Vetni – nýr orkugjafi

 Enn höldum við áfram leið okkar um svið orkuframleiðslu og mengunar. Það er ekki að ástæðulausu sem margir telja að vetni (H = hydrogen) verði næsti stóri orkugjafinn og leysi brátt olíuna af hólmi eins og hún leysti kolin af hólmi á sínum tíma. Þó eru nokkur vandamál sem enn á eftir að leysa.

Vetni er léttasta og einfaldasta frumefnið.

Það samanstendur af einni einustu róteind og einni rafeind. 

Það er í fyrstu lotu Lotukerfisins (efnin sem eru í lóðréttu röðinni lengst til vinstri (H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr). Það merkir að gríðarlega auðvelt er að binda vetni við önnur frumefni. Ef vetni er óbundið þá grípa atómin til þess ráðs að festa sig saman tvö og tvö. Þess vegna hefur hreint vetni efnatáknið H2 – þ.e. tvö vetnisátóm í hverri sameind.

Það að festa saman atóm eða taka þau í sundur með þessum hætti er það sem efnafræði snýst um. 

Vetni er gríðarlega eldfimt. Það þýðir ekki að vetnið hverfi, aðeins að því sé raðað upp á nýtt. Þegar vetni er brennt festist það við súrefni og myndar vatn (H2O). Alveg eins og kolefni brennur og myndar CO2.

Bruni er efnabreyting þar sem efni eru losuð í sundur (við það losnar orka) og festast í staðinn við súrefni. Þess vegna má stöðva bruna með því að hindra súrefni í að komast í efnið sem brenna á.

Bruni getur verið allt frá því að vera löturhægur upp í ofsahraður. Þegar hann verður svo hraður að höggbylgja myndast köllum við það sprengingu. Mjög hægur bruni er síðan bruni eins og í frumum líkamans. Efnafræðilega er hann eins og flestur annar bruni. Við getum brennt fitu sem kerti eða látið frumurnar brenna hana innan líkamans. Munurinn á brunanum er auðvitað bæði sá hve litlu magni er brennt í hverri frumu, en líka það að bruninn í líkamanum er miklu hægari. Og skaðar þess vegna ekki vefina.

Hæfileiki vetnis til að brenna er ótvíræður kostur. Ef bruni er ófullkominn mengar hann mikið. Það má til dæmis sjá mikinn mun á eldstæði sem orðið er funheitt og kaldari eldi. Það er miklu meira magn af reyk og sóti þegar eldurinn er kaldari. Bruninn er svo ófullkominn að hann rífur ekki í sundur nema brot af eldsneytinu og sendir afganginn í burtu sem margvíslegar, mengandi flyksur.

En þessi hæfileiki vetnis til að brenna getur líka verið galli. Það hefur hvergi verið ljósara en þegar Hindenburg loftskipið brann með þeim afleiðingum að 35 manns létu lífið.

Það var ofsalegur viðburður sem átti snaran þátt í því að leggja af loftskipaferðir fyrir fullt og allt. Það sorglega er að ef menn hefðu haft aðgang að helíni (He), sem er næst léttaHsta frumefnið (þótt það sé tvöfalt þyngra en vetni) þá hefði verið nærri útilokað að brenna skipið. Því helín er í hinum enda lotukerfisins og efnið í síðustu lotunni (eðalgös eru þau kölluð) bindast engum öðrum efnum – og geta þ.a.l. ekki brunnið.

Kostirnir við vetni sem orkugjafa er hve auðvelt er að búa það til.  Allt sem þarf er vatn og einhver orkugjafi. Þar sem vatn er víða aðgengilegt á Íslandi þá er þetta í raun bara spurning um orkugjafa. 

Hægt er að nota margvíslega orkugjafa til að kljúfa vatn í vetni og súrefni. T.d. bara rafmagn. Við getum notað rafmagn sem framleitt er í vatnsaflsvirkjunum eða jarðhitavirkjunum. Og á næstu árum og áratugum munum við finna stöðugt umhverfisvænni tækni til að framleiða rafmagn og/eða kljúfa vatn í vetni og súrefni.

Þegar við framleiðum vetni úr vatni þá breytist H2O í H2 og O2 (enda er súrefni eins og vetni að því leyti að ef það er rifið laust af öðrum efnum þá finnur það sér annað súrefnisatóm til að festa sig við. Það er meira að segja til sjaldgæf tegund af súrefni sem er O3, en þá hanga þrjú súrefnisatóm saman. Við köllum O3 yfirleitt ósón). Í efnafræði er það hefð að teikna upp efnahvörf (þegar efni breytast úr einu í annað) með ákveðnum hætti. Það er gert þannig að efnin sem voru til eru skrifuðu niður með efnatáknum, síðan er teiknuð ör (->) og svo efnin sem verða til.

Vetni + súrefni -> vatn

En vegna þess að það þarf 2 vetnisatóm í hvert vatnsatóm en aðeins eitt súrefni (H2O) þá þarf að taka það til greina. Efnahvarfið er því skrifað þannig:

2 H2 + O2 -> 2 H2O

Það að kljúfa vatn í vetni og súrefni er skrifað:

2 H2O -> 2 H2 +  O2

Nema hvað, kostirnir við að nota vetni sem orkugjafa eru ótvíræðir. Bruni þess framleiðir ekki CO2 og það er hægt að framleiða vetni á Íslandi. Við gætum því orðið algjörlega óháð eldsneytisinnflutningi. Og það sem best er að hægt er að nota vetni á þær tegundir véla sem við höfum notað til að brenna kolefnaeldsneyti. 

Það virðist því vera borðleggjandi að skella sér í þessa tæki af fullu afli.

Enn einn kosturinn er sá að vél getur nýtt miklu stærra hlutfall orkunnar úr vetnisvél en t.d. bensínvél. Þetta er ofsalega mikilvægur þáttur.

Ef við skoðum t.d. venjulega ljósaperu þá breytist aðeins 1-4% af raforkunni sem ljósaperan notar í ljós. Afgangurinn verður hiti. Í því felst auðvitað gríðarleg sóun. Ef nýringin væri 100% þá gætu 20-100 perur logað jafn skært og ein gamaldags án þess að nota meiri orku.

En 100% nýting er óraunhæf. Það tapast alltaf eitthvað. 

En hver skyldi þá vera orkunýting bensínvélar?

Hún er hræðilega léleg. Bílvél sem gengur fyrir kolefnaeldsneyti getur fræðilega aldrei nýtt nema 40% orkunnar í að knýja bílinn áfram. Megnið af orkunni mun alltaf hverfa sem hiti. Þetta má sannreyna með því að leggja lófa á vélarhlíf bíls sem búið er að keyra. Hún er heit.

Í raun og veru er orkunýting bílvéla um 20% sem þýðir að við erum að láta fjórfalt meiri orku fara til spillis en við nýtum!

Það liggur alveg fyrir að þótt vetnisvél næði kannski ekki 100% nýtingu þá er ekkert því til fyrirstöðu að fara ansi nærri þeirri tölu. Við myndum því nota miklu minni orku í vetnisbíla en kolefnabíla (bensín eða dísel). Auk þess að hætta að megna jörðina með CO2.

Er þetta þá ekki fullkomin lausn?

Nei. Það er vandamál.

Skoðum brennslu á bensíni:

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O

Það sem blasir við er að bensín er miklu flóknara efni en vetni. Ein sameind af bensíni er C8H18. Og með því að blanda því við súrefni (brenna það) verður til bæði CO2 og vatn.

Þannig að með því að brenna vetni frekar en kolefnum þá er það eina sem hverfur úr myndinni kolefnið sjálft.

En kolefni er ansi magnað efni. Það hefur svo ótrúlega fjölbreytta tengingarmöguleika og er svo fjölhæft að það getur raðað sér saman í ótrúlegustu form. Allt líf á jörðinni er t.d. byggt upp af kolefnum. Staða kolefna í lífvísindum er svo afgerandi að við köllum þau efni sem innihalda kolefni lífræn efni. Og efni sem ekki innihalda kolefni ólífræn efni.


Þessa ótrúlegu eiginleika kolefnis má t.d. sjá á því að hreint kolefni getur tengst á fjölbreyttan hátt. Í fyrsta lagi getur hreint kolefni verið kol, subbuleg og svört. En það getur líka verið grafít, efnið sem blýanturinn skrifar með. Loks getur hreint kolefni verið demantar. Öll þessi efni: kol, grafít og demantar eru sama efnið, bara raðað mismunandi saman.


Það er þess vegna sem við getum búið til risastórar sameindir sem eru tvö kolefnisatóm föst hvort við annað og 18 vetnisatóm sem hanga þar á.

Þú getur rétt ímyndað þér alla orkuna sem losnar þegar þessir kubbar eru allir rifnir í sundur í brennslunni.

Ein teskeið af bensíni inniheldur miklu meiri nýtanlega orku en ein teskeið af byssupúðri – og um leið miklu meiri orku en sambærilegt magn af vetni.

Sem þýðir að þótt vetni sé nýtt miklu betur en kolvetni þá er orkan í vetninu miklu minni miðað við sama magn.


Og þegar kemur að vetnisbílum þá verður vandamálið svo stórt að fólk sem keyrði slíka bíla þyrfti alltaf að vera að stoppa til að „fylla á tankinn.“

Því nennir enginn. Og auk þess myndi það þýða að byggja þyrfti nýjar „bensín“stöðvar (sem við myndum kalla vetnisstöðvar) út um allt. Það yrði bæði dýrt og óhentugt.

Það er í augnablikinu engin sérlega góð leið við að geyma vetni um borð í einkabílum í nægilegu magni til að hægt sé að keyra langar leiðir. 

Á því vandamáli eru vafalítið margar lausnir. Þetta þarf að rannsaka vel og vandlega á næstu árum. Það er ekki bara hlýnun jarðar sem er í húfi heldur skiptir ofsalega miklu máli að verða ekki háð erlendum ríkjum um orku. Og geta jafnvel flutt hana út í stað þess að kaupa hana dýrum dómum.

Í bili hafa menn fundið millileik. Í stað þess að reyna að keyra bíla á hreinu vetni þá er hægt að framleiða vetni og festa það svo á kolefni á eins einfaldan hátt og hægt er. Með því að festa 4 vetnisatóm utan á eitt kolefnisatóm þá margfaldar maður orkuinnihaldið.

Við köllum þetta efni  metan (CH4).

Metan brennir vissulega kolefni og til verður CO2. En magn þess er meira en helmingi minna en magnið sem brennur í bensínvél. Það má einnig nota sama dreifikerfi og notað er við bensínsölu og áhrifin á ökumenn yrðu sáralítil. Einn tankur af metani dugar til að keyra álíka langa leið og einn tankur af bensíni þótt metanið innihaldi ekki jafnmikla orku. Það nýtist betur.

Það er hægt að fá kolefni til að festa við vetnið og framleiða metan nærri hvar sem er. Á Íslandi er í gangi verkefni þar sem lífrænn úrgangur er nýttur til framleiðslunnar.

Þá er metan léttara en algenga eldsneytið sem þýðir að bílar verða léttari og eyða minna. Og loks má nefna að etanól er skaðlaust við innöndun og snertingu, sem bensínið er svo sannarlega ekki.

En markmiðið hlýtur að vera að hanna bíla sem framleiða ekkert CO2. Það hlýtur samt að teljast mikil framför að nota metan frekar en bensín eða dísel. Við getum framleitt það sjálf, það nýtist betur og mengar miklu minna.

Verkefnið að stíga næsta skref bíður vísindamanna framtíðarinna.

Í dag er hægt að fara með venjulegan bíl á sum verkstæði og láta breyta honum í metanbíl. Það kostar vissulega dálítið en eftir breytinguna er bíllinn með tvo tanka: metantank og bensíntank. Þessi tækni mun þróast áfram og veita rafmagnsbílum samkeppni næstu árin.