Przedstawimy „wodór”, nową generację energii neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla. Wodór dzieli się na trzy rodzaje: „zielony wodór”, „niebieski wodór” i „szary wodór”, z których każdy charakteryzuje się inną metodą produkcji. Wyjaśnimy również każdą metodę produkcji, właściwości fizyczne pierwiastków, metody magazynowania/transportu oraz metody użytkowania. Wyjaśnię również, dlaczego jest to dominujące źródło energii nowej generacji.
Elektroliza wody w celu produkcji zielonego wodoru
W przypadku stosowania wodoru, ważne jest, aby go „wytwarzać”. Najprostszym sposobem jest „elektrolizacja wody”. Być może robiłeś to na lekcjach biologii w szkole podstawowej. Napełnij zlewkę wodą i zanurz w niej elektrody. Po podłączeniu baterii do elektrod i podaniu napięcia, w wodzie i w każdej elektrodzie zachodzą następujące reakcje.
Na katodzie jon H+ i elektrony łączą się, wytwarzając wodór, a anoda wytwarza tlen. Mimo to, takie podejście sprawdza się w szkolnych eksperymentach naukowych, ale aby produkować wodór na skalę przemysłową, konieczne jest opracowanie wydajnych mechanizmów nadających się do produkcji na dużą skalę. Nazywa się to „elektrolizą membran polimerowo-elektrolitowych (PEM)”.
W tej metodzie polimerowa membrana półprzepuszczalna, która umożliwia przepływ jonów wodoru, jest umieszczona pomiędzy anodą a katodą. Po wlaniu wody do anody urządzenia, jony wodoru powstałe w wyniku elektrolizy przemieszczają się przez membranę półprzepuszczalną do katody, gdzie przekształcają się w wodór cząsteczkowy. Z drugiej strony, jony tlenu nie mogą przedostać się przez membranę półprzepuszczalną i przekształcają się w cząsteczki tlenu na anodzie.
Również w elektrolizie wody alkalicznej wodór i tlen powstają poprzez oddzielenie anody od katody w separatorze, przez który mogą przepływać tylko jony wodorotlenkowe. Istnieją również metody przemysłowe, takie jak wysokotemperaturowa elektroliza parowa.
Przeprowadzając te procesy na dużą skalę, można uzyskać duże ilości wodoru. W procesie tym wytwarzana jest również znaczna ilość tlenu (połowa objętości produkowanego wodoru), więc uwolnienie go do atmosfery nie miałoby negatywnego wpływu na środowisko. Jednak elektroliza wymaga dużej ilości energii elektrycznej, więc wodór bezemisyjny można wytwarzać, jeśli jest on wytwarzany z energii elektrycznej, która nie wykorzystuje paliw kopalnych, takiej jak turbiny wiatrowe i panele słoneczne.
„Zielony wodór” można uzyskać poprzez elektrolizę wody przy użyciu czystej energii.
Dostępny jest również generator wodoru do produkcji 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 substancja inna niż woda. Weźmy na przykład metan (CH4), główny składnik gazu ziemnego. Znajdują się w nim cztery atomy wodoru. Wodór można uzyskać, usuwając ten wodór.
Jednym z nich jest proces zwany „reformingiem metanu parowego”, który wykorzystuje parę wodną. Wzór chemiczny tej metody jest następujący.
Jak widać, tlenek węgla i wodór można wyodrębnić z jednej cząsteczki metanu.
W ten sposób wodór może być wytwarzany w procesach takich jak „reformowanie parowe” i „piroliza” gazu ziemnego i węgla. „Niebieski wodór” odnosi się do wodoru wytwarzanego w ten sposób.
W tym przypadku jednak tlenek węgla i dwutlenek węgla powstają jako produkty uboczne. Dlatego należy je poddać recyklingowi przed uwolnieniem do atmosfery. Dwutlenek węgla, produkt uboczny, 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 i stanowi 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 z wiązaniem neutronowym „deuter” i dwa z wiązaniem neutronowym „tryt”. Są to również materiały do generowania energii w procesie syntezy jądrowej.
Wewnątrz gwiazdy, takiej jak Słońce, zachodzi reakcja syntezy jądrowej wodoru w hel, która stanowi źródło energii umożliwiające gwiazdom świecenie.
Jednak wodór rzadko występuje na Ziemi w stanie gazowym. Wodór tworzy związki z innymi pierwiastkami, takimi jak woda, metan, amoniak i etanol. Ponieważ wodór jest pierwiastkiem lekkim, wraz ze wzrostem temperatury prędkość ruchu cząsteczek wodoru wzrasta i ucieka on spod grawitacji Ziemi w przestrzeń kosmiczną.
Jak wykorzystać wodór? Wykorzystanie poprzez spalanie
Jak zatem wykorzystuje się „wodór”, który zyskał światową popularność jako źródło energii nowej generacji? Jest on wykorzystywany na dwa główne sposoby: w „spalaniu” i „ogniwach paliwowych”. Zacznijmy od „spalania”.
Stosowane są dwa główne rodzaje spalania.
Pierwszym z nich jest paliwo rakietowe. Japońska rakieta H-IIA wykorzystuje jako paliwo gaz wodorowy (tzw. ciekły wodór) i ciekły tlen (tzw. ciekły tlen), który również znajduje się w stanie kriogenicznym. Oba te gazy są łączone, a wytwarzana w tym czasie energia cieplna przyspiesza wtryskiwanie cząsteczek wody, które następnie przemieszczają się w kosmos. Jednak ze względu na trudności techniczne, poza Japonią, tylko Stany Zjednoczone, Europa, Rosja, Chiny i Indie z powodzeniem połączyły to paliwo.
Drugim jest wytwarzanie energii. Wytwarzanie energii za pomocą turbin gazowych również wykorzystuje metodę łączenia wodoru i tlenu w celu wytwarzania energii. Innymi słowy, jest to metoda, która analizuje energię cieplną wytwarzaną przez wodór. W elektrowniach cieplnych ciepło ze spalania węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego wytwarza parę wodną, która napędza turbiny. Jeśli wodór zostanie wykorzystany jako źródło ciepła, elektrownia będzie neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla.
Jak wykorzystać wodór? Używany jako ogniwo paliwowe
Innym sposobem wykorzystania wodoru jest wykorzystanie go jako ogniwa paliwowego, które przetwarza wodór bezpośrednio na energię elektryczną. Toyota zwróciła na siebie uwagę w Japonii, promując pojazdy napędzane wodorem zamiast pojazdów elektrycznych (EV) jako alternatywę dla pojazdów benzynowych w ramach działań na rzecz walki z globalnym ociepleniem.
Dokładniej rzecz biorąc, stosujemy odwrotną procedurę, wprowadzając metodę produkcji „zielonego wodoru”. Wzór chemiczny jest następujący.
Wodór może wytwarzać wodę (gorącą wodę lub parę) podczas wytwarzania energii elektrycznej, co jest korzystne, ponieważ nie obciąża środowiska. Z drugiej strony, metoda ta charakteryzuje się stosunkowo niską sprawnością generowania energii, wynoszącą 30–40%, i wymaga platyny jako katalizatora, co wiąże się ze zwiększonymi kosztami.
Obecnie wykorzystujemy ogniwa paliwowe z polimerowym elektrolitem (PEFC) oraz ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC). W szczególności pojazdy z ogniwami paliwowymi wykorzystują PEFC, więc można się spodziewać, że technologia ta będzie się upowszechniać w przyszłości.
Czy przechowywanie i transport wodoru jest bezpieczne?
Mamy nadzieję, że już rozumiesz, jak powstaje i jest wykorzystywany wodór. Jak więc go przechowywać? 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 roku w New Jersey w USA doszło do „eksplozji sterowca Hindenburg”.
Od czasu wypadku powszechnie wiadomo, że wodór jest niebezpieczny. Zwłaszcza w przypadku zapłonu, w kontakcie z tlenem gwałtownie eksploduje. Dlatego tak ważne jest przestrzeganie zasad „trzymania z dala od tlenu” i „trzymania z dala od źródeł ciepła”.
Po podjęciu tych kroków opracowaliśmy metodę wysyłki.
Wodór jest gazem w temperaturze pokojowej, więc mimo że nadal jest gazem, zajmuje dużo miejsca. Pierwsza metoda polega na zastosowaniu wysokiego ciśnienia i sprężeniu go jak cylindra podczas produkcji napojów gazowanych. Przygotuj specjalny zbiornik wysokociśnieniowy i przechowuj go w warunkach wysokiego ciśnienia, np. 45 MPa.
Toyota, która opracowuje pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCV), pracuje nad zbiornikiem na wodór wykonanym z żywicy wysokociśnieniowej, który może wytrzymać ciśnienie 70 MPa.
Inną metodą jest schłodzenie do -253°C w celu uzyskania ciekłego wodoru, a następnie jego magazynowanie i transport w specjalnych, izolowanych termicznie zbiornikach. Podobnie jak w przypadku LNG (skroplonego gazu ziemnego), gdy gaz ziemny jest importowany z zagranicy, wodór jest skraplany podczas transportu, zmniejszając swoją objętość do 1/800 stanu gazowego. W 2020 roku ukończyliśmy budowę pierwszego na świecie nośnika ciekłego wodoru. Jednak to podejście nie nadaje się do pojazdów napędzanych 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 wodoru. Wodór ma właściwość przenikania metali i niszczenia ich. Jest to metoda badawcza opracowana w Stanach Zjednoczonych w latach 60. XX wieku. JJ Reilly i in. Eksperymenty wykazały, że wodór można magazynować i uwalniać przy użyciu stopu 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 wyciekom wodoru (głównie wybuchom). Dzięki temu można go bezpiecznie przechowywać i transportować. Jeśli jednak nie zachowasz ostrożności i pozostawisz go w nieodpowiednim środowisku, stopy do magazynowania wodoru mogą z czasem uwalniać wodór. Cóż, nawet niewielka iskra może spowodować wybuch, więc zachowaj ostrożność.
Ma ona również tę wadę, że wielokrotna absorpcja i desorpcja wodoru prowadzi do kruchości i zmniejszenia szybkości absorpcji wodoru.
Drugim rozwiązaniem jest wykorzystanie rur. Warunkiem jest, aby gaz był niesprężony i pod niskim ciśnieniem, aby zapobiec kruchości rur, ale zaletą jest możliwość wykorzystania istniejących rurociągów gazowych. 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 procesie reformowania gazu ziemnego do wytwarzania potrzebnej energii elektrycznej. Pozostaje jednak pytanie, co zrobić z produktami ubocznymi procesu reformowania.
W przyszłości, jeśli wzrośnie obieg samego wodoru, na przykład poprzez zwiększenie liczby stacji tankowania wodoru, możliwe będzie korzystanie z energii elektrycznej bez emisji dwutlenku węgla. Energia elektryczna wytwarza oczywiście zielony wodór, czyli energię elektryczną generowaną ze światła słonecznego lub wiatru. Energia zużywana do elektrolizy powinna być wykorzystywana do ograniczania produkcji energii elektrycznej lub do ładowania akumulatora w przypadku nadwyżki energii pochodzącej z energii naturalnej. Innymi słowy, wodór znajduje się w tej samej pozycji co akumulator. Jeśli tak się stanie, w końcu możliwe będzie zmniejszenie wytwarzania energii cieplnej. Dzień, w którym silniki spalinowe znikną z samochodów, zbliża się wielkimi krokami.
Wodór można również uzyskać inną drogą. W rzeczywistości wodór nadal jest produktem ubocznym produkcji sody kaustycznej. Między innymi, jest produktem ubocznym produkcji koksu w hutnictwie żelaza. Jeśli umieścisz ten wodór w dystrybucji, będziesz mógł go pozyskać z wielu źródeł. Wytworzony w ten sposób gaz wodorowy jest również dostarczany przez stacje wodorowe.
Spójrzmy dalej w przyszłość. Ilość traconej energii jest również problemem związanym z metodą przesyłu, która 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 zbiorniki z wodorem do wytwarzania energii elektrycznej dla każdego gospodarstwa domowego. Urządzenia mobilne zasilane bateriami wodorowymi stają się coraz powszechniejsze. Ciekawie będzie zobaczyć taką przyszłość.
Czas publikacji: 08-06-2023
