Despre hidrogenul de generație următoare pentru energie

Vom introduce „hidrogenul”, următoarea generație de energie neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon. Hidrogenul este împărțit în trei tipuri: „hidrogen verde”, „hidrogen albastru” și „hidrogen gri”, fiecare având o metodă de producție diferită. De asemenea, vom explica fiecare metodă de fabricație, proprietățile fizice ale elementelor, metodele de depozitare/transport și metodele de utilizare. Și voi prezenta, de asemenea, de ce este sursa de energie dominantă de generație următoare.

Electroliza apei pentru producerea de hidrogen verde

Când se folosește hidrogen, este important să „produci hidrogen” oricum. Cea mai ușoară metodă este să „electrolizezi apa”. Poate ai făcut asta la științe la școala primară. Umple paharul cu apă și pune electrozii în apă. Când o baterie este conectată la electrozi și alimentată, următoarele reacții au loc în apă și în fiecare electrod.
La catod, H+ și electronii se combină pentru a produce hidrogen gazos, în timp ce anodul produce oxigen. Totuși, această abordare este potrivită pentru experimentele științifice școlare, dar pentru a produce hidrogen industrial, trebuie pregătite mecanisme eficiente, potrivite pentru producția la scară largă. Aceasta este „electroliza cu membrană electrolitică polimerică (PEM).
În această metodă, o membrană semipermeabilă polimerică, care permite trecerea ionilor de hidrogen, este intercalată între un anod și un catod. Când apa este turnată în anodul dispozitivului, ionii de hidrogen produși prin electroliză se deplasează printr-o membrană semipermeabilă către catod, unde devin hidrogen molecular. Pe de altă parte, ionii de oxigen nu pot trece prin membrana semipermeabilă și nu pot deveni molecule de oxigen la anod.
De asemenea, în electroliza alcalină a apei, se creează hidrogen și oxigen prin separarea anodului și catodului printr-un separator prin care pot trece doar ionii de hidroxid. În plus, există metode industriale, cum ar fi electroliza cu abur la temperatură înaltă.
Prin efectuarea acestor procese la scară largă, se pot obține cantități mari de hidrogen. În cadrul procesului, se produce și o cantitate semnificativă de oxigen (jumătate din volumul de hidrogen produs), astfel încât nu ar avea niciun impact negativ asupra mediului în cazul eliberării în atmosferă. Cu toate acestea, electroliza necesită multă electricitate, așadar hidrogenul fără carbon poate fi produs dacă este produs cu electricitate care nu utilizează combustibili fosili, cum ar fi turbinele eoliene și panourile solare.
Poți obține „hidrogen verde” prin electrolizarea apei folosind energie curată.

Există, de asemenea, un generator de hidrogen pentru producția la scară largă a acestui hidrogen verde. Prin utilizarea PEM în secțiunea electrolizorului, hidrogenul poate fi produs continuu.

Hidrogen albastru produs din combustibili fosili

Deci, care sunt alte modalități de a produce hidrogen? Hidrogenul există în combustibili fosili, cum ar fi gazele naturale și cărbunele, ca substanțe diferite de apă. De exemplu, luați în considerare metanul (CH4), componenta principală a gazelor naturale. Există patru atomi de hidrogen aici. Puteți obține hidrogen prin eliminarea acestui hidrogen.
Unul dintre acestea este un proces numit „reformare a metanului cu abur” care utilizează abur. Formula chimică a acestei metode este următoarea.
După cum puteți vedea, monoxidul de carbon și hidrogenul pot fi extrase dintr-o singură moleculă de metan.
În acest fel, hidrogenul poate fi produs prin procese precum „reformarea cu abur” și „piroliza” gazelor naturale și a cărbunelui. „Hidrogenul albastru” se referă la hidrogenul produs în acest mod.
În acest caz însă, monoxidul și dioxidul de carbon sunt produse ca subproduse. Prin urmare, trebuie să le reciclați înainte de a fi eliberate în atmosferă. Dioxidul de carbon rezultat, dacă nu este recuperat, devine hidrogen gazos, cunoscut sub numele de „hidrogen gri”.

Ce fel de element este hidrogenul?

Hidrogenul are numărul atomic 1 și este primul element din tabelul periodic.
Numărul de atomi este cel mai mare din univers, reprezentând aproximativ 90% din toate elementele din univers. Cel mai mic atom format dintr-un proton și un electron este atomul de hidrogen.
Hidrogenul are doi izotopi cu neutroni atașați la nucleu. Unul „deuteriu” legat de neutroni și doi „tritiu” legați de neutroni. Aceștia sunt, de asemenea, materiale pentru generarea energiei prin fuziune.
În interiorul unei stele precum Soarele are loc fuziunea nucleară de la hidrogen la heliu, acesta fiind sursa de energie pentru ca steaua să strălucească.
Totuși, hidrogenul există rar sub formă de gaz pe Pământ. Hidrogenul formează compuși cu alte elemente precum apa, metanul, amoniacul și etanolul. Deoarece hidrogenul este un element ușor, pe măsură ce temperatura crește, viteza de mișcare a moleculelor de hidrogen crește și acestea scapă de gravitația Pământului în spațiul cosmic.

Cum se utilizează hidrogenul? Utilizare prin ardere

Atunci, cum este utilizat „hidrogenul”, care a atras atenția la nivel mondial ca sursă de energie de generație următoare? Este utilizat în două moduri principale: „combustie” și „pilă de combustie”. Să începem cu utilizarea „arderii”.
Există două tipuri principale de ardere utilizate.
Primul este combustibilul pentru rachete. Racheta japoneză H-IIA folosește drept combustibil hidrogen gazos, „hidrogen lichid”, și „oxigen lichid”, care se află tot în stare criogenică. Acestea două sunt combinate, iar energia termică generată în acel moment accelerează injectarea moleculelor de apă generate, zburând în spațiu. Cu toate acestea, deoarece este un motor dificil din punct de vedere tehnic, cu excepția Japoniei, doar Statele Unite, Europa, Rusia, China și India au reușit să combine acest combustibil.
A doua este generarea de energie. Generarea de energie prin turbine cu gaze utilizează, de asemenea, metoda de combinare a hidrogenului și oxigenului pentru a genera energie. Cu alte cuvinte, este o metodă care analizează energia termică produsă de hidrogen. În centralele termice, căldura provenită din arderea cărbunelui, petrolului și gazelor naturale produce abur care acționează turbinele. Dacă hidrogenul este utilizat ca sursă de căldură, centrala electrică va fi neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon.

Cum se folosește hidrogenul? Folosit ca pilă de combustie

O altă modalitate de utilizare a hidrogenului este ca pilă de combustie, care transformă hidrogenul direct în electricitate. În special, Toyota a atras atenția în Japonia prin promovarea vehiculelor alimentate cu hidrogen în locul vehiculelor electrice (EV) ca alternativă la vehiculele pe benzină, ca parte a măsurilor sale de contracarare a încălzirii globale.
Mai exact, procedăm invers atunci când introducem metoda de fabricare a „hidrogenului verde”. Formula chimică este următoarea.
Hidrogenul poate genera apă (apă caldă sau abur) în timp ce generează electricitate și poate fi evaluat deoarece nu impune o povară asupra mediului. Pe de altă parte, această metodă are o eficiență relativ scăzută de generare a energiei, de 30-40%, și necesită platină ca și catalizator, ceea ce implică costuri crescute.
În prezent, folosim pile de combustie cu electrolit polimeric (PEFC) și pile de combustie cu acid fosforic (PAFC). În special, vehiculele cu pile de combustie utilizează PEFC, așa că este de așteptat ca acestea să se răspândească în viitor.

Este stocarea și transportul hidrogenului sigur?

Credem că acum înțelegeți cum se produce și se utilizează hidrogenul gazos. Deci, cum depozitați acest hidrogen? Cum îl aduceți acolo unde aveți nevoie de el? Dar securitatea în acel moment? Vă vom explica.
De fapt, hidrogenul este, de asemenea, un element foarte periculos. La începutul secolului al XX-lea, foloseam hidrogenul ca gaz pentru a face să plutească baloane, avioane și aeronave pe cer, deoarece era foarte ușor. Cu toate acestea, pe 6 mai 1937, în New Jersey, SUA, a avut loc „explozia dirijabilului Hindenburg”.
De la accident, s-a recunoscut pe scară largă că hidrogenul gazos este periculos. Mai ales când ia foc, va exploda violent odată cu oxigenul. Prin urmare, este esențial să se „țină departe de oxigen” sau „să se țină departe de căldură”.
După ce am luat aceste măsuri, am venit cu o metodă de livrare.
Hidrogenul este un gaz la temperatura camerei, așa că, chiar dacă este încă un gaz, este foarte voluminos. Prima metodă este de a aplica o presiune ridicată și de a-l comprima ca un cilindru atunci când preparați băuturi carbogazoase. Pregătiți un rezervor special de înaltă presiune și depozitați-l în condiții de presiune ridicată, cum ar fi 45 MPa.
Toyota, companie care dezvoltă vehicule cu pile de combustie (FCV), dezvoltă un rezervor de hidrogen de înaltă presiune din rășină, care poate rezista la o presiune de 70 MPa.
O altă metodă este răcirea la -253°C pentru a produce hidrogen lichid, stocarea și transportul acestuia în rezervoare speciale izolate termic. La fel ca GNL-ul (gazul natural lichefiat), atunci când gazul natural este importat din străinătate, hidrogenul este lichefiat în timpul transportului, reducându-i volumul la 1/800 din starea sa gazoasă. În 2020, am finalizat primul transportor de hidrogen lichid din lume. Cu toate acestea, această abordare nu este potrivită pentru vehiculele cu pile de combustie, deoarece necesită multă energie pentru răcire.
Există o metodă de depozitare și transport în rezervoare ca acesta, dar dezvoltăm și alte metode de stocare a hidrogenului.
Metoda de stocare constă în utilizarea aliajelor de stocare a hidrogenului. Hidrogenul are proprietatea de a penetra metalele și de a le deteriora. Aceasta este o metodă de dezvoltare dezvoltată în Statele Unite în anii 1960. JJ Reilly și colab. Experimentele au arătat că hidrogenul poate fi stocat și eliberat folosind un aliaj de magneziu și vanadiu.
După aceea, a dezvoltat cu succes o substanță, cum ar fi paladiul, care poate absorbi hidrogen de 935 de ori volumul propriu.
Avantajul utilizării acestui aliaj este că poate preveni accidentele de scurgere a hidrogenului (în principal accidentele cu explozie). Prin urmare, poate fi depozitat și transportat în siguranță. Cu toate acestea, dacă nu sunteți atenți și îl lăsați într-un mediu nepotrivit, aliajele de stocare a hidrogenului pot elibera hidrogen gazos în timp. Ei bine, chiar și o mică scânteie poate provoca un accident cu explozie, așa că fiți atenți.
De asemenea, prezintă dezavantajul că absorbția și desorbția repetată a hidrogenului duc la fragilizare și reduc rata de absorbție a hidrogenului.
Cealaltă opțiune este utilizarea țevilor. Există condiția ca acestea să fie necomprimate și de presiune scăzută pentru a preveni fragilizarea țevilor, dar avantajul este că se pot utiliza conductele de gaz existente. Tokyo Gas a efectuat lucrări de construcție la Harumi FLAG, folosind conducte de gaze urbane pentru a furniza hidrogen pilelor de combustie.

Societatea viitorului creată de energia hidrogenului

În cele din urmă, să luăm în considerare rolul pe care hidrogenul îl poate juca în societate.
Mai important, dorim să promovăm o societate fără emisii de carbon și folosim hidrogenul pentru a genera electricitate, în loc de energie termică.
În loc de centrale termice mari, unele gospodării au introdus sisteme precum ENE-FARM, care utilizează hidrogen obținut prin reformarea gazelor naturale pentru a genera electricitatea necesară. Cu toate acestea, rămâne întrebarea ce se va face cu produsele secundare ale procesului de reformare.

În viitor, dacă circulația hidrogenului în sine va crește, cum ar fi creșterea numărului de stații de alimentare cu hidrogen, va fi posibilă utilizarea energiei electrice fără a emite dioxid de carbon. Electricitatea produce hidrogen verde, desigur, deci folosește electricitatea generată de lumina soarelui sau de vânt. Energia utilizată pentru electroliză ar trebui să fie cea care să reducă cantitatea de energie generată sau să încarce bateria reîncărcabilă atunci când există un surplus de energie din energia naturală. Cu alte cuvinte, hidrogenul se află în aceeași poziție ca și bateria reîncărcabilă. Dacă se întâmplă acest lucru, va fi posibilă în cele din urmă reducerea generării de energie termică. Ziua în care motorul cu ardere internă va dispărea din mașini se apropie cu pași repezi.

Hidrogenul poate fi obținut și printr-o altă cale. De fapt, hidrogenul este încă un produs secundar al producției de sodă caustică. Printre altele, este un produs secundar al producției de cocs în fabricarea fierului. Dacă introduceți acest hidrogen în distribuție, veți putea obține mai multe surse. Gazul hidrogen produs în acest mod este furnizat și de stațiile de hidrogen.

Să privim mai departe în viitor. Cantitatea de energie pierdută este, de asemenea, o problemă legată de metoda de transmisie care folosește fire pentru a furniza energie. Prin urmare, în viitor, vom folosi hidrogenul livrat prin conducte, la fel ca rezervoarele de acid carbonic folosite la fabricarea băuturilor carbogazoase, și vom cumpăra acasă un rezervor de hidrogen pentru a genera electricitate pentru fiecare gospodărie. Dispozitivele mobile care funcționează cu baterii de hidrogen devin obișnuite. Va fi interesant de văzut un astfel de viitor.