O wodorze energetycznym nowej generacji

Przedstawimy „wodór”, następną generację energii, która jest neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla. Wodór dzieli się na trzy typy: „zielony wodór”, „niebieski wodór” i „szary wodór”, z których każdy ma inną metodę produkcji. Wyjaśnimy również każdą metodę produkcji, właściwości fizyczne jako pierwiastki, metody przechowywania/transportu i metody użytkowania. I przedstawię również, dlaczego jest to dominujące źródło energii następnej generacji.

Elektroliza wody w celu produkcji zielonego wodoru

Podczas używania wodoru ważne jest, aby „produkować wodór” w każdym razie. Najprostszym sposobem jest „elektrolizacja wody”. Być może robiłeś to na lekcjach przyrody w szkole podstawowej. Napełnij zlewkę wodą i elektrody wodą. Gdy bateria jest podłączona do elektrod i zasilana, w wodzie i w każdej elektrodzie zachodzą następujące reakcje.
Na katodzie H+ i elektrony łączą się, aby wytworzyć gaz wodorowy, podczas gdy anoda wytwarza tlen. Nadal, to podejście jest dobre dla szkolnych eksperymentów naukowych, ale aby produkować wodór przemysłowo, należy przygotować wydajne mechanizmy odpowiednie do produkcji na dużą skalę. To jest „elektroliza membrany polimerowo-elektrolitowej (PEM)”.
W tej metodzie polimerowa półprzepuszczalna membrana, która umożliwia przepływ jonów wodoru, jest umieszczona pomiędzy anodą i katodą. Gdy do anody urządzenia wlewa się wodę, jony wodoru wytworzone przez elektrolizę przemieszczają się przez półprzepuszczalną membranę do katody, gdzie stają się cząsteczkowym wodorem. Z drugiej strony jony tlenu nie mogą przejść przez półprzepuszczalną membranę i stać się cząsteczkami tlenu na anodzie.
Również w elektrolizie wody alkalicznej tworzysz wodór i tlen poprzez oddzielenie anody i katody przez separator, przez który mogą przechodzić tylko jony wodorotlenkowe. Ponadto istnieją metody przemysłowe, takie jak elektroliza parowa w wysokiej temperaturze.
Dzięki przeprowadzaniu tych procesów na dużą skalę można uzyskać duże ilości wodoru. W procesie tym wytwarzana jest również znaczna ilość tlenu (połowa objętości wytwarzanego wodoru), więc nie miałby on negatywnego wpływu na środowisko, gdyby został uwolniony do atmosfery. Jednak elektroliza wymaga dużej ilości energii elektrycznej, więc wodór bezemisyjny może być produkowany, jeśli jest wytwarzany z energii elektrycznej, która nie wykorzystuje paliw kopalnych, takich jak turbiny wiatrowe i panele słoneczne.
„Zielony wodór” można uzyskać poprzez elektrolizę wody przy użyciu czystej energii.

Istnieje również generator wodoru do produkcji tego zielonego wodoru na dużą skalę. Dzięki zastosowaniu PEM w sekcji elektrolizera wodór może być produkowany w sposób ciągły.

Niebieski wodór wytwarzany z paliw kopalnych

Jakie są zatem inne sposoby wytwarzania wodoru? Wodór występuje w paliwach kopalnych, takich jak gaz ziemny i węgiel, jako substancje inne niż woda. Na przykład rozważmy metan (CH4), główny składnik gazu ziemnego. Są tu cztery atomy wodoru. Można uzyskać wodór, wyjmując ten wodór.
Jednym z nich jest proces zwany „parowym reformingiem metanu”, który wykorzystuje parę. Wzór chemiczny tej metody jest następujący.
Jak widać, tlenek węgla i wodór można wyodrębnić z jednej cząsteczki metanu.
W ten sposób wodór może być produkowany poprzez procesy takie jak „reformowanie parowe” i „piroliza” gazu ziemnego i węgla. „Niebieski wodór” odnosi się do wodoru produkowanego w ten sposób.
W tym przypadku jednak tlenek węgla i dwutlenek węgla są wytwarzane jako produkty uboczne. Dlatego musisz je poddać recyklingowi, zanim zostaną uwolnione do atmosfery. Produkt uboczny, dwutlenek węgla, jeśli nie zostanie odzyskany, staje się gazem wodorowym, znanym jako „szary wodór”.

Jakim pierwiastkiem jest wodór?

Wodór ma liczbę atomową równą 1 i jest pierwszym pierwiastkiem w układzie okresowym.
Liczba atomów jest największa we wszechświecie, stanowiąc około 90% wszystkich pierwiastków we wszechświecie. Najmniejszym atomem składającym się z protonu i elektronu jest atom wodoru.
Wodór ma dwa izotopy z neutronami przyłączonymi do jądra. Jeden wiązany neutronami „deuter” i dwa wiązane neutronami „tryt”. Są to również materiały do ​​wytwarzania energii z fuzji.
Wewnątrz gwiazdy takiej jak Słońce zachodzi reakcja syntezy jądrowej wodoru w hel, która stanowi źródło energii umożliwiające świecenie gwiazdy.
Jednak wodór rzadko występuje na Ziemi jako gaz. Wodór tworzy związki z innymi pierwiastkami, takimi jak woda, metan, amoniak i etanol. Ponieważ wodór jest lekkim pierwiastkiem, wraz ze wzrostem temperatury prędkość ruchu cząsteczek wodoru wzrasta i ucieka z grawitacji Ziemi w przestrzeń kosmiczną.

Jak używać wodoru? Używaj przez spalanie

Jak zatem wykorzystuje się „wodór”, który przyciągnął światową uwagę jako źródło energii nowej generacji? Jest on wykorzystywany na dwa główne sposoby: „spalanie” i „ogniwo paliwowe”. Zacznijmy od wykorzystania „spalania”.
Stosowane są dwa główne typy spalania.
Pierwszym jest paliwo rakietowe. Japońska rakieta H-IIA wykorzystuje gaz wodorowy „ciekły wodór” i „ciekły tlen”, który również znajduje się w stanie kriogenicznym, jako paliwo. Te dwa są łączone, a energia cieplna wytworzona w tym czasie przyspiesza wtrysk generowanych cząsteczek wody, które lecą w kosmos. Jednak ponieważ jest to technicznie trudny silnik, poza Japonią, tylko Stany Zjednoczone, Europa, Rosja, Chiny i Indie z powodzeniem połączyły to paliwo.
Drugim jest wytwarzanie energii. Wytwarzanie energii za pomocą turbiny gazowej również wykorzystuje metodę łączenia wodoru i tlenu w celu wytwarzania energii. Innymi słowy, jest to metoda, która bierze pod uwagę energię cieplną wytwarzaną przez wodór. W elektrowniach cieplnych ciepło ze spalania węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego wytwarza parę, która napędza turbiny. Jeśli wodór jest używany jako źródło ciepła, elektrownia będzie neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla.

Jak używać wodoru? Używany jako ogniwo paliwowe

Innym sposobem wykorzystania wodoru jest ogniwo paliwowe, które przekształca wodór bezpośrednio w energię elektryczną. W szczególności Toyota zwróciła uwagę w Japonii, reklamując pojazdy napędzane wodorem zamiast pojazdów elektrycznych (EV) jako alternatywę dla pojazdów benzynowych w ramach swoich działań przeciwko globalnemu ociepleniu.
Dokładniej rzecz biorąc, wykonujemy odwrotną procedurę, gdy wprowadzamy metodę produkcji „zielonego wodoru”. Wzór chemiczny jest następujący.
Wodór może generować wodę (gorącą wodę lub parę) podczas wytwarzania energii elektrycznej i można go ocenić, ponieważ nie obciąża środowiska. Z drugiej strony, ta metoda ma stosunkowo niską wydajność wytwarzania energii wynoszącą 30-40% i wymaga platyny jako katalizatora, co wiąże się ze zwiększonymi kosztami.
Obecnie używamy ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym (PEFC) i ogniw paliwowych z kwasem fosforowym (PAFC). W szczególności pojazdy z ogniwami paliwowymi wykorzystują PEFC, więc można się spodziewać, że w przyszłości technologia ta się rozpowszechni.

Czy przechowywanie i transport wodoru jest bezpieczne?

Do tej pory sądzimy, że rozumiesz, jak powstaje i jest wykorzystywany gaz wodorowy. Jak więc przechowywać ten wodór? Jak go dostarczyć tam, gdzie jest potrzebny? A co z bezpieczeństwem w tym czasie? Wyjaśnimy.
W rzeczywistości wodór jest również bardzo niebezpiecznym pierwiastkiem. Na początku XX wieku używaliśmy wodoru jako gazu do unoszenia balonów, balonów i sterowców w powietrzu, ponieważ był bardzo lekki. Jednak 6 maja 1937 r. w New Jersey w USA doszło do „eksplozji sterowca Hindenburg”.
Od czasu wypadku powszechnie wiadomo, że gaz wodorowy jest niebezpieczny. Zwłaszcza gdy się zapali, wybuchnie gwałtownie z tlenem. Dlatego „trzymaj z dala od tlenu” lub „trzymaj z dala od ciepła” jest niezbędne.
Po podjęciu tych kroków opracowaliśmy metodę wysyłki.
Wodór jest gazem w temperaturze pokojowej, więc mimo że nadal jest gazem, jest bardzo duży. Pierwsza metoda polega na zastosowaniu wysokiego ciśnienia i sprężeniu jak walca podczas produkcji napojów gazowanych. Przygotuj specjalny zbiornik wysokociśnieniowy i przechowuj go w warunkach wysokiego ciśnienia, takich jak 45Mpa.
Toyota, która opracowuje pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCV), opracowuje zbiornik na wodór wykonany z żywicy wysokociśnieniowej, który może wytrzymać ciśnienie 70 MPa.
Inną metodą jest schłodzenie do -253°C w celu wytworzenia ciekłego wodoru, a następnie jego przechowywanie i transport w specjalnych izolowanych cieplnie zbiornikach. Podobnie jak LNG (skroplony gaz ziemny), gdy gaz ziemny jest importowany z zagranicy, wodór jest skraplany podczas transportu, zmniejszając swoją objętość do 1/800 stanu gazowego. W 2020 r. ukończyliśmy pierwszy na świecie nośnik ciekłego wodoru. Jednak to podejście nie nadaje się do pojazdów z ogniwami paliwowymi, ponieważ wymaga dużej ilości energii do schłodzenia.
Istnieje metoda przechowywania i transportu wodoru w takich zbiornikach, ale opracowujemy także inne metody przechowywania wodoru.
Metoda magazynowania polega na użyciu stopów magazynujących wodór. Wodór ma właściwość przenikania metali i ich niszczenia. Jest to wskazówka rozwojowa opracowana w Stanach Zjednoczonych w latach 60. XX wieku. JJ Reilly i in. Eksperymenty wykazały, że wodór można przechowywać i uwalniać, stosując stop magnezu i wanadu.
Następnie udało mu się opracować substancję, np. pallad, która może absorbować wodór w ilości 935 razy większej od swojej objętości.
Zaletą stosowania tego stopu jest to, że może on zapobiegać wypadkom z wyciekiem wodoru (głównie wypadkom wybuchowym). Dlatego można go bezpiecznie przechowywać i transportować. Jednak jeśli nie będziesz ostrożny i zostawisz go w niewłaściwym środowisku, stopy do przechowywania wodoru mogą z czasem uwalniać gaz wodorowy. Cóż, nawet mała iskra może spowodować wypadek wybuchowy, więc bądź ostrożny.
Ma ona również tę wadę, że powtarzająca się absorpcja i desorpcja wodoru prowadzi do kruchości i zmniejszenia szybkości absorpcji wodoru.
Drugim sposobem jest użycie rur. Istnieje warunek, że musi być niesprężony i niskociśnieniowy, aby zapobiec kruchości rur, ale zaletą jest to, że można wykorzystać istniejące rury gazowe. Tokyo Gas przeprowadziło prace budowlane w Harumi FLAG, wykorzystując miejskie gazociągi do dostarczania wodoru do ogniw paliwowych.

Przyszłe społeczeństwo stworzone dzięki energii wodorowej

Na koniec zastanówmy się nad rolą, jaką wodór może odegrać w społeczeństwie.
Co ważniejsze, chcemy promować społeczeństwo wolne od emisji dwutlenku węgla, wykorzystujemy wodór do wytwarzania energii elektrycznej, a nie jako energię cieplną.
Zamiast dużych elektrowni cieplnych niektóre gospodarstwa domowe wprowadziły systemy takie jak ENE-FARM, które wykorzystują wodór uzyskany w wyniku reformowania gazu ziemnego w celu wytworzenia wymaganej energii elektrycznej. Pozostaje jednak pytanie, co zrobić z produktami ubocznymi procesu reformowania.

W przyszłości, jeśli wzrośnie obieg samego wodoru, np. zwiększy się liczba stacji tankowania wodoru, będzie można korzystać z energii elektrycznej bez emisji dwutlenku węgla. Energia elektryczna oczywiście wytwarza zielony wodór, więc wykorzystuje energię elektryczną wytwarzaną ze światła słonecznego lub wiatru. Energia wykorzystywana do elektrolizy powinna być energią do tłumienia ilości wytwarzanej energii lub do ładowania akumulatora, gdy występuje nadwyżka energii z energii naturalnej. Innymi słowy, wodór znajduje się w tej samej pozycji co akumulator. Jeśli tak się stanie, ostatecznie będzie można zmniejszyć wytwarzanie energii cieplnej. Dzień, w którym silnik spalinowy zniknie z samochodów, szybko się zbliża.

Wodór można również uzyskać inną drogą. W rzeczywistości wodór jest nadal produktem ubocznym produkcji sody kaustycznej. Między innymi jest produktem ubocznym produkcji koksu w hutnictwie żelaza. Jeśli umieścisz ten wodór w dystrybucji, będziesz mógł uzyskać wiele źródeł. Gaz wodorowy wytwarzany w ten sposób jest również dostarczany przez stacje wodorowe.

Spójrzmy dalej w przyszłość. Ilość traconej energii jest również problemem związanym ze sposobem przesyłu, który wykorzystuje przewody do dostarczania energii. Dlatego w przyszłości będziemy wykorzystywać wodór dostarczany rurociągami, tak jak zbiorniki z kwasem węglowym używane do produkcji napojów gazowanych, i kupować zbiornik z wodorem w domu, aby wytwarzać energię elektryczną dla każdego gospodarstwa domowego. Urządzenia mobilne zasilane bateriami wodorowymi stają się powszechne. Będzie ciekawie zobaczyć taką przyszłość.