Vom introduce „hidrogenul”, următoarea generație de energie care este neutră în carbon. Hidrogenul este împărțit în trei tipuri: „hidrogen verde”, „hidrogen albastru” și „hidrogen gri”, fiecare dintre ele având o metodă de producție diferită. De asemenea, vom explica fiecare metodă de fabricație, proprietățile fizice ca elemente, metodele de depozitare/transport și metodele de utilizare. Și voi prezenta, de asemenea, de ce este sursa de energie dominantă de următoarea generație.
Electroliza apei pentru a produce hidrogen verde
Când folosiți hidrogen, este important să „produceți hidrogen” oricum. Cel mai simplu mod este să „electrolizezi apa”. Poate ai făcut științe la școală. Umpleți paharul cu apă și electrozii în apă. Când o baterie este conectată la electrozi și alimentată, în apă și în fiecare electrod au loc următoarele reacții.
La catod, H+ și electronii se combină pentru a produce hidrogen gazos, în timp ce anodul produce oxigen. Totuși, această abordare este bună pentru experimentele științifice școlare, dar pentru a produce hidrogen industrial, trebuie pregătite mecanisme eficiente, potrivite pentru producția la scară largă. Aceasta este „electroliza membranei polimerului electrolit (PEM)”.
În această metodă, o membrană polimerică semipermeabilă 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 devin molecule de oxigen la anod.
De asemenea, în electroliza apei alcaline, se creează hidrogen și oxigen prin separarea anodului și catodul 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 pe scară largă se pot obține cantități mari de hidrogen. În acest proces, se produce și o cantitate semnificativă de oxigen (jumătate din volumul de hidrogen produs), astfel încât să nu aibă impact negativ asupra mediului dacă ar fi eliberat în atmosferă. Cu toate acestea, electroliza necesită multă energie electrică, astfel încât hidrogenul fără carbon poate fi produs dacă este produs cu energie electrică care nu utilizează combustibili fosili, cum ar fi turbinele eoliene și panourile solare.
Puteți obține „hidrogen verde” prin electrolizarea apei folosind energie curată.
Există, de asemenea, un generator de hidrogen pentru producția pe scară largă a acestui hidrogen verde. Prin utilizarea PEM în secțiunea de electrolizor, hidrogenul poate fi produs continuu.
Hidrogen albastru obținut din combustibili fosili
Deci, care sunt alte moduri de a face hidrogen? Hidrogenul există în combustibilii fosili, cum ar fi gazul natural și cărbunele, ca alte substanțe decât apa. De exemplu, luați în considerare metanul (CH4), componenta principală a gazelor naturale. Sunt patru atomi de hidrogen aici. Puteți obține hidrogen scoțând acest 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 cărbunelui. „Hidrogenul albastru” se referă la hidrogenul produs în acest mod.
În acest caz, totuși, monoxidul de carbon și dioxidul de carbon sunt produse ca produse secundare. Deci trebuie să le reciclați înainte de a fi eliberate în atmosferă. Dioxidul de carbon produs secundar, dacă nu este recuperat, devine hidrogen gazos, cunoscut sub numele de „hidrogen gri”.
Ce fel de element este hidrogenul?
Hidrogenul are un număr atomic de 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. Un „deuteriu” legat de neutroni și două „tritiu” legat de neutroni. Acestea sunt, de asemenea, materiale pentru generarea de energie de fuziune.
În interiorul unei stele precum soarele are loc fuziunea nucleară de la hidrogen la heliu, care este sursa de energie pentru ca steaua să strălucească.
Cu toate acestea, hidrogenul există rareori ca 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 scapă de gravitația pământului în spațiul cosmic.
Cum se folosește hidrogenul? Utilizare prin ardere
Atunci, cum este folosit „hidrogenul”, care a atras atenția la nivel mondial ca sursă de energie de ultimă generație? Este folosit în două moduri principale: „combustie” și „pile de combustie”. Să începem cu folosirea „ardere”.
Există două tipuri principale de ardere utilizate.
Primul este ca combustibil pentru rachete. Racheta H-IIA din Japonia folosește hidrogen gazos „hidrogen lichid” și „oxigen lichid”, care este, de asemenea, în stare criogenă ca combustibil. Acestea două sunt combinate, iar energia termică generată în acel moment accelerează injectarea moleculelor de apă generate, zburând în spațiu. Cu toate acestea, pentru că este un motor dificil din punct de vedere tehnic, cu excepția Japoniei, doar Statele Unite, Europa, Rusia, China și India au combinat cu succes acest combustibil.
Al doilea este generarea de energie. Generarea de energie cu turbine cu gaz folosește, de asemenea, metoda combinării hidrogenului și oxigenului pentru a genera energie. Cu alte cuvinte, este o metodă care se uită la energia termică produsă de hidrogen. În centralele termice, căldura de la arderea cărbunelui, petrolului și gazelor naturale produce abur care antrenează turbinele. Dacă hidrogenul este folosit ca sursă de căldură, centrala electrică va fi neutră în carbon.
Cum se folosește hidrogenul? Folosit ca pilă de combustie
O altă modalitate de a folosi hidrogenul este ca pilă de combustibil, care transformă hidrogenul direct în electricitate. În special, Toyota a atras atenția în Japonia prin promovarea vehiculelor alimentate cu hidrogen în loc de vehicule electrice (EV) ca alternativă la vehiculele pe benzină, ca parte a contramăsurilor sale împotriva încălzirii globale.
Mai exact, facem procedura inversă atunci când introducem metoda de fabricație a „hidrogenului verde”. Formula chimică este următoarea.
Hidrogenul poate genera apă (apă caldă sau abur) în timp ce generează energie electrică 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 catalizator, necesitând astfel costuri crescute.
În prezent, folosim pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC) și pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC). În special, vehiculele cu celule de combustie folosesc PEFC, așa că este de așteptat să se răspândească în viitor.
Stocarea și transportul hidrogenului sunt sigure?
Până acum, credem că înțelegeți cum este produs și utilizat hidrogenul gazos. Deci, cum depozitați acest hidrogen? Cum îl aduci acolo unde ai nevoie? Dar securitatea la acea vreme? Vom explica.
De fapt, hidrogenul este, de asemenea, un element foarte periculos. La începutul secolului al XX-lea, am folosit hidrogenul ca gaz pentru a pluti baloane, baloane 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, a fost recunoscut pe scară largă că hidrogenul gazos este periculos. Mai ales când ia foc, va exploda violent cu oxigen. Prin urmare, „feriți-vă de oxigen” sau „țineți departe de căldură” este esențial.
După ce am luat aceste măsuri, am venit cu o metodă de expediere.
Hidrogenul este un gaz la temperatura camerei, așa că, deși este încă un gaz, este foarte voluminos. Prima metodă este să aplicați presiune mare și să comprimați ca un cilindru atunci când faceți băuturi carbogazoase. Pregătiți un rezervor special de înaltă presiune și depozitați-l în condiții de înaltă presiune, cum ar fi 45Mpa.
Toyota, care dezvoltă vehicule cu celule de combustibil (FCV), dezvoltă un rezervor de hidrogen de înaltă presiune din rășină care poate rezista la o presiune de 70 MPa.
O altă metodă este să se răcească până la -253°C pentru a face hidrogen lichid și să-l depoziteze și să îl transporte în rezervoare speciale izolate termic. Ca și GNL (gaz natural lichefiat) atunci când gazul natural este importat din străinătate, hidrogenul este lichefiat în timpul transportului, reducându-și volumul la 1/800 din starea sa gazoasă. În 2020, am finalizat primul purtător de hidrogen lichid din lume. Cu toate acestea, această abordare nu este potrivită pentru vehiculele cu celule de combustibil, deoarece necesită multă energie pentru a se răci.
Există o metodă de depozitare și expediere în rezervoare ca aceasta, dar dezvoltăm și alte metode de stocare a hidrogenului.
Metoda de stocare este utilizarea aliajelor de stocare a hidrogenului. Hidrogenul are proprietatea de a pătrunde în metale și de a le deteriora. Acesta este un sfat de dezvoltare care a fost dezvoltat 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, precum paladiul, care poate absorbi hidrogenul de 935 de ori volumul propriu.
Avantajul utilizării acestui aliaj este că poate preveni accidentele cu scurgeri de hidrogen (în principal accidente de explozie). Prin urmare, poate fi depozitat și transportat în siguranță. Cu toate acestea, dacă nu ești atent și îl lași într-un mediu greșit, aliajele de stocare a hidrogenului pot elibera hidrogen gazos în timp. Ei bine, chiar și o scânteie mică poate provoca un accident de explozie, așa că aveți grijă.
De asemenea, are dezavantajul că absorbția și desorbția repetată a hidrogenului duc la fragilizare și reduc rata de absorbție a hidrogenului.
Celălalt este să folosești țevi. Există o condiție ca acesta să fie necomprimat și cu presiune scăzută pentru a preveni fragilizarea țevilor, dar avantajul este că pot fi utilizate țevile de gaz existente. Tokyo Gas a desfășurat lucrări de construcție la drapelul Harumi, folosind conducte de gaz ale orașului pentru a furniza hidrogen pilelor de combustibil.
Societatea viitoare creată de energia hidrogenului
În cele din urmă, să luăm în considerare rolul pe care hidrogenul îl poate juca în societate.
Mai important, vrem să promovăm o societate fără carbon, folosim hidrogenul pentru a genera electricitate în loc de energie termică.
În locul centralelor termice mari, unele gospodării au introdus sisteme precum ENE-FARM, care utilizează hidrogenul obținut prin reformarea gazelor naturale pentru a genera energia electrică necesară. Cu toate acestea, rămâne întrebarea ce să facă cu produsele secundare ale procesului de reformare.
În viitor, dacă circulația hidrogenului în sine 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 din lumina soarelui sau vânt. Puterea folosită pentru electroliză ar trebui să fie puterea de a suprima cantitatea de energie generată sau de a încărca bateria reîncărcabilă atunci când există surplus de energie din energia naturală. Cu alte cuvinte, hidrogenul se află în aceeași poziție cu bateria reîncărcabilă. Dacă se întâmplă acest lucru, în cele din urmă va fi posibil să se reducă generarea de energie termică. Ziua în care motorul cu ardere internă dispare din mașini se apropie cu pași repezi.
Hidrogenul poate fi obținut și prin 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 puneți acest hidrogen în distribuție, veți putea obține mai multe surse. Hidrogenul gazos produs în acest mod este, de asemenea, furnizat de stațiile de hidrogen.
Să privim mai departe în viitor. Cantitatea de energie pierdută este, de asemenea, o problemă cu metoda de transmisie care utilizează fire pentru a furniza energie. Prin urmare, în viitor, vom folosi hidrogenul livrat de conducte, la fel ca rezervoarele de acid carbonic folosite la fabricarea băuturilor carbogazoase, și vom cumpăra un rezervor de hidrogen acasă pentru a genera energie electrică pentru fiecare gospodărie. Dispozitivele mobile care funcționează cu baterii cu hidrogen devin obișnuite. Va fi interesant să vezi un astfel de viitor.
Ora postării: 08-jun-2023
