Упознаћемо вас са „водоником“, енергијом следеће генерације која је угљенично неутрална. Водоник се дели на три врсте: „зелени водоник“, „плави водоник“ и „сиви водоник“, од којих свака има другачији метод производње. Такође ћемо објаснити сваки метод производње, физичка својства елемената, методе складиштења/транспорта и методе употребе. Такође ћу објаснити зашто је доминантан извор енергије следеће генерације.
Електролиза воде за производњу зеленог водоника
Када се користи водоник, важно је у сваком случају „произвести водоник“. Најлакши начин је „електролизом воде“. Можда сте то радили у основној школи на часу природних наука. Напуните чашу водом, а електроде у води. Када се батерија повеже са електродама и напаја, следеће реакције се дешавају у води и у свакој електроди.
На катоди, H+ и електрони се комбинују и производе водоник, док анода производи кисеоник. Ипак, овај приступ је добар за школске научне експерименте, али да би се водоник произвео индустријски, морају се припремити ефикасни механизми погодни за производњу великих размера. То је „електролиза полимерне електролитне мембране (PEM)“.
Код ове методе, полимерна полупропусна мембрана која омогућава пролаз јона водоника налази се између аноде и катоде. Када се вода сипа у аноду уређаја, јони водоника произведени електролизом крећу се кроз полупропустљиву мембрану до катоде, где постају молекуларни водоник. С друге стране, јони кисеоника не могу да прођу кроз полупропустљиву мембрану и постану молекули кисеоника на аноди.
Такође, код електролизе алкалне воде, водоник и кисеоник се стварају одвајањем аноде и катоде помоћу сепаратора кроз који могу да прођу само хидроксидни јони. Поред тога, постоје и индустријске методе као што је електролиза паром на високој температури.
Извођењем ових процеса у великим размерама могу се добити велике количине водоника. У процесу се производи и значајна количина кисеоника (половина запремине произведеног водоника), тако да не би имао негативан утицај на животну средину ако се испусти у атмосферу. Међутим, електролиза захтева много електричне енергије, па се водоник без угљеника може произвести ако се производи електричном енергијом која не користи фосилна горива, као што су ветротурбине и соларни панели.
Можете добити „зелени водоник“ електролизом воде користећи чисту енергију.
Такође постоји генератор водоника за производњу овог зеленог водоника у великим размерама. Коришћењем ПЕМ-а у одељку електролизера, водоник се може производити континуирано.
Плави водоник направљен од фосилних горива
Дакле, који су други начини за производњу водоника? Водоник постоји у фосилним горивима као што су природни гас и угаљ, као супстанца која се разликује од воде. На пример, размотрите метан (CH4), главну компоненту природног гаса. Овде постоје четири атома водоника. Можете добити водоник тако што ћете га избацити.
Један од њих је процес који се назива „парно реформисање метана“ који користи пару. Хемијска формула ове методе је следећа.
Као што видите, угљен-моноксид и водоник могу се издвојити из једног молекула метана.
На овај начин, водоник се може произвести кроз процесе као што су „парно реформисање“ и „пиролиза“ природног гаса и угља. „Плави водоник“ се односи на водоник произведен на овај начин.
У овом случају, међутим, угљен-моноксид и угљен-диоксид се производе као нуспроизводи. Зато их морате рециклирати пре него што се испусте у атмосферу. Нуспроизвод угљен-диоксид, ако се не регенерише, постаје водоник, познат као „сиви водоник“.
Која врста елемента је водоник?
Водоник има атомски број 1 и први је елемент у периодном систему елемената.
Број атома је највећи у универзуму, чинећи око 90% свих елемената у универзуму. Најмањи атом који се састоји од протона и електрона је атом водоника.
Водоник има два изотопа са неутронима везаним за језгро. Један неутронски везан „деутеријум“ и два неутронски везана „трицијума“. То су такође материјали за производњу фузионе енергије.
Унутар звезде попут Сунца, одвија се нуклеарна фузија водоника у хелијум, што је извор енергије потребан звезди да сија.
Међутим, водоник ретко постоји као гас на Земљи. Водоник формира једињења са другим елементима као што су вода, метан, амонијак и етанол. Пошто је водоник лак елемент, како температура расте, брзина кретања молекула водоника се повећава и он излази из гравитације Земље у свемир.
Како се користи водоник? Употреба сагоревањем
Како се онда користи „водоник“, који је привукао светску пажњу као извор енергије следеће генерације? Користи се на два главна начина: „сагоревањем“ и „горивном ћелијом“. Почнимо са употребом „сагоревања“.
Постоје две главне врсте сагоревања које се користе.
Прво је као ракетно гориво. Јапанска ракета H-IIA користи водоник, гас „течни водоник“ и „течни кисеоник“, који је такође у криогеном стању, као гориво. Ова два се комбинују, а топлотна енергија генерисана у том тренутку убрзава убризгавање генерисаних молекула воде, летећи у свемир. Међутим, пошто је у питању технички сложен мотор, осим Јапана, само су Сједињене Државе, Европа, Русија, Кина и Индија успешно комбиновале ово гориво.
Друга је производња електричне енергије. Производња енергије гасним турбинама такође користи метод комбиновања водоника и кисеоника за производњу енергије. Другим речима, то је метода која испитује топлотну енергију коју производи водоник. У термоелектранама, топлота сагоревања угља, нафте и природног гаса производи пару која покреће турбине. Ако се водоник користи као извор топлоте, електрана ће бити угљенично неутрална.
Како се користи водоник? Користи се као горивна ћелија
Други начин коришћења водоника је као горивна ћелија, која директно претвара водоник у електричну енергију. Посебно је Тојота привукла пажњу у Јапану промовишући возила на водонични погон уместо електричних возила (EV) као алтернативу возилима на бензин као део својих мера против глобалног загревања.
Конкретно, радимо обрнути поступак када уводимо метод производње „зеленог водоника“. Хемијска формула је следећа.
Водоник може да генерише воду (топлу воду или пару) док производи електричну енергију, и може се проценити јер не оптерећује животну средину. С друге стране, ова метода има релативно ниску ефикасност производње електричне енергије од 30-40% и захтева платину као катализатор, што захтева повећане трошкове.
Тренутно користимо горивне ћелије са полимерним електролитом (PEFC) и горивне ћелије са фосфорном киселином (PAFC). Конкретно, возила са горивним ћелијама користе PEFC, тако да се може очекивати да ће се проширити у будућности.
Да ли је складиштење и транспорт водоника безбедно?
До сада мислимо да разумете како се водоник производи и користи. Па како складиштите овај водоник? Како га достављате тамо где вам је потребан? Шта је са безбедношћу у том тренутку? Објаснићемо.
У ствари, водоник је такође веома опасан елемент. Почетком 20. века, користили смо водоник као гас за летеће балоне, балоне и ваздушне бродове у ваздуху јер је био веома лаган. Међутим, 6. маја 1937. године у Њу Џерзију, САД, догодила се „експлозија ваздушног брода Хинденбург“.
Од несреће, широко је познато да је водоник опасан гас. Посебно када се запали, експлодираће бурно са кисеоником. Стога је „држати даље од кисеоника“ или „држати даље од топлоте“ неопходно.
Након што смо предузели ове мере, смислили смо начин испоруке.
Водоник је гас на собној температури, тако да иако је и даље гас, веома је гломазан. Прва метода је примена високог притиска и компресија попут цилиндра приликом прављења газираних пића. Припремите посебан резервоар под високим притиском и складиштите га под условима високог притиска, као што је 45Mpa.
Тојота, која развија возила на горивне ћелије (FCV), развија резервоар за водоник под високим притиском од смоле који може да издржи притисак од 70 MPa.
Друга метода је хлађење на -253°C да би се направио течни водоник, а затим његово складиштење и транспорт у посебним топлотно изолованим резервоарима. Као и ЛНГ (течни природни гас) када се природни гас увози из иностранства, водоник се утечњава током транспорта, смањујући своју запремину на 1/800 свог гасовитог стања. 2020. године смо завршили први носач течног водоника на свету. Међутим, овај приступ није погодан за возила са горивним ћелијама јер је потребно много енергије за хлађење.
Постоји метод складиштења и транспорта у резервоарима попут овог, али развијамо и друге методе складиштења водоника.
Метод складиштења је коришћење легура за складиштење водоника. Водоник има својство да продире у метале и да их разара. Ово је развојни савет који је развијен у Сједињеним Државама 1960-их. Џ. Џ. Рајли и др. Експерименти су показали да се водоник може складиштити и ослобађати коришћењем легуре магнезијума и ванадијума.
Након тога, успешно је развио супстанцу, као што је паладијум, која може да апсорбује водоник 935 пута већу запремину од сопствене.
Предност коришћења ове легуре је у томе што може спречити несреће са цурењем водоника (углавном несреће са експлозијом). Стога се може безбедно складиштити и транспортовати. Међутим, ако нисте пажљиви и оставите је у погрешном окружењу, легуре за складиштење водоника могу временом ослободити водоник. Па, чак и мала варница може изазвати експлозију, зато будите опрезни.
Такође има недостатак што поновљена апсорпција и десорпција водоника доводе до кртости и смањују брзину апсорпције водоника.
Друга је употреба цеви. Постоји услов да морају бити некомпримиране и ниског притиска како би се спречило кртост цеви, али предност је што се могу користити постојеће гасоводи. Токио гас је извео грађевинске радове на Харуми ФЛАГ-у, користећи градске гасоводе за снабдевање водоником горивних ћелија.
Будуће друштво створено водоничном енергијом
На крају, размотримо улогу коју водоник може играти у друштву.
Још важније, желимо да промовишемо друштво без угљеника, користимо водоник за производњу електричне енергије уместо као топлотну енергију.
Уместо великих термоелектрана, нека домаћинства су увела системе попут ENE-FARM-а, који користе водоник добијен реформингом природног гаса за производњу потребне електричне енергије. Међутим, остаје питање шта радити са нуспроизводима процеса реформинга.
У будућности, ако се повећа циркулација самог водоника, као што је повећање броја станица за пуњење водоником, биће могуће користити електричну енергију без емисије угљен-диоксида. Електрична енергија производи зелени водоник, наравно, тако да користи електричну енергију генерисану из сунчеве светлости или ветра. Енергија која се користи за електролизу требало би да буде снага за сузбијање количине произведене електричне енергије или за пуњење пуњиве батерије када постоји вишак енергије из природне енергије. Другим речима, водоник је у истом положају као и пуњива батерија. Ако се то деси, на крају ће бити могуће смањити производњу топлотне енергије. Дан када ће мотор са унутрашњим сагоревањем нестати из аутомобила се брзо приближава.
Водоник се може добити и на други начин. У ствари, водоник је и даље нуспроизвод производње каустичне соде. Између осталог, он је нуспроизвод производње кокса у производњи гвожђа. Ако ставите овај водоник у дистрибуцију, моћи ћете да добијете више извора. Гасовити водоник произведен на овај начин такође се испоручује са водоничних станица.
Хајде да погледамо даље у будућност. Количина изгубљене енергије је такође проблем са методом преноса који користи жице за напајање. Стога ћемо у будућности користити водоник који се испоручује цевоводима, баш као и резервоаре угљене киселине који се користе у прављењу газираних пића, и купићемо резервоар водоника код куће како бисмо производили струју за свако домаћинство. Мобилни уређаји који раде на водоничне батерије постају уобичајени. Биће занимљиво видети такву будућност.
Време објаве: 08. јун 2023.
