Увешћемо „водоник“, следећу генерацију енергије која је неутрална од угљеника. Водоник је подељен у три типа: „зелени водоник“, „плави водоник“ и „сиви водоник“, од којих сваки има другачији метод производње. Такође ћемо објаснити сваки начин производње, физичка својства као елементе, методе складиштења/транспорта и методе употребе. И такође ћу представити зашто је то доминантан извор енергије следеће генерације.
Електролиза воде за производњу зеленог водоника
Када користите водоник, важно је у сваком случају „произвести водоник“. Најлакши начин је "електролиза воде". Можда си у основној школи науке. Напуните чашу водом и електроде у води. Када је батерија повезана са електродама и под напоном, у води и свакој електроди се јављају следеће реакције.
На катоди, Х+ и електрони се комбинују да би произвели гас 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 полимер електролитне мембране (ПЕМ)“.
У овој методи, полимерна полупропусна мембрана која омогућава пролаз водоникових јона је у сендвичу између аноде и катоде. Када се вода сипа у аноду уређаја, јони водоника произведени електролизом крећу се кроз полупропусну мембрану до катоде, где постају молекуларни водоник. С друге стране, јони кисеоника не могу да прођу кроз полупропусну мембрану и постану молекули кисеоника на аноди.
Такође у електролизи алкалне воде стварате водоник и кисеоник одвајањем аноде и катоде кроз сепаратор кроз који могу проћи само хидроксидни јони. Поред тога, постоје индустријске методе као што је електролиза паре на високим температурама.
Извођењем ових процеса у великим размерама могу се добити велике количине водоника. У процесу се такође производи значајна количина кисеоника (половина запремине произведеног водоника), тако да не би имао штетан утицај на животну средину ако би се испустио у атмосферу. Међутим, за електролизу је потребно много електричне енергије, тако да 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.
Постоји и генератор водоника за масовну производњу овог зеленог водоника. Коришћењем ПЕМ-а у делу електролизера, водоник се може производити континуирано.
Плави водоник направљен од фосилних горива
Дакле, који су други начини за прављење водоника? Водоник постоји у фосилним горивима као што су природни гас и угаљ као супстанце које нису вода. На пример, узмите у обзир метан (ЦХ4), главну компоненту природног гаса. Овде постоје четири атома водоника. Можете добити водоник тако што ћете извадити овај водоник.
Један од њих је процес који се назива „реформисање метана на пари“ који користи пару. Хемијска формула ове методе је следећа.
Као што видите, угљен моноксид и водоник се могу екстраховати из једног молекула метана.
На овај начин, водоник се може произвести кроз процесе као што су „реформисање паре“ 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. Дакле, морате их рециклирати пре него што се испусте у атмосферу. Нуспроизвод угљен-диоксид, ако се не поврати, постаје гас водоника, познат као „сиви водоник“.
Какав је елемент водоник?
Водоник има атомски број 1 и први је елемент у периодичној табели.
Број атома је највећи у универзуму и чини 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 „деутеријум” повезан са неутроном и два „трицијум” везана за неутрон. Ово су такође материјали за производњу електричне енергије фузијом.
Унутар звезде попут сунца одвија се нуклеарна фузија водоника у хелијум, који је извор енергије за сјај звезде.
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 бежи од гравитације Земље у свемир.
Како користити водоник? Употреба помоћу сагоревања
Како се онда користи „водоник“, који је привукао пажњу широм света као извор енергије следеће генерације? Користи се на два главна начина: "сагоревање" и "горива ћелија". Почнимо са употребом "бурн".
Користе се две главне врсте сагоревања.
Први је као ракетно гориво. Јапанска ракета Х-ИИА користи гас водоник „течни водоник“ и „течни кисеоник“ који је такође у криогеном стању као гориво. Ово двоје се комбинује, а топлотна енергија створена у то време убрзава убризгавање генерисаних молекула воде, летећи у свемир. Међутим, због тога што се ради о технички тешком мотору, осим Јапана, ово гориво су успешно комбиновале само САД, Европа, Русија, Кина и Индија.
Други је производња електричне енергије. Производња енергије гасним турбинама такође користи метод комбиновања водоника и кисеоника за производњу енергије. Другим речима, то је метода која посматра топлотну енергију коју производи водоник. У термоелектранама, топлота од сагоревања угља, нафте и природног гаса производи пару која покреће турбине. Ако се водоник користи као извор топлоте, електрана ће бити неутрална од угљеника.
Како користити водоник? Користи се као горивна ћелија
Други начин коришћења водоника је као горивна ћелија, која претвара водоник директно у електричну енергију. Тојота је посебно скренула пажњу у Јапану рекламирајући возила на водоник уместо електричних возила (ЕВ) као алтернативу возилима на бензин као део својих противмера против глобалног загревања.
Конкретно, радимо обрнуту процедуру када уводимо методу производње „зеленог водоника“. Хемијска формула је следећа.
Водоник може да генерише воду (топлу воду или пару) док производи електричну енергију, а може се проценити јер не оптерећује животну средину. С друге стране, овај метод 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 (ПЕФЦ) и горивне ћелије са фосфорном киселином (ПАФЦ). Посебно, возила са горивним ћелијама користе ПЕФЦ, тако да се може очекивати да ће се проширити у будућности.
Да ли су складиштење и транспорт водоника безбедни?
Мислимо да сте до сада разумели како се производи и користи водоник. Па како складиштити овај водоник? Како да га добијете тамо где вам треба? Шта је са безбедношћу у то време? Објаснићемо.
У ствари, водоник је такође веома опасан елемент. Почетком 20. века користили смо водоник као гас за плутање балона, балона и ваздушних бродова на небу јер је био веома лаган. Међутим, 6. маја 1937. године, у Њу Џерсију, у САД, догодила се „експлозија ваздушног брода Хинденбург“.
Од несреће, опште је познато да је водоник опасан. Нарочито када се запали, снажно ће експлодирати са кисеоником. Стога је неопходно „држати даље од кисеоника“ или „чувати даље од топлоте“.
Након што смо предузели ове мере, дошли смо до начина испоруке.
Водоник је гас на собној температури, па иако је још увек гас, веома је гломазан. Први метод је да се примени високи притисак и компресује као цилиндар када правите газирана пића. Припремите посебан резервоар високог притиска и чувајте га у условима високог притиска као што је 45Мпа.
Тоиота, која развија возила са горивним ћелијама (ФЦВ), развија резервоар водоника од смоле под високим притиском који може да издржи притисак од 70 МПа.
Други метод је хлађење до -253°Ц да би се добио течни водоник, складиштење и транспорт у специјалним топлотно изолованим резервоарима. Као и ЛНГ (течни природни гас) када се природни гас увози из иностранства, водоник се течни током транспорта, смањујући његову запремину на 1/800 свог гасовитог стања. 2020. године завршили смо први светски носач течног водоника. Међутим, овај приступ није погодан за возила са горивним ћелијама јер захтева много енергије за хлађење.
Постоји начин складиштења и отпреме у оваквим резервоарима, али развијамо и друге методе складиштења водоника.
Метода складиштења је употреба легура за складиштење водоника. Водоник има својство да продире у метале и да их пропада. Ово је развојни савет који је развијен у Сједињеним Државама 1960-их. ЈЈ Реилли и др. Експерименти су показали да се водоник може складиштити и ослобађати коришћењем легуре магнезијума и ванадијума.
Након тога је успешно развио супстанцу, као што је паладијум, која може да апсорбује водоник 935 пута више од сопствене запремине.
Предност употребе ове легуре је у томе што може спречити несреће због цурења водоника (углавном несреће са експлозијом). Због тога се може безбедно складиштити и транспортовати. Међутим, ако не будете пажљиви и оставите га у погрешном окружењу, легуре за складиштење водоника могу временом ослободити гас водоника. Па, чак и мала варница може изазвати несрећу са експлозијом, зато будите опрезни.
Такође има недостатак што поновљена апсорпција и десорпција водоника доводе до кртости и смањују брзину апсорпције водоника.
Други је употреба цеви. Постоји услов да мора бити несабијен и под ниским притиском како би се спречило крхкост цеви, али предност је што се могу користити постојеће цеви за гас. Токио Гас је извео грађевинске радове на Харуми ФЛАГ, користећи градске гасоводе за снабдевање водоником горивним ћелијама.
Будуће друштво које је створила енергија водоника
На крају, размотримо улогу водоника у друштву.
Што је 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 као што је ЕНЕ-ФАРМ, који користе водоник добијен реформисањем природног гаса за производњу потребне електричне енергије. Међутим, остаје питање шта учинити са нуспроизводима реформског процеса.
У будућности, ако се повећа циркулација самог водоника, као што је повећање броја станица за допуну водоника, биће могуће користити електричну енергију без емисије угљен-диоксида. Струја производи зелени водоник, наравно, тако да користи електричну енергију произведену од сунчеве светлости или ветра. Снага која се користи за електролизу треба да буде снага за сузбијање количине производње енергије или за пуњење пуњиве батерије када постоји вишак енергије из природне енергије. Другим речима, водоник је у истој позицији као и пуњива батерија. Ако се то догоди, на крају ће бити могуће смањити производњу топлотне енергије. Дан када мотор са унутрашњим сагоревањем нестане из аутомобила брзо се ближи.
Водоник се такође може добити другим путем. У ствари, водоник је и даље нуспроизвод производње каустичне соде. Између осталог, то је нуспроизвод производње кокса у производњи гвожђа. Ако ставите овај водоник у дистрибуцију, моћи ћете да добијете више извора. Овако произведен гас водоник снабдевају се и водоничне станице.
Погледајмо даље у будућност. Количина изгубљене енергије је такође проблем са методом преноса који користи жице за напајање. Због тога ћемо убудуће користити водоник који се испоручује цевоводима, баш као и резервоаре угљене киселине који се користе за прављење газираних пића, и куповати резервоар водоника код куће за производњу струје за свако домаћинство. Мобилни уређаји који раде на водоничне батерије постају уобичајени. Биће занимљиво видети такву будућност.
Време поста: Јун-08-2023
