Mes pristatysime „vandenilį“, naujos kartos energiją, kuri yra neutrali anglies dioksido kiekiui. Vandenilis skirstomas į tris tipus: „žaliasis vandenilis“, „mėlynasis vandenilis“ ir „pilkasis vandenilis“, kurių kiekvienas turi skirtingą gamybos būdą. Taip pat paaiškinsime kiekvieną gamybos būdą, fizines savybes kaip elementus, laikymo/transportavimo būdus ir naudojimo būdus. Taip pat pristatysiu, kodėl tai yra naujos kartos dominuojantis energijos šaltinis.
Vandens elektrolizė gaminant žaliąjį vandenilį
Naudojant vandenilį, svarbu bet kokiu atveju „gaminti vandenilį“. Lengviausias būdas yra „elektrolizuoti vandenį“. Galbūt jūs mokėjote mokslus pradinėje mokykloje. Užpildykite stiklinę vandens ir elektrodus vandeniu. Kai akumuliatorius yra prijungtas prie elektrodų ir įjungiamas, vandenyje ir kiekviename elektrode vyksta šios reakcijos.
Katode H+ ir elektronai susijungia, kad susidarytų vandenilio dujos, o anodas gamina deguonį. Vis dėlto šis metodas tinka mokykliniams mokslo eksperimentams, tačiau norint gaminti vandenilį pramoniniu būdu, reikia paruošti veiksmingus mechanizmus, tinkamus didelio masto gamybai. Tai yra „polimero elektrolitų membranos (PEM) elektrolizė“.
Taikant šį metodą, tarp anodo ir katodo įterpiama polimerinė pusiau pralaidi membrana, leidžianti praeiti vandenilio jonams. Į prietaiso anodą pilant vandenį, elektrolizės būdu susidarę vandenilio jonai per pusiau pralaidžią membraną juda į katodą, kur tampa molekuliniu vandeniliu. Kita vertus, deguonies jonai negali praeiti pro pusiau pralaidžią membraną ir tapti deguonies molekulėmis prie anodo.
Taip pat šarminio vandens elektrolizės metu sukuriate vandenilį ir deguonį, atskirdami anodą ir katodą per separatorių, per kurį gali praeiti tik hidroksido jonai. Be to, yra pramoninių metodų, tokių kaip aukštos temperatūros garo elektrolizė.
Atliekant šiuos procesus dideliu mastu, galima gauti didelius vandenilio kiekius. Proceso metu taip pat susidaro nemažas kiekis deguonies (pusė pagaminamo vandenilio tūrio), todėl patekęs į atmosferą jis neturėtų neigiamo poveikio aplinkai. Tačiau elektrolizei reikia daug elektros, todėl vandenilį be anglies galima gaminti, jei jis gaminamas naudojant elektrą, kuri nenaudoja iškastinio kuro, pavyzdžiui, vėjo turbinomis ir saulės baterijomis.
„Žaliąjį vandenilį“ galite gauti elektrolizuodami vandenį naudodami švarią energiją.
Taip pat yra vandenilio generatorius, skirtas didelio masto šio žaliojo vandenilio gamybai. Naudojant PEM elektrolizatoriaus skyriuje, vandenilis gali būti gaminamas nuolat.
Mėlynas vandenilis, pagamintas iš iškastinio kuro
Taigi, kokie kiti vandenilio gamybos būdai? Vandenilis yra iškastiniame kure, tokiuose kaip gamtinės dujos ir anglis, kaip kitos medžiagos nei vanduo. Pavyzdžiui, apsvarstykite metaną (CH4), pagrindinį gamtinių dujų komponentą. Čia yra keturi vandenilio atomai. Ištraukę vandenilį galite gauti vandenilio.
Vienas iš jų yra procesas, vadinamas „garų metano reformavimu“, kuriame naudojami garai. Šio metodo cheminė formulė yra tokia.
Kaip matote, anglies monoksidas ir vandenilis gali būti išgaunami iš vienos metano molekulės.
Tokiu būdu vandenilis gali būti gaminamas naudojant tokius procesus kaip „garų riformingas“ ir gamtinių dujų bei anglies „pirolizė“. „Mėlynasis vandenilis“ reiškia tokiu būdu pagamintą vandenilį.
Tačiau šiuo atveju anglies monoksidas ir anglies dioksidas susidaro kaip šalutiniai produktai. Taigi, prieš išleidžiant į atmosferą, turite juos perdirbti. Šalutinis anglies dioksidas, jei jis nėra regeneruojamas, tampa vandenilio dujomis, vadinamomis „pilkuoju vandeniliu“.
Koks elementas yra vandenilis?
Vandenilio atominis skaičius yra 1 ir yra pirmasis elementas periodinėje lentelėje.
Atomų skaičius yra didžiausias visatoje, sudaro apie 90% visų visatos elementų. Mažiausias atomas, sudarytas iš protono ir elektrono, yra vandenilio atomas.
Vandenilis turi du izotopus su neutronais, prijungtais prie branduolio. Vienas neutronais sujungtas „deuteris“ ir du neutronais sujungti „tritis“. Tai taip pat yra sintezės energijos gamybos medžiagos.
Tokios žvaigždės kaip saulė viduje vyksta branduolių sintezė nuo vandenilio iki helio, kuris yra žvaigždės spindėjimo energijos šaltinis.
Tačiau vandenilis kaip dujos Žemėje retai egzistuoja. 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 iš žemės gravitacijos išbėga į kosmosą.
Kaip naudoti vandenilį? Naudojimas degimo būdu
Tada kaip naudojamas „vandenilis“, kuris visame pasaulyje sulaukė dėmesio kaip naujos kartos energijos šaltinis? Jis naudojamas dviem pagrindiniais būdais: „degimas“ ir „kuro elementas“. Pradėkime nuo žodžio „deginti“ naudojimo.
Naudojami du pagrindiniai degimo būdai.
Pirmasis yra raketų kuras. Japonijos H-IIA raketoje kaip kuras naudoja vandenilio dujas „skystas vandenilis“ ir „skystas deguonis“, kurios taip pat yra kriogeninės būsenos. Šios dvi yra sujungtos, o tuo metu susidariusi šilumos energija pagreitina susidariusių vandens molekulių įpurškimą, skrendantį į kosmosą. Tačiau kadangi tai techniškai sudėtingas variklis, išskyrus Japoniją, šį kurą sėkmingai derino tik JAV, Europa, Rusija, Kinija ir Indija.
Antrasis yra elektros energijos gamyba. Gaminant dujų turbiną taip pat naudojamas vandenilio ir deguonies sujungimo būdas energijai gaminti. Kitaip tariant, tai metodas, kuriame nagrinėjama vandenilio gaminama šiluminė energija. Šiluminėse elektrinėse deginant anglį, naftą ir gamtines dujas susidaro garai, kurie varo turbinas. Jei vandenilis bus naudojamas kaip šilumos šaltinis, elektrinė bus neutrali anglies dioksido atžvilgiu.
Kaip naudoti vandenilį? Naudojamas kaip kuro elementas
Kitas vandenilio panaudojimo būdas yra kuro elementas, kuris vandenilį tiesiogiai paverčia elektra. Visų pirma „Toyota“ atkreipė Japonijos dėmesį, kaip dalį kovos su visuotiniu atšilimu priemonių, vietoj elektrinių transporto priemonių (EV) reklamuodama vandeniliu varomas transporto priemones kaip alternatyvą benzininiams automobiliams.
Tiksliau, mes atliekame atvirkštinę procedūrą, kai pristatome „žaliojo vandenilio“ gamybos metodą. Cheminė formulė yra tokia.
Vandenilis gamindamas elektrą gali generuoti vandenį (karštą vandenį ar garus), ir tai gali būti įvertinta, nes nekelia naštos aplinkai. Kita vertus, šis metodas pasižymi santykinai mažu 30-40% energijos gamybos efektyvumu, o kaip katalizatoriumi reikalinga platina, todėl reikia didesnių sąnaudų.
Šiuo metu naudojame polimerinių elektrolitų kuro elementus (PEFC) ir fosforo rūgšties kuro elementus (PAFC). Visų pirma kuro elementų transporto priemonėse naudojamas PEFC, todėl galima tikėtis, kad ateityje jis išplis.
Ar saugu laikyti ir transportuoti vandenilį?
Dabar manome, kad suprantate, kaip gaminamos ir naudojamos vandenilio dujos. Taigi, kaip laikyti šį vandenilį? Kaip jį gauti ten, kur reikia? O kaip su saugumu tuo metu? Mes paaiškinsime.
Tiesą sakant, vandenilis taip pat yra labai pavojingas elementas. XX amžiaus pradžioje vandenilį naudojome kaip dujas danguje plukdyti balionams, balionams ir dirižabliams, nes jis buvo labai lengvas. Tačiau 1937 m. gegužės 6 d. Naujajame Džersyje, JAV, įvyko „dirižablio Hindenburgo sprogimas“.
Po avarijos buvo plačiai pripažinta, kad vandenilio dujos yra pavojingos. Ypač kai jis užsiliepsnoja, jis smarkiai sprogs deguonimi. Todėl labai svarbu „laikyti atokiai nuo deguonies“ arba „laikyti atokiai nuo karščio“.
Po šių priemonių sugalvojome pristatymo būdą.
Vandenilis yra dujos kambario temperatūroje, todėl, nors jis vis dar yra dujos, jis yra labai didelis. Pirmasis būdas – gaminant gazuotus gėrimus taikomas didelis slėgis ir suspaudžiamas kaip cilindras. Paruoškite specialų aukšto slėgio baką ir laikykite jį aukšto slėgio sąlygomis, pvz., 45 MPa.
Kuro elementų transporto priemones (FCV) kurianti „Toyota“ kuria dervinį aukšto slėgio vandenilio baką, galintį atlaikyti 70 MPa slėgį.
Kitas būdas – atvėsinti iki -253°C, kad susidarytų skystas vandenilis, jį laikyti ir transportuoti specialiose šilumą izoliuotose talpyklose. Kaip ir SGD (suskystintos gamtinės dujos), kai gamtinės dujos importuojamos iš užsienio, vandenilis transportavimo metu suskystėja, sumažindamas jo tūrį iki 1/800 dujinės būsenos. 2020 m. baigėme statyti pirmąjį pasaulyje skysto vandenilio nešiklį. Tačiau šis metodas netinka kuro elementų transporto priemonėms, nes jam aušinti reikia daug energijos.
Yra laikymo ir gabenimo tokiose talpyklose būdas, tačiau mes taip pat kuriame kitus vandenilio saugojimo būdus.
Laikymo būdas yra naudoti vandenilio saugojimo lydinius. Vandenilis turi savybę prasiskverbti į metalus ir juos sugadinti. Tai plėtros patarimas, sukurtas Jungtinėse Valstijose septintajame dešimtmetyje. JJ Reilly ir kt. Eksperimentai parodė, kad vandenilį galima laikyti ir išleisti naudojant magnio ir vanadžio lydinį.
Po to jis sėkmingai sukūrė tokią medžiagą, kaip paladis, kuri gali sugerti vandenilį 935 kartus daugiau už savo tūrį.
Šio lydinio naudojimo pranašumas yra tas, kad jis gali užkirsti kelią vandenilio nuotėkio avarijoms (daugiausia sprogimo avarijoms). Todėl jį galima saugiai laikyti ir transportuoti. Tačiau jei nesate atsargūs ir paliksite jį netinkamoje aplinkoje, vandenilio laikymo lydiniai laikui bėgant gali išskirti vandenilio dujas. Na, net maža kibirkštis gali sukelti sprogimo avariją, todėl būkite atsargūs.
Jis taip pat turi trūkumą, kad pakartotinė vandenilio absorbcija ir desorbcija sukelia trapumą ir sumažina vandenilio absorbcijos greitį.
Kitas yra vamzdžių naudojimas. Yra sąlyga, kad jis turi būti nesuspaustas ir žemo slėgio, kad vamzdžiai nesutrupėtų, tačiau privalumas yra tas, kad galima naudoti esamus dujotiekius. „Tokyo Gas“ atliko Harumi FLAG statybos darbus, naudodamas miesto dujotiekius vandeniliui tiekti kuro elementams.
Vandenilio energetikos sukurta ateities visuomenė
Galiausiai panagrinėkime vandenilio vaidmenį visuomenėje.
Dar svarbiau, kad norime skatinti visuomenę be anglies, o vandenilį naudojame elektrai gaminti, o ne kaip šilumos energiją.
Vietoj didelių šiluminių elektrinių kai kurie namų ūkiai įdiegė tokias sistemas kaip ENE-FARM, kurios naudoja vandenilį, gautą reformuojant gamtines dujas, kad pagamintų reikiamą elektros energiją. Tačiau klausimas, ką daryti su šalutiniais reformavimo proceso produktais, išlieka.
Ateityje padidėjus paties vandenilio cirkuliacijai, pavyzdžiui, padidėjus vandenilio degalinių skaičiui, bus galima naudoti elektrą neišskiriant anglies dvideginio. Žinoma, elektra gamina žaliąjį vandenilį, todėl ji naudoja elektros energiją, pagamintą iš saulės šviesos ar vėjo. Elektrolizei naudojama galia turėtų būti tokia, kad sumažintų generuojamą energijos kiekį arba įkrauti įkraunamą bateriją, kai yra perteklinės energijos iš natūralios energijos. Kitaip tariant, vandenilis yra toje pačioje padėtyje kaip ir įkraunama baterija. Jei taip atsitiks, galiausiai bus galima sumažinti šiluminės energijos gamybą. Greitai artėja diena, kai iš automobilių dings vidaus degimo variklis.
Vandenilį taip pat galima gauti kitu būdu. Tiesą sakant, vandenilis vis dar yra kaustinės sodos gamybos šalutinis produktas. Be kita ko, tai šalutinis kokso gamybos produktas geležies gamyboje. Jei paskirstysite šį vandenilį, galėsite gauti kelis šaltinius. Taip gaminamas vandenilio dujas tiekia ir vandenilio stotys.
Pažiūrėkime toliau į ateitį. Prarandamos energijos kiekis taip pat yra problema, susijusi su perdavimo būdu, kai energija tiekiama naudojant laidus. Todėl ateityje vamzdynais tiekiamą vandenilį naudosime kaip ir angliarūgštės rezervuarus, naudojamus gaminant gazuotus gėrimus, o į namus įsigysime vandenilio baką elektros energijos gamybai kiekvienam namų ūkiui. Mobilieji įrenginiai, veikiantys vandenilio baterijomis, tampa įprasti. Bus įdomu pamatyti tokią ateitį.
Paskelbimo laikas: 2023-08-08
