Tutvustame vesinikku, järgmise põlvkonna süsinikuneutraalset energiat. Vesinik jaguneb kolme tüüpi: "roheline vesinik", "sinine vesinik" ja "hall vesinik", millest igaühel on erinev tootmismeetod. Samuti selgitame iga tootmismeetodit, füüsikalisi omadusi elementidena, ladustamis-/transpordimeetodeid ja kasutusviise. Ja ma tutvustan ka seda, miks see on järgmise põlvkonna domineeriv energiaallikas.
Vee elektrolüüs rohelise vesiniku saamiseks
Vesiniku kasutamisel on niikuinii oluline “vesinikku toota”. Lihtsaim viis on "vee elektrolüüsimine". Võib-olla õppisite seda põhikoolis loodusteadustes. Täida keeduklaas veega ja elektroodid vees. Kui aku on elektroodidega ühendatud ja pingestatud, toimuvad vees ja igas elektroodis järgmised reaktsioonid.
Katoodil ühinevad H+ ja elektronid, moodustades gaasilise vesiniku, anood aga hapnikku. Sellegipoolest sobib selline lähenemine kooliteaduslikeks katseteks, kuid vesiniku tööstuslikuks tootmiseks tuleb ette valmistada tõhusad mehhanismid, mis sobivad suuremahuliseks tootmiseks. See on "polümeer-elektrolüütmembraani (PEM) elektrolüüs".
Selle meetodi puhul asetatakse anoodi ja katoodi vahele polümeerist poolläbilaskev membraan, mis võimaldab vesinikioonide läbipääsu. Kui seadme anoodile valatakse vesi, liiguvad elektrolüüsi teel tekkivad vesinikuioonid läbi poolläbilaskva membraani katoodile, kus neist saab molekulaarne vesinik. Teisest küljest ei saa hapnikuioonid poolläbilaskvat membraani läbida ega muutuda anoodil hapnikumolekulideks.
Ka leeliselise vee elektrolüüsil tekitate vesinikku ja hapnikku, eraldades anoodi ja katoodi läbi separaatori, mille kaudu pääsevad läbi ainult hüdroksiidioonid. Lisaks on olemas tööstuslikud meetodid, näiteks kõrgtemperatuuriline auruelektrolüüs.
Neid protsesse suures mahus teostades on võimalik saada suuri koguseid vesinikku. Protsessi käigus toodetakse ka märkimisväärne kogus hapnikku (pool toodetava vesiniku mahust), nii et sellel atmosfääri sattumisel ei oleks kahjulikku keskkonnamõju. Elektrolüüs nõuab aga palju elektrit, mistõttu saab süsinikuvaba vesinikku toota, kui seda toodetakse elektriga, mis ei kasuta fossiilkütuseid, näiteks tuuleturbiinid ja päikesepaneelid.
Vee elektrolüüsimisel puhta energia abil saate "rohelist vesinikku".
Selle rohelise vesiniku suuremahuliseks tootmiseks on olemas ka vesinikugeneraator. Kasutades elektrolüüsisektsioonis PEM-i, saab vesinikku pidevalt toota.
Fossiilkütustest valmistatud sinine vesinik
Niisiis, millised on muud viisid vesiniku valmistamiseks? Vesinik esineb fossiilkütustes, nagu maagaas ja kivisüsi, muude ainetena peale vee. Näiteks kaaluge maagaasi peamist komponenti metaani (CH4). Siin on neli vesinikuaatomit. Vesiniku väljavõtmisega saate vesinikku.
Üks neist on protsess, mida nimetatakse "auru metaani reformimiseks", mis kasutab auru. Selle meetodi keemiline valem on järgmine.
Nagu näete, saab süsinikmonooksiidi ja vesinikku eraldada ühest metaani molekulist.
Sel viisil saab vesinikku toota selliste protsesside abil nagu maagaasi ja kivisöe „aurureformimine” ja „pürolüüs”. "Sinine vesinik" viitab sel viisil toodetud vesinikule.
Sel juhul tekib aga kõrvalsaadusena vingugaas ja süsihappegaas. Seega peate need enne atmosfääri sattumist ringlusse võtma. Kõrvalsaadus süsinikdioksiid, kui seda ei eraldata, muutub vesinikgaasiks, mida nimetatakse halliks vesinikuks.
Mis tüüpi element on vesinik?
Vesiniku aatomnumber on 1 ja see on perioodilisuse tabeli esimene element.
Aatomite arv on universumi suurim, moodustades umbes 90% kõigist universumi elementidest. Väikseim prootonist ja elektronist koosnev aatom on vesinikuaatom.
Vesinikul on kaks isotoopi, mille tuuma küljes on neutronid. Üks neutronsidemega "deuteerium" ja kaks neutronsidemega "triitium". Need on ka materjalid termotuumasünteesienergia tootmiseks.
Päikese-taolise tähe sees toimub tuumasüntees vesinikust heeliumiks, mis on tähe säramiseks energiaallikas.
Kuid vesinikku leidub Maal gaasina harva. Vesinik moodustab ühendeid teiste elementidega, nagu vesi, metaan, ammoniaak ja etanool. Kuna vesinik on kerge element, siis temperatuuri tõustes vesiniku molekulide liikumiskiirus suureneb ja pääseb Maa gravitatsioonist kosmosesse.
Kuidas vesinikku kasutada? Kasutamine põletamise teel
Kuidas siis kasutatakse "vesinikku", mis on pälvinud ülemaailmse tähelepanu järgmise põlvkonna energiaallikana? Seda kasutatakse peamiselt kahel viisil: "põlemine" ja "kütuseelement". Alustame sõna "põleta" kasutamisega.
Kasutatakse kahte peamist põlemistüüpi.
Esimene on raketikütus. Jaapani rakett H-IIA kasutab kütusena vesinikgaasi "vedelat vesinikku" ja "vedelat hapnikku", mis on samuti krüogeenses olekus. Need kaks kombineeritakse ja sel ajal tekkiv soojusenergia kiirendab tekkinud veemolekulide süstimist kosmosesse. Kuna aga peale Jaapani on tegemist tehniliselt keerulise mootoriga, on seda kütust edukalt kombineerinud vaid USA, Euroopa, Venemaa, Hiina ja India.
Teine on elektritootmine. Gaasiturbiini elektritootmises kasutatakse ka vesiniku ja hapniku kombineerimise meetodit energia tootmiseks. Teisisõnu, see on meetod, mis vaatleb vesiniku toodetud soojusenergiat. Soojuselektrijaamades toodab söe, nafta ja maagaasi põletamisel tekkiv soojus auru, mis käitab turbiine. Kui soojusallikana kasutatakse vesinikku, on elektrijaam süsinikneutraalne.
Kuidas vesinikku kasutada? Kasutatakse kütuseelemendina
Teine võimalus vesinikku kasutada on kütuseelemendina, mis muudab vesiniku otse elektriks. Eelkõige on Toyota pälvinud Jaapanis tähelepanu, pakkudes oma globaalse soojenemise vastumeetmete raames bensiinimootoritele alternatiivina elektrisõidukite asemel vesinikkütusel töötavaid sõidukeid.
Täpsemalt, me teeme vastupidist protseduuri, kui tutvustame "rohelise vesiniku" tootmismeetodit. Keemiline valem on järgmine.
Vesinik võib elektri tootmisel tekitada vett (sooja vett või auru) ja seda saab hinnata, kuna see ei koorma keskkonda. Teisest küljest on sellel meetodil suhteliselt madal energiatootmise kasutegur (30–40%) ja see nõuab katalüsaatorina plaatinat, mistõttu on vaja suuremaid kulusid.
Praegu kasutame polümeer-elektrolüütkütuseelemente (PEFC) ja fosforhappe kütuseelemente (PAFC). Eelkõige kasutavad kütuseelemendiga sõidukid PEFC-d, seega võib eeldada, et see levib tulevikus.
Kas vesiniku ladustamine ja transport on ohutu?
Nüüdseks arvame, et mõistate, kuidas vesinikgaasi valmistatakse ja kasutatakse. Niisiis, kuidas seda vesinikku säilitada? Kuidas saada see sinna, kuhu vaja? Aga turvalisus sel ajal? Selgitame.
Tegelikult on vesinik ka väga ohtlik element. 20. sajandi alguses kasutasime vesinikku gaasina õhupallide, õhupallide ja õhulaevade taevas hõljutamiseks, kuna see oli väga kerge. Kuid 6. mail 1937 toimus USA-s New Jerseys "õhulaeva Hindenburgi plahvatus".
Pärast õnnetust on laialdaselt tunnustatud, et gaas vesinik on ohtlik. Eriti kui see süttib, plahvatab see hapnikuga ägedalt. Seetõttu on oluline "hoida hapnikust eemal" või "hoia kuumusest eemal".
Pärast nende meetmete võtmist leidsime saatmisviisi.
Vesinik on toatemperatuuril gaas, nii et kuigi see on endiselt gaas, on see väga mahukas. Esimene meetod on gaseeritud jookide valmistamisel kõrge surve ja silindri kombel kokkupressimine. Valmistage ette spetsiaalne kõrgsurvepaak ja hoidke seda kõrgsurvetingimustes, näiteks 45 MPa.
Kütuseelementidega sõidukeid (FCV) arendav Toyota arendab vaigust kõrgsurve vesinikupaaki, mis talub 70 MPa survet.
Teine meetod on vedela vesiniku saamiseks jahutada temperatuurini -253 °C ning hoida ja transportida spetsiaalsetes soojusisolatsiooniga mahutites. Sarnaselt LNG-ga (vedeldatud maagaas), kui maagaasi imporditakse välismaalt, vedeldub vesinik transpordi ajal, vähendades selle mahtu 1/800-ni gaasilisest olekust. 2020. aastal saime valmis maailma esimese vedela vesiniku kandja. Kütuseelemendiga sõidukitele see lähenemine aga ei sobi, sest selle jahutamiseks kulub palju energiat.
On olemas meetod sellistes paakides ladustamiseks ja transportimiseks, kuid me töötame välja ka teisi vesiniku säilitamise meetodeid.
Säilitusmeetodiks on vesiniku säilitamise sulamite kasutamine. Vesinikul on omadus metallidesse tungida ja neid rikkuda. See on arendusnõuanne, mis töötati välja Ameerika Ühendriikides 1960. aastatel. JJ Reilly jt. Katsed on näidanud, et vesinikku saab säilitada ja vabastada magneesiumi ja vanaadiumi sulami abil.
Pärast seda töötas ta edukalt välja sellise aine, nagu pallaadium, mis suudab absorbeerida vesinikku 935 korda oma mahust.
Selle sulami kasutamise eeliseks on see, et see võib ära hoida vesiniku lekkega seotud õnnetusi (peamiselt plahvatusõnnetusi). Seetõttu saab seda ohutult hoida ja transportida. Kui te aga ei ole ettevaatlik ja jätate selle valesse keskkonda, võivad vesinikku salvestavad sulamid aja jooksul eraldada vesinikgaasi. Noh, isegi väike säde võib põhjustada plahvatusõnnetuse, nii et olge ettevaatlik.
Selle puuduseks on ka see, et korduv vesiniku absorptsioon ja desorptsioon põhjustavad haprust ja vähendavad vesiniku absorptsiooni kiirust.
Teine on torude kasutamine. Kehtib tingimus, et see peab olema kokkusurumata ja madala rõhuga, et vältida torude haprust, kuid eeliseks on see, et saab kasutada olemasolevaid gaasitorusid. Tokyo Gas teostas Harumi FLAGi ehitustöid, kasutades linna gaasitorusid kütuseelementide varustamiseks vesinikuga.
Vesinikuenergia loodud tulevikuühiskond
Lõpuks mõelgem, millist rolli võib vesinik ühiskonnas mängida.
Veelgi olulisem on see, et me tahame edendada süsinikuvaba ühiskonda, et kasutame vesinikku soojusenergia asemel elektri tootmiseks.
Suurte soojuselektrijaamade asemel on mõned majapidamised kasutusele võtnud sellised süsteemid nagu ENE-FARM, mis kasutavad vajaliku elektri tootmiseks maagaasi reformimisel saadud vesinikku. Siiski jääb küsimus, mida teha reformiprotsessi kõrvalsaadustega.
Tulevikus, kui vesiniku enda ringlus suureneb, näiteks suureneb vesiniku tanklate arv, on võimalik elektrit kasutada ilma süsihappegaasi eraldumiseta. Elekter toodab loomulikult rohelist vesinikku, seega kasutab see päikesevalgusest või tuulest toodetud elektrit. Elektrolüüsiks kasutatav võimsus peaks olema võimsus, mis vähendab energiatootmist või laetava aku laadimist, kui looduslikust energiast tekib energia ülejääk. Teisisõnu, vesinik on laetava akuga samas asendis. Kui see juhtub, on lõpuks võimalik soojusenergia tootmist vähendada. Päev, mil sisepõlemismootor autodelt kaob, läheneb kiiresti.
Vesinikku saab hankida ka muul viisil. Tegelikult on vesinik endiselt seebikivi tootmise kõrvalsaadus. Muuhulgas on see rauatööstuse koksi tootmise kõrvalsaadus. Kui panete selle vesiniku jaotusse, saate hankida mitu allikat. Sel viisil toodetud vesinikgaasi tarnivad ka vesinikujaamad.
Vaatame kaugemasse tulevikku. Kaotatud energia hulk on probleem ka edastusmeetodi puhul, mis kasutab toiteallikaks juhtmeid. Seetõttu kasutame edaspidi torustike kaudu tarnitavat vesinikku, nagu ka gaseeritud jookide valmistamisel kasutatavaid süsihappepaake, ning ostame koju vesinikupaagi, et toota elektrit igasse majapidamisse. Mobiilseadmed, mis töötavad vesinikuakudel, on muutumas igapäevaseks. Sellist tulevikku on huvitav näha.
Postitusaeg: juuni-08-2023
