ENERGIJA

Pripremio: Živorad Čeković

Izazovi globalne krize

Na energetsku dramatičnost vremena u kome živimo i prekomernu ekspolataciju prirodnih energetskih bogatstava ukazuju procene da je svet u 1961. godini iskorišćavao oko 70% regenerativnih kapaciteta biosfere, 1980. svih 100% u odnosu na prirodnu energetsku regeneraciju a u 1999. za 20% više nego što priroda može da stvori. To znači da se na globalnom nivou živi iznad realnih mogućnosti i da se nepovratno troše ne samo fosilni energetski izvori već se nepovratno troše i metali i mineralne sirovine. Ako bi svih 6,5 milijardi stanovnika na planeti živelo na sadašnjem evro-američkom standardu, onda bi trebalo potražiti još dve slične planete da bi svima obezbedili takav životni standard.

Razvijeni svet mora da postavi pitanje: kakvu planetu ostavljamo budućim generacijama? Na jednoj strani imamo narastajuće energetske zahteve, a na drugoj sve veću emisiju ugljen-dioksida usled sagorevanja fosilnih goriva i rast zagrevanja planete na globalnom nivou.

Dva bogata izvora

Kako se može rešiti globalna energetska kriza i u isto vreme smanjiti emisija ugljen-dioksida? Postoje dva bogata energetska izvora koji zadovoljavaju ove uslove: solarna i nuklearna energija.

Nuklearna energija se može dobiti procesima fisije ili fuzije. Sada se uveliko dobija raspoloživom fisionom tehnologijom, koja se zasniva na kontrolisanoj nuklearnoj fisionoj reakciji. U svetu postoji oko 440 aktivnih nuklearnih centrala, koje uglavnom proizvode električnu energiju - procenjuje se da se oko 30% električne energije u svetu dobija na ovaj način. Međutim, nuklearna fisiona tehnologija takođe se zasniva na prirodno ograničenim sirovinama a skladištenje prerađenih nuklearnih goriva predstvalja ozbiljan ekološki problem.

Dobijanje energije kontrolisanom fuzijom još uvek je na nivou preliminarnih laboratorijskih eksperimenata (mada je poznata nekontrolisana fuziona reakcija koja se koristi u hidrogenskim bombama). Nuklearna fuzija zasniva se na sličnoj termonuklearnoj reakciji koja se događa na Suncu kada se vodonikovi izotopi prevode u helijum i oslobađa ogromna količina energije. Tehnički najrazvijenije evropske zemlje nedavno su se dogovorile da pokrenu projekat (nazvan ITER) koji bi do 2050. godine trebalo da ispita mogućnosti primene nuklearne fuzije u civilne svrhe, odnosno za proizvodnju električne energije. Teško je prognozirati da li će ovaj projekat, koji je veoma složen i vrlo skup (više od 10 milijardi €) biti uopšte realizovan.

Korišćenje hidrogeneratora je jedna od najstarijih tehnologija za proizvodnju električne energije. To je najčistiji i najjeftiniji oblik energije, centrale su dugotrajne, lako se sakuplja potencijalna energija, vodene akumulacije se mogu koristiti i u druge svrhe. Međutim, njeni kapaciteti su ograničeni i uglavnom iskorišćeni. Hidroelektrična energija obezbeđuje oko 3% ukupne svetske primarne energije.

Sunce je najobilniji, najčistiji, najekonomičniji i najdugotrajniji energetski izvor. Ono je nuklearni fuzioni reaktor na kome se stalno vrši nuklearna reakcija koja oslobađa ogromne količine energije. Od toga Zemlja primi oko 1.73 x 1017 W (173.000 TW) energije što je ekvivalentno više od 100 miliona nuklearnih fisionih centrala. Zemlja za tri dana primi energije od Sunca koja je ekvivalentna rezervama svih naših fosilnih goriva. Ta ogromna količina energije preobilna je za ljudske potrebe i, kada bi se pokrilo samo 0.16% površine Zemlje sistemima za konverziju solarne energije čija je efikasnost 10%, obezbedilo bi se 20 TW snage - skoro dvostruko više u odnosu na potrošnju fosilnih goriva a bila bi jednaka proizvodnji od 20.000 nuklearnih fisionih centrala snage od 1 GWe.

Solarna energija je neograničena. Međutim, da bi mogla biti iskorišćena, mora biti „uhvaćena“ i prevedena u druge oblike energije. Pošto je rasuta preko cele Zemljine površine (oko 170 W/m2), nije kontinuelna (usled noćnih pomračenja), tehnološki postupci za njenu konverziju treba da obuhvate njenu koncentraciju i stokiranje. Sunčeva energija može se prevesti u toplotu, elektricitet i goriva kao što su vodonik i ona koja se dobijaju iz regenerativne biomase. Na žalost, nijedan od mnogih postojećih načina konverzije solarne energije u toplotu, elektricitet ili goriva još uvek nije konkurentan fosilnim gorivima (obračuni pravljeni kada je barel nafte koštao 50-60 $). Prema sadašnjim cenama nafte, solarne tehnologije bi mogle biti konkurentne pogotovo ako bi bili uračunati indirektni troškovi energije iz fosilnih goriva (oštećenje životne okoline, narušavanje zdravlja, saobraćajne nesreće).

Termički solarni sistemi

Najrasprostranjeniji način iskorišćavanja solarne energije je onaj preko termičkih solarnih kolektora u kojima se tečnost zagreva i tako obezbeđuje topla voda za direktnu primenu. Između 2001. i 2004. godine svetsko tržište termičkih solarnih kolektora poraslo je za 50%. Najveća gustina postavljenih termičkih solarnih sistema nalazi se u Izraelu (740 m2 na 100 stanovnika - u Nemačkoj je taj odnos deset puta manji). Smatra se da se u modernim kućama, preko 50% energije upotrebljava za zagrevanje vode, prostorija, pranje i kuvanje pa bi konverzija široko rasprostranjene solarne energije u termičku značajno ublažila energetske i ekološke troškove u naseljenim oblastima.

Ustanovljeno je da je na ovaj način u 2004. godini smanjena emisija ugljen-dioksida za oko 25-30 miliona tona.

Solarni elektricitet

Solarni elektricitet može se proizvesti pomoću fotonaponskih ćelija i odgovarajućih uređaja ili pomoću visoko-temperaturnih sistema. Fotonaponske ćelije već imaju mnoge primene, a naročito su podesne tamo gde nema električne struje iz mreže. U primeni su razne solarne svetiljke i drugi električni uređaji koji funkcionišu konverzijom solarne energije.  U razvijenim zemljama solarne ćelije (u obliku solarnih modula ili panela) na krovovima zgrada mogu biti povezane u električnu mrežu.

Prva generacija fotonaponskih ćelija za konverziju sunčeve u električnu energiju najčešće se sastojala od sloja kristalnog silicijuma. One su imale efikasnost između 5 i 15% i dužinu trajanja oko 30 godina pa je cena ovako dobijenog elektriciteta povezanog na mrežu oko 0.2 $ po kWh. Solarni elektricitet još uvek nije konkurentan električnoj struju proizvedenoj iz fosilnih goriva ili nuklearnih centrala.

Solarna energija može biti prevedena u električnu energiju i pomoću fotoelektrohemijskih ćelija, zasnovanih na poluprovodničkim elektrodama u kontaktu sa elektrolitom koji sadrži elektronske releje. Najstabilniji i najpogodniji poluprovodnik je titan-dioksid (TiO2) koji je najefikasniji kada se na tanak film sinterovanih nanokristalnih čestica titan-dioksida nanesu molekulski slojevi boje koja efikasno apsorbuje svetlost. Nađeno je da ovakvi uređaji, na laboratorijskom nivou, imaju efikasnost konverzije oko 11%.

Solarna goriva

Zbog diskontinualne prirode solarne energije (usled noćnog zamračenja), radi čuvanja i rezervisanja, neophodna je njena konverzija u druge korisnije oblike energije kao što su hemijska goriva. Pod hemijskim gorivima podrazumevaju se prirodni proizvodi nastali prirodnom fotosintezom i brojna organska jedinjenja koja se dobijaju iz biomase. Hemijsko gorivo je i gasoviti vodonik ili vodonik u metalnim hidridima. Solarni elektricitet se može npr. prevesti u vodonik, koji je ekološki najčistiji i veoma kaloričan energent a dobija se relativno skupim postupkom elektrolize vode. Zato je mnogo pogodnija direktna proizvodnja goriva iz biomase koja se dobija pomoću Sunčeve energije, uključujući metanol, etanol, biodizel gorivo i 2,5-dimetilfuran.

Prirodna fotosinteza. Prirodna fotosinteza je proces kojim se sunčeva svetlosna energija prevodi u biomasu koja se, u toku geološkog vremena, pretvarala u fosilna goriva. Brzina stvaranja fosilnih goriva je oko 500.000 puta manja od brzine aktuelne tekuće potrošnje fosilnih goriva, što ukazuje da će fosilni energetski resursi brzo biti iscrpljeni. Maksimalni potencijal fotosintetičke konverzije sunčeve svetlosne energije u hemijsku energiju je oko 6,7%, ali se mali deo ovoga realizuje. Globalno, procenjuje se da se samo 0.3% solarne energije koja padne na zemljinu površinu prevodi u druge oblike i ostaje u biljnom materijalu a samo deo ove energije iz regenerativnih biljnih materijala se može iskoristiti.

Povećanje efikasnosti prirodne fotosinteze bilo bi važan napredak u ovoj oblasti. Za postizanje cilja, najbitnije je razjasniti sve procese prirodne fotosinteze na molekulskom nivou. U fotosintetičkim, uglavnom biljnim organizmima svetlost se prikuplja pomoću antenskih sistema koji se sastoje od hlorofilskog pigment-proteinskog kompleksa. Uhvaćena ekscitovana solarna energija  prenosi se na proteinski reakcioni centar  gde se prevodi u potencijalnu hemijsku energiju, obuhvatajući elektron-transfer procese. Proces razdvajanja šarži vrši se sa blizu 100% efikasnosti. Rezultujući oksidacioni i redukcioni ekvivalenti zatim se prenose, obuhvatajući niz elektron-transfer faza, tako da pozitivna i negativna šarža stignu do katalitičkih mesta gde se vrši oksidacija vode (do kiseonika). Nastali vodonik vrši redukciju ugljen-dioksida pri čemu se stvaraju ugljeni hidrati  koji  sadrže dovoljno energije da se mogu prevesti u druga pogodnija goriva (metanol, etanol, biodizel, 2,5-dimetilfuran).

Veštačka fotosinteza. Za ekonomičnu proizvodnju i za životnu okolinu prihvatljiva solarna goriva moraju se dobijati iz jeftinih i preobilnih sirovinskih materijala kao što su voda ili ugljen-dioksid. Voda se može razdvojiti na molekulski vodonik (koji je efikasno gorivo) i molekulski kiseonik. Ugljen-dioksid bi se, u vodenim rastvorima, mogao redukovati do metanola ili drugih molekula s visokim sadržajem energije i istovremenim oslobađanjem kiseonika. Ove dve reakcije nalaze se u istraživačkom fokusu. Najbolji način da se konstruiše veštački fotosintetički sistem za praktičnu proizvodnju solarnih goriva (odnosno regenerativne energije) jeste da se imitira molekulska i supramolekulska organizacija prirodnog fotosintetičkog procesa. Uhvaćenu svetlosnu energiju treba dovesti do tačke gde se vrši razdvajanje pozitivne od negativne šarže, a zatim se vrše prenos šarži i dostavljanje oksidacionih i redukcionih ekvivalenata (kompleksnijih molekulskih vrsta koje sadrže i molekul vode) do katalitičkih mesta na kojima se odvojeno vrši oslobađanje kiseonika, a generisanje vodonika prati redukcija ugljen-diokasida.

Goriva iz biomase

Proizvodnja energije iz biomase zahteva velike obradive površine zemlje za uzgajanje biljaka i velike količine vode. Ustanovljeno je da je, pri sadašnjem intenzitetu potrošnje goriva, za supstituciju samo 5% benzina i dizel goriva u Evropi i SAD potrebno oko 20% poljoprivrednih obradivih površina u tim prostorima.

U industrijskim zemljama biomasa se koristi za proizvodnju toplote i električne energije a iz čvrste biomase se dobijaju tečna goriva: metanol, etanol i biodizel (biodizel gorivo je smesa metil-estara viših masnih kiselina a dobija se transesterifikacijom prirodnih trigilcerida viših masnih kiselina koji su osnovni sastojci biljnih ulja). Na poljoprivrednim poljima u 2004. godini proizvedeno je 33 milijarde litara bio-goriva, što je oko 3% od 1.200 milijardi litara benzina kolika je globalna potrošnja.

Etanol se dobija iz šećerne trske u Brazilu a u SAD iz kukuruza. Brazilski sistemi za prevođenje trske u etanol imaju efikasnost od 33% od uhvaćene primarne solarne energije i obezbeđuju 44% goriva za potrošnju svih (nedizelskih) motornih vozila (u 2004). Koristi se čist etanol (E95) ili smeša koja sadrži 25% etanola i 75% benzina (E25). Više od polovine svih novih automobila prodatih u Brazilu predstavljaju vozila u koja su ugrađeni motori sa fleksibilnim gorivom, koja mogu da se kreću pomoću čistog etanola ili etanol/benzinske smese. Upotreba etanola kao E85 ili E10 smeše povećava se i u SAD. Objavljeno je da etanol proizveden iz kukuruza prevodi 54% uhvaćene primarne solarne energije. Ovlašćenja i dozvole za umešavanje biogoriva u goriva za vozila uvedena su u nekoliko zemalja uključujući Indiju i Kinu. U Evropi nekoliko zemalja proizvodi biodizel i podstiče njegovu proizvodnju oslobađanjem od poreza i taksi za ovu vrstu goriva. U Nemačkoj je proizvodnja biodizela narasla za 50% u 2004. EU ima za cilj da u 2010.godini od ukupne proizvodnje dizel goriva proizvede 5.75% biodizela. Značajno je napomenuti da je ukupna zarada u energiji pri proizvodnji biodizela iz soje u suštini veća nego kod bio-etanola iz kukuruza.

Pitanja i odgovori

Pri rešavanju globalnih energetskih problema moraju se znati odgovori na sledeća pitanja:

Može li se progresivno zaustaviti sagorevanje fosilnih goriva? Odgovor je DA i to iz sledećih razloga: a) fosilna goriva nisu obnovljivi energetski izvori i uskoro će biti iscrpljeni; b) upotreba fosilnih goriva stvara velike probleme za ljudsko zdravlje i nepovratno oštećuje životnu okolinu; c) fosilna goriva treba da se čuvaju kao sirovinska osnova za hemijsku industriju.

Može li nauka da pronađe energetske izvore koji mogu zameniti fosilna goriva? Odgovor je DA. Postoje dva bogata energetska izvora: solarna i nuklearna (fuziona) energija. Nuklearna energija se sada dobija raspoloživom fisionom tehnologijom, koja niti je čista niti je neiscrpna. Nuklearna fuziona energija mogla bi u osnovi rešiti energetske probleme, ali svet se ne može osloniti na ono što još uvek nije poznato.

Da li je moguće da svi stanovnici na planeti dostignu životni standard razvijenih zemalja bez pustošenja planete? Odgovor je NE. Rast stanovništva uskoro će dostići maksimalan nivo, a sirovinskih izvora (ne samo energetskih) nema dovoljno za sve ljude na planeti. Za održavanje pristojnog života biće potrebno korišćenje sunčeve energije za recikliranje najvažnijih sirovinskih materijala.

Mogu li samo nauka i tehnologija dovesti svet tamo gde treba da bude u sledećih nekoliko dekada? Odgovor je NE. Čak i ako nauka i tehnologija potpuno ostvare projekte za korišćenje solarne energije, nikad se ne sme zaboraviti da je planeta Zemlja zatvoren sistem, izuzev za solarnu energiju, i da se prirodni resursi koriste brže od regenerativnih kapaciteta prirode.

Živorad Čeković