Ūdeņraža maldi

 Jā, mani draugi, es uzskatu, ka kādu dienu par kurināmo tiks izmantots ūdens, ka to veidojošais ūdeņradis un skābeklis, atsevišķi vai kopā lietots, nodrošinās neizsmeļamu siltuma un gaismas avotu, ar ko akmeņogles nav spējīgas mēroties. Kad ogļu iegulas būs izsmeltas, mēs sildīsimies ar ūdeni. Ūdens būs nākotnes ogles.

ASV enerģētikas politika

Gandrīz visi uzskata, ka ASV ir enerģētikas krīze, un gandrīz visi uzskata, ka mums vajadzīgs tehnoloģisks risinājums, kas nodrošinās ASV "enerģētisko neatkarību". Prezidents Bušs 2006. gada runā par stāvokli ASV pauda, ka tā ir "atkarīga no naftas" un ka ar naftas importu ASV finansē Rietumu civilizācijai naidīgas kultūras. Lai izārstētu šo pašiznīcinošo atkarību, Buša administrācija lika lielas cerības uz tā dēvēto "ūdeņraža ekonomiku". Tā laika enerģētikas sekretārs Spensers Abrahams klāstīja:

 Ar ūdeņradi var uzpildīt daudz vairāk nekā automašīnas un vieglās kravas automašīnas. Ar ūdeņradi darbināmi auto rada tikai ūdeni, nevis izplūdes gāzes. Ar ūdeņradi var darbināt kuģus, lidmašīnas un vilcienus. To var izmantot elektroenerģijas ražošanai, apkurei un kā izejvielu rūpnieciskiem procesiem. Mēs iztēlojamies nākotnes ekonomiku, kurā ūdeņradis ir Amerikas tīrās enerģijas pamats — elastīgs, cenas ziņā pieejams, drošs, iekšzemē ražots, tiek izmantots visās tautsaimniecības nozarēs un visos valsts reģionos. Vides piesārņojums vairs neradīs bažas, katrai tautai visa nepieciešamā enerģija būs pieejama pašiem, personīgo auto būs lētāk lietot un vieglāk uzturēt.

Tas izklausās lieliski. Galu galā ūdeņradis ir "visvieglākais un visizplatītākais elements Visumā". Diemžēl, tas ir nepamatots sapnis. Lai nopietni pievērstos enerģētikas politikai, Amerikai reizi par visām reizēm jāatsakās no "ūdeņraža laikmeta" viltus solījumiem.

Kopš 1990. gada ASV miljardiem dolāru ir piešķirti laboratorijām, autobūves uzņēmumiem, degvielas ražošanas uzņēmumiem un citiem saistītā ar ūdeņraža projektiem, kuriem nav praktiska pielietojuma. Izdotās summas nav galvenā problēma — valdība vienmēr izdod milzīgas summas nejēdzīgās programmās. Patiesā problēma ir tā, ka ASV administrācija totāli nespēj risināt nācijas neaizsargātību pret enerģētisko šantāžu. Ja mēs vēlamies panākt progresu šajā viskritiskākajā jautājumā, ir jāatmet mīts par "ūdeņraža ekonomiku". Tā ir slikta zinātne, slikta ekonomika un slikta enerģētikas politika.

Īsi par ūdeņradi

Ūdeņradis ir enerģijas avots tikai tad, ja to var dabūt tīrā veidā un ļaut tam reaģēt ar citu ķīmisku vielu, piemēram, skābekli. Bet viss ūdeņradis uz Zemes, izņemot to, kas atrodas ogļūdeņražos, jau ir oksidēts, tāpēc nekas no tā nav pieejams kā degviela. Ja vēlaties iegūt daudz nesaistīta ūdeņraža, tuvākā vieta ir Saules virsma. Bet šāda ūdeņraža piegāde varētu būt piņķerīga. Pēc Saules nākamais tuvākais brīvā ūdeņraža avots būtu Jupitera atmosfēra. Jupiteru ieskauj tik intensīvas radiācijas joslas, ka tās ir nāvējošas cilvēkiem un elektronikai. Tam ir arī masīvs gravitācijas lauks, kas būtiski apgrūtina ūdeņraža eksporta iespējas. To sarežģī arī 2,5 gadus ilgais lidojuma tranzīta laiks no Jupitera uz Zemi (kura laikā šķidrais ūdeņradis iztvaikotu) un, atgriežoties uz Zemes, ūdeņraža transportēšanas kapsula saskartos ar astoņreiz lielāku siltuma slodzi kā kosmosa atspoļkuģis, atgriežoties no orbītas ap Zemi.

Ja atliekam malā neticamās izredzes uzpildīt mūsu planētu ar ārpuszemes ūdeņradi, vienīgais veids, kā dabūt brīvu ūdeņradi uz Zemes, ir to sintezēt. Nelaime ir tā, ka ūdeņraža ražošanai nepieciešams vairāk enerģijas, nekā spēj nodrošināt šādi ražotais ūdeņradis. Tādēļ ūdeņradis nav enerģijas avots. Tas ir tikai enerģijas nesējs. Un, kā redzēsim, ārkārtīgi slikts nesējs.

Ūdeņradi var ražots no ūdens, izmantojot elektrolīzi. Bet tas ir ļoti dārgi – tik dārgi, ka šādā veidā tiek saražoti tikai 4% no visa ASV radītā ūdeņraža. Pārējo iegūst, sadalot ogļūdeņražus dabasgāzes pirolīzē vai ar akmeņoglēm ūdens tvaika reformācijā.

Neviens no ūdeņraža veidiem nav ekonomisks kā degviela. No ogļūdeņražiem izgatavota šķidrā ūdeņraža vairumtirdzniecības cena ir ap 6$/kg (ASV dolāri par kilogramu). Augstas tīrības pakāpes ūdeņradis, kas iegūts no elektrolīzes izmantošanai zinātnē, maksā ievērojami dārgāk. Ūdeņraža cena saspiestās gāzes balonos ir ap 100$ kilogramā. Salīdzinājumam — kilograms ūdeņraža satur apmēram tādu pašu enerģijas daudzumu kā 4l benzīna. Tas nozīmē, ka pat tad, ja pastāvētu ūdeņraža stacijas un būtu pieejami ūdeņraža automobiļi, neviens, kam būtu brīva izvēle, šādus transportlīdzekļus nekad nepirktu.

Pat ja esat starp tiem, kas vēlas vides labā upurēt brīvību un ekonomiskos apsvērumus, padomājiet divreiz. Tā kā ūdeņradis faktiski tiek iegūts reformējot ogļūdeņražus, tā izmantošana par kurināmo nesamazina siltumnīcefekta gāzu emisijas. Patiesībā tās krietni palielinās.

Ja ūdeņradi ražo, veicot dabasgāzes tvaika reformāciju, notiek sekojoša reakcija:

Papildu enerģija kreisajā pusē norāda, ka reakcija ir endotermiska (siltumu absorbējoša), un, lai to realizētu, ir nepieciešams ārējs enerģijas avots. To var iegūt, sadedzinot metānu:

Pieņemot optimistisku 70% efektivitāti, var reformēt 2,5 molus metāna par katru sadedzināto metāna molu, apvienojot abas reakcijas kopā mēs iegūstam:

Ņemiet vērā, ka sadedzinot 7 metāna molus mēs iegūstam septiņus ogļskābās gāzes molus —  tieši tik, cik būtu saražots, ja kā degvielu vienkārši izmantotu pašu metānu. Ja metānu sadedzinātu tieši, mēs iegūtu 6MJ enerģijas, bet no divdesmit moliem ūdeņraža iegūsim tikai 5,5MJ. Tātad sintezējot ūdeņradi par tādu pašu izplūdušā oglekļa dioksīda daudzumu ir saražota mazāka lietderīga enerģija.

Situācija gan ir daudz sliktāka, jo, pirms ūdeņradi var transportēt, tas ir vai nu jāsaspiež, vai jāsašķidrina. Lai to sašķidrinātu, tas jāatdzesē līdz 20K temperatūrai (20 grādi virs absolūtās nulles jeb –253 grādi pēc Celsija). Tik zemās temperatūrās termodinamikas pamatlikumi siltumsūkņus padara ārkārtīgi neefektīvus. Līdz ar to, lai ūdeņradi sašķidrinātu, jātērē aptuveni 40% tā enerģijas. Tādējādi mūsu produkta degvielas faktiskais neto enerģijas saturs tiek samazināts līdz 3,3MJ. Turklāt, lai tvertnes nesprāgtu, šķidro ūdeņradi ir vai nu nepārtraukti jādzesē, vai tam jāļauj vārīties un iztvaikot². Līdz ar to glabāšanas laikā enerģija zudīs vēl vairāk.

Ūdeņradi var nešķidrināt, bet tikai saspiest kā gāzi. Tas prasītu tikai ap 20% enerģijas. Problēma ir tā, ka tērauda tvertnes, kas spēj uzglabāt ūdeņradi 350 bāros, sver ap 60 reizes vairāk, nekā tajās esošais ūdeņradis. Tātad, lai transportētu 200 kilogramus saspiesta ūdeņraža, kas pēc enerģijas ir aptuveni vienāds ar 800l (litriem) benzīna, būtu nepieciešama kravas automašīna, kas spēj vilkt 13 tonnu kravu.

Tērauda tvertņu vietā varētu izmantot ar oglekļa šķiedru armētas tvertnes, kas sver tikai desmit reizes vairāk nekā tajās esošais ūdeņradis. Tad 13 tonnu kravas vietā būtu tikai divas tonnas. Bet šādas tvertnes ir ļoti dārgas un ekonomiski tas joprojām ir bezcerīgi. Pie tam oglekļa šķiedras tvertnēm ir zema triecienizturība, padarot saspiestu ūdeņradi transportējošās automašīnas par nāvējošām bumbām uz šosejas.

Teorētiski, nerēķinoties ar izmaksām, varētu būvēt ūdeņraža cauruļvadu sistēmu līdzīgi metānam. Tā kā ūdeņradis ir ļoti neblīvs, tā enerģijas saturs tilpuma vienībā, salīdzinot ar metānu, ir mazāks kā 1/3 daļa, šīm caurulēm vajadzētu būt lielākām. Vēl viena svarīga problēma ir tā, ka mazās ūdeņraža molekulas ir izcili migranti. Ūdeņradis var ne tikai viegli izkļūt caur vissīkāko blīvējuma bojājumu, bet pat sūcas cauri tēraudam. Tādējādi ūdeņraža cauruļvadu sistēmā būtu daudz lielāki zudumi kā līdzīgai metāna sistēmai. Ūdeņradim šķīstot metālos, tie kļūst trausli un ar laiku draudētu izraisīt cauruļvadu, vārstu, uzglabāšanas tvertņu bojāšanos un citu elementu avārijas. Tāpēc tie būtu regulāri jāuzrauga, jāpārbauda un jāmaina. Pretējā gadījumā ūdeņraža sadales sistēma kļūtu par nepārtrauktu katastrofu avotu.

Ņemot vērā visas tehniskās grūtības, ūdeņraža izplatīšana mazumtirdzniecībā no liela apjoma centrālajām rūpnīcām praktiski nav iespējama. Visas idejas, kas paredz ūdeņradi pārvērst kādā ogļūdeņradī un atpakaļ ir vienkārši smieklīgas. Jo metāns vai metanols, ko izmantotu kā starpnieku ūdeņraža izgatavošanai, būtu labāks kā degviela, kas satur vairāk enerģijas, mazākā apjomā un par zemākām izmaksām nekā no tā iegūtais ūdeņradis.

Tikpat bezjēdzīga ir ideja par ūdeņraža ražošanu, izmantojot ūdens elektrolīzi uz vietas uzpildes stacijās sekojošā reakcijā:

Pieņemot 85% efektivitāti, ūdeņraža ražošanai, izmantojot elektrolīzi, nepieciešami 163MJ/kg. Tāpēc stacijai, lai saražotu vienu tonnu būtu nepieciešami 163GJ jeb 45MWh dienā. Ņemot vērā līdzīgo enerģijas attiecību 1kg H₂ pret 1l benzīna, saprātīga ūdeņraža cena varētu būt 0,20$ par kilogramu. Lai no ūdeņraža pārdošanas iegūtu pieticīgus ieņēmumus 200$ dienā, būtu jāpārdod 1 tonna. Ar elektrības cenu 0,06$/kWh elektrības rēķins būtu 2700$ dienā. Papildus tam ir jāierēķina iekārtu iegādes, uzstādīšanas un amortizācijas izmaksas, un jāapdrošina atbildība par augstspiediena vai kriogēnām ūdeņraža tvertnēm.

Tas būtu acīmredzams ekonomiskais vājprāts. Par izdotiem vairākiem tūkstošiem dienā varētu nopelnīt vien 200 dolārus, ja vien katru dienu izdotos atrast piecdesmit klientus, kas būtu gatavi maksāt trīskāršu cenu, salīdzinot ar enerģijā līdzvērtīgu fosilo degvielu.

Ūdeņraža automašīnu problēmas

Lai apspriestu ūdeņraža ekonomiku, jābūt kā  Lūisa Kerola Karalienei grāmatā "Alise aizspogulijā", kura dažkārt "pirms brokastīm noticēja sešām neticamām lietām". Ignorēsim fundamentālus fizikas ierobežojumus, ūdeņraža ražošanas, uzglabāšanas un pārvadāšanas izmaksas un turpināsim vētīt ūdeņraža automašīnas. Lai ūdeņradi automašīnā izmantotu kā degvielu, tas jāglabā automašīnā. Tāpat kā stacijā, to varētu darīt vai nu kriogēna šķidra ūdeņraža veidā, vai arī kā stipri saspiestu gāzi. Abos gadījumos saskaramies ar nopietnām problēmām, ko rada mazais ūdeņraža blīvums. Ja izmanto šķidru ūdeņradi 20kg (līdzīgs enerģijas daudzums 70l benzīna), būtu nepieciešama izolēta kriogēnās degvielas tvertne ar tilpumu ap 280l. Ja tvertni nedzesē un ļauj ūdeņradim tajā iztvaikot, jebkura noslēgta apkārtne kļūtu sprādzienbīstama. Jo ūdeņradis ir sprāgstošs, kad tā koncentrācija gaisā ir 4% līdz 75%, bet tā aizdedzināšanai nepieciešamā minimālā enerģija ir ap 1/20 daļa no benzīnam vai dabasgāzei nepieciešamās enerģijas.

Saspiests ūdeņradis ir tikpat nelietojams kā šķidrais. Ja tiktu izmantots 350 bāros saspiests ūdeņradis, tvertnei būtu nepieciešami 650l, jeb astoņas reizes lielāka par degvielas tvertni. Tā kā tai būtu jāiztur augsts spiediens, šo tvertni nevarētu veidot neregulārā formā. Tai būtu jābūt vienkāršam cilindram ar kupolu, kas būtiski samazinātu lietojamo telpu automašīnā. Ja tā būtu izgatavota no trieciendroša tērauda, šāda ūdeņraža tvertne svērtu 1,3 tonnas — apmēram tikpat, cik pati automašīna! Ja izmantotu oglekļa šķiedrām armētu tvertni, tā būtu vieglāka bet daudz nedrošāka pret triecieniem autoavārijās.

Iekšdedzes dzinējs pēc būtības ir neefektīvs, jo 2/3 enerģijas pārvērš siltumā. Tā vietā varētu izmantot ūdeņraža šūnas, kas elektroķīmiskā procesā rada elektrību. Šādas sistēmas priekšrocība ir tā, ka tai nav kustīgu daļu (izņemot mazus sūkņus). Tomēr, neraugoties uz degvielas šūnu veiksmīgo izmantošanu kosmosa programmās un daudzu miljardu dolāru lielajiem pētniecības un attīstības fondiem, degvielas šūnas nav komerciāli pielietojamas.

Iemesli tam ir trīs. Pirmkārt, uz zemes sistēmai ir jāstrādā gadus nevis dažas nedēļas kā kosmosa kuģī. Otrkārt, automašīnai skābeklis jāņem no atmosfēras, kurā ir ne tikai putekļi, bet arī slāpeklis, oglekļa dioksīds, oglekļa monoksīds un daudzi citi piemaisījumi. Tie piesārņo katalizatorus un padara tos arvien neefektīvākus. Treškārt, degvielas šūnas ir ļoti dārgas. NASA katrai kosmosa kuģa palaišanai tērē simtiem miljoniem dolāru, un ūdeņraža šūnu sistēma, kas maksā simtus tūkstošu, nav būtiska. To nevar teikt par automašīnu.

Plašāk pielietotā degvielas šūnu tehnoloģija ir protonu apmaiņas membrāna (PEMFC), kurā izmanto platīna katalizatoru, tāpēc sistēmas izmaksas ir ap 7000$/kW. Vidusmēra auto vajadzētu līdz 75kW jaudas, ar kopējo šūnu cenu ap pusmiljonu dolāru. Pētījumos ir pierādīts, ka atmosfēras piemaisījumu dēļ degvielas šūnu kalpošanas laiks ir 1/5 no iekšdedzes dzinēju kalpošanas laika. Kā vēstīja tendenču industrijas analītiķis F. Deivids Dotijs, auto ar PEMFC degvielas šūnām ir pat 400 reizes dārgāks nekā dīzeļdzinējs.

Protams, izmaksas laika gaitā varētu tikt samazinātas, tomēr tās nemazināsies tik daudz, lai kompensētu ārkārtīgi augstās degvielas šūnu un ūdeņraža degvielas izmaksas, ūdeņraža glabāšanas un pārvietošanas neefektivitāti un bīstamību.

Ja ūdeņraža ražošanai nepieciešamā enerģija iegūtu nevis no fosilā kurināmā, bet kā elektrību no kodolenerģijas, hidroenerģijas, vēja vai saules enerģijas, tās izšķiešana ūdeņraža ražošanai joprojām ir neefektīva un dārga. Daudz efektīvāk, vienkāršāk un tāpēc pareizāk ir izmantot šo enerģiju kā elektrību.

Neskatoties uz šiem neērtajiem faktiem, ASV Enerģētikas departaments turpina atdot miljardiem dolāru nodokļu maksātāju naudas lielākajām autobūves kompānijām un degvielas šūnu attīstības partneriem, lai ražotu ar ūdeņradi darbināmus autošova spēkratus. Aģentūra atkārtoti apgalvo, ka uz Amerikas šosejām drīz parādīsies desmitiem tūkstoši šādu automašīnu, bet patiesība ir vismaz simtiem reižu knapāka par prognozēm.

Reāls enerģijas risinājums

Problēma nav tikai ekonomiska, bet politiska, jo atklāsme par realitāti politiķiem nepienāk ātri. Jo ilgāk dzīvosim ūdeņraža maldos, jo ilgāk nebūs enerģētikas politikas, kas patiesi kalpo Amerikas interesēm – ekonomiskajām, vides un ģeopolitiskajām. Par laimi, ir arī labas ziņas. Etanols un metanols ir praktisks šķidrais kurināmais, kuru var izmantot esošā fosilās degvielas infrastruktūrā par ražošanas cenām, salīdzināmām ar benzīnu. 2006. gadā metanols tika pārdots par nesubsidētu cenu zem 0,2$/l, kas pēc enerģijas ir  līdzvērtīgs 0,4$/l. Metanols ir daudz pievilcīgāks enerģijas neatkarības nodrošināšanai, jo to var izgatavot no jebkāda veida biomasas, oglēm, metāna vai sadzīves atkritumiem — plaši pasaulē pieejamiem resursiem.

Diemžēl, lielākā daļa esošo automašīnu to nevar izmantot. Ir vajadzīga valdības rīcība, lai pārtrauktu naftas karteļu un degvielas piegādes monopolus. To varētu izdarīt, nosakot, ka visiem jaunajiem automobiļiem, neatkarīgi no tā, vai tie ir ārvalstu vai vietējas izcelsmes, jāspēj darboties ar jebkādu degvielu. Tas radītu pietiekamu tirgu, lai izveidotu augsta alkohola satura degvielas sūkņu tīklu un pamazām atteiktos no fosilās degvielas.

Tā vietā, lai atdotu savu naudu Saūda Arābijas prinčiem un islāmistu fanātiķiem, mēs varētu atdot to pasaules zemniekiem, ogļračiem un citiem cilvēkiem, kas gādā savu iztiku ar reālu darbu. Tā vietā, lai finansētu terorismu, mēs varētu finansēt pasaules attīstību. Tā izskatītos nopietna enerģētikas politika.

1. ^ Roberts Zubrins ir aeronautikas inženieris un Marsa sabiedrības vadītājs. Šeit publicēta viņa raksta saīsināta, SI vienībās skaidrota versija.
2. ^ Tā dara, piemēram, kosmiskajās raķetēs, kur uzglabāšanas laiks nepārsniedz dažas stundas.