Tutvustame vesinikku – järgmise põlvkonna süsinikneutraalset energiaallikat. Vesinik jaguneb kolmeks tüübiks: „roheline vesinik“, „sinine vesinik“ ja „hall vesinik“, millel kõigil on erinev tootmismeetod. Samuti selgitame iga tootmismeetodit, elementide füüsikalisi omadusi, ladustamis-/transpordimeetodeid ja kasutusmeetodeid. Samuti tutvustan, miks see on järgmise põlvkonna domineeriv energiaallikas.
Vee elektrolüüs rohelise vesiniku tootmiseks
Vesiniku kasutamisel on oluline niikuinii vesinikku „toota“. Lihtsaim viis on „vett elektrolüüsida“. Võib-olla tegid seda põhikooli loodusõpetuse tunnis. Täida keeduklaas veega ja aseta elektroodid vette. Kui patarei elektroodidega ühendada ja pingestada, toimuvad vees ja igas elektroodis järgmised reaktsioonid.
Katoodil ühinevad H+ ioonid ja elektronid, moodustades vesinikgaasi, samas kui anood toodab hapnikku. See lähenemisviis sobib siiski kooliteaduslikeks katseteks, kuid vesiniku tööstuslikuks tootmiseks tuleb ette valmistada tõhusad mehhanismid, mis sobivad suurtootmiseks. See on „polümeer-elektrolüütmembraaniga (PEM) elektrolüüs“.
Selle meetodi puhul asetatakse anoodi ja katoodi vahele polümeerne poolläbilaskev membraan, mis võimaldab vesinikioonide läbipääsu. Kui seadme anoodile valatakse vett, liiguvad elektrolüüsi teel tekkivad vesinikioonid läbi poolläbilaskva membraani katoodile, kus neist saavad molekulaarsed vesinikud. Hapnikuioonid seevastu ei saa poolläbilaskvast membraanist läbi minna ja anoodil hapnikumolekulideks muutuda.
Samuti leeliselise vee elektrolüüsi käigus tekitatakse vesinikku ja hapnikku anoodi ja katoodi eraldamise teel separaatori abil, millest pääsevad läbi ainult hüdroksiidioonid. Lisaks on olemas tööstuslikud meetodid, näiteks kõrgtemperatuuriline auruelektrolüüs.
Nende protsesside laiaulatuslikul läbiviimisel on võimalik saada suures koguses vesinikku. Protsessi käigus toodetakse ka märkimisväärses koguses hapnikku (pool toodetud vesiniku mahust), seega ei avaldaks see atmosfääri sattudes kahjulikku keskkonnamõju. Elektrolüüs nõuab aga palju elektrit, seega saab süsinikuvaba vesinikku toota, kui seda toota elektriga, mis ei kasuta fossiilkütuseid, näiteks tuuleturbiine ja päikesepaneele.
„Rohelist vesinikku“ saab saada vee elektrolüüsimisel puhta energia abil.
Selle rohelise vesiniku suuremahuliseks tootmiseks on olemas ka vesinikugeneraator. PEM-i kasutamisega elektrolüüsiosas saab vesinikku pidevalt toota.
Fossiilkütustest valmistatud sinine vesinik
Millised on muud viisid vesiniku tootmiseks? Vesinikku leidub fossiilkütustes, näiteks maagaasis ja kivisöes, lisaks veele. Näiteks metaani (CH4), maagaasi peamist komponenti, on olemas. Siin on neli vesinikuaatomit. Vesiniku saamiseks võtke see vesinik välja.
Üks neist on auru kasutav protsess, mida nimetatakse metaani aurureformimiseks. Selle meetodi keemiline valem on järgmine.
Nagu näete, saab ühest metaanimolekulist eraldada süsinikmonooksiidi ja vesinikku.
Sel viisil saab vesinikku toota selliste protsesside abil nagu maagaasi ja kivisöe „auruga reformimine“ ja „pürolüüs“. „Sinine vesinik“ viitab sel viisil toodetud vesinikule.
Sellisel juhul tekivad aga kõrvalsaadustena süsinikmonooksiid ja süsinikdioksiid. Seega tuleb need enne atmosfääri paiskamist taaskasutada. Kui kõrvalsaaduseks olev süsinikdioksiid ei koguta kokku, muutub see vesinikgaasiks, mida tuntakse kui „halli vesinikku“.
Mis tüüpi element on vesinik?
Vesiniku aatomnumber on 1 ja see on perioodilisustabeli esimene element.
Aatomite arv on universumis suurim, moodustades umbes 90% kõigist universumi elementidest. Väikseim aatom, mis koosneb prootonist ja elektronist, on vesinikuaatom.
Vesinikul on kaks isotoopi, mille tuuma külge on kinnitunud 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 vajalik energiaallikas.
Siiski esineb vesinikku Maal gaasina harva. Vesinik moodustab ühendeid teiste elementidega, näiteks vee, metaani, ammoniaagi ja etanooliga. Kuna vesinik on kerge element, siis temperatuuri tõustes suureneb vesinikumolekulide liikumiskiirus ja nad pääsevad Maa gravitatsiooni alt kosmosesse.
Kuidas vesinikku kasutada? Kasutamine põlemise teel
Kuidas siis kasutatakse vesinikku, mis on pälvinud ülemaailmset tähelepanu järgmise põlvkonna energiaallikana? Seda kasutatakse kahel peamisel viisil: „põlemisel“ ja „kütuseelemendina“. Alustame „põlemise“ kasutamisest.
Kasutatakse kahte peamist põlemisviisi.
Esimene neist on raketikütus. Jaapani H-IIA rakett kasutab kütusena vesinikgaasi „vedel vesinik“ ja krüogeenses olekus „vedel hapnik“. Need kaks on kombineeritud ja sel ajal tekkiv soojusenergia kiirendab tekkivate veemolekulide sissepritset kosmosesse. Kuna tegemist on tehniliselt keerulise mootoriga, on peale Jaapani seda kütust edukalt kombineerinud vaid Ameerika Ühendriigid, Euroopa, Venemaa, Hiina ja India.
Teine on elektrienergia tootmine. Gaasiturbiinide abil elektrienergia tootmisel kasutatakse samuti vesiniku ja hapniku kombineerimise meetodit energia tootmiseks. Teisisõnu, see on meetod, mis vaatleb vesiniku toodetud soojusenergiat. Soojuselektrijaamades toodab kivisöe, nafta ja maagaasi põletamisel tekkiv soojus auru, mis paneb turbiinid tööle. Kui soojusallikana kasutatakse vesinikku, on elektrijaam süsinikuneutraalne.
Kuidas vesinikku kasutada? Kasutatakse kütuseelemendina
Teine viis vesinikku kasutada on kütuseelemendina, mis muundab vesiniku otse elektriks. Eelkõige on Toyota Jaapanis tähelepanu pälvinud, reklaamides vesinikkütusega sõidukeid elektriautode (EV) asemel alternatiivina bensiiniautodele osana oma globaalse soojenemise vastumeetmetest.
Täpsemalt öeldes teeme „rohelise vesiniku“ tootmismeetodi tutvustamisel vastupidise protseduuri. Keemiline valem on järgmine.
Vesinik suudab toota vett (kuuma vett või auru) samal ajal elektrit tootes ning seda saab hinnata, kuna see ei koorma keskkonda. Teisest küljest on sellel meetodil suhteliselt madal energiatootmise efektiivsus, 30–40%, ja see nõuab katalüsaatorina plaatinat, mis omakorda suurendab kulusid.
Praegu kasutame polümeer-elektrolüüdil põhinevaid kütuseelemente (PEFC) ja fosforhappekütuseelemente (PAFC). Eelkõige kasutavad PEFC-d kütuseelementidega sõidukid, seega võib eeldada selle levikut tulevikus.
Kas vesiniku ladustamine ja transportimine on ohutu?
Arvame, et nüüdseks saate aru, kuidas vesinikgaasi toodetakse ja kasutatakse. Kuidas seda vesinikku säilitada? Kuidas seda vajalikule kohale toimetada? Aga turvalisus sel ajal? Me selgitame.
Tegelikult on vesinik samuti väga ohtlik element. 20. sajandi alguses kasutasime vesinikku gaasina õhupallide, õhupallide ja õhulaevade õhus hoidmiseks, kuna see oli väga kerge. Kuid 6. mail 1937 toimus New Jerseys USAs „õhulaeva Hindenburgi plahvatus“.
Pärast õnnetust on laialdaselt tunnistatud, et vesinikgaas on ohtlik. Eriti süttides plahvatab see hapnikuga koos ägedalt. Seetõttu on oluline „hoida hapnikust eemal” või „hoida kuumusest eemal”.
Pärast nende meetmete võtmist töötasime välja saatmismeetodi.
Vesinik on toatemperatuuril gaas, seega kuigi see on ikkagi gaas, on see väga mahukas. Esimene meetod on gaseeritud jookide valmistamisel rakendada kõrget rõhku ja kokkusuruda nagu silindrit. Valmistage ette spetsiaalne kõrgsurvepaak ja hoidke seda kõrgsurvetingimustes, näiteks 45 MPa.
Toyota, mis arendab kütuseelementidega sõidukeid (FCV), arendab vaigust kõrgsurve vesinikupaaki, mis talub 70 MPa rõhku.
Teine meetod on jahutada vesinik temperatuurini -253 °C, et toota vedelat vesinikku, ning hoida ja transportida seda spetsiaalsetes soojusisolatsiooniga mahutites. Nagu veeldatud maagaasi (LNG) puhul, kui maagaasi imporditakse välismaalt, veeldatakse vesinikku transpordi ajal, vähendades selle mahtu 1/800-ni gaasilisest olekust. 2020. aastal valmis maailma esimene vedela vesiniku transportija. See lähenemisviis ei sobi aga kütuseelementidega sõidukitele, kuna jahutamiseks on vaja palju energiat.
Sellistes mahutites on olemas ladustamise ja transportimise meetod, aga me arendame ka teisi vesiniku ladustamise meetodeid.
Vesiniku säilitamise meetodiks on vesiniku säilitamise sulamite kasutamine. Vesinikul on omadus tungida metallidesse ja neid lagundada. See arendusnipp 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 arendas ta edukalt välja aine, näiteks pallaadiumi, mis suudab absorbeerida vesinikku 935 korda oma mahust.
Selle sulami kasutamise eeliseks on see, et see aitab vältida vesiniku lekkeõnnetusi (peamiselt plahvatusõnnetusi). Seetõttu saab seda ohutult ladustada ja transportida. Kui aga ei ole ettevaatlik ja jätad selle valesse keskkonda, võivad vesiniku säilitamise sulamid aja jooksul vesinikgaasi vabastada. Isegi väike säde võib põhjustada plahvatuse, seega ole ettevaatlik.
Selle puuduseks on ka see, et korduv vesiniku neeldumine ja desorptsioon põhjustavad haprust ja vähendavad vesiniku neeldumise kiirust.
Teine võimalus on torude kasutamine. On tingimus, et need peavad olema kokkusurumata ja madala rõhu all, et vältida torude haprumist, kuid eeliseks on see, et saab kasutada olemasolevaid gaasitorusid. Tokyo Gas teostas Harumi FLAGi ehitustöid, kasutades linna gaasitorustikke kütuseelementide varustamiseks vesinikuga.
Vesinikenergia loodud tulevikuühiskond
Lõpuks vaatleme vesiniku rolli ühiskonnas.
Veelgi olulisem on see, et me tahame edendada süsinikuvaba ühiskonda – me kasutame vesinikku elektri tootmiseks, mitte soojusenergiana.
Suurte soojuselektrijaamade asemel on mõned majapidamised kasutusele võtnud sellised süsteemid nagu ENE-FARM, mis kasutavad vajaliku elektri tootmiseks maagaasi reformimisel saadud vesinikku. Küsimus, mida teha reformimisprotsessi kõrvalsaadustega, jääb aga õhku.
Tulevikus, kui vesiniku ringlus ise suureneb, näiteks vesinikutankimisjaamade arvu suurendades, on võimalik kasutada elektrit ilma süsinikdioksiidi eraldamata. Elekter toodab loomulikult rohelist vesinikku, seega kasutatakse päikesevalgusest või tuulest toodetud elektrit. Elektrolüüsiks kasutatav energia peaks olema energia, mis vähendab energia tootmist või laadib laetavat akut, kui looduslikust energiast on energiat üle. Teisisõnu, vesinik on samas positsioonis kui laetav aku. Kui see juhtub, on lõpuks võimalik vähendada soojusenergia tootmist. Päev, mil sisepõlemismootor autodest kaob, läheneb kiiresti.
Vesinikku saab saada ka teisel viisil. Tegelikult on vesinik ikkagi naatriumhüdroksiidi tootmise kõrvalsaadus. Muuhulgas on see malmitootmise koksi tootmise kõrvalsaadus. Kui see vesinik jaotusvõrku panna, on võimalik saada see mitmest allikast. Sel viisil toodetud vesinikgaasi tarnivad ka vesinikujaamad.
Vaatame kaugemale tulevikku. Kaotatud energia hulk on probleemiks ka juhtmeid kasutava ülekandemeetodi puhul. Seetõttu kasutame tulevikus torujuhtmete kaudu tarnitavat vesinikku, nagu ka gaseeritud jookide valmistamisel kasutatavaid süsihappepaake, ja ostame koju vesinikupaagi, et toota elektrit igale majapidamisele. Vesinikuakudega töötavad mobiilseadmed on muutumas tavaliseks. Huvitav on sellist tulevikku näha.
Postituse aeg: 08.06.2023
