prišlo do bistvenih sprememb na področju porabe energije. Zahodne države so se začele bolj kot kadarkoli prej zavedati pomena energije. Razviti so bili programi varčevanja z energijo (Velika Britanija je tako v večjih podjetjih uvedla managerje za energijo), nastajali so novi raziskovalno-razvojni programi, začeli so iskati alternativne vire energije (solarna, energija vetra, geotermalna, energija morja (plima, oseka). Veliko večja pozornost je bila namenjena novim materialom, novim oblikam zgradb in podobno.  

Rezultat te dejavnosti je bilo zmanjšanje porabe energije po izdelku.   

 

Znanilci uporabe vodika 

Vendar je v tem času neopaženo nastalo področje, ki bo zelo verjetno določilo energetiko prihodnosti oziroma razvoj gospodarstva in družbe v enaindvajsetem stoletju. Skupina zaljubljencev v vodik je ustanovila revijo Hydrogen Energy v kateri so začeli objavljati članke s tega področja.

 

Da je vodik vir prihodnosti, je že v devetnajstem stoletju napovedal francoski pisatelj Jules Verne. V njegovem romanu Skrivnostni otok eden izmed junakov pravi svojim tovarišem, da bo gorivo prihodnosti voda, ker vsebuje vodik. 

Žal je nesreča cepelina Hindenburg, ki se je zgodila v New Yerseyu 6. maja 1937, ustvarila sliko o vodiku kot izredno nevarnem elementu. To je zelo verjetno v naslednjih desetletjih upočasnilo uporabo tega plina na različnih področjih.   

Nevarnosti starega energetskega vzorca 

Čeprav je bilo v letih po prvi oziroma drugi naftni krizi s konca sedemdesetih let veliko storjenega na področju varčevanja energije, je osnovni vzorec proizvajanja in distribucije energije ostal: veliki proizvajalci, velika distribucijska omrežja, proizvajanje električne energije iz fosilnih in jedrskih goriv, pri čemer celotno področje velike energetike v večini primerov močno regulira država. To je tipična energetika industrijske družbe.  

 

 

Novi vzorec proizvodnje in distribucije energije, ki bo ustrezal naslednji družbi, šele nastaja nekje v ozadju. Tragični dogodki 11. septembra 2001 so že in bodo v prihodnosti še bolj pospešili razvoj nove energetske paradigme.  

Vse države se zavedajo nevarnosti terorizma. Veliki energetski objekti (elektrarne na fosilna goriva, plin, jedrske, hidroelektrarne) lahko postanejo tarče terorističnih napadov, ki jih ni lahko preprečiti. Distribucijsko omrežje je še težje varovati zaradi razsežnosti. Izkušnje ZDA kažejo, da tudi majhne napake v omrežju lahko pripeljejo do izpada iz sistema prenosa električne energije velikih geografskih področij, kot sta na primer New York ali Kalifornija, z izredno neugodnimi posledicami za prebivalce in gospodarstvo.  

 

Te dni je bilo na področju Silicijeve doline močno neurje. Posamezni deli doline, ki sodi med tehnološko najrazvitejša področja na svetu, so bili brez električne energije več ur. Ali pa drugi primer. Sodelujemo z oblikovalko, ki živi na otoku Guam. Nedavno so tam imeli močan tajfun in še dva tedna ne bodo imeli električne energije. Nekako nam je po elektronski pošti sporočila, da žal naslednja dva tedna ne bo mogla delati pri projektu. Teroristični napadi na električna omrežja v določenih geografskih področjih najbolj razvitih držav bi lahko povzročili velikansko škodo.  

Gospodarstvo, katerega infrastruktura je računalniško omrežje, je še zlasti ranljivo. Znani ameriški futurolog Toffler pravi, da lahko skupina petdesetih informacijskih teroristov (ki dobro poznajo informacijske tehnologije) spravi na kolena gospodarstvo ZDA. 

Poleg terorizma dejstvo, da večina dolgoročnih rezerv nafte leži na področju islamskih držav, povečuje njihov politični pomen in vpliv. Ker so teroristi, ki so uničili WTC v New Yorku in poškodovali Pentagon, prišli iz islamskih držav, (večina iz Savdske Arabije, v kateri ima poleg kraljeve družine največjo moč precej reakcionarna veja islama), bodo morale razvite države najti alternativno rešitev za proizvodnjo in distribucijo energije.   

Vodikovo gospodarstvo 

In tukaj se pojavlja priložnost uporabe vodika, ki ga je vesolju največ (okoli 90 odstotkov). Že v sedemdesetih letih so v General Motorsu, največjem ameriškem proizvajalcu avtomobilov, začeli govorili o »vodikovem gospodarstvu«.  

Jeremy Rifkin, predsednik Fundacije o gospodarskih trendih v Washingtonu, je nedavno objavil uspešnico Vodikovo gospodarstvo.

Rifkin je zaslovel po svoji uspešnici Entropy (Entropija), v kateri analizira vpliv energetike na okolje. Sledile so uspešnice, kot so Beyond Beef (Po govedini) in Who Should Play God (Kdo naj bi igral boga), v katerih se je Rifkin upiral hitrem razvoju biotehnologije in genetike in pri tem imel določene uspehe. Ob koncu devetdesetih let je napisal uspešnici The End of Work (Konec dela), kjer govori o trendih na področju dela in zaposlovanja v enaindvajsetem stoletju, in The Age of Access (Doba pristopa), ki opisuje spremembe, ki so nastale s hitrim razvojem in uporabo interneta. 

 

Rifkin je vpliven kritik družbenih pojavov in zasledovalec trendov, ki se uresničujejo. Zato moramo biti zelo pozorni na njegova nova razmišljanja in predvidevanja. Tisti, ki pravočasno dojame trende, je gospodarsko uspešen. 

Nujnost političnih in gospodarskih sprememb 

Uporaba vodika bo popolnoma spremenila dosedanji energetski vzorec (veliki proizvajalci veliko distribucijsko omrežje, velik vpliv države), posledica pa bodo tudi politične spremembe. Politiki energijo zlorabljajo, a z nastajanjem nove energetske paradigme bosta politika in gospodarstvo doživelo velike spremembe. Spremenil se bo geopolitični položaj. Za ohranjanje svojih političnih interesov v Perzijskem zalivu, ZDA ne bodo več porabile finančna sredstva, enaka vrednosti nafte, ki jo uvaža iz tega področja. Politični vpliv držav proizvajalk nafte bo upadel. Nastali bodo distribuirani sistemi proizvodnje energije, kar bo zmanjšalo vpliv države in politike in povzročilo pomembne družbene in gospodarske spremembe. Države v razvoju, ki so bile najbolj prizadete ob naftni krizi iz sedemdesetih let, ne bodo več odvisne od cene surove nafte.

 

Rifkin opisuje zgodovinski razvoj energetskih vzorcev, navaja podatke o prehodu z enega vira energije na drugega (les, premog, nafta, plin, vodik). Ugotavlja, da je industrijska družba temeljila na centraliziranih virih energije, tako da v tem trenutku manj kot 500 globalnih podjetij nadzoruje večino gospodarskih dejavnosti na svetu. Po njegovem mnenju je globalizacija zadnje obdobje fosilnih goriv na svetu, v kateri vse manjše število korporacij upravlja na mikro ravni s tokovi energije in gospodarskimi dejavnostmi v skupnostih po vsem svetu.

Istočasno se zmanjšujejo rezerve nafte, ki je najpomembnejše fosilno gorivo. Pri tem je zanimiv podatek, da so rezerve nafte v islamskih državah, čeprav je Rusija trenutno največji proizvajalec surove nafte. Tako je po ocenah strokovnjakov odnos naftnih rezerv proti proizvodnji nafte od začetka izkoriščanja nafte oz. tako imenovano razmerje R/P tako, kot ga kaže tabela.
  

Že podatki o rezervah surove nafte poleg geopolitičnih dejstev in terorizma zadostujejo, da morajo najrazvitejše države sveta hitro poiskati alternativne rešitve. 

Rešitev so gorivne celice
 

Vodik je v tem trenutku najbolj verjetna rešitev. Zanimivo je, da to ne bo rešitev, kot so jo fiziki pričakovali v petdesetih, šestdesetih letih - torej kontrolirana fuzija, niti novi akumulatorji za vozila, ampak gorivne celice (fuel cells). Te je odkril britanski znanstvenik William Grove v devetnajstem stoletju (1839). V šestdesetih letih preteklega stoletja jih je začela uporabljati NASA v vesoljskih raziskavah.  

 

V gorivnih celicah poteka proces, ki je obraten elektrolizi. Pri elektrolizi s pomočjo električnega toka iz vode proizvajamo kisik in vodik. V gorivnih celic iz ionov kisika in vodika pridobivamo električno energijo in končni proizvod tega procesa je voda.

Pomembna lastnost tega procesa je, da so izkoristki neposrednega pretvarjanja kemijske energije v električno bistveno večji kot pri drugih procesih pridobivanja električne energije. 

Z uporabo gorivnih celic za pogon avtomobilov bo rešen problem onesnaževanja, ki je posledica prometa z motorji z notranjim izgorevanjem, zmanjšana pa bo poraba surove nafte.   

Prihajajo vozila na vodikov pogon 

Že letos sta Honda in Toyota poslali po 30 vozil na vodikov pogon v Kalifornijo. Pričakujejo, da bomo v letu 2009 kupovali vozila na vodikov pogon. Ta proces bo pospešila odločitev guvernerja Kalifornije, da po letu 2009 vozila v tej ameriški državi ne smejo izpuščati v zrak nobenih škodljivih snovi. 

Ker je kalifornijski trg avtomobilov največji v ZDA, se vsi proizvajalci avtomobilov trudijo, da do tega leta ponudijo avtomobile, ki ne bodo onesnaževali okolje. 

Tako skupina Daimler Chrysler vlaga milijardo dolarjev v razvoj avtomobila na vodikov pogon. Nissan, Honda in Mitsubishi vlaga v podoben projekt enako količino denarja. Transnacionalna družba Shell je prepričana, da je prihodnost v vodiku in da bo prelomnica na tem področju nastala že leta 2005. 

Pri uporabi vodika sta dva osnovna problema: kako proizvajati zadostne količine vodika in kako ga shranjevati. 

Pri avtomobilih je zadnji problem še posebej aktualen. Ker bi bil rezervoar za vodik pri avtomobilu prevelik, so rešitve zasnovane na snoveh, kot je metanol, iz katerega nastaja vodik, ki se uporablja v gorivnih celicah. 

Ford je objavil, da ima rešitev, ki uporablja čisti vodik, in že danes lahko ta avtomobil z enim polnjenjem vodika prevozi 380 milj.    

Dodal bi še problem varnosti, ki ima lahko velike psihološke učinke. Vodik je najlažji element, tako da bi se pri nepravilnem delovanju naprav ali nesreči dvignil v višine, s čimer se bistveno zmanjšajo škodljive posledice podobnih dogodkov.

Istočasno pa vodik ne onesnažuje okolja, kar je pomemben element pri varstvu okolja.  

Vodik za pridobivanje električne energije 

Vendar bo prava revolucija nastala z uporabo vodika za pridobivanje električne energije za potrebe gospodinjstev, zgradb, industrijskih objektov.  

Tako bo General Electric leta 2003 trgu ponudil sistem gorivnih celic HomGen, ki bo pokril potrebe po električni energiji povprečnega ameriškega gospodinjstva.   

Podjetje Plug Power razvija enote z močjo 1-15 kW za potrebe gospodinjstev in enote z močjo od 60–250 kW za potrebe večjih objektov.   

Splet vodikove energije 

Od posameznih enot do spleta vodikove energije (Hydrogen Energy Web - HEW) je po Rifkinu samo še korak.  

Podobno kot je internet povezal računalnike na različnih krajih, bo HEW povezal proizvajalce električne energije iz vodika. In ker to ne bo centraliziran sistem z velikimi viri energije (termo, hidro, plinske in jedrske elekrarne), bo podobno kot internet odpornejši na zunanje motnje. 

Vendar bo to pomenilo tudi spremembe v gospodarstvu in politiki. Veliki sistemi ne bodo več določali cene energije. Rifkin celo pravi, da bomo avto, ko bo v garaži, uporabljali za proizvodnjo električne energije za potrebe gospodinjstva. 

To pomeni, se bodo bistveno zmanjšali določeni vplivi v družbi in da imele bodo države v razvoju lastne vire energije. 

Še en element bo pospešil prehod na vodikovo gospodarstvo, in to je učinek tople grede. Sedanji načini proizvajanja energije porajajo pline, ki posredno povečujejo temperaturo na Zemlji. Ker je končni proizvod procesov v gorivnih celicah voda, tudi ta problem ne bo več aktualen. 

 

Prihodnost je tukaj 

Kdaj bomo resno stopili v vodikovo gospodarstvo? Rifkin je previden, v nekem intervjuju je rekel okoli leta 2050.

Verjetno se bodo stvari zgodile prej. Gorivne celice so trenutno še drage, a se bo z množično uporabo njihova cena bistveno zmanjšala. Večji problem je proizvodnja vodika, ki je še vedno precej draga. Vendar obstajajo različne možne rešitve, kot je uporaba energije vetra in sončne energije za proizvodnjo električne energije, s katero z elektrolizo iz vode pridobimo vodik, ki se prenese do uporabnikov. Med možnostmi so tudi pridobivanje vodika iz premoga, metanola ali metana.  

Recimo, čistilne naprave za odpadne vode in odlagališča smeti proizvajajo metan (v čistilni napravi v Velenju ta metan uporabljajo za ogrevanja prostorov in pokrivanje 35 % potreb po električni energiji na odlagališču smeti pa ga zažgejo). Ta metan bi se lahko pretvarjal v vodik.  

Že danes lahko za 70 USD kupite gorivne celice v obliki »pribora« (brez vodika) in se lahko igrate z njimi.    

Za 650 USD dobite učni pripomoček z več elementi (fotocelice , sistem za elektrolizo, gorivno celico, elektromotorček) kot lahko vidite na sliki.    

Ker se bo tudi naša proizvodnja spreminjala, zmanjševala po fizičnih merah in porabi energije (nanotehnologija, mikrostroji, biotehnologija), bo vodikovo gospodarstvo prišlo prej, kot pričakujemo. Morda ne bo uresničena zamisel o demokratičnem spletu vodikove energije (HEW), kajti velike naftna družbe, ne bodo dovolile, da se jim zmanjša vpliv. Znano je, da nekatere, kot prej omenjeni Shell in BP, veliko vlagajo v raziskave na področju vodikovega gospodarstva. In to je način, da ohranijo svojo moč in vpliv. 

Vsekakor nas na področju energetike pričakujejo velike spremembe. Vprašanje je le, ali smo v Sloveniji nanje pripravljeni in ali jih bomo sposobni izkoristiti. 

Viri:

J: Rifkin The Hydrogen Economy, Penguin Putnam Press, New York 2002
http://www.utcfuelcells.com/
http://fuelcells.si.edu/

http://www.fuelcells.org/
www.fuelcellpartnership.org

Tabela: Naftne rezerve in čropanje 

Država	R/P (rezerve/proizvodnja)
ZDA	10/1
Norveška	10/1
Kanada	8/1
Iran	53/1
Savdska Arabija	55/1
Združeni Arabski Emirati	75/1
Kuvajt	116/1
Irak	526/1