Θα εισαγάγουμε το «υδρογόνο», την επόμενη γενιά ενέργειας που είναι ουδέτερη από άνθρακα. Το υδρογόνο χωρίζεται σε τρεις τύπους: «πράσινο υδρογόνο», «μπλε υδρογόνο» και «γκρίζο υδρογόνο», καθένα από τα οποία έχει διαφορετική μέθοδο παραγωγής. Θα εξηγήσουμε επίσης κάθε μέθοδο κατασκευής, φυσικές ιδιότητες ως στοιχεία, μεθόδους αποθήκευσης/μεταφοράς και μεθόδους χρήσης. Και θα παρουσιάσω επίσης γιατί είναι η επόμενη γενιά κυρίαρχη πηγή ενέργειας.
Ηλεκτρόλυση νερού για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου
Όταν χρησιμοποιείτε υδρογόνο, είναι σημαντικό να «παράγεται υδρογόνο» ούτως ή άλλως. Ο ευκολότερος τρόπος είναι η «ηλεκτρόλυση του νερού». Ίσως το έκανες στην επιστήμη του δημοτικού σχολείου. Γεμίστε το ποτήρι με νερό και ηλεκτρόδια σε νερό. Όταν μια μπαταρία συνδέεται με τα ηλεκτρόδια και ενεργοποιείται, οι ακόλουθες αντιδράσεις συμβαίνουν στο νερό και σε κάθε ηλεκτρόδιο.
Στην κάθοδο, το Η+ και τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται για να παράγουν αέριο υδρογόνο, ενώ η άνοδος παράγει οξυγόνο. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση είναι καλή για σχολικά πειράματα επιστήμης, αλλά για να παραχθεί υδρογόνο βιομηχανικά, πρέπει να προετοιμαστούν αποτελεσματικοί μηχανισμοί κατάλληλοι για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Αυτό είναι «ηλεκτρόλυση μεμβράνης ηλεκτρολυτών πολυμερούς (PEM)».
Σε αυτή τη μέθοδο, μια ημιπερατή μεμβράνη από πολυμερές που επιτρέπει τη διέλευση ιόντων υδρογόνου τοποθετείται μεταξύ μιας ανόδου και μιας καθόδου. Όταν το νερό χύνεται στην άνοδο της συσκευής, τα ιόντα υδρογόνου που παράγονται με ηλεκτρόλυση κινούνται μέσω μιας ημιπερατής μεμβράνης προς την κάθοδο, όπου γίνονται μοριακό υδρογόνο. Από την άλλη πλευρά, τα ιόντα οξυγόνου δεν μπορούν να περάσουν από την ημιπερατή μεμβράνη και να γίνουν μόρια οξυγόνου στην άνοδο.
Επίσης στην ηλεκτρόλυση αλκαλικού νερού, δημιουργείτε υδρογόνο και οξυγόνο διαχωρίζοντας την άνοδο και την κάθοδο μέσω ενός διαχωριστή από τον οποίο μπορούν να περάσουν μόνο ιόντα υδροξειδίου. Επιπλέον, υπάρχουν βιομηχανικές μέθοδοι όπως η ηλεκτρόλυση με ατμό υψηλής θερμοκρασίας.
Εκτελώντας αυτές τις διεργασίες σε μεγάλη κλίμακα, μπορούν να ληφθούν μεγάλες ποσότητες υδρογόνου. Κατά τη διαδικασία, παράγεται επίσης σημαντική ποσότητα οξυγόνου (το μισό του όγκου του παραγόμενου υδρογόνου), έτσι ώστε να μην έχει δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις εάν απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, η ηλεκτρόλυση απαιτεί πολλή ηλεκτρική ενέργεια, επομένως μπορεί να παραχθεί υδρογόνο χωρίς άνθρακα εάν παράγεται με ηλεκτρική ενέργεια που δεν χρησιμοποιεί ορυκτά καύσιμα, όπως ανεμογεννήτριες και ηλιακούς συλλέκτες.
Μπορείτε να πάρετε «πράσινο υδρογόνο» ηλεκτρολύοντας νερό χρησιμοποιώντας καθαρή ενέργεια.
Υπάρχει επίσης μια γεννήτρια υδρογόνου για μεγάλης κλίμακας παραγωγή αυτού του πράσινου υδρογόνου. Με τη χρήση PEM στο τμήμα του ηλεκτρολύτη, το υδρογόνο μπορεί να παράγεται συνεχώς.
Μπλε υδρογόνο από ορυκτά καύσιμα
Λοιπόν, ποιοι άλλοι τρόποι για την παραγωγή υδρογόνου υπάρχουν; Το υδρογόνο υπάρχει στα ορυκτά καύσιμα όπως το φυσικό αέριο και ο άνθρακας ως ουσίες άλλες από το νερό. Για παράδειγμα, εξετάστε το μεθάνιο (CH4), το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου. Υπάρχουν τέσσερα άτομα υδρογόνου εδώ. Μπορείτε να πάρετε υδρογόνο αφαιρώντας αυτό το υδρογόνο.
Ένα από αυτά είναι μια διαδικασία που ονομάζεται «αναμόρφωση μεθανίου ατμού» που χρησιμοποιεί ατμό. Ο χημικός τύπος αυτής της μεθόδου είναι ο ακόλουθος.
Όπως μπορείτε να δείτε, το μονοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο μπορούν να εξαχθούν από ένα μόνο μόριο μεθανίου.
Με αυτόν τον τρόπο, το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω διεργασιών όπως η «αναμόρφωση ατμού» και η «πυρόλυση» φυσικού αερίου και άνθρακα. Το «μπλε υδρογόνο» αναφέρεται στο υδρογόνο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο.
Σε αυτή την περίπτωση, ωστόσο, το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα παράγονται ως υποπροϊόντα. Πρέπει λοιπόν να τα ανακυκλώσετε πριν απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Το υποπροϊόν διοξείδιο του άνθρακα, εάν δεν ανακτηθεί, μετατρέπεται σε αέριο υδρογόνο, γνωστό ως «γκρίζο υδρογόνο».
Τι είδους στοιχείο είναι το υδρογόνο;
Το υδρογόνο έχει ατομικό αριθμό 1 και είναι το πρώτο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα.
Ο αριθμός των ατόμων είναι ο μεγαλύτερος στο σύμπαν, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 90% όλων των στοιχείων στο σύμπαν. Το μικρότερο άτομο που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο είναι το άτομο του υδρογόνου.
Το υδρογόνο έχει δύο ισότοπα με νετρόνια συνδεδεμένα στον πυρήνα. Ένα «δευτέριο» με δεσμό νετρονίων και δύο «τρίτιο» με δεσμούς νετρονίων. Αυτά είναι επίσης υλικά για την παραγωγή ενέργειας από σύντηξη.
Μέσα σε ένα αστέρι όπως ο ήλιος, λαμβάνει χώρα η πυρηνική σύντηξη από το υδρογόνο στο ήλιο, το οποίο είναι η πηγή ενέργειας για να λάμψει το αστέρι.
Ωστόσο, το υδρογόνο σπάνια υπάρχει ως αέριο στη Γη. Το υδρογόνο σχηματίζει ενώσεις με άλλα στοιχεία όπως το νερό, το μεθάνιο, η αμμωνία και η αιθανόλη. Δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι ένα ελαφρύ στοιχείο, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η ταχύτητα κίνησης των μορίων του υδρογόνου αυξάνεται και διαφεύγει από τη βαρύτητα της γης στο διάστημα.
Πώς να χρησιμοποιήσετε το υδρογόνο; Χρήση με καύση
Τότε, πώς χρησιμοποιείται το «υδρογόνο», το οποίο έχει προσελκύσει την παγκόσμια προσοχή ως πηγή ενέργειας επόμενης γενιάς; Χρησιμοποιείται με δύο βασικούς τρόπους: «καύση» και «κυψέλη καυσίμου». Ας ξεκινήσουμε με τη χρήση του “burn”.
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι καύσης που χρησιμοποιούνται.
Το πρώτο είναι ως καύσιμο πυραύλων. Ο πύραυλος H-IIA της Ιαπωνίας χρησιμοποιεί αέριο υδρογόνου «υγρό υδρογόνο» και «υγρό οξυγόνο» το οποίο είναι επίσης σε κρυογονική κατάσταση ως καύσιμο. Αυτά τα δύο συνδυάζονται και η θερμική ενέργεια που παράγεται εκείνη τη στιγμή επιταχύνει την έγχυση των μορίων του νερού που δημιουργούνται, πετώντας στο διάστημα. Ωστόσο, επειδή είναι ένας τεχνικά δύσκολος κινητήρας, εκτός από την Ιαπωνία, μόνο οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Ευρώπη, η Ρωσία, η Κίνα και η Ινδία έχουν συνδυάσει με επιτυχία αυτό το καύσιμο.
Το δεύτερο είναι η παραγωγή ενέργειας. Η παραγωγή ενέργειας από αεριοστρόβιλο χρησιμοποιεί επίσης τη μέθοδο συνδυασμού υδρογόνου και οξυγόνου για την παραγωγή ενέργειας. Με άλλα λόγια, είναι μια μέθοδος που εξετάζει τη θερμική ενέργεια που παράγεται από το υδρογόνο. Στους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, η θερμότητα από την καύση άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου παράγει ατμό που κινεί τους στρόβιλους. Εάν το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως πηγή θερμότητας, η μονάδα παραγωγής ενέργειας θα είναι ουδέτερη από άνθρακα.
Πώς να χρησιμοποιήσετε το υδρογόνο; Χρησιμοποιείται ως κυψέλη καυσίμου
Ένας άλλος τρόπος χρήσης του υδρογόνου είναι ως κυψέλη καυσίμου, η οποία μετατρέπει το υδρογόνο απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ειδικότερα, η Toyota έχει επιστήσει την προσοχή στην Ιαπωνία προβάλλοντας οχήματα με υδρογόνο αντί για ηλεκτρικά οχήματα (EVs) ως εναλλακτική λύση στα βενζινοκίνητα οχήματα ως μέρος των αντιμέτρων της για την υπερθέρμανση του πλανήτη.
Συγκεκριμένα, κάνουμε την αντίστροφη διαδικασία όταν εισάγουμε τη μέθοδο κατασκευής του «πράσινου υδρογόνου». Ο χημικός τύπος έχει ως εξής.
Το υδρογόνο μπορεί να παράγει νερό (ζεστό νερό ή ατμό) ενώ παράγει ηλεκτρική ενέργεια και μπορεί να αξιολογηθεί γιατί δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Από την άλλη πλευρά, αυτή η μέθοδος έχει σχετικά χαμηλή απόδοση παραγωγής ενέργειας 30-40%, και απαιτεί πλατίνα ως καταλύτη, απαιτώντας έτσι αυξημένο κόστος.
Επί του παρόντος, χρησιμοποιούμε κυψέλες καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEFC) και κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC). Ειδικότερα, τα οχήματα κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούν PEFC, επομένως αναμένεται να εξαπλωθεί στο μέλλον.
Είναι ασφαλής η αποθήκευση και η μεταφορά υδρογόνου;
Μέχρι τώρα, πιστεύουμε ότι έχετε καταλάβει πώς παράγεται και χρησιμοποιείται το αέριο υδρογόνο. Πώς λοιπόν αποθηκεύετε αυτό το υδρογόνο; Πώς το παίρνετε εκεί που το χρειάζεστε; Τι γίνεται με την ασφάλεια εκείνη την εποχή; Θα εξηγήσουμε.
Στην πραγματικότητα, το υδρογόνο είναι επίσης ένα πολύ επικίνδυνο στοιχείο. Στις αρχές του 20ου αιώνα, χρησιμοποιούσαμε το υδρογόνο ως αέριο για να επιπλέουμε μπαλόνια, μπαλόνια και αερόπλοια στον ουρανό επειδή ήταν πολύ ελαφρύ. Ωστόσο, στις 6 Μαΐου 1937, στο Νιου Τζέρσεϊ των ΗΠΑ, σημειώθηκε η «έκρηξη του αεροσκάφους Hindenburg».
Μετά το ατύχημα, έχει αναγνωριστεί ευρέως ότι το αέριο υδρογόνο είναι επικίνδυνο. Ειδικά όταν πάρει φωτιά, θα εκραγεί βίαια με οξυγόνο. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να «φυλάσσεται μακριά από οξυγόνο» ή «μακριά από θερμότητα».
Αφού λάβαμε αυτά τα μέτρα, καταλήξαμε σε μια μέθοδο αποστολής.
Το υδρογόνο είναι αέριο σε θερμοκρασία δωματίου, επομένως, παρόλο που εξακολουθεί να είναι αέριο, είναι πολύ ογκώδες. Η πρώτη μέθοδος είναι η εφαρμογή υψηλής πίεσης και η συμπίεση σαν κύλινδρος κατά την παρασκευή ανθρακούχων ποτών. Προετοιμάστε μια ειδική δεξαμενή υψηλής πίεσης και αποθηκεύστε την σε συνθήκες υψηλής πίεσης όπως 45Mpa.
Η Toyota, η οποία αναπτύσσει οχήματα κυψελών καυσίμου (FCV), αναπτύσσει μια δεξαμενή υδρογόνου υψηλής πίεσης ρητίνης που μπορεί να αντέξει πίεση 70 MPa.
Μια άλλη μέθοδος είναι η ψύξη στους -253°C για την παραγωγή υγρού υδρογόνου και η αποθήκευση και η μεταφορά του σε ειδικές θερμομονωμένες δεξαμενές. Όπως το LNG (υγροποιημένο φυσικό αέριο) όταν το φυσικό αέριο εισάγεται από το εξωτερικό, το υδρογόνο υγροποιείται κατά τη μεταφορά, μειώνοντας τον όγκο του στο 1/800 της αέριας του κατάστασης. Το 2020, ολοκληρώσαμε τον πρώτο φορέα υγρού υδρογόνου στον κόσμο. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι κατάλληλη για οχήματα κυψελών καυσίμου, επειδή απαιτεί πολλή ενέργεια για να κρυώσει.
Υπάρχει μια μέθοδος αποθήκευσης και αποστολής σε δεξαμενές όπως αυτή, αλλά αναπτύσσουμε και άλλες μεθόδους αποθήκευσης υδρογόνου.
Η μέθοδος αποθήκευσης είναι η χρήση κραμάτων αποθήκευσης υδρογόνου. Το υδρογόνο έχει την ιδιότητα να διεισδύει στα μέταλλα και να τα αλλοιώνει. Αυτή είναι μια συμβουλή ανάπτυξης που αναπτύχθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1960. Οι JJ Reilly et al. Πειράματα έδειξαν ότι το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί και να απελευθερωθεί χρησιμοποιώντας ένα κράμα μαγνησίου και βαναδίου.
Μετά από αυτό, ανέπτυξε με επιτυχία μια ουσία, όπως το παλλάδιο, που μπορεί να απορροφήσει υδρογόνο 935 φορές τον όγκο του.
Το πλεονέκτημα της χρήσης αυτού του κράματος είναι ότι μπορεί να αποτρέψει ατυχήματα διαρροής υδρογόνου (κυρίως ατυχήματα έκρηξης). Επομένως, μπορεί να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί με ασφάλεια. Ωστόσο, εάν δεν είστε προσεκτικοί και το αφήσετε σε λάθος περιβάλλον, τα κράματα αποθήκευσης υδρογόνου μπορούν να απελευθερώσουν αέριο υδρογόνο με την πάροδο του χρόνου. Λοιπόν, ακόμη και μια μικρή σπίθα μπορεί να προκαλέσει ατύχημα έκρηξης, οπότε να είστε προσεκτικοί.
Έχει επίσης το μειονέκτημα ότι η επαναλαμβανόμενη απορρόφηση και εκρόφηση υδρογόνου οδηγεί σε ευθραυστότητα και μειώνει τον ρυθμό απορρόφησης υδρογόνου.
Το άλλο είναι να χρησιμοποιήσετε σωλήνες. Υπάρχει προϋπόθεση ότι πρέπει να είναι μη συμπιεσμένο και χαμηλής πίεσης για να αποφευχθεί η ευθραυστότητα των σωλήνων, αλλά το πλεονέκτημα είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι υπάρχοντες σωλήνες αερίου. Η Tokyo Gas πραγματοποίησε κατασκευαστικές εργασίες στο Harumi FLAG, χρησιμοποιώντας αγωγούς φυσικού αερίου της πόλης για την παροχή υδρογόνου στις κυψέλες καυσίμου.
Future Society Created by Hydrogen Energy
Τέλος, ας αναλογιστούμε τον ρόλο που μπορεί να παίξει το υδρογόνο στην κοινωνία.
Το πιο σημαντικό είναι ότι θέλουμε να προωθήσουμε μια κοινωνία χωρίς άνθρακα, χρησιμοποιούμε το υδρογόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αντί για θερμική ενέργεια.
Αντί για μεγάλους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, ορισμένα νοικοκυριά έχουν εισαγάγει συστήματα όπως το ENE-FARM, τα οποία χρησιμοποιούν υδρογόνο που προέρχεται από τη μεταρρύθμιση του φυσικού αερίου για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, το ερώτημα τι να γίνει με τα υποπροϊόντα της διαδικασίας μεταρρύθμισης παραμένει.
Στο μέλλον, εάν αυξηθεί η ίδια η κυκλοφορία του υδρογόνου, όπως αύξηση του αριθμού των σταθμών ανεφοδιασμού υδρογόνου, θα είναι δυνατή η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγει πράσινο υδρογόνο, φυσικά, επομένως χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το φως του ήλιου ή τον άνεμο. Η ισχύς που χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση πρέπει να είναι η ισχύς για την καταστολή της ποσότητας παραγωγής ενέργειας ή για τη φόρτιση της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας όταν υπάρχει πλεόνασμα ενέργειας από φυσική ενέργεια. Με άλλα λόγια, το υδρογόνο βρίσκεται στην ίδια θέση με την επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Εάν συμβεί αυτό, θα είναι τελικά δυνατό να μειωθεί η παραγωγή θερμικής ενέργειας. Η μέρα που ο κινητήρας εσωτερικής καύσης εξαφανίζεται από τα αυτοκίνητα πλησιάζει γρήγορα.
Το υδρογόνο μπορεί επίσης να ληφθεί μέσω άλλης οδού. Στην πραγματικότητα, το υδρογόνο εξακολουθεί να είναι ένα υποπροϊόν της παραγωγής καυστικής σόδας. Μεταξύ άλλων, είναι υποπροϊόν της παραγωγής οπτάνθρακα στη σιδηρουργία. Εάν βάλετε αυτό το υδρογόνο στη διανομή, θα μπορείτε να λάβετε πολλές πηγές. Το αέριο υδρογόνο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο τροφοδοτείται επίσης από σταθμούς υδρογόνου.
Ας κοιτάξουμε περαιτέρω στο μέλλον. Η ποσότητα της ενέργειας που χάνεται είναι επίσης ένα πρόβλημα με τη μέθοδο μετάδοσης που χρησιμοποιεί καλώδια για την παροχή ρεύματος. Ως εκ τούτου, στο μέλλον, θα χρησιμοποιούμε το υδρογόνο που παρέχεται από αγωγούς, όπως ακριβώς οι δεξαμενές ανθρακικού οξέος που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ανθρακούχων ποτών, και θα αγοράζουμε μια δεξαμενή υδρογόνου στο σπίτι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για κάθε νοικοκυριό. Οι φορητές συσκευές που λειτουργούν με μπαταρίες υδρογόνου γίνονται συνηθισμένες. Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε ένα τέτοιο μέλλον.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-08-2023
