Predstavili bomo »vodik«, naslednjo generacijo energije, ki je ogljično nevtralna. Vodik se deli na tri vrste: »zeleni vodik«, »modri vodik« in »sivi vodik«, pri čemer ima vsaka drugačno metodo proizvodnje. Pojasnili bomo tudi vsako metodo proizvodnje, fizikalne lastnosti elementov, metode shranjevanja/transporta in načine uporabe. Predstavil bom tudi, zakaj je vodik prevladujoči vir energije naslednje generacije.
Elektroliza vode za proizvodnjo zelenega vodika
Pri uporabi vodika je pomembno, da ga vseeno "proizvedemo". Najlažji način je "elektrolizacija vode". Morda ste to počeli v osnovni šoli pri naravoslovju. Čašo napolnite z vodo in elektrode v vodi. Ko je baterija priključena na elektrode in napolnjena z energijo, se v vodi in v vsaki elektrodi pojavijo naslednje reakcije.
Na katodi se H+ in elektroni združujejo in tvorijo vodikov plin, medtem ko anoda proizvaja kisik. Ta pristop je sicer primeren za šolske znanstvene poskuse, vendar je za industrijsko proizvodnjo vodika treba pripraviti učinkovite mehanizme, primerne za obsežno proizvodnjo. To je »elektroliza s polimerno elektrolitno membrano (PEM)«.
Pri tej metodi je med anodo in katodo vstavljena polimerna polprepustna membrana, ki omogoča prehod vodikovih ionov. Ko se v anodo naprave vlije voda, se vodikovi ioni, ki nastanejo z elektrolizo, premaknejo skozi polprepustno membrano do katode, kjer postanejo molekularni vodik. Po drugi strani pa kisikovi ioni ne morejo preiti skozi polprepustno membrano in postati molekule kisika na anodi.
Tudi pri alkalni elektrolizi vode ustvarite vodik in kisik z ločevanjem anode in katode skozi separator, skozi katerega lahko prehajajo le hidroksidni ioni. Poleg tega obstajajo industrijske metode, kot je visokotemperaturna parna elektroliza.
Z izvajanjem teh procesov v velikem obsegu je mogoče pridobiti velike količine vodika. Pri tem se proizvede tudi znatna količina kisika (polovica količine proizvedenega vodika), tako da v primeru izpusta v ozračje ne bi imel škodljivega vpliva na okolje. Vendar pa elektroliza zahteva veliko električne energije, zato je mogoče proizvesti vodik brez ogljika, če se proizvaja z elektriko, ki ne uporablja fosilnih goriv, kot so vetrne turbine in sončne celice.
"Zeleni vodik" lahko dobite z elektrolizo vode z uporabo čiste energije.
Na voljo je tudi generator vodika za obsežno proizvodnjo tega zelenega vodika. Z uporabo PEM v elektroliznem delu je mogoče vodik proizvajati neprekinjeno.
Modri vodik, narejen iz fosilnih goriv
Torej, kateri so drugi načini za pridobivanje vodika? Vodik obstaja v fosilnih gorivih, kot sta zemeljski plin in premog, kot drugačna snov kot voda. Na primer, vzemimo metan (CH4), glavno sestavino zemeljskega plina. Tukaj so štirje atomi vodika. Vodik lahko dobite tako, da ta vodik odstranite.
Eden od teh je postopek, imenovan "reformiranje metana s paro", ki uporablja paro. Kemijska formula te metode je naslednja.
Kot lahko vidite, se ogljikov monoksid in vodik lahko izločita iz ene same molekule metana.
Na ta način se lahko vodik proizvaja s postopki, kot sta "parno reformiranje" in "piroliza" zemeljskega plina in premoga. "Modri vodik" se nanaša na vodik, proizveden na ta način.
V tem primeru pa ogljikov monoksid in ogljikov dioksid nastajata kot stranska proizvoda. Zato ju je treba reciklirati, preden se sprostita v ozračje. Stranski proizvod ogljikov dioksid, če se ne zajame, postane vodikov plin, znan kot »sivi vodik«.
Kakšen element je vodik?
Vodik ima atomsko število 1 in je prvi element v periodnem sistemu.
Število atomov je največje v vesolju, saj predstavlja približno 90 % vseh elementov v vesolju. Najmanjši atom, ki ga sestavljata proton in elektron, je atom vodika.
Vodik ima dva izotopa z nevtroni, vezanimi na jedro. En nevtronsko vezan "devterij" in dva nevtronsko vezana "tritij". To sta tudi materiala za proizvodnjo fuzijske energije.
V notranjosti zvezde, kot je Sonce, poteka jedrska fuzija iz vodika v helij, ki je vir energije, potrebne za sijaj zvezde.
Vendar pa vodik na Zemlji redko obstaja kot plin. Vodik tvori spojine z drugimi elementi, kot so voda, metan, amonijak in etanol. Ker je vodik lahek element, se z naraščanjem temperature hitrost gibanja molekul vodika poveča in uide izpod Zemljine gravitacije v vesolje.
Kako uporabljati vodik? Uporaba z zgorevanjem
Kako se torej uporablja »vodik«, ki je pritegnil svetovno pozornost kot vir energije naslednje generacije? Uporablja se na dva glavna načina: »zgorevanje« in »gorivna celica«. Začnimo z uporabo »zgorevanja«.
Uporabljata se dve glavni vrsti zgorevanja.
Prvo je kot raketno gorivo. Japonska raketa H-IIA uporablja kot gorivo vodikov plin "tekoči vodik" in "tekoči kisik", ki je prav tako v kriogenem stanju. Ta dva se združita, toplotna energija, ki se pri tem ustvari, pa pospeši vbrizgavanje nastalih molekul vode, ki letijo v vesolje. Ker pa gre za tehnično zahteven motor, so to gorivo, razen Japonske, uspešno kombinirale le Združene države Amerike, Evropa, Rusija, Kitajska in Indija.
Druga je proizvodnja električne energije. Proizvodnja električne energije s plinskimi turbinami prav tako uporablja metodo kombiniranja vodika in kisika za proizvodnjo energije. Z drugimi besedami, gre za metodo, ki preučuje toplotno energijo, ki jo proizvaja vodik. V termoelektrarnah toplota iz kurjenja premoga, nafte in zemeljskega plina proizvaja paro, ki poganja turbine. Če se kot vir toplote uporablja vodik, bo elektrarna ogljično nevtralna.
Kako uporabljati vodik? Uporablja se kot gorivna celica
Drug način uporabe vodika je kot gorivna celica, ki vodik pretvarja neposredno v elektriko. Toyota je na Japonskem pritegnila pozornost s tem, da je kot alternativo bencinskim vozilom kot del svojih protiukrepov proti globalnemu segrevanju namesto električnih vozil (EV) oglaševala vozila na vodikov pogon.
Natančneje, pri uvajanju metode proizvodnje "zelenega vodika" uporabljamo obratni postopek. Kemijska formula je naslednja.
Vodik lahko hkrati proizvaja vodo (vročo vodo ali paro) in je primeren za uporabo, saj ne obremenjuje okolja. Po drugi strani pa ima ta metoda relativno nizek izkoristek proizvodnje energije, ki znaša 30–40 %, in zahteva platino kot katalizator, kar pomeni večje stroške.
Trenutno uporabljamo gorivne celice s polimernim elektrolitom (PEFC) in gorivne celice s fosforno kislino (PAFC). PEFC uporabljajo zlasti vozila z gorivnimi celicami, zato lahko pričakujemo, da se bo v prihodnosti razširil.
Ali je shranjevanje in transport vodika varno?
Mislimo, da zdaj razumete, kako se vodikov plin proizvaja in uporablja. Kako torej shranite ta vodik? Kako ga dostavite tja, kamor ga potrebujete? Kaj pa varnost v tistem času? Pojasnili vam bomo.
Pravzaprav je vodik tudi zelo nevaren element. Na začetku 20. stoletja smo vodik uporabljali kot plin za vzletanje balonov, balonov in zračnih ladij v zraku, ker je bil zelo lahek. Vendar pa se je 6. maja 1937 v New Jerseyju v ZDA zgodila "eksplozija zračne ladje Hindenburg".
Od nesreče naprej je splošno znano, da je vodikov plin nevaren. Še posebej, če se vname, bo silovito eksplodiral s kisikom. Zato je bistvenega pomena »hraniti ločeno od kisika« ali »hraniti ločeno od vročine«.
Po sprejetju teh ukrepov smo se dogovorili za način dostave.
Vodik je pri sobni temperaturi plin, zato je kljub temu, da je še vedno plin, zelo zajeten. Prva metoda je uporaba visokega tlaka in stiskanje kot jeklenka pri pripravi gaziranih pijač. Pripravite posebno visokotlačno posodo in jo shranite pod visokim tlakom, na primer 45 MPa.
Toyota, ki razvija vozila na gorivne celice (FCV), razvija visokotlačni rezervoar za vodik iz smole, ki lahko prenese tlak 70 MPa.
Druga metoda je ohlajanje na -253 °C za proizvodnjo tekočega vodika ter njegovo shranjevanje in prevoz v posebnih toplotno izoliranih rezervoarjih. Tako kot LNG (utekočinjeni zemeljski plin) pri uvozu zemeljskega plina iz tujine se tudi vodik med prevozom utekočini, s čimer se njegova prostornina zmanjša na 1/800 plinastega stanja. Leta 2020 smo dokončali prvi nosilec tekočega vodika na svetu. Vendar ta pristop ni primeren za vozila na gorivne celice, ker za hlajenje potrebuje veliko energije.
Obstaja metoda shranjevanja in prevoza v takšnih rezervoarjih, vendar razvijamo tudi druge metode shranjevanja vodika.
Metoda shranjevanja je uporaba zlitin za shranjevanje vodika. Vodik ima lastnost prodiranja v kovine in njihovega razpadanja. To je razvojni nasvet, ki so ga razvili v Združenih državah Amerike v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. JJ Reilly in sodelavci so s poskusi pokazali, da je mogoče vodik shranjevati in sproščati z uporabo zlitine magnezija in vanadija.
Po tem je uspešno razvil snov, kot je paladij, ki lahko absorbira vodik v 935-kratniku lastne prostornine.
Prednost uporabe te zlitine je, da lahko prepreči nesreče zaradi uhajanja vodika (predvsem eksplozije). Zato jo je mogoče varno shranjevati in prevažati. Če pa niste previdni in jo pustite v neprimernem okolju, lahko zlitine za shranjevanje vodika sčasoma sprostijo vodikov plin. No, že majhna iskra lahko povzroči eksplozijo, zato bodite previdni.
Slabost pa je tudi, da ponavljajoča se absorpcija in desorpcija vodika vodita do krhkosti in zmanjša hitrost absorpcije vodika.
Druga možnost je uporaba cevi. Pogoj je, da morajo biti nestisnjene in nizkotlačne, da se prepreči krhkost cevi, prednost pa je, da se lahko uporabijo obstoječe plinske cevi. Družba Tokyo Gas je izvedla gradbena dela na projektu Harumi FLAG, pri čemer je za oskrbo gorivnih celic z vodikom uporabila mestne plinovode.
Prihodnja družba, ustvarjena z vodikovo energijo
Na koncu si poglejmo še vlogo, ki jo vodik lahko igra v družbi.
Še pomembneje pa je, da želimo spodbujati družbo brez ogljika, saj vodik uporabljamo za proizvodnjo električne energije namesto za toplotno energijo.
Namesto velikih termoelektrarn so nekatera gospodinjstva uvedla sisteme, kot je ENE-FARM, ki za proizvodnjo potrebne električne energije uporabljajo vodik, pridobljen z reformiranjem zemeljskega plina. Vendar pa ostaja vprašanje, kaj storiti s stranskimi produkti procesa reformiranja.
Če se bo v prihodnosti povečalo kroženje samega vodika, na primer s povečanjem števila polnilnih postaj za vodik, bo mogoče uporabljati elektriko brez emisij ogljikovega dioksida. Elektrika seveda proizvaja zeleni vodik, zato uporablja elektriko, pridobljeno iz sončne svetlobe ali vetra. Energija, ki se uporablja za elektrolizo, bi morala biti energija za zmanjšanje količine proizvedene energije ali za polnjenje akumulatorja, ko je na voljo presežek energije iz naravne energije. Z drugimi besedami, vodik je v istem položaju kot akumulator. Če se to zgodi, bo sčasoma mogoče zmanjšati proizvodnjo toplotne energije. Dan, ko bo motor z notranjim zgorevanjem izginil iz avtomobilov, se hitro bliža.
Vodik je mogoče pridobiti tudi na drug način. Pravzaprav je vodik še vedno stranski produkt pri proizvodnji kavstične sode. Med drugim je stranski produkt pri proizvodnji koksa v železarstvu. Če ta vodik uvedete v distribucijo, boste lahko dobili več virov. Vodikov plin, proizveden na ta način, dobavljajo tudi vodikove postaje.
Poglejmo še dlje v prihodnost. Količina izgubljene energije je prav tako problem pri načinu prenosa, ki za napajanje uporablja žice. Zato bomo v prihodnosti uporabljali vodik, ki ga dovajamo po cevovodih, tako kot rezervoarje z ogljikovo kislino, ki se uporabljajo za pripravo gaziranih pijač, in si kupili rezervoar z vodikom za proizvodnjo električne energije za vsako gospodinjstvo. Mobilne naprave, ki delujejo na vodikove baterije, postajajo vse pogostejše. Zanimivo bo videti takšno prihodnost.
Čas objave: 8. junij 2023
