O wodorze energetycznym nowej generacji

Wprowadzimy „wodór”, nową generację energii neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla. Wodór dzieli się na trzy rodzaje: „zielony wodór”, „niebieski wodór” i „szary wodór”, z których każdy ma inną metodę produkcji. Wyjaśnimy także każdą metodę produkcji, właściwości fizyczne elementów, metody przechowywania/transportu i sposoby użycia. Przedstawię też dlaczego jest to dominujące źródło energii nowej generacji.

Elektroliza wody w celu wytworzenia zielonego wodoru

Używając wodoru, ważne jest, aby tak czy inaczej „wyprodukować wodór”. Najłatwiej jest „elektrolizować wodę”. Może robiłeś to w szkole podstawowej. Napełnij zlewkę wodą i elektrody w wodzie. Kiedy akumulator jest podłączony do elektrod i zasilany energią, w wodzie i w każdej elektrodzie zachodzą następujące reakcje.
Na katodzie H+ i elektrony łączą się, tworząc gazowy wodór, podczas gdy anoda wytwarza tlen. Mimo to takie podejście sprawdza się w przypadku szkolnych eksperymentów naukowych, jednak aby produkować wodór na skalę przemysłową, należy przygotować wydajne mechanizmy odpowiednie do produkcji na dużą skalę. To jest „elektroliza z membraną polimerowo-elektrolitową (PEM)”.
W tej metodzie polimerowa półprzepuszczalna membrana umożliwiająca przepływ jonów wodorowych jest umieszczona pomiędzy anodą i katodą. Po wlaniu wody do anody urządzenia jony wodoru powstałe w procesie elektrolizy przedostają się przez półprzepuszczalną membranę do katody, gdzie stają się wodorem cząsteczkowym. Z drugiej strony jony tlenu nie mogą przejść przez półprzepuszczalną membranę i stać się cząsteczkami tlenu na anodzie.
Również w elektrolizie wody alkalicznej wytwarza się wodór i tlen, oddzielając anodę i katodę przez separator, przez który mogą przechodzić tylko jony wodorotlenkowe. Ponadto istnieją metody przemysłowe, takie jak elektroliza parowa w wysokiej temperaturze.
Prowadząc te procesy na dużą skalę, można uzyskać duże ilości wodoru. W procesie tym wytwarzana jest także znaczna ilość tlenu (połowa objętości produkowanego wodoru), tak aby jego uwolnienie do atmosfery nie miało negatywnego wpływu na środowisko. Elektroliza wymaga jednak dużej ilości energii elektrycznej, zatem wodór bezemisyjny można wytwarzać, jeśli jest wytwarzany przy użyciu 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 wytwarzany 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. Weźmy na przykład metan (CH4), główny składnik gazu ziemnego. Są tu cztery atomy wodoru. Wodór można uzyskać poprzez usunięcie tego wodoru.
Jednym z nich jest proces zwany „reformingiem metanu parowego”, w którym wykorzystuje się parę. Wzór chemiczny tej metody jest następujący.
Jak widać, z pojedynczej cząsteczki metanu można wyekstrahować tlenek węgla i wodór.
W ten sposób wodór można wytwarzać w procesach takich jak „reforming parowy” i „piroliza” gazu ziemnego i węgla. „Niebieski wodór” odnosi się do wodoru powstałego w ten sposób.
Jednakże w tym przypadku tlenek i dwutlenek węgla powstają jako produkty uboczne. Należy je więc poddać recyklingowi, zanim zostaną wypuszczone do atmosfery. Produkt uboczny, dwutlenek węgla, jeśli nie zostanie odzyskany, staje się gazowym wodorem, znanym jako „szary wodór”.

Jakim pierwiastkiem jest wodór?

Wodór ma liczbę atomową 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 „deuter” związany z neutronami i dwa „tryt” związanymi neutronami. Są to także materiały do ​​wytwarzania energii termojądrowej.
Wewnątrz gwiazdy takiej jak Słońce zachodzi fuzja jądrowa wodoru z helem, który jest źródłem energii potrzebnej do świecenia gwiazdy.
Jednak wodór rzadko występuje na Ziemi w postaci gazu. Wodór tworzy związki z innymi pierwiastkami, takimi jak woda, metan, amoniak i etanol. Ponieważ wodór jest pierwiastkiem lekkim, wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość ruchu cząsteczek wodoru i uciekają one przed grawitacją Ziemi w przestrzeń kosmiczną.

Jak wykorzystać wodór? Użycie przez spalenie

W takim razie w jaki sposób wykorzystywany jest „wodór”, który przyciągnął uwagę świata jako źródło energii nowej generacji? Wykorzystuje się go na dwa główne sposoby: „spalanie” i „ogniwo paliwowe”. Zacznijmy od użycia słowa „spalić”.
Stosowane są dwa główne rodzaje spalania.
Pierwszym z nich jest paliwo rakietowe. Japońska rakieta H-IIA jako paliwo wykorzystuje wodór, „ciekły wodór” i „ciekły tlen”, który również jest w stanie kriogenicznym. Te dwa elementy są połączone, a wytworzona w tym czasie energia cieplna przyspiesza wtryskiwanie wygenerowanych cząsteczek wody w przestrzeń kosmiczną. Ponieważ jednak jest to silnik trudny technicznie, poza Japonią, jedynie w Stanach Zjednoczonych, Europie, Rosji, Chinach i Indiach udało się połączyć to paliwo.
Drugie to wytwarzanie energii. Wytwarzanie energii w turbinach gazowych wykorzystuje również metodę łączenia wodoru i tlenu w celu wytworzenia energii. Innymi słowy, jest to metoda wykorzystująca energię cieplną wytwarzaną przez wodór. W elektrowniach cieplnych ciepło ze spalania węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego wytwarza parę, która napędza turbiny. Jeżeli jako źródło ciepła wykorzystany zostanie wodór, elektrownia będzie neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla.

Jak wykorzystać wodór? Używany jako ogniwo paliwowe

Innym sposobem wykorzystania wodoru jest ogniwo paliwowe, które przekształca wodór bezpośrednio w energię elektryczną. W szczególności Toyota zwróciła na siebie uwagę w Japonii, reklamując pojazdy napędzane wodorem zamiast pojazdów elektrycznych (EV) jako alternatywę dla pojazdów benzynowych w ramach środków przeciwdziałania globalnemu ociepleniu.
W szczególności wykonujemy procedurę odwrotną, wprowadzając metodę produkcji „zielonego wodoru”. Wzór chemiczny jest następujący.
Wodór może wytwarzać wodę (gorącą wodę lub parę) podczas wytwarzania energii elektrycznej i można go oceniać, ponieważ nie obciąża środowiska. Z drugiej strony metoda ta charakteryzuje się stosunkowo niską wydajnością wytwarzania energii wynoszącą 30-40% i wymaga platyny jako katalizatora, co wiąże się z większymi kosztami.
Obecnie stosujemy ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PEFC) i ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC). W szczególności pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi korzystają z PEFC, zatem można się spodziewać, że zjawisko to będzie się rozprzestrzeniać w przyszłości.

Czy magazynowanie i transport wodoru jest bezpieczne?

Sądzimy, że już wiesz, w jaki sposób powstaje i wykorzystuje wodór. Jak więc przechowywać ten wodór? Jak go zdobyć tam, gdzie go potrzebujesz? 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 statków powietrznych na niebie, ponieważ był bardzo lekki. Jednak 6 maja 1937 roku w New Jersey w USA doszło do „eksplozji sterowca Hindenburg”.
Od czasu wypadku powszechnie uznano, że wodór jest niebezpieczny. Zwłaszcza gdy się zapali, eksploduje gwałtownie wraz z tlenem. Dlatego istotne jest „trzymanie z dala od tlenu” lub „trzymanie z dala od źródeł ciepła”.
Po podjęciu tych działań opracowaliśmy metodę wysyłki.
Wodór jest gazem w temperaturze pokojowej, więc chociaż nadal jest gazem, jest bardzo nieporęczny. Pierwsza metoda polega na zastosowaniu wysokiego ciśnienia i ściśnięciu jak cylinder podczas przygotowywania napojów gazowanych. Przygotuj specjalny zbiornik wysokociśnieniowy i przechowuj go w warunkach wysokiego ciśnienia, np. 45Mpa.
Toyota, która opracowuje pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCV), opracowuje wysokociśnieniowy zbiornik wodoru z żywicy, który wytrzymuje ciśnienie 70 MPa.
Inną metodą jest ochłodzenie do -253°C w celu wytworzenia ciekłego wodoru, a następnie przechowywanie i transport w specjalnych, izolowanych cieplnie zbiornikach. Podobnie jak LNG (skroplony gaz ziemny), gdy gaz ziemny jest importowany z zagranicy, wodór podczas transportu ulega skropleniu, redukując jego objętość do 1/800 stanu gazowego. W 2020 roku ukończyliśmy pierwszy na świecie nośnik ciekłego wodoru. Jednak takie podejście nie jest odpowiednie w przypadku pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi, ponieważ wymaga dużo energii do chłodzenia.
Istnieje metoda przechowywania i transportu w takich zbiornikach, ale pracujemy nad innymi metodami magazynowania wodoru.
Metodą przechowywania jest użycie stopów do przechowywania wodoru. Wodór ma właściwość penetrowania metali i ich niszczenia. Jest to wskazówka rozwojowa, która została opracowana w Stanach Zjednoczonych w latach 60-tych. JJ Reilly i in. Eksperymenty wykazały, że wodór można magazynować i uwalniać za pomocą stopu magnezu i wanadu.
Następnie z sukcesem opracował substancję taką jak pallad, która może wchłonąć wodór w ilości 935 razy większej niż jej własna objętość.
Zaletą stosowania tego stopu jest to, że może on zapobiegać wypadkom związanym z wyciekiem wodoru (głównie wypadkom związanym z eksplozją). Dzięki temu można go bezpiecznie przechowywać i transportować. Jeśli jednak nie zachowasz ostrożności i pozostawisz go w niewłaściwym środowisku, stopy do przechowywania wodoru mogą z czasem uwalniać wodór. Cóż, nawet mała iskra może spowodować wypadek w postaci eksplozji, więc należy zachować ostrożność.
Ma to również tę wadę, że powtarzająca się absorpcja i desorpcja wodoru prowadzi do kruchości i zmniejsza szybkość absorpcji wodoru.
Drugim jest użycie rur. Istnieje warunek, że musi on być niesprężony i pod niskim ciśnieniem, aby zapobiec kruchości rur, ale zaletą jest to, że można zastosować istniejące rury gazowe. Tokyo Gas przeprowadziło prace budowlane na terenie LGR Harumi, wykorzystując gazociągi miejskie do dostarczania wodoru do ogniw paliwowych.

Społeczeństwo przyszłości stworzone przez energię wodorową

Na koniec rozważmy rolę, jaką wodór może odegrać w społeczeństwie.
Co ważniejsze, chcemy promować społeczeństwo bezemisyjne, wykorzystujemy wodór do wytwarzania energii elektrycznej, a nie jako energię cieplną.
Zamiast dużych elektrociepłowni część gospodarstw domowych wprowadziła systemy takie jak ENE-FARM, które do wytworzenia potrzebnej energii elektrycznej wykorzystują wodór uzyskany w wyniku reformingu gazu ziemnego. Pozostaje jednak pytanie, co zrobić z produktami ubocznymi procesu reform.

W przyszłości, jeśli zwiększy się sam obieg wodoru, np. zwiększy się liczba stacji tankowania wodoru, możliwe będzie wykorzystanie energii elektrycznej bez emisji dwutlenku węgla. Energia elektryczna wytwarza oczywiście zielony wodór, więc wykorzystuje energię wytwarzaną ze światła słonecznego lub wiatru. Moc wykorzystywana do elektrolizy powinna być mocą pozwalającą na ograniczenie ilości wytwarzanej energii lub ładowanie akumulatora, gdy występuje nadwyżka energii pochodzącej z energii naturalnej. Innymi słowy, wodór znajduje się w tym samym miejscu, co akumulator. Jeśli tak się stanie, ostatecznie możliwe będzie ograniczenie wytwarzania energii cieplnej. Wielkimi krokami zbliża się dzień, w którym silnik spalinowy zniknie z samochodów.

Wodór można pozyskać także inną drogą. W rzeczywistości wodór nadal jest produktem ubocznym produkcji sody kaustycznej. Jest między innymi produktem ubocznym produkcji koksu przy hutnictwie żelaza. Jeśli umieścisz ten wodór w dystrybucji, będziesz mógł uzyskać wiele źródeł. Wytwarzany w ten sposób wodór dostarczany jest także na stacjach wodorowych.

Spójrzmy dalej w przyszłość. Ilość traconej energii jest również problemem w przypadku metody przesyłu wykorzystującej przewody do zasilania. Dlatego w przyszłości będziemy wykorzystywać wodór dostarczany rurociągami, podobnie jak zbiorniki kwasu węglowego używane do produkcji napojów gazowanych, i kupować zbiornik wodoru w domu, aby wytwarzać prąd dla każdego gospodarstwa domowego. Urządzenia mobilne zasilane akumulatorami wodorowymi stają się powszechne. Ciekawie będzie zobaczyć taką przyszłość.