За следната генерација на енергија од водород

Ќе го претставиме „водородот“, следната генерација на енергија што е јаглеродно неутрална. Водородот е поделен на три вида: „зелен водород“, „син водород“ и „сив водород“, од кои секој има различен метод на производство. Исто така, ќе објасниме секој метод на производство, физичките својства како елементи, методите за складирање/транспорт и методите на употреба. Исто така, ќе претставам зошто е доминантен извор на енергија во следната генерација.

Електролиза на вода за производство на зелен водород

Кога користите водород, важно е секако да „произведете водород“. Најлесниот начин е да „електролизирате вода“. Можеби сте го правеле тоа во основно училиште по природни науки. Наполнете ја чашата со вода и електроди во вода. Кога батеријата е поврзана со електродите и е напојувана, следните реакции се случуваат во водата и во секоја електрода.
На катодата, H+ и електроните се комбинираат за да произведат водороден гас, додека анодата произведува кислород. Сепак, овој пристап е во ред за училишни научни експерименти, но за индустриско производство на водород, мора да се подготват ефикасни механизми погодни за производство на големо. Тоа е „електролиза на полимерна електролитна мембрана (PEM)“.
Во овој метод, полимерна полупропустлива мембрана што овозможува премин на водородни јони е сместена помеѓу анодата и катодата. Кога водата се истура во анодата на уредот, водородните јони произведени со електролиза се движат низ полупропустлива мембрана до катодата, каде што стануваат молекуларен водород. Од друга страна, кислородните јони не можат да поминат низ полупропустливата мембрана и да станат молекули на кислород на анодата.
Исто така, кај алкалната електролиза на вода, се создава водород и кислород со одвојување на анодата и катодата преку сепаратор низ кој можат да поминат само хидроксидни јони. Покрај тоа, постојат и индустриски методи како што е електролизата на пареа на висока температура.
Со извршување на овие процеси на големо ниво, може да се добијат големи количини на водород. Во процесот, се произведува и значителна количина на кислород (половина од волуменот на произведениот водород), така што нема да има негативно влијание врз животната средина доколку се испушти во атмосферата. Сепак, електролизата бара многу електрична енергија, па затоа водородот без јаглерод може да се произведе ако се произведува со електрична енергија што не користи фосилни горива, како што се ветерни турбини и соларни панели.
Можете да добиете „зелен водород“ со електролиза на водата со употреба на чиста енергија.

Исто така, постои генератор на водород за производство на овој зелен водород во големи размери. Со користење на PEM во делот за електролизер, водородот може да се произведува континуирано.

Син водород направен од фосилни горива

Значи, кои се другите начини за производство на водород? Водородот постои во фосилните горива како што се природниот гас и јагленот како супстанци различни од водата. На пример, земете го метанот (CH4), главната компонента на природниот гас. Тука има четири атоми на водород. Можете да добиете водород со отстранување на овој водород.
Еден од нив е процес наречен „реформирање на метан со пареа“ кој користи пареа. Хемиската формула на овој метод е како што следува.
Како што можете да видите, јаглерод моноксидот и водородот можат да се екстрахираат од еден молекул на метан.
На овој начин, водородот може да се произведува преку процеси како што се „реформирање со пареа“ и „пиролиза“ на природен гас и јаглен. „Син водород“ се однесува на водород произведен на овој начин.
Во овој случај, сепак, јаглерод моноксидот и јаглерод диоксидот се произведуваат како нуспроизводи. Затоа, мора да ги рециклирате пред да се испуштат во атмосферата. Нуспроизводот јаглерод диоксид, ако не се обнови, станува водороден гас, познат како „сив водород“.

Каков вид елемент е водородот?

Водородот има атомски број 1 и е првиот елемент во периодниот систем.
Бројот на атоми е најголем во универзумот, сочинувајќи околу 90% од сите елементи во универзумот. Најмалиот атом што се состои од протон и електрон е атомот на водород.
Водородот има два изотопа со неутрони прикачени на јадрото. Еден „деутериум“ со неутронска врска и два „тритиум“ со неутронска врска. Ова се исто така материјали за производство на фузиска енергија.
Во ѕвезда како Сонцето се одвива нуклеарна фузија од водород во хелиум, што е извор на енергија за ѕвездата да свети.
Сепак, водородот ретко постои како гас на Земјата. Водородот формира соединенија со други елементи како што се вода, метан, амонијак и етанол. Бидејќи водородот е лесен елемент, како што температурата се зголемува, брзината на движење на молекулите на водород се зголемува и тие бегаат од гравитацијата на Земјата во вселената.

Како да се користи водород? Употреба преку согорување

Тогаш, како се користи „водородот“, кој привлече светско внимание како извор на енергија од следната генерација? Се користи на два главни начина: „согорување“ и „горивни ќелии“. Да почнеме со употребата на „согорување“.
Се користат два главни типа на согорување.
Првото е како ракетно гориво. Јапонската ракета H-IIA користи водороден гас „течен водород“ и „течен кислород“, кој исто така е во криогена состојба, како гориво. Овие две се комбинираат, а топлинската енергија генерирана во тој момент го забрзува вбризгувањето на генерираните молекули на вода, летајќи во вселената. Меѓутоа, бидејќи станува збор за технички тежок мотор, освен Јапонија, само САД, Европа, Русија, Кина и Индија успешно го комбинирале ова гориво.
Вториот е производство на енергија. Производството на енергија од гасни турбини, исто така, го користи методот на комбинирање на водород и кислород за производство на енергија. Со други зборови, тоа е метод што ја разгледува топлинската енергија произведена од водород. Во термоелектраните, топлината од согорувањето на јаглен, нафта и природен гас произведува пареа што ги движи турбините. Ако водородот се користи како извор на топлина, електраната ќе биде јаглеродно неутрална.

Како да се користи водород? Се користи како горивна ќелија

Друг начин за користење на водородот е како горивна ќелија, која го претвора водородот директно во електрична енергија. Особено, Тојота го привлече вниманието во Јапонија со тоа што ги промовира возилата на водороден погон наместо електричните возила (EV) како алтернатива на бензинските возила, како дел од своите контрамерки против глобалното затоплување.
Поточно, ја правиме обратната постапка кога го воведуваме методот на производство на „зелен водород“. Хемиската формула е следнава.
Водородот може да генерира вода (топла вода или пареа) додека произведува електрична енергија, а може да се оцени бидејќи не претставува оптоварување за животната средина. Од друга страна, овој метод има релативно ниска ефикасност на производство на енергија од 30-40% и бара платина како катализатор, што бара зголемени трошоци.
Моментално, користиме полимерни електролитни горивни ќелии (PEFC) и горивни ќелии на фосфорна киселина (PAFC). Особено, возилата на горивни ќелии користат PEFC, па затоа може да се очекува неговото ширење во иднина.

Дали складирањето и транспортот на водород се безбедни?

Досега, мислиме дека разбирате како се произведува и користи водородниот гас. Па, како го складирате овој водород? Како го доставувате таму каде што ви е потребен? Што е со безбедноста во тој момент? Ќе објасниме.
Всушност, водородот е исто така многу опасен елемент. На почетокот на 20 век, го користевме водородот како гас за да лебдиме балони, балони и воздушни бродови на небото бидејќи беше многу лесен. Сепак, на 6 мај 1937 година, во Њу Џерси, САД, се случи „експлозијата на воздушниот брод Хинденбург“.
Од несреќата, широко е познато дека водородниот гас е опасен. Особено кога ќе се запали, ќе експлодира силно со кислород. Затоа, „држете се подалеку од кислород“ или „држете се подалеку од топлина“ е од суштинско значење.
Откако ги презедовме овие мерки, смисливме метод на испорака.
Водородот е гас на собна температура, па иако е сè уште гас, е многу гломазен. Првиот метод е да се примени висок притисок и да се компресира како цилиндар при подготовка на газирани пијалоци. Подгответе специјален резервоар под висок притисок и складирајте го под услови на висок притисок, како што е 45Mpa.
Тојота, која развива возила со горивни ќелии (FCV), развива резервоар за водород со висок притисок од смола кој може да издржи притисок од 70 MPa.
Друг метод е ладење до -253°C за да се направи течен водород, и негово складирање и транспортирање во специјални резервоари со топлинска изолација. Како и кај течниот природен гас (LNG) кога природниот гас се увезува од странство, водородот се втечнува за време на транспортот, намалувајќи го неговиот волумен на 1/800 од неговата гасовита состојба. Во 2020 година, го завршивме првиот носач на течен водород во светот. Сепак, овој пристап не е погоден за возила со горивни ќелии бидејќи бара многу енергија за ладење.
Постои метод за складирање и транспорт во резервоари како овој, но развиваме и други методи за складирање на водород.
Методот на складирање е со употреба на легури за складирање на водород. Водородот има својство да продира во металите и да ги оштетува. Ова е совет за развој што беше развиен во Соединетите Американски Држави во 1960-тите. Џ.Џ. Рајли и др. Експериментите покажаа дека водородот може да се складира и ослободи со употреба на легура од магнезиум и ванадиум.
После тоа, тој успешно развил супстанца, како што е паладиумот, која може да апсорбира водород 935 пати поголем од својот волумен.
Предноста на користењето на оваа легура е што може да спречи несреќи со истекување на водород (главно несреќи со експлозија). Затоа, може безбедно да се складира и транспортира. Меѓутоа, ако не сте внимателни и ја оставите во погрешно опкружување, легурите за складирање на водород можат со текот на времето да ослободат водороден гас. Па, дури и мала искра може да предизвика експлозија, затоа бидете внимателни.
Исто така, има недостаток што повторената апсорпција и десорпција на водород доведува до кршливост и ја намалува стапката на апсорпција на водород.
Другото е да се користат цевки. Постои услов дека мора да бидат некомпресирани и со низок притисок за да се спречи кршливост на цевките, но предноста е што може да се користат постојните гасоводи. „Токио Гас“ изврши градежни работи на Харуми ФЛАГ, користејќи градски гасоводи за снабдување со водород до горивните ќелии.

Идно општество создадено од водородна енергија

Конечно, да ја разгледаме улогата што водородот може да ја игра во општеството.
Уште поважно, сакаме да промовираме општество без јаглерод, користиме водород за производство на електрична енергија наместо како топлинска енергија.
Наместо големи термоелектрани, некои домаќинства воведоа системи како што е ENE-FARM, кои користат водород добиен со реформирање на природен гас за да ја генерираат потребната електрична енергија. Сепак, прашањето што да се прави со нуспроизводите од процесот на реформирање останува.

Во иднина, ако се зголеми циркулацијата на самиот водород, како на пример зголемувањето на бројот на станици за полнење водород, ќе биде можно да се користи електрична енергија без емитување јаглерод диоксид. Електричната енергија произведува зелен водород, се разбира, па затоа користи електрична енергија генерирана од сончева светлина или ветер. Енергијата што се користи за електролиза треба да биде моќта за потиснување на количината на генерирана енергија или за полнење на батеријата што може да се полни кога има вишок енергија од природна енергија. Со други зборови, водородот е во иста положба како и батеријата што може да се полни. Ако се случи ова, на крајот ќе биде можно да се намали производството на топлинска енергија. Денот кога моторот со внатрешно согорување ќе исчезне од автомобилите брзо се приближува.

Водородот може да се добие и преку друг пат. Всушност, водородот е сè уште нуспроизвод од производството на каустична сода. Меѓу другото, тој е нуспроизвод од производството на кокс во производството на железо. Ако го ставите овој водород во дистрибуцијата, ќе можете да добиете повеќе извори. Водородниот гас произведен на овој начин се снабдува и од водородните станици.

Да погледнеме подалеку во иднината. Количината на изгубена енергија е исто така проблем со методот на пренос кој користи жици за снабдување со енергија. Затоа, во иднина, ќе го користиме водородот што се испорачува преку цевководи, исто како резервоарите со јаглеродна киселина што се користат за производство на газирани пијалоци, и ќе купуваме резервоар со водород дома за да произведуваме електрична енергија за секое домаќинство. Мобилните уреди што работат на водородни батерии стануваат вообичаени. Ќе биде интересно да се види таква иднина.