Vandenilis – ateities energijos šaltinis?

Vandenilį – itin degias ir lakias dujas – mokslininkai vadina „labiausiai Visatoje paplitusiu cheminiu elementu“, iš esmės galinčiu išspręsti visas fundamentalias energetikos problemas. Tačiau kaip? Atsakymų į šį klausimą didžiausių pasaulio automobilių gamybos koncernų inžinieriai intensyviai ieško bent tris pastaruosius dešimtmečius ir kai kuriuos eksperimentų rezultatus „vandenilinės visuomenės“ kūrėjai vadina „bauginančiai gerais“. Vis dėlto yra keletas „bet“.

Pradėkime nuo žiupsnelio istorijos. 1839-aisiais britų mokslininkas Viljamas Grovsas, atlikdamas elektrolizės eksperimentus vandenyje, pamėgino sukelti priešingą reakciją tai, kuri vyksta per vandenį leidžiant elektros srovę. Tuo metu vanduo skyla į vandenilį ir deguonį, todėl logiška, kad sujungiant vandenilį su deguonimi, turėtų gimti vanduo ir elektra... Įrenginys, kuriame Grovsui pavyko sukelti tokią reakciją, buvo pavadintas „dujine baterija“. Prabėgus daugiau nei šimtmečiui, jos veikimo principą prisiminė ir pradėjo tobulinti kai kurių Vakarų pasaulio šalių mokslininkai. Šeštojo dešimtmečio viduryje pirmųjų modernių kuro elementų  patentus įsigijo amerikiečiai ir pritaikė NASA poreikiams. Miniatiūrinės elektrocheminės jėgainės, kuriose vandenilį jungiant su deguonimi gaunama elektra, energija aprūpino tokius kosminius laivus kaip „Gemini“, „Apollon“, o vėliau – ir „Space Shuttle“.

Neilgai trukus eksperimentus su vandeniliu pradėjo automobilių konstruktoriai. „General Motors“ pristatė gremėzdišką mikroautobusiuką „Electrovan“, kurio ratus suko elektros variklis, energiją gaunantis iš vandenilio ir deguonies sintezės. Tačiau kai benzino kaina siekė centus, sukti galvą dėl egzotiškų alternatyvų neatrodė itin racionalu.



Vandenilinės technologijos vėl prisimintos tik artėjant 1990-iesiems, kai apie savo projektus prašneko keletas didžiausių Japonijos, Europos ir Amerikos kompanijų. Specializuotose parodose buvo pristatytas „Opel Hydrogen 1“, sukonstruotas vienatūrio „Zafira“ bazėje. „Toyota“ strategai dalijosi įžvalgomis, kad šis kuras taps pagrindiniu energijos šaltiniu jau artimiausioje ateityje. Pirmieji šios japonų  kompanijos vandeniliniai prototipai iš tiesų buvo net 2–3 kartus efektyvesni už benzinu varomus automobilius kuro panaudojimo prasme.

Eksperimentus su viešuoju transportu sėkmingai vykdė „Daimler-Benz“, 10 Senojo žemyno didmiesčių keleivius vežioję „Mercedes- Benz Citaro“ bazėje sukonstruotais elektrobusais su kuro elementais ir džiūgavę dėl puikiai funkcionuojančios technologijos. Itin intensyviai savo vandenilinę programą vykdė „Honda“. Skirtingai nei kolegos kitose kompanijose, jie nesistengė kuro elementų įmontuoti į jau egzistuojantį modelį, o sukonstravo visiškai naują, futuristiškai atrodantį „Honda FCX Clarity“. Techninės jo charakteristikos buvo pakankamai kuklios – 134 AG ir  256 Nm maksimalaus sukimo momento elektros variklis leido įsibėgėti iki 160 km/val., o pilnu 171 l talpos rezervuaru (vandenilis jame suslėgtas net 350 atmosferų jėga) galima buvo nuvažiuoti iki 460 kilometrų. Tačiau tai suteikė galimybę pasipuikuoti „ateities mašina“.  

Deja, geros žinios anuomet tuo ir baigėsi. Vienas „Honda“ koncerno viceprezidentų Tokijo automobilių parodos metu surengtoje spaudos konferencijoje paklaustas „ar tai yra transporto pasaulio ateitis?“, stebėtinai nuoširdžiai prisipažino neturįs aiškaus atsakymo. Reikalas tas, kad tokių automobilių gamyba atsiėjo bent dešimt kartų daugiau, nei įmanoma didžiausia (pirmieji serijiniu būdu pagaminti „Honda FCX Clarity“ buvo įvertinti 60–70 tūkst. eurų) pardavimo kaina. Dėl to jie net nebuvo pardavinėjami – JAV rinkoje juos siūlė nuomotis mokant po 600 dolerių per mėnesį. Tačiau pati didžiausia problema buvo vandenilio rezervuarų pildymo infrastruktūra. Net šių technologijų Meka vadinamoje Kalifornijoje ir pačioje Japonijoje ji buvo artima niekinei, o anonsuoti ambicingi vandenilinių degalinių plėtros planai taip ir liko tik planais. Dėl šių priežasčių vandeniliu varomų automobilių projektai vegetavo: tokių transporto priemonių neapsimokėjo gaminti, o kol nebuvo masinės gamybos – nebuvo prasmės investuoti į vandenilio degalinių tinklus.



Ištrūkti iš uždaro rato trukdė dar viena kertinė problema. Nors vandenilio resursai vadinami „neišsemiamais“, gamtoje šio elemento laisvos formos nėra – jis randamas organiniuose junginiuose bei vandenyje. Norint vandenilį panaudoti energetinėse sistemose, jis turi būti išskirtas iš minėtų cheminių junginių. Tam reikia turėti pirminės energijos šaltinį, kurio energija būtų naudojama vandenilio turinčių medžiagų skaidymui. Jei cheminės reakcijos vykdomos deginant kietąjį, dujinį ar skystąjį kurą, suskaičiavus visas energijos sąnaudas, į aplinką išmestus teršalus ir prilyginus jas benzino ekvivalentui, paaiškėja paradoksali situacija: transporto priemonė su kuro elementais teršia aplinką anglies dvideginiu beveik du kartus daugiau nei automobilis su benzininiu varikliu. Ir  net 15 kartų daugiau nei gryną biodyzeliną naudojantis automobilis! Kitaip tariant, jei nesugebėsime „švariai“ pagaminti pakankamo kiekio elektros energijos, reikalingos vandenilio gamybai, tik toliau didinsime bendrą aplinkos taršą...

Pastaraisiais metais padėtis pradėjo akivaizdžiai keistis. Giedrą vasaros dieną savose saulės ir vėjo jėgainėse Lietuva jau pasigamina daugiau elektros, nei spėja suvartoti. Kol kas tai pavyksta padaryti tik esant idealioms sąlygoms, tačiau šios srities ekspertai tikina, kad jau po poros–trejeto metų mūsų šalis gali tapti visiškai energetiškai nepriklausoma. Tuo pat metu vandenilio tema vėl tampa kaip niekada iki šiol aktualia: atsirandančios perteklinės elektros pasiūla kaip tik ir leidžia šias dujas paversti neatremiamai patraukliomis.

Lietuvos pramonininkų konfederacijos prezidentas ir saulės jėgaines gaminančios kompanijos „Solitek“ savininkas Vidmantas Janulevičius, komentuodamas pokyčius energetikos rinkoje, pastebi, kad kol kas mūsų šalyje elektros volatilumas (kainos svyravimas be vertės praradimo) tebėra labai didelis. Giedrą vasaros vidurdienį biržoje netgi formuojasi neigiama kaina ir reikia primokėti, kad energiją paimtų į tinklą, o vakare – ta pati megavatvalandė jau kainuoja 200–300 eurų.

„Norint šiuos drastiškus svyravimus minimizuoti, reikia investuoti į pramonines baterijas ar kitus būdus „sandėliuoti“ energiją. Vandenilis tam puikiai tinka. Jis gali viską tą patį, kaip ir gamtinės dujos. Pramonės įmonėse, kurios naudoja gamtines dujas, įdiegti vandenilį beveik taip pat paprasta, kaip ir į vidaus degimo variklius“, – akcentuoja V. Janulevičius.

Jam antrina VILNIUS TECH Automobilių inžinerijos katedros vedėjas Saugirdas Pukalskas, primindamas jau išmoktas alternatyvios energetikos pamokas.
 
„Iš tiesų esama šiokios tokios rizikos taip karštligiškai šokti į vandenilio gamybą ir perteklinę elektrą iš saulės paversti pernelyg brangia ar netgi deficitine. Bet mes jau turėjome precedentą su biodegalais, kurių gamybai naudoti rapsai. Tąkart taip pat buvo nueita iki tam tikrų kraštutinumų, lėmusių nemalonią sumaištį žemės ūkio žaliavų ir negi maisto produktų rinkoje. Visgi vandenilis yra „dėkingesnė“ prekė, nes gali būti gaminamas ne tik nepakenkiant kitiems elektros vartotojams, bet prisidedant prie energijos gamybos pirkimo momentų subalansavimo“, – sako S. Pukalskas.

Pasak  mokslininko, nors nacionalinėse „Vandenilio plėtros Lietuvoje 2024–2050 m. gairėse“ pakankamai plačiai narstomos sritys, kuriose vandenilio panaudojimas duotų didžiausią tiesioginį efektą bei prisidėtų prie šiltnamio efektą sukeliančių dujų mažinimo, transporto sektoriuje jį „įdarbinti“ galima jau dabar. Ir čia kalba sukasi ne tik apie didžiųjų automobilių gamintojų eksperimentus su kuro elementais, bet ir apie gerokai arčiau kasdienybės esančius dalykus.

„Vandenilį galima purkšti tiesiai į vidaus degimo variklius. Itin patrauklu yra tai, kad variklių konstrukcijos net keisti nereikėtų – pakaktų sumontuoti vandenilio rezervuarus automobilyje ir šiek tiek patobulinti variklio maitinimo sistemą. Didžiausia problema yra ta, kad vandenilio tankis itin mažas, todėl cilindruose susiformuoja nedaug energijos generuojantis degusis mišinys. Palyginti su benzinu, vandenilinės „dietos“ besilaikantis variklis yra maždaug dvigubai silpnesnis. Vienas galimų sprendimų – vandenilio purškimas ne į įsiurbimo kolektorių, o tiesiai į degimo cilindrą po to, kai baigiasi oro įsiurbimo fazė. Tai leidžia pasiekti beveik identišką galingumą“, – pastebi S. Pukalskas.



Eksperimentus šioje srityje sėkmingai atlieka „Toyota“, BMW, „Hyundai“ bei keletas kitų pramonės gigantų. Tuo metu VILNIUS TECH laboratorijose  aktyviai testuojama įranga, leidžianti pradėti naudoti vandenilį iš esmės bet kuriame lengvajame automobilyje. Mokslininko teigimu, ji veikia panašiai į suskystintų naftos dujų (SND) sistemas.

„Variklis gauna ne gryną vandenilį, o maišytą su benzinu. Kokiomis proporcijoms šis „kokteilis“ ruošiamas, priklauso nuo galios poreikio. Pavyzdžiui, jei tenka į kalną kilti tempiant priekabą ir jėgos agregatas apkraunamas maksimaliai, į cilindrus purškiamas tik benzinas. Tačiau judant kreiseriniu tempu vandenilio dalis gali siekti net 90 proc. ir atitinkamai pakeisti CO2 išmetimo rodiklius. Rasti optimalias proporcijas skirtingiems gyvenimo atvejams, išmokyti automobilį jas atitinkamai koreguoti ir yra pagrindinis mūsų komandos uždavinys“, – sako VILNIUS TECH Automobilių inžinerijos katedros vedėjas.

Beje, vandenilis yra itin sprogi medžiaga: viso labo 4–75 proc. koncentracijos vandenilio ir deguonies dujų mišinys gali sprogti paveiktas vos 20 kJ jėgos. Tačiau drauge tai reiškia, kad jį uždegti variklio cilindruose reikia gerokai mažiau energijos. Drauge „SG dujos Auto“ kompanija įrengus vandenilines sistemas senuose Vilniaus gatvėmis kursuojančiuose autobusuose, pastebėta, kad gamtines dujas sumaišius su H2, akivaizdžiai atsigauna net labiausiai „sudrožti“ jėgos agregatai.

„Drauge tai reiškia papildomus iššūkius įrengiant vandenilio rezervuarus. Šios dujos suskystėja tik prie –257 °C – temperatūros, artimos absoliučiam „nuliui“. Todėl vandenilį reikia suslėgti iki maždaug 700 barų (palyginimui – įprastose dujinėse SNG sistemose slėgis siekia 16 barų), kad vienu rezervuaro užpildymu būtų įmanoma nuvažiuoti atstumą, bent šiek tiek pranokstantį didesnes baterijas turinčius elektromobilius. Tačiau rezervuaro problema tikrai yra išsprendžiama, o ir vandeniliu varomas „Toyota Mirai“ yra gyvas to įrodymas“, – sako S. Pukalskas.

Nors VILNIUS TECH mokslininkų eksperimentai su vandeniliu laikomi sėkmingais, vis dėlto jų rezultatų komercializavimo ir konvejerinės gamybos eskizai tebėra labai neryškūs. Dabartiniais skaičiavimais perdirbti įprastą lengvąjį automobilį atsieitų apie 7000 eurų. Tai reiškia, kad be papildomų dotacijų, vargiai, atsiras daug norinčių tai padaryti.