Ūdeņraža enerģētikas perspektīvas

Kā alternatīvs enerģijas avots, kas spētu gan aizstāt izsīkstošos fosilos resursus, gan mazināt globālo siltumnīcas efektu, aizvien biežāk tiek pieminēts ūdeņradis. Lai arī šobrīd to izmanto ļoti pieticīgi, ūdeņraža enerģētikai tiek prognozēta liela nākotne, īpaši attīstītajās valstīs.

Ūdeņradim ir virkne priekšrocību, salīdzinot ar enerģijas ieguvi no fosilajiem enerģijas avotiem. Vienkāršoti skaidrojot, no pēdējiem (naftas, oglēm, gāzes, arī no lielākas daļas atjaunojamo resursu – biomasas, biogāzes utt.) elektroenerģija tiek iegūta, tos sadedzinot, lai radītu siltumu, kas uzkarsē ūdeni, kura tvaiki savukārt griež turbīnas, bet pēdējās rada elektrību. Ķīmiski ļoti aktīvā ūdeņraža gadījumā elektrība veidojas (atbrīvojas elektroni) savienošanās brīdī ar skābekli, turklāt reakcijas rezultātā rodas tikai ekoloģiski nekaitīgais ūdens. Ūdeņradis arī ir visizplatītākais elements Visumā, bet krājumi uz Zemes – neizsmeļami, ja tas tiek izdalīts no ūdens.

Tajā pašā laikā ūdeņraža ķīmiskās aktivitātes dēļ saites ūdens molekulās ir ļoti spēcīgas, un ūdeņraža ieguve no ūdens saistīta ar lielu enerģijas patēriņu, tāpēc tas šobrīd ir ievērojami dārgāks par benzīnu, tāpat litrā sašķidrināta ūdeņraža ķīmiskās struktūras dēļ šīs vielas ir mazāk (71 grams) nekā litrā degvielas (116 grami), infrastruktūra faktiski ir nulles līmenī, taču šīs un vēl citas problēmas (tvertnes uzglabāšana zem spiediena utt.) agri vai vēlu tiks atrisinātas, tāpēc ūdeņradim jau drīzā nākotnē tiek paredzēts plašs izmantojums – sākot ar mobilo tālruņu un portatīvo datoru energoelementiem, beidzot ar automašīnu dzinējiem un elektrostacijām. Veiksmīgas attīstības gadījumā tas var novest pie izmaiņām globālajā energoresursu tirgū, kurā dominēs vairs ne valstis un korporācijas – ogļūdeņražu ieguvējas ?, bet tie, kuru rīcībā atradīsies ūdeņraža ieguves tehnoloģijas un atbilstoši energonesēji.

Šodienas tehnoloģijas

Šobrīd ūdeņradis tiek izmantots lielākoties benzīna un amonjaka ražošanā, arī kā raķešu degviela. Tikai ASV gadā saražo 11 miljonus tonnu ūdeņraža, ar ko pietiktu 35?40 miljoniem automašīnu. Vienlaikus ūdeņradi iegūst galvenokārt no ogļūdeņražiem – oglēm un gāzes jeb neatjaunojamiem resursiem.

Vairāk nekā puse ūdeņraža rūpnieciskā avota pašlaik ir dabasgāze. Ieguves procesā 700?1000 °C temperatūrā ūdens tvaikus zem spiediena un katalizatora klātbūtnē sajauc ar metānu. Kilograma H2 pašizmaksa (visas cenas aprēķinātas 2004. gada beigās) ir divi līdz pieci ASV dolāri, kurus perspektīvā iespējams samazināt līdz diviem, divarpus dolāriem. Savukārt senākais ūdeņraža ieguves avots ir ogles, kuras bez gaisa klātbūtnes tiek uzkarsētas līdz 800?1300 °C. Pirmais šāds gāzes ģenerators tika uzbūvēts vēl 19. gadsimta 40. gados Lielbritānijā. Kilograma H2 pašizmaksa šai metodei ir divi līdz divarpus dolāri, perspektīvā – 1,50 dolāri, ieskaitot piegādi un uzglabāšanu.

H2 tiek iegūts arī atomelektrostacijās. Kodolreaktoros ūdeņradi ražo, gan izmantojot ķīmiskos procesus, gan elektrolīzi, un tā kilograma pašizmaksa ir vidēji 2,33 dolāri. Vienlaikus jau sākts darbs pie jaunas paaudzes AES izstrādes, kuru viens no pamatuzdevumiem būs tieši H2 ražošana, un, piemēram, ASV zinātnieki prognozē, ka viens jaunās paaudzes AES energobloks ik dienas spēs saražot 750 000 litriem benzīna ekvivalentu ūdeņraža daudzumu.

Savukārt no skolas laikiem katram zināmā ūdens elektrolīze (izsakot formulā: H2O + enerģija = 2H2 + O2) ir pats energoietilpīgākais un dārgākais ūdeņraža iegūšanas veids. Pašizmaksa ir seši līdz septiņi dolāri kilogramā, izmantojot fosilo elektroenerģiju, taču nākotnē iespējama izmaksu samazināšana līdz četriem dolāriem. Ja lieto tikai atjaunojamo enerģiju, tad kilograma H2 izmaksas ir septiņi līdz vienpa­dsmit dolāri, izmantojot vēja ģeneratorus (perspektīvā – līdz trim dolāriem), un 10?30 dolāri, izmantojot saules enerģiju (perspektīvā – līdz trim četriem dolāriem).

H2 tiek izdalīts arī no biomasas ? galvenokārt termoķīmiski, bez gaisa klātbūtnes uzkarsējot biomasu līdz 500?800 °C (koksnei), kas ir jūtami zemāka temperatūra, nekā gazificējot ogles. No kilograma biomasas šādi iespējams iegūt 0,6 kilogramus biogāzes, kurā 18?20% ir H2, bet kilograma H2 pašizmaksa ir pieci līdz septiņi dolāri, ko cer samazināt līdz vienam līdz trim dolāriem. Bet reti izmantotajā bioķīmiskajā procesā H2 no biomasas "ražo" dažādas baktērijas.

Tikai atjaunojamie resursi

Tajā pašā laikā galamērķis ir ūdeņraža iegūšana tikai no atjaunojamiem resursiem – galvenokārt ūdens, izmantojot saules enerģiju, kā jau šobrīd pietiekami plaši tiek darīts Dānijā un Īslandē. Tiek meklētas arī elektrolīzei alternatīvas metodes. Piemēram, Grieķijā pašlaik izmēģina šīs valsts, Lielbritānijas, Dānijas un Vācijas zinātnieku kopīgi izstrādāto ekoloģisko reaktoru. Tiek izmantota ar saskares virsmas palielināšanai domātām keramikas caurulītēm, kurās ievietoti īpaši nanomateriāli, pildīta lielāka caurule – reaktors, ko uzkarsē, izmantojot saules enerģiju. Šajā termoķīmiskajā iekārtā (kurā nav nevienas kustīgas detaļas) no ūdens tvaikiem izdalās ūdeņradis, turklāt efektivitāte sasniedz 70%. Šobrīd izgudrojums vēl tiek testēts laboratorijā.

Cits piemērs ? ūdeņradi iespējams ražot, izmantojot arī tā dēvētos bioreaktorus. Vēl 1939. gadā Čikāgas universitātē strādājošais vācu zinātnieks Hanss Gafrons nejauši atklāja, ka zaļās aļģes ar latīnisko nosaukumu Chlamydomonas reinhardtii bioķīmiskie procesi nereti "pārslēdzas" no skābekļa izdalīšanas saules gaismas ietekmē, kas ir dabiskā fotosintēze, uz ūdeņraža ražošanu. Tomēr Gafrons nespēja noskaidrot parādības cēloņus, tāpat kā tas līdz pagājušā gadsimta 90. gadu beigām neizdevās citiem pētniekiem. Visbeidzot ASV Bērklijas universitātes bioloģijas profesors Anastasioss Meliss secināja, ka aļģe izdala ūdeņradi sēra trūkuma gadījumos, kā arī zinātniski pamatoja šo procesu.

Pašlaik iespējas iegūt ūdeņradi no aļģēm (bez jau minētās par perspektīvu tiek uzskatīta arī aļģe Chlamydomonas moeweesi) kopīgi tiek pētītas Bīlefeldas universitātē Vācijā un Kvīnslendas universitātē Austrālijā, kuru zinātnieki veikuši aļģu ģenētisko modifikāciju, palielinot energoefektivitāti līdz 1,6?2% (dabiskajā vidē maksimālā energoefektivitāte ir 0,1%). Vienlaikus aprēķināts, ka bioreaktoru izmantošana būs ekonomiski pamatota, ja energoefektivitāte sasniegs 7?10%. Ka 10% robežu iespējams ne tikai sasniegt, bet arī pārsniegt, apgalvo profesora Melisa vadītā Bērklijas universitātes zinātnieku komanda, kura gan pagaidām savus pētījumus par šo tēmu nav publicējusi. Tuklāt 2006. gadā Vācijas Karlsrūes universitātē tika sākts darbs pie 500 līdz 1000 litru aļģu saturoša bioreaktora prototipa izveides ar mērķi piecu gadu laikā pierādīt, ka šādas sistēmas ir ekonomiski efektīvas.

Interesanta nianse – sasniedzot atbilstošus energoefektivitātes rādītājus, visas pasaules nodrošināšanai ar tai šobrīd nepieciešamo ūdeņradi būtu vajadzīga aļģu "ferma" nepilnu 700 000 kvadrātkilometru platībā, bet ASV vajadzībām pietiktu ar 25 000 kvadrātkilometru lielu aļģu ražotni, kas līdzinās desmitajai daļai šīs valsts sojas plantāciju.

Infrastruktūras veidošana

Savukārt pazemināt ūdeņraža cenu iespējams, veidojot infrastruktūru tā piegādei un glabāšanai. Pašlaik Savienotajās Valstīs ir 750, bet Eiropā – 1500 kilometri cauruļvadu ūdeņraža transportēšanai. (Teorētiski tam var izmantot arī dabasgāzes cauruļvadus.) Pasaulē vecākais ūdeņraža cauruļvads atrodas Vācijā, Rūras rajonā, kur 210 kilometri cauruļu savieno 18 ražotājus un patērētājus. Tas darbojas bez avārijām jau vairāk nekā 50 gadu. Bet visgarākais cauruļvads (400 kilometru) savieno Franciju ar Beļģiju.

Pie infrastruktūras trūkumiem pieder arī vairāk nekā mikroskopiskais ūdeņraža uzpildes staciju daudzums. 2006. gada beigās to skaits visā pasaulē tikai nedaudz pārsniedza 140 (!), un gandrīz puse staciju (46%) atradās Ziemeļamerikā, galvenokārt ASV Kalifornijas štatā, kur ir pasaulē attīstītākā ūdeņraža infrastruktūra. Tālāk sekoja Japāna (14%) un Vācija (13%). Lielākā daļa šo staciju darbu sāka 2005. un 2006. gadā, un tikai 8% izmanto sašķidrinātu ūdeņradi, kamēr pārējās – gāzveida. Līdz ar to veidojas apburtais loks – autoražotāji ūdeņraža automašīnas tikpat kā neražo, jo nav atbilstošas infrastruktūras, bet infrastruktūra neattīstās, jo nav automašīnu.

Jāteic, ka pēdējā laikā vairākas valstis vai nu ir sākušas, vai plāno sākt ūdeņraža uzpildes staciju tīkla ievērojamu paplašināšanu. Tā ASV Kalifornijas štatā līdz 2010. gadam iecerēts pie visiem galvenajiem ceļiem ik pēc 20 jūdzēm uzbūvēt kopumā 200 šādu staciju, Ņujorkas štatā projekts New York Hydrogen Network paredz 20 uzpildes staciju atvēršanu maršrutā Ņujorka?Bufalo, Kanādā tiek veidots 900 kilometru garš ūdeņraža koridors gar ceļiem, kas savieno Monreālu un Vindzoru. Tāpat kanādieši kopīgi ar ASV līdz 2010. gadam iecerējuši īstenot projektu The Northern H, kura ietvaros ar ūdeņraža uzpildes stacijām tiks apgādāti visi galvenie ceļi starp Manitobas provinci Kanādā un ASV štatiem Dakotu, Minesotu, Aijovu un Viskonsīnu. Norvēģijā līdz šā gada beigām sāks darboties HyNor – 560 kilometru garš ar ūdeņraža uzpildes stacijām nodrošināts ceļš no Oslo uz Stavangeru. General Motors ir paziņojusi par iespējamiem plāniem uzbūvēt 12 000 ūdeņraža uzpildes staciju visās Savienotajās Valstīs.

ASV Senāts 2005. gada 8. augustā pieņēma likumu, kas paredz piešķirt vairāk nekā trīs miljardus dolāru ūdeņraža enerģētikas attīstībai un 1,25 miljardus dolāru vienlaikus elektrību un ūdeņradi ražojošu jaunās paaudzes kodolreaktoru celtniecībai, paredzot, ka daudz lielākus līdzekļus projektos ieguldīs privātais sektors.

Nākotnes automašīnu pamatprincipi

Līderi ūdeņraža enerģijas apguvē ir bieži pieminētās Savienotās Valstis, Eiropas Savienība (īpaši Vācija), Japāna un Dienvidkoreja. Kā viena no būtiskākajām ūdeņraža izmantošanas jomām, protams, ir automašīnās, īpaši lielpilsētu sabiedriskajā transportā, turklāt, piemēram, Japānā valdība stimulē nelielu mājas elektrostaciju ieviešanu, kurās no ūdens vai dabasgāzes tiek ražots ūdeņradis, izmantojot saules baterijas. (H2 uzkrāšana ir salīdzinoši daudz ērtāka nekā elektroenerģijas uzkrāšana akumulatoros.) Ūdeņraža enerģijas ražošanu mājsaimniecībās atbalsta arī Dienvidkorejas valdība.

Te jāmin arī tā dēvētie hibrīdauto (ar benzīna–ūdeņraža dzinējiem), pie kuru izveides strādā gandrīz visi nozīmīgākie autoražotāji. Uzskata, ka šā gada beigās pasaulē būs ap 900 automašīnu, motociklu un autobusu modeļu, kuros kā enerģija s avots kalpos (arī) ūdeņradis. Vienlaikus šie transporta līdzekļi tiek ražoti ļoti mazos daudzumos, tāpēc ir salīdzinoši dārgi, un pagaidām tos iegādājas galvenokārt bagāti entuziasti. Plašāka un līdz ar to lētāku ūdeņraža auto ienākšana tirgos gaidāma ap 2015. gadu.

Lielākā daļa šādu automašīnu tiek darbinātas, ūdeņradim sadegot tāpat kā benzīnam, vienīgā būtiskā atšķirība – oglekļa dioksīda vietā rodas ūdens, taču nākotnes tehnoloģija ir tā dēvētie ūdeņraža kurināmie elementi. (Piebilde – šis zinātniskais termins tiek plaši izmantots latviešu valodā un ir burtisks tulkojums no angļu fuel cell un līdzīga krievu valodas jēdziena. Iespējams, valodniekiem būtu vērts par to padomāt, jo, piemēram, mobilā tālruņa baterija grūti asociējas ar kurināmā elementu.) Neiedziļinoties tehniskajās niansēs, kurināmā elementos ūdeņraža ķīmiskā enerģija uzreiz tiek pārvērsta elektriskajā (kinētiskajā), kas nozīmē daudz mazākus enerģijas zudumus.

Tajā pašā laikā iekšdedzes dzinēju nomainīšanu pret kurināmā elementiem un elektromotoriem kavē jaunās sistēmas dārdzība, kuras izmaksas gan nemitīgi samazinās aizvien jaunu uzlabojumu dēļ. Ka princips darbojas gana efektīvi, kā pirmā cer pierādīt Japānas kompānija Honda, kuras izstrādātais ūdeņraža auto Honda FCX jau strādā pēc nākotnes principiem, turklāt komplektā pircējam nāk līdzi mājas elektrostacija ūdeņraža ražošanai no dabasgāzes. (Stacija ražo elektrību, siltumu, kā arī uzkrāj ūdeņradi automašīnas uzpildīšanai – uzskata, ka šādi iespējams ietaupīt 50% izdevumu.)

Honda FCX 2007. gada modelis ir jau trešā šādu auto un ar to saistīto mājas elektrostaciju paaudze – pirmie divi modeļi tika izveidoti 1999. un 2005. gadā. Jaunais auto izmanto trīs elektrodzinējus – vienu (80 kW) priekšējiem riteņiem un pa vienam (25 kW) katram aizmugurējam, kurināmā elementa jauda ir 100 kW, ūdeņraža bākas ietilpība 171 litrs jeb pieci kilogrami, automašīnas maksimālais ātrums – 160 kilometru stundā, brauciena attālums pēc uzpildīšanās – 570 kilometru. Nākamā gada sākumā Honda sāks FCX tirdzniecību Japānā un Kalifornijā, un tad arī varēs spriest, cik pamatoti bijuši kompānijas plāni. Jāpiebilst, ka kompānija tikai ASV cer 2010. gadā pārdot 12 000, bet 2020. gadā – 50 000 šādu automašīnu. Uz vispārējā fona tas gan ir ļoti pieticīgs rādītājs – 2006. gadā Honda, piemēram, bija astotais lielākais automašīnu ražotājs pasaulē, no kura konveijeriem noripoja 2,72 miljoni mašīnu.

Netrūks arī neapmierināto

Jāatceras, ka ūdeņraža enerģētikas ieviešanas prog­rammas attīstītajās valstīs izstrādātas tā, ka pirmie no­pietnākie rezultāti kļūs redzami ap 2015.–2020. gadu. Pēc ASV Enerģētikas departamenta prognozēm, turpinoties līdzšinējām tendencēm, degvielas un ūdeņraža cenas varētu izlīdzināties 2015. gadā, līdz ar to pēdējā izmantošana kļūs interesanta arī plašākam patērētāju lokam, kuru daudz vairāk par globālo sasilšanu un siltumnīcas efektu interesē zemākas izmaksas un lielākas ērtības. Tāpat ūdeņraža enerģētikas ieviešanu stimulēs arī likumdevēji. Piemēram, Eiropas Savienībā jau šobrīd aizvien populārāka kļūst ideja par automašīnu izplūdes gāzu "nulles līmeni", bet to ir iespējams sasniegt tikai, lietojot ūdeņradi vai elektrību, optimālajā variantā – ūdeņradi, kas iegūts no ūdens, izmantojot sau­les enerģiju. Piemērs jauna energoresursa ieviešanas tehnoloģijām arī nav tālu jāmeklē – pietiek rūpīgi izanalizēt dabasgāzes kā automašīnu degvielas ieviešanas metodes.

Tajā pašā laikā potenciālās ūdeņraža ekonomikas jau tagad sastopas ar nopietnu naftas un gāzes gigantu lobiju pretestību. Ūdeņraža izplatības gadījumā fosilās degvielas ražotājiem nāksies pazemināt cenas, bet dabasgāzes ieguvējus neapmierina ūdeņraža ekonomiku ekoloģiskā koncepcija, kas paredz par galveno izejvielu izmantot ūdeni, nevis gāzi. Pastāv arī politiskais aspekts – energoresursus eksportējošās valstis pamatoti baidās, ka jūtami samazināsies to galvenais ienākumu avots un krasi mazināsies ietekme starptautiskajā arēnā. Tāpat energoresursu eksportētāji nomācošā vairākumā gadījumu nespēj tehnoloģiski sacensties ar japāņiem, amerikāņiem vai Rietumeiropu, tāpēc gadījumā, ja sāksies ūdeņraža enerģētikas uzvaras gājiens, naftas šeihiem un Co nāksies iepirkt energoresursus Rietumos. Šo iemeslu dēļ nav jābrīnās, ja jau tuvākajos gados aizvien skaļāki kļūs arī ūdeņraža enerģētikas noliedzēji – naftas valstis un kompānijas nav no trūcīgākajām.

***

Fakti

Ar ūdeņradi darbināma autotransporta ienākšana Eiropas tirgū:

Scenārijs 2020. 2030. 2040. 2050.

Optimistisks 3,3% 23,7% 54,4% 74,5%

Pesimistisks 0,7% 7,6% 22,6% 40,0%

Dati: HyWays.de

Uz augšu