Σχετικά με την ενέργεια επόμενης γενιάς υδρογόνου

Θα παρουσιάσουμε το «υδρογόνο», την επόμενη γενιά ενέργειας που είναι ουδέτερη ως προς τον άνθρακα. Το υδρογόνο χωρίζεται σε τρεις τύπους: «πράσινο υδρογόνο», «μπλε υδρογόνο» και «γκρι υδρογόνο», καθένας από τους οποίους έχει διαφορετική μέθοδο παραγωγής. Θα εξηγήσουμε επίσης κάθε μέθοδο κατασκευής, τις φυσικές ιδιότητες ως στοιχεία, τις μεθόδους αποθήκευσης/μεταφοράς και τις μεθόδους χρήσης. Και θα παρουσιάσω επίσης γιατί είναι η κυρίαρχη πηγή ενέργειας της επόμενης γενιάς.

Ηλεκτρόλυση νερού για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου

Όταν χρησιμοποιείτε υδρογόνο, είναι σημαντικό να «παράγετε υδρογόνο» ούτως ή άλλως. Ο ευκολότερος τρόπος είναι να «ηλεκτρολύσετε το νερό». Ίσως το κάνατε στο μάθημα των φυσικών επιστημών του δημοτικού. Γεμίστε το ποτήρι ζέσεως με νερό και ηλεκτρόδια στο νερό. Όταν μια μπαταρία συνδέεται στα ηλεκτρόδια και ενεργοποιείται, συμβαίνουν οι ακόλουθες αντιδράσεις στο νερό και σε κάθε ηλεκτρόδιο.
Στην κάθοδο, τα H+ και τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται για να παράγουν αέριο υδρογόνο, ενώ η άνοδος παράγει οξυγόνο. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση είναι καλή για σχολικά πειράματα φυσικών επιστημών, αλλά για την παραγωγή υδρογόνου βιομηχανικά, πρέπει να προετοιμαστούν αποτελεσματικοί μηχανισμοί κατάλληλοι για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Αυτή είναι η «ηλεκτρόλυση μεμβράνης πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEM)».
Σε αυτήν τη μέθοδο, μια ημιπερατή μεμβράνη από πολυμερές που επιτρέπει τη διέλευση ιόντων υδρογόνου τοποθετείται μεταξύ μιας ανόδου και μιας καθόδου. Όταν 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 αλκαλική ηλεκτρόλυση 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 ατμού υψηλής θερμοκρασίας.
Με την εκτέλεση αυτών των διεργασιών σε μεγάλη κλίμακα, μπορούν να ληφθούν μεγάλες ποσότητες υδρογόνου. Κατά τη διαδικασία, παράγεται επίσης σημαντική ποσότητα οξυγόνου (το ήμισυ του όγκου του παραγόμενου υδρογόνου), έτσι ώστε να μην έχει αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις εάν απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, η ηλεκτρόλυση απαιτεί πολλή ηλεκτρική ενέργεια, επομένως υδρογόνο χωρίς άνθρακα μπορεί να παραχθεί εάν παράγεται με ηλεκτρική ενέργεια που δεν χρησιμοποιεί ορυκτά καύσιμα, όπως ανεμογεννήτριες και ηλιακούς συλλέκτες.
Μπορείτε να αποκτήσετε «πράσινο υδρογόνο» ηλεκτρολύοντας το νερό χρησιμοποιώντας καθαρή ενέργεια.

Υπάρχει επίσης μια γεννήτρια υδρογόνου για την παραγωγή αυτού του πράσινου υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα. Χρησιμοποιώντας PEM στο τμήμα του ηλεκτρολύτη, το υδρογόνο μπορεί να παράγεται συνεχώς.

Μπλε υδρογόνο φτιαγμένο από ορυκτά καύσιμα

Ποιοι είναι, λοιπόν, άλλοι τρόποι παραγωγής υδρογόνου; Το υδρογόνο υπάρχει σε ορυκτά καύσιμα όπως το φυσικό αέριο και ο άνθρακας ως ουσίες διαφορετικές από το νερό. Για παράδειγμα, σκεφτείτε το μεθάνιο (CH4), το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου. Υπάρχουν τέσσερα άτομα υδρογόνου εδώ. Μπορείτε να πάρετε υδρογόνο αφαιρώντας αυτό το υδρογόνο.
Μία από αυτές είναι μια διαδικασία που ονομάζεται «αναμόρφωση μεθανίου με ατμό» που χρησιμοποιεί ατμό. Ο χημικός τύπος αυτής της μεθόδου έχει ως εξής.
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 με ατμό» και η «πυρόλυση» φυσικού αερίου και άνθρακα. Ο όρος «μπλε υδρογόνο» αναφέρεται στο υδρογόνο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο.
Σε αυτήν την περίπτωση, ωστόσο, το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα παράγονται ως υποπροϊόντα. Επομένως, πρέπει να τα ανακυκλώσετε πριν απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Το υποπροϊόν διοξείδιο του άνθρακα, εάν δεν ανακτηθεί, μετατρέπεται σε αέριο υδρογόνο, γνωστό ως «γκρι 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 υδρογόνου.
Το υδρογόνο έχει δύο ισότοπα με νετρόνια συνδεδεμένα με τον πυρήνα. Ένα «δευτέριο» με δεσμούς νετρονίων και δύο «τρίτιο» με δεσμούς νετρονίων. Αυτά είναι επίσης υλικά για την παραγωγή ενέργειας από σύντηξη.
Μέσα σε ένα άστρο όπως ο Ήλιος, λαμβάνει χώρα πυρηνική σύντηξη από υδρογόνο σε ήλιο, το οποίο είναι η πηγή ενέργειας για να λάμψει το άστρο.
Ωστόσο, το υδρογόνο σπάνια υπάρχει ως αέριο στη Γη. Το υδρογόνο σχηματίζει ενώσεις με άλλα στοιχεία όπως το νερό, το μεθάνιο, την αμμωνία και την αιθανόλη. Δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι ελαφρύ στοιχείο, καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ταχύτητα κίνησης των μορίων υδρογόνου αυξάνεται και διαφεύγουν από τη βαρύτητα της Γης στο διάστημα.

Πώς να χρησιμοποιήσετε υδρογόνο; Χρήση μέσω καύσης

Πώς λοιπόν 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 της «καύσης».
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι καύσης που χρησιμοποιούνται.
Το πρώτο είναι ως καύσιμο πυραύλων. Ο πύραυλος H-IIA της Ιαπωνίας χρησιμοποιεί ως καύσιμο αέριο υδρογόνο «υγρό υδρογόνο» και «υγρό οξυγόνο», το οποίο βρίσκεται επίσης σε κρυογονική κατάσταση. Αυτά τα δύο συνδυάζονται και η θερμική ενέργεια που παράγεται εκείνη τη στιγμή επιταχύνει την έγχυση των μορίων νερού που παράγονται, πετώντας στο διάστημα. Ωστόσο, επειδή πρόκειται για έναν τεχνικά δύσκολο κινητήρα, 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 αεριοστροβίλους 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 στροβίλους. Εάν χρησιμοποιείται υδρογόνο ως πηγή θερμότητας, ο σταθμός παραγωγής ενέργειας θα είναι ουδέτερος ως προς τον 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. Συγκεκριμένα, η Toyota έχει τραβήξει την προσοχή στην Ιαπωνία, διαφημίζοντας οχήματα που κινούνται με υδρογόνο αντί για ηλεκτρικά οχήματα (EV) ως εναλλακτική λύση στα βενζινοκίνητα οχήματα, στο πλαίσιο των μέτρων αντιμετώπισης της υπερθέρμανσης του πλανήτη.
Συγκεκριμένα, ακολουθούμε την αντίστροφη διαδικασία όταν εισάγουμε τη μέθοδο παρασκευής του «πράσινου υδρογόνου». Ο χημικός τύπος έχει ως εξής.
Το υδρογόνο μπορεί να παράγει νερό (ζεστό νερό ή ατμό) ενώ παράλληλα παράγει ηλεκτρική ενέργεια και μπορεί να αξιολογηθεί επειδή δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Από την άλλη πλευρά, αυτή η μέθοδος έχει σχετικά χαμηλή απόδοση παραγωγής ενέργειας, 30-40%, και απαιτεί πλατίνα ως καταλύτη, γεγονός που συνεπάγεται αυξημένο κόστος.
Αυτή τη στιγμή, χρησιμοποιούμε κυψέλες καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEFC) και κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC). Συγκεκριμένα, τα οχήματα κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούν PEFC, επομένως αναμένεται να εξαπλωθεί στο μέλλον.

Είναι ασφαλής η αποθήκευση και η μεταφορά υδρογόνου;

Μέχρι τώρα, πιστεύουμε ότι καταλαβαίνετε πώς παράγεται και χρησιμοποιείται το αέριο υδρογόνο. Πώς, λοιπόν, αποθηκεύετε αυτό το υδρογόνο; Πώς το μεταφέρετε εκεί που το χρειάζεστε; Τι γίνεται με την ασφάλεια εκείνη τη στιγμή; Θα σας εξηγήσουμε.
Στην πραγματικότητα, το υδρογόνο είναι επίσης ένα πολύ επικίνδυνο στοιχείο. Στις αρχές του 20ού αιώνα, χρησιμοποιούσαμε το υδρογόνο ως αέριο για να πετάμε αερόστατα, αερόστατα και αερόπλοια στον ουρανό, επειδή ήταν πολύ ελαφρύ. Ωστόσο, στις 6 Μαΐου 1937, στο Νιου Τζέρσεϊ των ΗΠΑ, συνέβη η «έκρηξη του αερόπλοιου Χίντενμπουργκ».
Από το ατύχημα και μετά, έχει αναγνωριστεί ευρέως ότι το αέριο υδρογόνο είναι επικίνδυνο. Ειδικά όταν πιάσει φωτιά, θα εκραγεί βίαια με οξυγόνο. Επομένως, η φράση «μακριά από οξυγόνο» ή «μακριά από θερμότητα» είναι απαραίτητη.
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 υπό συνθήκες υψηλής πίεσης, όπως 45Mpa.
Η Toyota, η οποία αναπτύσσει οχήματα κυψελών καυσίμου (FCV), αναπτύσσει μια δεξαμενή υδρογόνου υψηλής πίεσης από ρητίνη που μπορεί να αντέξει πίεση 70 MPa.
Μια άλλη μέθοδος είναι η ψύξη στους -253°C για την παραγωγή υγρού υδρογόνου, καθώς και η αποθήκευση και μεταφορά του σε ειδικές θερμομονωμένες δεξαμενές. Όπως και με το LNG (υγροποιημένο φυσικό αέριο) όταν εισάγεται φυσικό αέριο από το εξωτερικό, το υδρογόνο υγροποιείται κατά τη μεταφορά, μειώνοντας τον όγκο του στο 1/800 της αέριας κατάστασής του. Το 2020, ολοκληρώσαμε τον πρώτο στον κόσμο μεταφορέα υγρού υδρογόνου. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι κατάλληλη για οχήματα κυψελών καυσίμου, επειδή απαιτεί πολλή ενέργεια για να ψυχθεί.
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 φθείρει. Αυτή είναι μια συμβουλή ανάπτυξης που αναπτύχθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1960. Οι JJ Reilly et al. Πειράματα έχουν δείξει 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, η οποία μπορεί να απορροφήσει υδρογόνο 935 φορές τον όγκο της.
Το πλεονέκτημα της χρήσης αυτού του κράματος είναι ότι μπορεί να αποτρέψει ατυχήματα από διαρροές υδρογόνου (κυρίως ατυχήματα από εκρήξεις). 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.
Η άλλη επιλογή είναι η χρήση σωλήνων. Υπάρχει η προϋπόθεση ότι πρέπει να είναι μη συμπιεσμένοι και χαμηλής πίεσης για να αποφευχθεί η ευθραυστότητα των σωλήνων, αλλά το πλεονέκτημα είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπάρχοντες αγωγοί αερίου. Η Tokyo Gas πραγματοποίησε εργασίες κατασκευής στο Harumi FLAG, χρησιμοποιώντας αγωγούς φυσικού αερίου της πόλης για την παροχή υδρογόνου σε κυψέλες καυσίμου.

Μελλοντική Κοινωνία Δημιουργημένη από την Ενέργεια Υδρογόνου

Τέλος, ας εξετάσουμε τον ρόλο που μπορεί να διαδραματίσει το υδρογόνο στην κοινωνία.
Το πιο σημαντικό είναι ότι θέλουμε να προωθήσουμε μια κοινωνία χωρίς άνθρακα, καθώς χρησιμοποιούμε 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 λαμβάνεται με αναμόρφωση φυσικού αερίου για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, το ερώτημα τι πρέπει να γίνει με τα υποπροϊόντα της διαδικασίας αναμόρφωσης παραμένει.

Στο μέλλον, εάν αυξηθεί η ίδια η κυκλοφορία του υδρογόνου, όπως η αύξηση του αριθμού των σταθμών ανεφοδιασμού υδρογόνου, θα είναι δυνατή η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγει πράσινο υδρογόνο, φυσικά, επομένως χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το ηλιακό φως ή τον άνεμο. Η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση θα πρέπει να είναι η ενέργεια 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, τελικά θα είναι δυνατή η μείωση της παραγωγής θερμικής ενέργειας. Η ημέρα που ο κινητήρας εσωτερικής καύσης θα εξαφανιστεί 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 ένα υποπροϊόν της παραγωγής οπτάνθρακα στην παραγωγή σιδήρου. Εάν βάλετε αυτό το υδρογόνο στη διανομή, θα μπορείτε να έχετε πολλαπλές πηγές. Το αέριο υδρογόνο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο παρέχεται επίσης από σταθμούς υδρογόνου.

Ας κοιτάξουμε πιο μακριά στο μέλλον. Η ποσότητα ενέργειας που χάνεται είναι επίσης ένα ζήτημα με τη μέθοδο μετάδοσης που χρησιμοποιεί καλώδια για την παροχή ενέργειας. Επομένως, στο μέλλον, θα χρησιμοποιούμε το υδρογόνο που παρέχεται μέσω αγωγών, όπως ακριβώς οι δεξαμενές ανθρακικού οξέος που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή αεριούχων ποτών, και θα αγοράζουμε μια δεξαμενή υδρογόνου στο σπίτι για να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια για κάθε νοικοκυριό. Οι κινητές συσκευές που λειτουργούν με μπαταρίες υδρογόνου γίνονται όλο και πιο συνηθισμένες. Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε ένα τέτοιο μέλλον.