Obnovljiva energija predstavlja izvore koji su neiscrpni, kao što su sunce, vjetar i voda. Ovi resursi su ključni za smanjenje emisije CO2.
Bilo je to jednoga sunčanog jutra u laboratoriju na Kemijskom odsjeku, dok sam pokušavao objasniti prijatelju koji nije iz područja prirodnih znanosti što je zapravo “obnovljiva energija” i kako kemija stoji iza nje. Naizgled jednostavan zadatak, ali ubrzo sam shvatio da moj vlastiti pojmovni okvir još uvijek nije sasvim jasan, osobito kad je riječ o evoluciji terminologije i dubljim molekularnim mehanizmima. Ovaj fenomen, kao što ću pokušati pokazati, nije samo terminološki nego i konceptualno složen te se stalno mijenja pod utjecajem novih otkrića i praktičnih potreba.
Počnimo s terminom “obnovljiva energija” koji je u znanstvenoj literaturi dobio značajniji zamah krajem 20. stoljeća. Prije toga češće su se koristili izrazi poput “alternativna energija” ili “čista energija”. Svaki od tih pojmova donosi svoje konotacije: “alternativna” sugerira zamjenu za fosilna goriva, ali ponekad bez jasnog naglaska na trajnost; “čista” ukazuje na smanjenu emisiju štetnih tvari, no često ignorira kompleksnosti proizvodnje takve energije. Kad je uveden pojam “obnovljiva energija”, naglasak je pomaknut prema cikličnosti izvora poput sunčeve svjetlosti ili vjetra smatrane neiscrpnim zalihama koje kemijski procesi mogu koristiti bez iscrpljivanja.
No upravo tu nastaje jedan od izazova koje sam jasnije spoznao dok sam to objašnjavao prijatelju: kako na molekularnoj razini razumjeti tu obnovljivost? Za primjer uzmimo fotosintezu, temelj solarne kemije i bioenergetskih sustava. Molekule klorofila u biljkama apsorbiraju fotone koji pokreću prijenos elektrona kroz lanac reakcija oksidacije-redukcije. Ti elektroni sudjeluju u pretvorbi ugljičnog dioksida ($\text{CO}_2$) i vode ($\text{H}_2\text{O}$) u glukozu ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$) i kisik ($\text{O}_2$):
$$
6 \text{CO}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} + svjetlosna~energija \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{O}_2
$$
Energija sunca ovdje djeluje kao ulazni katalizator koji omogućuje ovu endergoničnu reakciju (jer sintetizira kompleksne organske spojeve iz jednostavnijih anorganskih). No kemijski uvjeti pH, temperatura, koncentracije iona kalcija i magnezija imaju presudan utjecaj na stabilnost klorofila i učinkovitost prijenosa elektrona. Fascinantno mi je kako mala promjena u okolišu može poremetiti proces: primjerice prevelika temperatura može denaturirati enzime uključene u Calvinov ciklus.
Zanimljivo je što su me fascinirale neke anomalije unutar ovih bioloških sustava određeni spojevi koji inače djeluju kao antioksidansi mogu pod specifičnim kemijskim uvjetima postati prooksidansi. Time unutar procesa koje doživljavamo kao podršku obnovljivim izvorima postoje potencijalni izvori degradacije ili gubitka efikasnosti koje tek treba potpuno razumjeti molekularno. Ta dvojnost pokazuje koliko precizno artikuliranje trajnosti ovih sustava ostaje izazov jer kemijske reakcije neprestano oblikuju njihovo ponašanje.
Da ilustriram dodatnu složenost, spomenut ću reakciju proizvodnje vodika koja se sve više proučava kao perspektivni energetski vektor budućnosti. Elektroliza vode pod djelovanjem obnovljivih izvora energije razdvaja molekulu vode na plinoviti vodik i kisik:
$$
2 \text{H}_2\text{O} (l) \xrightarrow{\text{elektroliza}} 2 \text{H}_2 (g) + \text{O}_2 (g)
$$
U idealnim uvjetima ova reakcija zahtijeva minimalno $237$ kJ/mol energije zbog standardnog Gibbsovog slobodnog entalpijskog pomaka $\Delta G^\circ = +237$ kJ/mol pri $25^\circ C$, što znači da nije spontana bez vanjskog izvora energije. Ključni faktor je elektrolitski katalizator platina ili iridij najčešće se koriste jer njihov atomski raspored smanjuje aktivacijske barijere za razdvajanje $\text{H}-\text{O}$ veza u vodi. Promjenom katalizatora moguće je značajno povećati učinkovitost procesa što u konačnici utječe na ekonomsku održivost tehnologije.
Posebno mi je zanimljivo pratiti razvoj terminologije unutar kemijske zajednice kako se paralelno povećava interes za održivost: od općih izraza do koncentriranih pojmova poput fotokatalize, elektrokemijske konverzije ili bio-hibridnih sustava za skladištenje energije. Ipak, ostaje otvoreno pitanje koliko daleko možemo pojednostaviti te termine bez gubitka nužne kompleksnosti koja nam pomaže sagledati ograničenja i potencijale tehnologije.
Pisanje ovog teksta navelo me na ponovni pregled starih udžbenika fizikalne kemije jer nisam odmah mogao jasno povezati standardne termodinamičke vrijednosti sa stvarnim radnim uvjetima uređaja za proizvodnju obnovljive energije. Uvidio sam da teorijsko znanje zahtijeva kontinuiranu povezanost s praktičnom primjenom da bismo ga doista razumjeli.
Na kraju ostaje otvoreno pitanje kojem nema jednostavnog odgovora: može li se prava dugoročnost obnovljivih energetskih sustava postići samo finim podešavanjem molekularnih interakcija ili će uvijek biti potrebna šira društvena, ekonomska pa čak i filozofska redefinicija našeg odnosa prema energiji? Taj je problemasto važan zato što nas podsjeća kako unatoč znanstvenom napretku mnoge nijanse ostaju nerazriješene a moja radoznalost upravo leži u tome kako se ove nejasnoće mogu prevladati kroz interdisciplinarni pristup.
Kao primjer konkretne aplikacije koju pratim, valja spomenuti projekt “HyBalance” iz Danske, gdje se elektroliza vode integrira s vjetroelektranama za proizvodnju čistog vodika. Taj slučaj ilustrira koliko su tehnički izazovi vezani uz katalizatore, varijabilnost izvora energije i skladištenje još uvijek predmet intenzivnih istraživanja pa čak ni tamo nisu pronađena sva rješenja za ostvarenje pune održivosti.
Upravo ta kompleksnost čini ovaj problem toliko intrigantnim za mene: ona je stalni podsjetnik da znanost nije gotova pri definiranju pojmova nego stalno traži dublja objašnjenja koja često vode do novih pitanja umjesto konačnih zaključaka.
Generira se sažetak…