Uvedli bomo "vodik", naslednjo generacijo energije, ki je ogljično nevtralna. Vodik je razdeljen na tri vrste: "zeleni vodik", "modri vodik" in "sivi vodik", od katerih ima vsaka drugačno metodo proizvodnje. Razložili bomo tudi vsak način izdelave, fizikalne lastnosti elementov, načine skladiščenja/transporta in načine uporabe. Predstavil bom tudi, zakaj je to prevladujoč vir energije naslednje generacije.
Elektroliza vode za proizvodnjo zelenega vodika
Pri uporabi vodika je tako ali tako pomembno "proizvajati vodik". Najlažji način je "elektrolizacija vode". Morda ste se v osnovni šoli ukvarjali z naravoslovjem. Napolnite čašo z vodo in elektrode v vodo. Ko je baterija priključena na elektrode in pod napetostjo, pride do naslednjih reakcij v vodi in v vsaki elektrodi.
Na katodi se H+ in elektroni združijo, da proizvedejo plin vodik, medtem ko anoda proizvaja kisik. Kljub temu je ta pristop v redu za šolske znanstvene eksperimente, toda za industrijsko proizvodnjo vodika je treba pripraviti učinkovite mehanizme, primerne za obsežno proizvodnjo. To je "elektroliza s polimerno elektrolitno membrano (PEM)".
Pri tej metodi je polimerna polprepustna membrana, ki omogoča prehod vodikovih ionov, stisnjena med anodo in katodo. Ko vodo vlijemo v anodo naprave, se vodikovi ioni, proizvedeni z elektrolizo, premaknejo skozi polprepustno membrano do katode, kjer postanejo molekularni vodik. Po drugi strani pa kisikovi ioni ne morejo skozi polprepustno membrano in na anodi postanejo molekule kisika.
Tudi pri elektrolizi alkalne vode ustvarite vodik in kisik tako, da ločite anodo in katodo skozi separator, skozi katerega lahko prehajajo samo 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 nastane tudi znatna količina kisika (polovica proizvedenega vodika), tako da ob izpustu v ozračje ne bi imel škodljivih vplivov na okolje. Vendar pa elektroliza zahteva veliko električne energije, zato je vodik brez ogljika mogoče proizvesti, če je proizveden z elektriko, ki ne uporablja fosilnih goriv, kot so vetrne turbine in sončne celice.
"Zeleni vodik" lahko pridobite z elektrolizo vode z uporabo čiste energije.
Obstaja tudi generator vodika za obsežno proizvodnjo tega zelenega vodika. Z uporabo PEM v oddelku elektrolizatorja je mogoče neprekinjeno proizvajati vodik.
Modri vodik, izdelan iz fosilnih goriv
Torej, kateri so drugi načini za izdelavo vodika? Vodik obstaja v fosilnih gorivih, kot sta zemeljski plin in premog, kot snovi, ki niso voda. Vzemimo za primer metan (CH4), glavno sestavino zemeljskega plina. Tukaj so štirje atomi vodika. Vodik lahko dobite tako, da ta vodik vzamete ven.
Eden od teh je postopek, imenovan "reformiranje metana s paro", ki uporablja paro. Kemična formula te metode je naslednja.
Kot lahko vidite, lahko ogljikov monoksid in vodik ekstrahiramo iz ene same molekule metana.
Na ta način se vodik lahko proizvaja s postopki, kot sta "parni reforming" in "piroliza" zemeljskega plina in premoga. "Modri vodik" se nanaša na vodik, proizveden na ta način.
V tem primeru pa kot stranska produkta nastajata ogljikov monoksid in ogljikov dioksid. Zato jih morate reciklirati, preden se spustijo v ozračje. Stranski produkt ogljikov dioksid, če se ne pridobi, 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, sestavljen iz protona in elektrona, je atom vodika.
Vodik ima dva izotopa z nevtroni, vezanimi na jedro. En "devterij" z nevtronsko vezjo in dva "tritija" z nevtronsko vezjo. To so tudi materiali za pridobivanje fuzijske energije.
V zvezdi, kot je sonce, poteka jedrska fuzija iz vodika v helij, ki je vir energije za sijaj zvezde.
Vendar pa vodik redko obstaja kot plin na Zemlji. Vodik tvori spojine z drugimi elementi, kot so voda, metan, amoniak in etanol. Ker je vodik lahek element, se z dvigom temperature poveča hitrost gibanja vodikovih molekul in uide izpod gravitacije zemlje v vesolje.
Kako uporabljati vodik? Uporaba z zgorevanjem
Kako se potem uporablja "vodik", ki je pritegnil svetovno pozornost kot vir energije naslednje generacije? Uporablja se na dva glavna načina: "izgorevanje" in "gorivne celice". Začnimo z uporabo "burn".
Uporabljata se dve glavni vrsti zgorevanja.
Prvi je kot raketno gorivo. Japonska raketa H-IIA kot gorivo uporablja vodikov plin "tekoči vodik" in "tekoči kisik", ki je prav tako v kriogenem stanju. To dvoje se združi in takrat ustvarjena toplotna energija pospeši vbrizg ustvarjenih vodnih molekul, ki letijo v vesolje. Ker pa gre za tehnično zahteven motor, so razen Japonske to gorivo uspešno kombinirale le ZDA, Evropa, Rusija, Kitajska in Indija.
Drugi je proizvodnja električne energije. Proizvodnja električne energije s plinskimi turbinami uporablja tudi metodo združevanja vodika in kisika za pridobivanje energije. Z drugimi besedami, to je metoda, ki preučuje toplotno energijo, ki jo proizvaja vodik. V termoelektrarnah toplota iz zgorevanja premoga, nafte in zemeljskega plina proizvaja paro, ki poganja turbine. Če kot vir toplote uporabimo vodik, bo elektrarna ogljično nevtralna.
Kako uporabljati vodik? Uporablja se kot gorivna celica
Drugi način uporabe vodika je kot gorivna celica, ki pretvarja vodik neposredno v elektriko. Zlasti je Toyota pritegnila pozornost na Japonskem s oglaševanjem vozil na vodik namesto električnih vozil (EV) kot alternativo bencinskim vozilom kot del protiukrepov proti globalnemu segrevanju.
Natančneje, delamo obratni postopek, ko uvajamo proizvodno metodo »zelenega vodika«. Kemijska formula je naslednja.
Vodik lahko pri pridobivanju električne energije proizvaja vodo (vročo vodo ali paro) in ga je mogoče ovrednotiti, ker ne obremenjuje okolja. Po drugi strani pa ima ta metoda relativno nizek izkoristek proizvodnje električne energije 30-40 % in zahteva platino kot katalizator, kar zahteva višje stroške.
Trenutno uporabljamo gorivne celice s polimernim elektrolitom (PEFC) in gorivne celice s fosforno kislino (PAFC). Zlasti vozila na gorivne celice uporabljajo PEFC, zato lahko pričakujemo, da se bo v prihodnosti razširil.
Ali sta shranjevanje in transport vodika varna?
Menimo, da zdaj že razumete, kako se vodikov plin izdeluje in uporablja. Kako torej shranite ta vodik? Kako ga dobite tam, kjer ga potrebujete? Kaj pa varnost v tem času? Bomo razložili.
Pravzaprav je vodik tudi zelo nevaren element. V začetku 20. stoletja smo uporabljali vodik kot plin za lebdenje balonov, balonov in zračnih ladij po nebu, ker je bil zelo lahek. Vendar pa je 6. maja 1937 v New Jerseyju v ZDA prišlo do "eksplozije zračne ladje Hindenburg".
Po nesreči je bilo splošno znano, da je vodikov plin nevaren. Še posebej, ko se vname, bo močno eksplodiralo s kisikom. Zato je "hraniti stran od kisika" ali "hraniti stran od vročine" bistvenega pomena.
Po sprejetju teh ukrepov smo iznašli način pošiljanja.
Vodik je plin pri sobni temperaturi, zato je, čeprav je še vedno plin, zelo zajeten. Prva metoda je uporaba visokega pritiska in stiskanje kot valj pri pripravi gaziranih pijač. Pripravite posebno visokotlačno posodo in jo shranite pod visokim tlakom, kot je 45Mpa.
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 izdelavo tekočega vodika ter shranjevanje in transport v posebnih toplotno izoliranih rezervoarjih. Tako kot LNG (utekočinjeni zemeljski plin), ko je zemeljski plin uvožen iz tujine, se vodik med prevozom utekočini, pri čemer se njegova prostornina zmanjša na 1/800 njegovega plinastega stanja. Leta 2020 smo dokončali prvi nosilec tekočega vodika na svetu. Vendar ta pristop ni primeren za vozila na gorivne celice, ker zahteva veliko energije za hlajenje.
Obstaja način shranjevanja in pošiljanja v rezervoarjih, kot je ta, vendar razvijamo tudi druge načine shranjevanja vodika.
Metoda shranjevanja je uporaba zlitin za shranjevanje vodika. Vodik ima lastnost, da prodre v kovine in jih pokvari. To je razvojni nasvet, ki je bil razvit v Združenih državah Amerike v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. JJ Reilly et al. Poskusi so pokazali, da je mogoče vodik shraniti in sprostiti z uporabo zlitine magnezija in vanadija.
Po tem je uspešno razvil snov, kot je paladij, ki lahko absorbira vodik, ki je 935-krat večji od njegove lastne prostornine.
Prednost uporabe te zlitine je, da lahko prepreči nesreče zaradi uhajanja vodika (predvsem nesreče eksplozije). Zato ga je mogoče varno shraniti in prevažati. Če pa niste previdni in ga pustite v napačnem okolju, lahko zlitine za shranjevanje vodika sčasoma sprostijo vodikov plin. No, že majhna iskra lahko povzroči eksplozijo, zato bodite previdni.
Ima tudi pomanjkljivost, da ponavljajoča se absorpcija in desorpcija vodika povzroči krhkost in zmanjša stopnjo absorpcije vodika.
Druga je uporaba cevi. Pogoj je, da mora biti nestisnjena in nizkotlačna, da preprečimo krhkost cevi, prednost pa je, da se lahko uporabijo obstoječe plinske cevi. Tokyo Gas je izvedel gradbena dela na Harumi FLAG z uporabo mestnih plinovodov za dobavo vodika v gorivne celice.
Družba prihodnosti, ki jo ustvarja vodikova energija
Nazadnje razmislimo o vlogi vodika v družbi.
Še pomembneje je, da želimo spodbujati brezogljično družbo, vodik uporabljamo za proizvodnjo električne energije namesto kot toplotno energijo.
Namesto velikih termoelektrarn so nekatera gospodinjstva uvedla sisteme, kot je ENE-FARM, ki za proizvodnjo potrebne električne energije uporabljajo vodik, pridobljen z reformingom zemeljskega plina. Ostaja pa vprašanje, kaj storiti s stranskimi produkti procesa reforme.
V prihodnosti, če se bo sam kroženje vodika povečalo, na primer s povečanjem števila postaj za oskrbo z vodikom, bo mogoče uporabljati elektriko brez emisij ogljikovega dioksida. Elektrika seveda proizvaja zeleni vodik, zato uporablja elektriko, pridobljeno iz sončne svetlobe ali vetra. Moč, ki se uporablja za elektrolizo, mora biti moč za zmanjšanje količine proizvodnje električne energije ali za polnjenje akumulatorske baterije, ko je presežna energija iz naravne energije. Z drugimi besedami, vodik je v enakem položaju kot polnilna baterija. Če se to zgodi, bo sčasoma mogoče zmanjšati proizvodnjo toplotne energije. Dan, ko bodo motorji z notranjim zgorevanjem izginili iz avtomobilov, se hitro približuje.
Vodik je mogoče pridobiti tudi po drugi poti. Pravzaprav je vodik še vedno stranski produkt pri proizvodnji kavstične sode. Med drugim je stranski produkt proizvodnje koksa v železarstvu. Če daš ta vodik v distribucijo, boš lahko dobil več virov. Vodikov plin, proizveden na ta način, dobavljajo tudi vodikove postaje.
Poglejmo dlje v prihodnost. Količina izgubljene energije je tudi težava z metodo prenosa, ki za napajanje uporablja žice. Zato bomo v prihodnosti uporabljali vodik, dobavljen po cevovodih, tako kot rezervoarje za ogljikovo kislino, ki se uporabljajo pri izdelavi gaziranih pijač, in kupili rezervoar za vodik doma za proizvodnjo električne energije za vsako gospodinjstvo. Mobilne naprave, ki delujejo na vodikove baterije, postajajo vsakdanje. Zanimivo bo videti takšno prihodnost.
Čas objave: jun-08-2023
