Apie naujos kartos vandenilio energiją

Pristatysime „vandenilį“ – naujos kartos energiją, kuri neutrali anglies dioksido atžvilgiu. Vandenilis skirstomas į tris tipus: „žaliąjį vandenilį“, „mėlynąjį vandenilį“ ir „pilkąjį vandenilį“, kurių kiekvienas turi skirtingą gamybos būdą. Taip pat paaiškinsime kiekvieną gamybos būdą, elementų fizines savybes, saugojimo / transportavimo būdus ir naudojimo būdus. Taip pat pristatysiu, kodėl tai yra naujos kartos dominuojantis energijos šaltinis.

Vandens elektrolizė žaliajam vandeniliui gaminti

Naudojant vandenilį, svarbu jį „gaminti“. Lengviausias būdas yra „elektrolizuoti vandenį“. Galbūt tai darėte pradinėje mokykloje per gamtos mokslus. Pripildykite stiklinę vandens ir įdėkite elektrodus į vandenį. Kai prie elektrodų prijungiama baterija ir įjungiama energija, vandenyje ir kiekviename elektrode vyksta šios reakcijos.
Katode H+ ir elektronai susijungia ir gamina vandenilio dujas, o anodas gamina deguonį. Vis dėlto šis metodas tinka mokykliniams moksliniams eksperimentams, tačiau norint pramoniniu būdu gaminti vandenilį, reikia paruošti efektyvius mechanizmus, tinkamus didelio masto gamybai. Tai yra „polimerinio elektrolito membraninė (PEM) elektrolizė“.
Šiuo metodu tarp anodo ir katodo įterpiama polimerinė pusiau pralaidi membrana, leidžianti praeiti vandenilio jonams. Įpilus vandens į prietaiso anodą, elektrolizės metu susidarę vandenilio jonai per pusiau pralaidią membraną patenka į katodą, kur tampa molekuliniu vandeniliu. Kita vertus, deguonies jonai negali praeiti pro pusiau pralaidią membraną ir tapti deguonies molekulėmis prie anodo.
Taip pat šarminio vandens elektrolizės metu vandenilis ir deguonis susidaro atskiriant anodą ir katodą per separatorių, per kurį gali praeiti tik hidroksido jonai. Be to, yra pramoninių metodų, tokių kaip aukštos temperatūros garų elektrolizė.
Atliekant šiuos procesus dideliu mastu, galima gauti didelius vandenilio kiekius. Proceso metu taip pat pagaminamas didelis kiekis deguonies (pusė pagaminto vandenilio tūrio), todėl išleidus į atmosferą, jis neturėtų neigiamo poveikio aplinkai. Tačiau elektrolizei reikia daug elektros energijos, todėl vandenilis be anglies dioksido gali būti gaminamas, jei jis gaminamas naudojant elektrą, kuriai nenaudojamas iškastinis kuras, pavyzdžiui, vėjo turbinos ir saulės baterijos.
„Žaliąjį vandenilį“ galite gauti elektrolizuodami vandenį naudodami švarią energiją.

Taip pat yra vandenilio generatorius didelio masto šio žaliojo vandenilio gamybai. Naudojant PEM elektrolizės skyriuje, vandenilis gali būti gaminamas nuolat.

Mėlynasis vandenilis, pagamintas iš iškastinio kuro

Taigi, kokie yra kiti vandenilio gamybos būdai? Vandenilis yra iškastiniame kure, tokiame kaip gamtinės dujos ir anglis, kaip kitos medžiagos nei vanduo. Pavyzdžiui, panagrinėkime metaną (CH4), pagrindinį gamtinių dujų komponentą. Čia yra keturi vandenilio atomai. Vandenilį galite gauti išimdami šį vandenilį.
Vienas iš jų yra procesas, vadinamas „metano reformavimu garais“, kuriame naudojami garai. Šio metodo cheminė formulė yra tokia.
Kaip matote, iš vienos metano molekulės galima išskirti anglies monoksidą ir vandenilį.
Tokiu būdu vandenilis gali būti gaminamas tokiais procesais kaip gamtinių dujų ir anglies „garo reformavimas“ ir „pirolizė“. „Mėlynasis vandenilis“ reiškia tokiu būdu pagamintą vandenilį.
Tačiau šiuo atveju kaip šalutiniai produktai susidaro anglies monoksidas ir anglies dioksidas. Todėl prieš išleidžiant juos į atmosferą, juos reikia perdirbti. Jei šalutinis produktas – anglies dioksidas – nėra regeneruojamas, jis tampa vandenilio dujomis, vadinamomis „pilkuoju vandeniliu“.

Kokio tipo elementas yra vandenilis?

Vandenilio atominis skaičius yra 1 ir jis yra pirmasis periodinės lentelės elementas.
Atomų skaičius yra didžiausias visatoje – jie sudaro apie 90 % visų visatos elementų. Mažiausias atomas, sudarytas iš protono ir elektrono, yra vandenilio atomas.
Vandenis turi du izotopus, prie kurių branduolio prisijungę neutronai. Vienas neutronais sujungtas „deuteris“ ir du neutronais sujungtas „tritis“. Tai taip pat medžiagos, naudojamos branduolių sintezės energijai gaminti.
Tokiose žvaigždėse kaip saulė vyksta branduolių sintezė iš vandenilio į helio, kuris yra energijos šaltinis, leidžiantis žvaigždei spindėti.
Tačiau vandenilis Žemėje retai egzistuoja dujų pavidalu. Vandenilis sudaro junginius su kitais elementais, tokiais kaip vanduo, metanas, amoniakas ir etanolis. Kadangi vandenilis yra lengvas elementas, kylant temperatūrai, vandenilio molekulių judėjimo greitis didėja ir jos ištrūksta iš Žemės gravitacijos į kosmosą.

Kaip naudoti vandenilį? Naudojimas degimo būdu

Taigi, kaip naudojamas „vandenilis“, kuris visame pasaulyje sulaukė dėmesio kaip naujos kartos energijos šaltinis? Jis naudojamas dviem pagrindiniais būdais: „degimui“ ir „kuro elementui“. Pradėkime nuo „deginimo“.
Naudojami du pagrindiniai degimo tipai.
Pirmasis – kaip raketinis kuras. Japonijos H-IIA raketa kaip kurą naudoja vandenilio dujas – „skystą vandenilį“ ir „skystą deguonį“, kuris taip pat yra kriogeninėje būsenoje. Šie du elementai yra sujungti, o tuo metu susidaranti šilumos energija pagreitina susidariusių vandens molekulių įpurškimą ir skrydį į kosmosą. Tačiau kadangi tai techniškai sudėtingas variklis, išskyrus Japoniją, tik Jungtinės Valstijos, Europa, Rusija, Kinija ir Indija sėkmingai sujungė šį kurą.
Antrasis – elektros energijos gamyba. Dujų turbinų elektros energijos gamybai taip pat naudojamas vandenilio ir deguonies derinimo metodas energijai generuoti. Kitaip tariant, tai metodas, kuriuo nagrinėjama vandenilio gaminama šiluminė energija. Šiluminėse elektrinėse deginant anglį, naftą ir gamtines dujas gaunama šiluma, kuri gamina garus, kurie varo turbinas. Jei kaip šilumos šaltinis naudojamas vandenilis, elektrinė bus neutrali anglies dioksido atžvilgiu.

Kaip naudoti vandenilį? Naudojamas kaip kuro elementas

Kitas būdas naudoti vandenilį – kaip kuro elementas, kuris tiesiogiai paverčia vandenilį elektra. Visų pirma, „Toyota“ atkreipė Japonijoje dėmesį, rekomenduodama vandeniliu varomas transporto priemones vietoj elektrinių transporto priemonių (EV) kaip alternatyvą benzininiams automobiliams, kaip dalį savo kovos su visuotiniu atšilimu priemonių.
Tiksliau sakant, pristatydami „žaliojo vandenilio“ gamybos metodą, atliekame atvirkštinę procedūrą. Cheminė formulė yra tokia.
Vandenilis gali gaminti vandenį (karštą vandenį arba garus) kartu gamindamas elektros energiją, ir tai galima įvertinti, nes jis nekenkia aplinkai. Kita vertus, šis metodas pasižymi santykinai mažu energijos gamybos efektyvumu – 30–40 %, be to, jam reikalingas platina kaip katalizatorius, todėl reikia didesnių sąnaudų.
Šiuo metu naudojame polimerinių elektrolitų kuro elementus (PEFC) ir fosforo rūgšties kuro elementus (PAFC). Visų pirma, PEFC naudojamas kuro elementais varomose transporto priemonėse, todėl ateityje galima tikėtis jo paplitimo.

Ar saugus vandenilio saugojimas ir transportavimas?

Manome, kad jau suprantate, kaip gaminamos ir naudojamos vandenilio dujos. Taigi, kaip laikyti šį vandenilį? Kaip jį gauti ten, kur jo reikia? O kaip dėl saugumo tuo metu? Paaiškinsime.
Iš tiesų, vandenilis taip pat yra labai pavojingas elementas. XX amžiaus pradžioje vandenilį naudojome kaip dujas oro balionams, balionams ir dirižabliams skraidinti danguje, nes jis buvo labai lengvas. Tačiau 1937 m. gegužės 6 d. Naujajame Džersyje, JAV, įvyko „dirižablio Hindenburgo sprogimas“.
Po avarijos plačiai pripažinta, kad vandenilio dujos yra pavojingos. Ypač užsidegusios jos smarkiai sprogsta susijungusios su deguonimi. Todėl labai svarbu „laikyti atokiau nuo deguonies“ arba „laikyti atokiau nuo karščio“.
Atlikę šias priemones, sugalvojome siuntimo būdą.
Vandenilis kambario temperatūroje yra dujos, todėl, nors ir yra dujos, jos yra labai didelių gabaritų. Pirmasis metodas – gaminti gazuotus gėrimus, naudojant aukštą slėgį ir suspaudžiant kaip cilindrą. Paruoškite specialų aukšto slėgio baką ir laikykite jį esant aukštam slėgiui, pvz., 45 MPa.
„Toyota“, kurianti kuro elementų transporto priemones (FCV), kuria dervinį aukšto slėgio vandenilio baką, galintį atlaikyti 70 MPa slėgį.
Kitas metodas – atvėsinti iki -253 °C, kad būtų pagamintas skystas vandenilis, o tada jį laikyti ir transportuoti specialiose šilumą izoliuojančiose talpyklose. Kaip ir SGD (suskystintos gamtinės dujos), kai gamtinės dujos importuojamos iš užsienio, vandenilis transportavimo metu yra suskystinamas, sumažinant jo tūrį iki 1/800 dujinės būsenos. 2020 m. baigėme gaminti pirmąjį pasaulyje skysto vandenilio nešiklį. Tačiau šis metodas netinka kuro elementais varomoms transporto priemonėms, nes joms aušinti reikia daug energijos.
Yra būdas laikyti ir transportuoti vandenilį tokiose talpyklose, bet mes taip pat kuriame kitus vandenilio saugojimo metodus.
Saugojimo metodas yra vandenilio saugojimo lydinių naudojimas. Vandenilis turi savybę prasiskverbti į metalus ir juos sugadinti. Šis plėtros patarimas buvo sukurtas Jungtinėse Amerikos Valstijose 1960-aisiais. JJ Reilly ir kt. Eksperimentai parodė, kad vandenilį galima saugoti ir išlaisvinti naudojant magnio ir vanadžio lydinį.
Po to jis sėkmingai sukūrė medžiagą, tokią kaip paladis, kuri gali absorbuoti vandenilį 935 kartus didesniu tūriu nei pats.
Šio lydinio naudojimo privalumas yra tas, kad jis gali padėti išvengti vandenilio nuotėkio avarijų (daugiausia sprogimų). Todėl jį galima saugiai laikyti ir transportuoti. Tačiau jei nebūsite atsargūs ir paliksite jį netinkamoje aplinkoje, vandenilio kaupimo lydiniai laikui bėgant gali išskirti vandenilio dujas. Na, net ir maža kibirkštis gali sukelti sprogimą, todėl būkite atsargūs.
Taip pat yra trūkumas, kad pakartotinė vandenilio absorbcija ir desorbcija sukelia trapumą ir sumažina vandenilio absorbcijos greitį.
Kita galimybė – naudoti vamzdžius. Yra sąlyga, kad jie turi būti nesuspausti ir žemo slėgio, kad vamzdžiai netaptų trapūs, tačiau privalumas tas, kad galima naudoti esamus dujų vamzdžius. „Tokyo Gas“ atliko „Harumi FLAG“ statybos darbus, naudodama miesto dujotiekius vandeniliui kuro elementams tiekti.

Vandenilio energija kuria ateities visuomenę

Galiausiai, apsvarstykime vandenilio vaidmenį visuomenėje.
Dar svarbiau, kad norime skatinti visuomenę be anglies dioksido, todėl vandenilį naudojame elektros energijai gaminti, o ne šilumos gamybai.
Vietoj didelių šiluminių elektrinių kai kurie namų ūkiai įdiegė tokias sistemas kaip ENE-FARM, kurios naudoja vandenilį, gautą reformuojant gamtines dujas, reikiamai elektros energijai gaminti. Tačiau lieka klausimas, ką daryti su reformavimo proceso šalutiniais produktais.

Ateityje, jei padidės paties vandenilio apyvarta, pavyzdžiui, padidės vandenilio degalinių skaičius, bus galima naudoti elektrą neišskiriant anglies dioksido. Žinoma, elektra gamina žaliąjį vandenilį, todėl naudojama iš saulės šviesos arba vėjo pagaminta elektra. Elektrolizei naudojama energija turėtų būti skirta energijos gamybai sumažinti arba įkraunamai baterijai įkrauti, kai yra energijos perteklius iš natūralios energijos. Kitaip tariant, vandenilis atsidurs tokioje pačioje padėtyje kaip ir įkraunama baterija. Jei taip atsitiks, galiausiai bus galima sumažinti šiluminės energijos gamybą. Artėja diena, kai iš automobilių dings vidaus degimo variklis.

Vandenilį galima gauti ir kitu būdu. Tiesą sakant, vandenilis vis dar yra kaustinės sodos gamybos šalutinis produktas. Be kita ko, tai yra kokso gamybos geležies gamyboje šalutinis produktas. Jei šį vandenilį tieksite į paskirstymo sistemą, galėsite gauti jį iš kelių šaltinių. Tokiu būdu pagamintas vandenilio dujas taip pat tiekia vandenilio degalinės.

Pažvelkime toliau į ateitį. Energijos praradimo kiekis taip pat yra problema, susijusi su perdavimo būdu, kai energija tiekiama laidais. Todėl ateityje naudosime vamzdynais tiekiamą vandenilį, kaip ir gazuotų gėrimų gamyboje naudojamas anglies rūgšties talpyklas, ir pirksime vandenilio talpyklas namams, kad pagamintume elektros energiją kiekvieniems namams. Mobilieji įrenginiai, veikiantys vandenilio baterijomis, tampa įprastu reiškiniu. Bus įdomu pamatyti tokią ateitį.