Vodonik

Vodonik, prvi element periodnog sistema elemenata, je jedan od najčešćih elemenata na Zemlji i jedan od najlakših. Procenju je se da je 90% vidljivog univerzuma sačinjeno od vodonika. U svom čistom, gasovitom obliku vodonik je bez mirisa, bezbojan je, bez ukusa, veoma zapaljiv, ali nije otrovan.

Da bi se vodonik koristio kao energent neophodno je da bude u gasovitom obliku. Ovo predstavlja problem jer se vodonik vezuje relativno lako za druge elemente. Zapravo, vodonik ne postoji u prirodi kao slobodan gas, već se nalazi kombinaciji sa drugim elementima.

Kada je vodonik u svom čistom obliku može da se koristi na razne načine. Jedna od upotreba su vodonične gorivne ćelije koje se mogu koristiti za napajanje generatora ili vozila. Druga upotreba vodonika je napajanje motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

Upotreba vodonika kao izvora energije nije moderan pojam. Naučnici i vizionari su eksperimentisali sa vodonikom još od 17. veka. Vodonik je prvi put proizveden 1671. godine kada je Robert Bojl (Robert Boyle), engleski hemičar, rastvorio gvožđe u kiselini. Bojl i drugi naučnici tog doba nisu bili svesni da je vodonik jedinstven element.

Sve do 1766. vodonik nije bio priznat kao jedinstveni gas. Drugi engleski naučnik, Henri Kevendiš (Henry Cavendish) izmerio je gustine nekoliko gasova da bi dokazao postojanje vodonika. Otkrio je da je vodonik skoro 14 puta lakši nego običan vazduh i nazvao ga je zapaljivi gas.

 

Sledeći Kevendiša, francuski naučnik Antoan Lavoazje (Antoine Lavoisier) ponovio je Kevendišove eksperimente 1875. godine i dao vodoniku njegovo današnje ime, od grčkih reči hydro – voda i genes- stvaranje. Pored toga, Lavoazjeov proces za izolovanje vodonika postao je osnovni metod za dobijanje gasovitog vodonika tokom ranog 19. veka.

Istorija balona na vodonik počela je u Francuskoj u decembru 1783. godine koju je otpočeo fizičar Žak Šarl (Jacques Charles). Šarl i njegov partner Noel Roberts bili su prvi ljudi koji su leteli balonom na vodonik. Putovali su 43 kilometara pre nego što se balon bezbedno spustio.

Šarl je postao prva osoba koja je sama putovala balonom na visini od 3 kilometra.

Vilijam Grov (William Grove) je 1839. godine napravio prvu funkcionalnu vodoničnu ćeliju. Grov, naučnik amater i velški sudija, bio je svestan da električna struja može da razdvoji molekul vode na kiseonik i vodonik, u procesu poznatom kao elektroliza.

Zaključio je da pod određenim uslovima moguće je proizvoditi vodu i elektricitet kombinujući vodonik i kiseonik. Grov je izveo svoj eksperiment tako što je postavio trake platine u dve različite boce.

U jednoj se nalazio vodonik, a u drugoj kiseonik. Onda je smestio boce u elektrolit (hemijska substanca koja je sposobna da provodi struju), u ovom slučaju, sumpornu kiselinu. Nastao je elektricitet, a voda se akumulirala u bocama sa gasom. Iako je Grovova ćelija radila, nikada nije pronašao praktičnu upotrebu za nju.

Diržabli su predstavljeni u 19. veku i postali su još jedan vid transporta koji koristi vodonik kao gorivo. Diržabli se razlikuju od balona na vodonik zbog mehanizma upravljanja i često imaju neki oblik motora.

U ranom 20. veku diržable su koristile vojske nekih država (Nemačka i Velika Britanija). Takođe su se koristili i za prevoz putnika na duga putovanja i tada su često bili luksuzno opremljeni i skupi. Nekada su se putnici prevozili preko okeana diržablom i put do SAD je trajao kra’e nego brodom.

Najpoznatiji diržabl bio je Graf Cepelin. Počeo je sa radom 1928. i obišao je svet 2 puta. Tokom svog desetogodišnjeg radnog veka, Graf Cepelin prešao je preko 1.600.000 kilometara.

Nikada nije imao nesreću, za razliku od drugih diržabla. 1937. godine reputacija je značajno opala zbog nesreće koju je imao drugi nemački diržabl, Hindenburg. Međunarodni zakoni sada zabranjuju upotrebu vodonika kao gasa u diržablima.

Vodonik je brzo našao upotrebu u avijaciji i svemirskom programu. Korišćen je u eksperimentima za pokretanje mlaznih motora posle ranih 50-tih prošlog veka. NASA je koristila vodonik za razne svrhe još od 1950-tih. Vodonične gorivne ćelije su obezbeđivale energiju za Gemini i Apolo letelice.

Usled potrebe za velikom količine energije potrebne za pokretanje svemirskih letelica razmatralo se o upotrebi nuklearnog goriva. Gorivne ćelije su se koristile jer su bile bezbednije u odnosu na nulearno gorivo.

Kao nusproizvod korišćenja vodoničnih gorivnih ćelija nastaje voda koju astronauti mogu da koriste. Za potrebe svemirskog programa, pored vodonika u gasovitom obliku, koristio se i tečni vodonik.

Od početka svog programa spejs-šatlovi koristili su vodonik kao gorivo, ali upotreba vodonika vodila je ka tragediji.

Kada je došlo do kvara na šatlu Challenger, prilikom poletanja 1986. godine, gasoviti vodonik se pomešao sa plamenom koji je uzdizao raketu u svemir. Mešanje je dovelo do velike eksplozije u kojoj je svih sedam astronauta izgubilo život.

Vodonik se ponekad smatra kao izvorom energije budućnosti iz više razloga. Jedan od njih je obnovljivost vodonika. Za razliku od fosilnih goriva, od kojih je svet sada zavistan, vodonik može da se proizvede ili „napravi“ u veoma kratkom periodu vremena.

Postoji više metoda pomoću kojih vodonik može da se proizvede, ali za masovniju proizvodnju najbitnije su elektroliza i redukcija vodenom parom.

Elektroliza je proces u kojem električna energija prolazi kroz vodu i razbija hemijske veze između vodonika i kiseonika.

Elektrolit, tečna hemijska supstance koja je nosilac struje, pomaže ovom razbijanju veza. Kada se veze prekinu, atomske komponente (vodonik i kiseonik) postanu pozitivni ili negativni joni (naelektrisane čestice).

Dva terminala (anoda i katoda) takođe imaju pozitivan i negativan napon, koji privlači jone ka njima.

Pozitivni joni vodonika sakupljaju se na anodi (negativna), dok se negativni joni kiseonika sakupljaju na katodi (pozitivna). Na anodi i katodi dolazi do formiranja gasa koji se dalje sakuplja i koristi za različite namene.

Redukcija vodene pare, ponekad se naziva reforming, je još jedan poznat metod za proizvodnju vodonika. U ovom postupku vodonik nastaje reakcijama prirodnog gasa i vodene pare na visokim temperaturama.

Temperature u ovom procesu kreću se od 800 do 1.700°C. Katalizator (supstanca koja povećava brzinu reakcije) se koristi u nekim parnim reformerima i on je obično od metala i on pomaže izdvajanje metana iz prirodnog gasa. Reakcijom metana i vode nastaje vodonik. Ugljen-monoksid i ugljen-dioksid su nusproizvodi ove reakcije. U nekim procesima ugljen-monoksid se vraća u proces i proizvodi se još vodonika i ugljen-dioksida.

Vodonične gorivne ćelije su najrazvijenija i najčešće korišćena metoda upotrebe vodonika kao energenta. Gorivne ćelije rade tako što mešaju vodonik i kiseonik i proizvode vodu i elektricitet.

Ona funkcioniše slično kao baterija. U vodoničnoj gorivnoj ćeliji elektricitet nastaje elektrohemijskom reakcijom vodonika i kiseonika. Postoji više tipova gorivnih ćelija. Neke koriste fosfornu kiselinu kao elektrolit, dok druge koriste topljeni karbonat.

Većina uticaja primene vodonika kao izvora energija su pozitivni za životnu sredinu. Upotreba vodonika umanjuje zavisnost od fosilnih goriva, a time i utiče na smanjenje globalnog zagrevanja.

Ipak, proizvodnja vodonika može negativno da utiče na životnu sredunu. U zavisnosti od proizvodnog procesa ugljen-dioksid i druge štetne emisije mogu da zagade atmosferu. Još jedan potencijalni problem je curenje vodonika u atmosferu. Ukoliko su značajne količine u pitanju može da se promeni procenat vodonika u atmosferi Zemlje.

Još jedan problem je upotrebe je šta raditi sa vodom ili vodenom parom koja bi nastajala u vozilima korišćenjem vodoničnih gorivnih ćelija.

Ekonomija bazirana na vodoniku može da dovede do ekstremnih promena u brojnim industrijama. Način na koji posluje auto industrija bio bi kompletno izmenjen. Naftni biznis trpeo bi velike promene.

Primena vodonika dovela bi do promena u elektro industriji, naročito ukoliko se elektroliza upotrebljava kao metod za proizvodnju vodonika.

Potpuno nove industrije bi nastale za izgranju infrastrukture. Proizvodnja, transport, distribucija i skladištenje vodonika imali bi ogroman ekonomski uticaj jer bi milijarde evra bile investirane širom sveta. Vodonična ekonomija vodila bi ka stvaranju novih radnih mesta i poslova.

Primena vodonične ekonomije bi imala značajnih uticaja na društvo širom sveta. U razvijenim državama izvor energije i način na koji se vozila pokreću bio bi značajno drugačiji. Punjenje automobila bilo bi donekle drugačije od iskustva koja sad postoje.

Upotreba vodonika mogla bi da dovede do promene načina na koji naponska mreža sad radi. Umesto centralizivanih stanica za prenos energije, u sistemu baziranom na vodoniku nezavisne gorivne ćelije bi proizvodile struju za korisnike i time decentralizovale mrežu. Čak i vozila na vodonik mogu delavati kao generatori energije potrebne za proizvodnju vodonika.

Za nerazvijene i slabo razvijene države vodonik bi imao veliki uticaj naročito ako se proizvodi pomoću solarne ili energije vetra. Ove države bi imale bolji i lakši pristup električnoj energiji. Vodonična ekonomija može da poboljša živote i ekonomije svakoga nakon nastanka novih lokalnih industrija i novih poslova.