Zoran Srdić Janežič, Cveto Kunešević
ZASNOVA AVTONOMNEGA ZRAČNEGA PLOVILA ZA
TRANSPORT VODE IN VODIKA V PLINASTEM
STANJU KOT ENERGETSKEGA VIRA
Zoran Srdić Janežič, Cveto Kunešević
ZASNOVA AVTONOMNEGA ZRAČNEGA
PLOVILA ZA TRANSPORT VODE IN VODIKA V PLINASTEM STANJU KOT ENERGETSKEGA VIRA
POVZETEK
Vodik je najbolj razširjen element v vesolju in voda je najbolj bogat vir vodika na Zemlji. Pridobivanje vodika iz vode je možno preko različnih postopkov: elektrolize, termolize, fotolize, s kemičnimi (AlO, ...) ali biološkimi (Chlamydomonas reinhardtii, ...) postopki, če se jih našteje le nekaj. Na poti v brezogljično družbo se tako pojavlja vodik kot sekundarni nosilec energije, ki se uporablja z zgorevanjem, parno turbino ali se neposredno pretvorbo v elektriko preko gorivnih celic. Kot ena izmed največjih težav se pojavlja transport vodika z mesta proizvodnje na mesto porabe.
Kljub relativni čistosti proizvodnje in ob zagotovotvi varnostnih zahtev, da bi se proizvodnja vodika lahko vršila tudi v urbanih naseljih, se zaradi načina proizvodnje vodika dostikrat omenjajo off-shore lokacije: predvsem mesta kjer je veliko sonca ter vode skozi celo leto: npr. ob ekvatorju, kar bi lahko pomenilo uporabiti manj rodovitno zemljo, da bi na njej zgradili elektrarne, ki bi lahko omogočale tudi sekundarne kmetijske površine pod npr. sončničnimi celicami. Predlog zasnove avtonomnega zračnega plovila za transport vode in vodika v plinastem stanju preseli offshore lokacijo elektrarne na odprto morje, s čimer ne ruši ekološkega ravnovesja določene krajine ter lahko dostavlja vodo in vodik v odročne kraje z minimalno porabo energije, po zaslugi vzgona. Proizvodnja vodika na odprtem morju bi omogočala tudi proizvodnjo kisika kot sekundarne surovine, ki bi ga spuščali nazaj v morje.
PREDSTAVITEV
Vodik je najbolj razširjen element v vesolju. Kot gorivo ima visoko kalorično vrednost in največjo gostoto energije na enoto mase. Reagira lahko s kisikom ter proizvaja vodo in energijo. Zaradi teh prednosti velja vodik za najprimernejši nosilec čiste energije, ki lahko nadomesti fosilna goriva v prihodnosti [1-5]. Vendar vodik ni prosto dostopen v naravi in ga je treba proizvajati iz razgradnje drugih kemikalij, kot so ogljikovodiki. Parni reforming ogljikovodikov (običajno zemeljskega plina) je trenutno glavna tehnika za proizvodnjo vodika, vendar se pri tej tehniki uporablja neobnovljive vire energije in proizvaja velike količine CO2 [4,5]. Šteje se, da je cepitev vode za naravo najbolj prijazna tehnika za proizvodnjo vodika [4].
Voda je najbolj bogat vir vodika na Zemlji. Obstaja več tehnik za cepljenje vode in proizvodnjo vodika [4]: (i) termolitično oziroma termično cepljenje vode, ki je zapleten proces in zahteva zelo visoke temperature; (ii) elektroliza vode, pri kateri se lahko kot vir uporablja sončna energija električne energije, vendar je precej draga; in iii) fotokatalitsko pridobivanje vodika, pri katerem se uporablja le le fotokatalizator in sončno energijo, vendar je učinkovitost metode prenizka. Druga tehnika za pridobivanje vodika je reakcija med vodo in ostanki alkalnih kovin in Al (hidroliza tehnika).
Iz članka: Fan Zhang , Kaveh Edalati, Makoto Arita and Zenji Horita:
Hydrolytic Hydrogen Production on Al–Sn–Zn Alloys Processed by HighPressure Torsion, MDPI Materials 2018, prevod deepl.com
Vodik je najlažji plin v celotnem vesolju. En liter tega plina pri normalnem atmosferskem tlaku tehta le 90 mg, kar pomeni, da je enajstkrat lažji od zraka, ki ga dihamo. Za shranjevanje 1 kg vodika je potrebna prostornina približno 11 m3 – 1 kg vodika v plinastem stanju je tudi količina, ki je potrebna za prevoz 100 km. V primeru komercialnih vozil bi bila shramba za gorivo v velikosti cisterne, zato je smiselno vprašanje večanja vodikove gostote v smeri skladiščenja pod visokim tlakom v plinasti obliki (125 literska jeklenka vsebuje 5 kg vodika), skladiščenja pri zelo nizkih temperaturah v tekoči obliki, skladiščenja v trdni obliki na osnovi vodika, pri čemer se kot ena izmed težav kaže v korozivnosti vodika, ki lahko vpliva na ventile shranjevalnih komor; po drugi strani pa se lahko smiselnost vprašanja večanja gostote vodika vodi v smer skladiščenja v drugačnih nosilcih: metan, metanol, dimetil eter, etanol, amonijak itd. Pri vseh slednjih pojavnih oblikah je največja težava iskanje skupnega imenovalca kot osnova za standardizacijo goriv.
V predlogu izdelave zračnega plovila lažjega od zraka za
dostavo vode in vodika v plinastem stanju kot energetskega vira predlagamo avtonomno zračno plovilo, ki izkorišča naravno danost vodika v plinastem stanju in je zato lažje od zraka. Zračno plovilo je zasnovano, da lahko navigira skozi prostor po zaslugi tega vzgona ter s krmiljenjem preko motorjev zračnih blazin. Energijo, ki jo porablja pridobi zgolj iz sončnih celic, ki so na vrhu plovila, alternativna poraba goriva se v izrednih situacijah vrši preko gorivnih celic.
Zračno plovilo je v osnovi sestavljeno iz:
- spodnje školjke, ki nosi tri motorje, tri zračne blazine, rezervoar za vodo in dovolj volumna za vodik, da lahko plovilo s praznim rezorvoarjem navigira skozi zračni prostor,
- zgornje školjke, na kateri so sončne celice, ter - napihljivih prekatov, ki vsebujejo vodik za transport na določeno lokacijo skupaj s polnim rezervoarjem vode na dni kot utežjo. V primeru polnega zračnega plovila se višina plovila poviša za štiri (4) prekate.
Za črpanje vode in vodika je predvidena avtonomna polnilna platforma, ki je sidrana na vodni gladini in omogoča proizvodnjo: vodika v plinastem stanju preko elektrolize (1), razsoljevanje morske vode preko povratne osmoze (2) ter proizvodnjo stranskih produktov (klor, natrij, sol se skladišči, medtem ko se kisik v plinastem stanju preko cevk spušča nazaj v morje in dodatno bogati morsko vodo s kisikom – 3).
Patforma zaradi sidrana na morski vodi ne zavzema zemljišča s čimer se manjša možen infrastrukturen vložek (najem oziroma odkup zemljišča, pridobitev dovoljenj, komunalna ureditev) ter s tem ne posega v prostor in krajino na kopnem.
Platformo na vrhu držijo rezervoarji, ki se jih polni z razsoljeno vodo. V posamezno platformo se lahko usidra sedem plovil, proces polnjenja vodika in rezervoarja za pitno vodo je avtomatiziran.
Na mestu porabe vode in vodika je postavljena platforma za po eno zračno plovilo. Ta platforma omogoča, da se prečrpa voda v rezervoarje na kopnem ter kompresira vodik v jeklenke za nadaljno uporabo. Izpraznjeno plovilo ima zadosti vodika, da se lahko vrne do polnilne platforme.
Ker zračno plovilo uporablja nekompresiran vodik, ker ga upravlja avtonomen računalniško nadzorovan sistem in ker pluje po zraku in ni odvisen od prometne infrastrukture je zaradi tega energijsko med najbolj varčnimi predlogi za transport vodika in vode v odročne kraje.
Alternativna uporaba zračnega plovila pa bi
lahko bila visoko v zraku kjer bi z izgorevanjem vodika lahko ustvarili oblaček, z izpustom vode dežne kaplje.
Dodatno gradivo o vodiku
Uvod iz knjige Michaela Franka Hordeskija: Hydrogen & Fuel Cells: Advances in Transportation and Power, The Fairmont Press, 2009
VODIK JE OSNOVNI ELEMENT
Nastanek vodika se začne s teorijo velikega poka v vesolju, ko so pred 15 milijardami let prvič nastali atomi vodika. Gravitacija je delovala kot prvotna sila, ki je povzročila kondenzacijo vodika v ogromne oblake, ki so se razblinili v zvezde, te pa porabijo vodik kot gorivo. Ko večje zvezde z ustrezno maso nimajo več dovolj vodika, nastane supernova, ki se nato pretvori v težje elemente. Te velikanske tvorbe molekularnih oblakov, ki so skoraj v celoti sestavljene iz vodika, so najbolj masivna telesa v galaksijah. Gravitacija sčasoma povzroči, da se vodik stisne, dokler se ne združi v težje elemente.
Brez energije, ki jo oddaja Sonce, življenje, kot ga poznamo, ne bi moglo obstajalo. Glavno gorivo za sonce in druge zvezde je vodik, medtem ko je gravitacija tista sila, ki omogoča, da sonce in druge zvezde gorijo. Naše sonce porabi približno 600 milijonov ton vodika vsako sekundo. Ko se ta vodik združi v helij, se fotoni sproščajo kot elektromagnetna energija,ki se sčasoma znajdejo v zemeljskem ozračju kot sončna energija. Ta sončna energija je posledica jedrske fuzije, medtem ko jedrska fizija poteka v komercialnih jedrskih reaktorjih. Brez te energije ne bi bilo življenja, ne bi bilo fosilnih goriv, vetra ali celo drugih elementov v naši na svetu.
Vodik je bil odkrit leta 1766, ko je angleški kemik Henry Cavendish opazil nekaj, kar je imenoval vnetljiv zrak, ki se je dvigal iz cinkožveplove kisline. V 18. stoletju ga je identificiral in poimenoval Antoine Lavoisier, ki je dokazal, da ta vnetljivi zrak v zraku gori in tvori vodo. Določil ga je kot element in ga poimenoval vodik, kar v grščini pomeni voda. Vodik je najpreprostejši element, najlažji in najobsežnejši od ostalih v vesolju. Sestavlja več kot 90 % vesolja, 60 % človeškega telesa v obliki vode. Kot najosnovnejši element ne more biti nikoli izčrpan, saj se reciklira v relativno kratkem času. Protoni in elektroni so osnovne sestavine vodikovega atoma, ti atomi so osnovni gradniki drugih elementov, ki jih sestavljajo in kot se pojavljajo v naravi. Atomsko število atoma je enako številu protonov, vodikovih jeder ali elektronov v elementu. Vodik z enim protonom in enim elektronom ima atomsko število 1. Ogljik ima šest protonov in šest elektronov ter ima atomsko število 6. Pozitivno protonsko število in negativni naboj elektrona imata naravno privlačnost drug drugemu.
Vodikovi atomi in drugi subatomski delci bi se še naprej zaradi sile velikega poka naprej širili, vendar pa je gravitacija povzročila, da so se ti delci združili v velike mase. Ko se je masa povečevala, se je gravitaci-
jska sila povečevala, sčasoma pa sta se sila in pritisk postala dovolj velika, da so se medzvezdni oblaki vodika sesedli zaradi česar so vodik in drugi delci trčili. Posledica teh trkov so dovolj visoke temperature in pritisk, da se vodik pretvori v helij in nastane zvezda. Zvezda se hrani z zalogami vodika, štiri vodikova jedra se zlijejo v eno težje helijevo jedro. Težji helijevi atomi tvorijo gosto in vroče jedro. Ko je zvezda porabi večino vodika, začne zgorevati ali taliti helij, ki se pretvori v ogljik in nato v kisik. Bolj ko je zvezda masivna, višje so temperature v središču in v poznejših fazah. Ko je helij porabljen, zvezda ogljik in kisik pretvori v težje atome neona, magnezija, silicija ter celo srebro in zlato. Na ta način nastanejo vsi zemeljski elementi.
Vodik je mogoče pridobivati iz različnih virov, saj je v skoraj vseh od biološkega tkiva in DNK do nafte in bencina, papirja, človeških odpadkov in vode. Lahko se proizvaja v jedrskih elektrarnah, sončnih elektrarnah, vetrnih elektrarnah, oceanskih termoelektrarnah ali zelenih elektrarnah. Ko vodik zgoreva v zgorevalni, lahko tvori visokotlačno pregreto paro, ki se lahko usmeri neposredno v turbino. To bi lahko zmanjšalo investicijske stroške elektrarne za polovico. Med zgorevanjem vodika načeloma ni onesnaževanja.
Dragi sistemi za nadzor onesnaževanja, ki lahko predstavljajo skoraj tretjino vrednosti kot pri običajnih elektrarnah na fosilna goriva, niso potrebni. To bi moralo omogočiti tudi, da se elektrarne nahajajo bližje stanovanjskim in poslovnim objektom, kar zmanjšuje stroške prenosa električne energije in izgube na daljnovodih. Ker vodik gori čisto in reagira s kisikom je zato bolj zaželen kot fosilna goriva in bolj zaželjen v vseh industrijskih procesih. Na primer, neposredna redukcija železa ali bakrove rude lahko izvedemo z vodikom namesto taljenja s premogom ali nafto v plavžu. Vodik se lahko uporablja v običajnih prezračevalnih gorilnikih brez odzračevanja. To bi omogočilo uporabo skoraj 30 do 40 % energije zgorevanja običajnih gorilnikov, ki se izgublja kot toplota in stranski produkti zgorevanja.
NOSILCI ENERGIJE
Vodik je znan kot sekundarni nosilec energije namesto primarnega. Energija je potrebna za pridobivanje vodika iz vode, zemeljskega plina ali druge spojine, ki vsebuje vodik. Ta predstavitev ni natančna, ker predpostavlja, da so primarni viri energije sončna energija, premog, nafta ali jedrska energija, vendar se za njihovo pridobivanje še vedno porablja energija. Iskanje, pridobivanje in dobava tako imenovanih primarnih virov energije zahteva energijo in velike naložbe, preden jih je mogoče uporabiti. Premog in zemeljski plin sta bližje pravim primarnim virom energije, saj ju je mogoče neposredno sežgati z malo ali nič predelave, vendar je za pridobivanje teh virov še vedno potrebna
energija, potrebno jih je dostaviti do kraja, kjer je energija potrebna. Tudi če ni potrebno vrtanje nafte iz plitvih vrtin ali bazenov, je energija še vedno potrebna za črpanje, rafiniranje in dostavo. Številni okoljski problemi so posledica iskanja, prevoza in izgorevanja fosilnih goriv. Ko pa se kot gorivo uporablja vodik, je njegov stranski produkt predvsem vodna para. Ko vodik zgoreva v zrak, ki vsebuje dušik, lahko nastajajo dušikovi oksidi, kot so v bencinskih motorjih. Ti oksidi se v vodikovem motorju skorajda ne pojavljajo z znižanjem temperature zgorevanja v motorju. Nekateri testi so pokazali, da je zrak iz motorja na vodik čistejši od zraka, ki vstopa v motor. Kisli dež, tanjšanje ozonske plasti in kopičenje ogljikovega dioksida bi se lahko z uporabo vodika močno zmanjšalo.
Vodik je po izločitvi nenavadno čista energija. Dovolj je čist, da ga lahko ameriški program vesoljskih raketoplanov uporablja kot energent; gorivne celice za delovanje električnih sistemov raketoplana, medtem ko posadka uporablja stranski proizvod pitne vode. Vodik je lahko alternativa ogljikovodikovim gorivom, kot je bencin s številnimi možnostmi uporabe, vendar mora biti njegova proizvodnja relativno varna in uporaba. Vodikove gorivne celice se lahko uporabljajo za pogon avtomobilov, tovornjakov, električnih elektrarne in stavbe, vendar ni infrastrukture za proizvodnjo in skladiščenja velikih količin vodika zavira njegovo rast in praktičnost. Čeprav je tehnologija za elektrokemično energijo znana že od leta 1839, gorivne celice še vedno niso v široki uporabi. Elektrokemični proces omogoča, da imajo gorivne celice malo gibljivih delov ... Gorivne celice delujejo podobno kot baterije, le da združujejo gorivo, običajno vodik, in običajno kisik iz zraka, brez zgorevanja.
Pri termokemičnem cepljenju vode se kemikalije in toplota uporabljajo v več fazah korakih razdeli vodo na vodik in kisik. Fotoliza je fotoelektrokemična ki za cepitev vode uporablja sončno svetlobo in katalizatorje. Pri biološkem in fotobiološkem cepljenju vode se uporabljajo sončna svetloba in biološki organizme. Pri termični delitvi vode se uporablja visoka temperatura 1000 °C. Pri uplinjanju biomase se za razgradnjo različnih surovin iz biomase uporabljajo mikrobi. Nekatere od prvih oblik življenja na Zemlji so bile fotosintetične alge, ki so obstajale pred približno 4 milijardami let. Hidrogenaza je encim, ki se lahko uporablja pri pridobivanju vodika iz ogljika. Klorofil uporablja sončno svetlobo za pridobivanje vodik iz vode. V prihodnosti bo razvoj na področju mikrobiologije, molekularne biologije in nanotehnologije pričakuje, da bodo biološki sistemi za proizvodnjo vodika v celoti uresničili. Stroški so ena od ovir, ki preprečujejo, da bi se vodik uporabljal v večji meri kot gorivo. Za uporabo vodika so potrebne številne spremembe v energetski infrastrukturi.
Za mnoge metode proizvodnje vodika je potrebna električna energija in zaradi stroškov te električne energije jeta proizvodnja vodik dražja od uporabe vodika, ki je potreben za proizvodnjo električne energije. Druga težava je vnetljivost vodika, saj se lahko vžge v nizkih temperaturah in koncentracijah in lahko uhaja skozi tesnila. Puščanje pri prevozu in skladiščenju bi lahko predstavljala tveganje za javno varnost. Prevoz bencina in skladiščenje predstavlja podobno nevarnost za javno varnost. Starejša skladišča bencina rezervoarji na bencinskih črpalkah so puščali in onesnažili podtalnico na številnih lokacijah. Izpuščeni plinovod je onesnažil tla v Kaliforniji, zaradi česar je bilo treba porušiti in jih na novo zgraditi.
PROIZVODNJA VODIKA
Vodik se lahko pridobiva iz zemeljskega plina, bencina in plina iz premoga, metanola, propana, odlagališčnega plina, biomase, anaerobnega digestorskega plina, drugih goriv, ki vsebujejo ogljikovodike in vode. Pridobivanje vodika iz vode je energetsko intenziven postopek, imenovan elektroliza ...
Vodik se lahko proizvaja z razcepitvijo vode (H2O) na sestavino vodik (H2) in kisik (O) ... Eden izmed načinov tvorjenja vodika iz zemeljskega plina je proces pri katerem metan in drugi elementi pretvorijo ogljikovodike v zemeljskem plinu v vodik in ogljikov monoksid z uporabo reakcije pare nad nikljevim katalizatorjem. Druga metoda je elektroliza, ki z električnim tokom razdeli vodo v vodik na katodi (priključek +) in kisik na anodi (priključek -). Elektroliza s paro dodaja temu procesu še toploto, ki zagotavlja del energije, potrebne za delitev vode, zaradi česar je postopek energetsko učinkovitejši. Pri vodiku iz obnovljivih virov, njegova proizvodnja in uporaba, postane del čistega in naravnega cikla.
SKLADIŠČENJE IN PREVOZ
Vodik se lahko skladišči in prevaža kot stisnjen plin – kriogena tekočina ali v trdnem stanju. Tekoči vodik je po vsebnosti bližje bencinu, po prostornini in masi ... Vodik se lahko prevaža v podzemnih cevovodih, tovornjakih cisternah ali ladjah. Vodikovi cevovodi lahko prenašajo tako plinasti kot tekoči vodik. Čeprav je to morda težko, je potrebno več sodelovanja med proizvajalci vozil, proizvajalci goriv in vlado. Infrastruktura za proizvodnjo in dobavo goriv se lahko razvija po potrebi pri čemer večino zagona dajejo sile prostega trga. Vendar pa bo treba uskladiti izbiro goriv in prilagoditi načine potrebne za uporabo teh goriv.
Kombinacija razpoložljivih alternativnih goriv bi se morala razvijati skupaj z najverjetnejšo izbiro na katero vplivajo številni tehnični, politični in tržni dejavniki. Da bi omogočili širšo uporabo alternativnih goriv, bi bilo treba premagati številne ovire. Te ovire vključujejo gospodarske, tehnološke in druge, kot tudi infrastrukturna vprašanja. V preteklosti je bilo bencina veliko in ta
v primerjavi z drugimi gorivi precejšnjo cenovno prednost. To bi lahko hitro spremenil tako, da bi alternativna goriva morala postati bolj običajna.
in kompaktnejše rezervoarje za shranjevanje energije iz ogljika. Letala, ladje in stavbe lahko uporabljajo nove oblike ogljikovih materialov, ki so veliko močnejši, bolj odporni proti koroziji in vzdržijo višje temperature kot jeklo ...
STROŠKOVNA VPRAŠANJA IN TRAJNOSTNA ENERGIJA
Računovodje in ekonomisti običajno upoštevajo stroške sodčka nafte, tone premoga ali term zemeljskega plina kot strošek prevzema in prodaje, pri čemer so nadomestitveni stroški zanemarljivi. Če se nadomestitveni stroški nafte uporabi za cena bencina na črpalki, bi bili avtomobili veliko bolj varčni. Če bi upoštevali nadomestitvene stroške energije, bi zemeljski plin že desetletja ne bi izpuščali zemeljskega plina iz naftnih polj. Ko se ovrednotijo zunanji stroški uporabe fosilnih in jedrskih goriv, vključno z okoljske predpise in stroške zdravstvenega varstva, vključimo v ceno bencinskih izdelkov, postane vodik eno najcenejših goriv. Mnogi menijo, da je zakonodajni sprožilni mehanizem za vodik je sprejetje zakona o poštenem računovodstvu, ki bo zagotovil, da bo vodik bo vodik najcenejše gorivo.
Družba mora postati bolj trajnostna, da bi ohranila vire, ki omogočajo tudi večjo produktivnost ljudi. Popolnejša ekonomska analiza in računovodstvo bi spodbudila večjo učinkovitost gospodarskega razvoja in spodbujala prihodnost s trajnostno blaginjo. Problemi naraščajočih potreb po vse manjših virih so bili pomembni v sodobnih bojih za več naftnih virov. V drugi svetovni vojni sta Japonska in Nemčija potrebovali dostop do nafte. Omejitev tega dostopa je bila del zavezniških prizadevanj za končanje druge svetovne vojne. V zadnjem času je bilo bojih za nadzor nad Organizacijo držav izvoznic nafte (OPEC) in drugih območij, bogatih z nafto, vključno s potmi od tujih naftnih do trgov.
Priložnosti za izkoriščanje sončne energije, vetra, valovanja, padajoče vode in virov odpadkov iz biomase bodo po napovedih presegle bogastvo, ustvarjeno z izkoriščanjem nafte. Napredovanje po naftni dobi pomeni pomembno ekonomijo širjenja bogastva iz energetsko intenzivnega blaga in storitev z obnovljivimi viri energije.
Ker nas energetsko učinkovite tehnologije pomagajo osvoboditi od fosilnih goriv, bodo imeli potrošniki na voljo širši in bolj raznolik nabor energetskih virov, kar gospodarstvo bo močnejše, svet pa stabilnejši. Z ogljikom ojačani izdelki, za proizvodnjo katerih je potrebno manj energije in so desetkrat močnejši od jekla, lažji od aluminija in odvajajo več toplote kot baker, se lahko vedno bolj uporabljajo za zmanjšanje teže vozil, izboljšali zmogljivost naprav in orodij ter povečali učinkovitost sistemov za prenos toplote. Druge oblike ogljika bodo zagotovile super polprevodnike in napredno optiko.
Michael Frank Hordeski: Hydrogen & Fuel Cells: Advances in Transportation and Power, The Fairmont Press, 2009, prevod deepl.com
Prevozna oprema, ki jo poganja vodik, lahko uporablja močnejše, lažje
