Относно следващото поколение енергиен водород

Ще представим „водород“, следващото поколение енергия, която е въглеродно неутрална. Водородът се разделя на три вида: „зелен водород“, „син водород“ и „сив водород“, всеки от които има различен метод на производство. Ние също така ще обясним всеки метод на производство, физически свойства като елементи, методи за съхранение/транспортиране и методи за използване. И също така ще представя защо това е следващото поколение доминиращ източник на енергия.

Електролиза на вода за производство на зелен водород

Когато използвате водород, е важно да „произвеждате водород“ така или иначе. Най-лесният начин е да "електролизирате вода". Може би сте се занимавали с природни науки в началното училище. Напълнете чашата с вода и електродите във вода. Когато батерията е свързана към електродите и е под напрежение, във водата и във всеки електрод възникват следните реакции.
На катода H+ и електроните се комбинират, за да произведат водороден газ, докато анодът произвежда кислород. Все пак този подход е подходящ за училищни научни експерименти, но за да се произвежда водород индустриално, трябва да се подготвят ефективни механизми, подходящи за широкомащабно производство. Това е „електролиза с полимерна електролитна мембрана (PEM)“.
При този метод полимерна полупропусклива мембрана, която позволява преминаването на водородни йони, е поставена между анод и катод. Когато водата се излее в анода на устройството, водородните йони, произведени чрез електролиза, преминават през полупропусклива мембрана към катода, където се превръщат в молекулярен водород. От друга страна, кислородните йони не могат да преминат през полупропускливата мембрана и да се превърнат в кислородни молекули на анода.
Също така при електролиза на алкална вода вие създавате водород и кислород чрез разделяне на анода и катода през сепаратор, през който могат да преминат само хидроксидни йони. Освен това има промишлени методи като високотемпературна парна електролиза.
Чрез извършване на тези процеси в голям мащаб могат да се получат големи количества водород. В процеса се произвежда и значително количество кислород (половината от обема на произведения водород), така че да няма неблагоприятно въздействие върху околната среда, ако бъде изпуснат в атмосферата. Електролизата обаче изисква много електричество, така че водородът без въглерод може да бъде произведен, ако се произвежда с електричество, което не използва изкопаеми горива, като вятърни турбини и слънчеви панели.
Можете да получите „зелен водород“ чрез електролиза на вода с помощта на чиста енергия.

Има и генератор на водород за мащабно производство на този зелен водород. Чрез използването на PEM в секцията на електролизера водородът може да се произвежда непрекъснато.

Син водород, произведен от изкопаеми горива

И така, какви са другите начини за производство на водород? Водородът съществува в изкопаемите горива като природен газ и въглища като вещества, различни от водата. Например, разгледайте метана (CH4), основният компонент на природния газ. Тук има четири водородни атома. Можете да получите водород, като извадите този водород.
Един от тях е процес, наречен „реформиране на метан с пара“, който използва пара. Химическата формула на този метод е следната.
Както можете да видите, въглеродният окис и водородът могат да бъдат извлечени от една единствена молекула метан.
По този начин водородът може да бъде произведен чрез процеси като „парно реформиране“ и „пиролиза“ на природен газ и въглища. „Син водород“ се отнася до водород, произведен по този начин.
В този случай обаче въглеродният оксид и въглеродният диоксид се произвеждат като странични продукти. Така че трябва да ги рециклирате, преди да бъдат пуснати в атмосферата. Страничният продукт въглероден диоксид, ако не се възстанови, се превръща във водороден газ, известен като „сив водород“.

Какъв вид елемент е водородът?

Водородът има атомен номер 1 и е първият елемент в периодичната таблица.
Броят на атомите е най-големият във Вселената, представляващ около 90% от всички елементи във Вселената. Най-малкият атом, състоящ се от протон и електрон, е водородният атом.
Водородът има два изотопа с неутрони, прикрепени към ядрото. Един свързан с неутрони „деутерий“ и два свързани с неутрони „тритий“. Това също са материали за генериране на енергия от термоядрен синтез.
Вътре в звезда като слънцето се извършва ядрен синтез от водород до хелий, който е източникът на енергия за светенето на звездата.
Водородът обаче рядко съществува като газ на Земята. Водородът образува съединения с други елементи като вода, метан, амоняк и етанол. Тъй като водородът е лек елемент, с повишаване на температурата скоростта на движение на водородните молекули се увеличава и излиза от гравитацията на земята в открития космос.

Как да използваме водород? Използване чрез изгаряне

Тогава как се използва „водородът“, който привлече световното внимание като източник на енергия от следващо поколение? Използва се по два основни начина: „изгаряне“ и „горивна клетка“. Нека започнем с използването на „изгаряне“.
Използват се два основни вида горене.
Първият е като ракетно гориво. Японската ракета H-IIA използва водороден газ „течен водород“ и „течен кислород“, който също е в криогенно състояние като гориво. Тези две се комбинират и топлинната енергия, генерирана по това време, ускорява инжектирането на генерираните водни молекули, летящи в космоса. Въпреки това, тъй като това е технически труден двигател, с изключение на Япония, само Съединените щати, Европа, Русия, Китай и Индия са комбинирали успешно това гориво.
Второто е производството на електроенергия. Производството на електроенергия с газови турбини също използва метода на комбиниране на водород и кислород за генериране на енергия. С други думи, това е метод, който разглежда топлинната енергия, произведена от водорода. В топлоелектрическите централи топлината от изгарянето на въглища, нефт и природен газ произвежда пара, която задвижва турбините. Ако водородът се използва като източник на топлина, електроцентралата ще бъде въглеродно неутрална.

Как да използваме водород? Използва се като горивна клетка

Друг начин за използване на водород е като горивна клетка, която преобразува водорода директно в електричество. По-специално, Toyota привлече вниманието в Япония, рекламирайки превозни средства с водородно гориво вместо електрически превозни средства (EV) като алтернатива на бензиновите превозни средства като част от своите противодействия на глобалното затопляне.
По-конкретно, ние правим обратната процедура, когато въвеждаме метода на производство на „зелен водород“. Химическата формула е следната.
Водородът може да генерира вода (гореща вода или пара), докато генерира електричество, и може да бъде оценен, тъй като не налага тежест върху околната среда. От друга страна, този метод има сравнително ниска ефективност на генериране на електроенергия от 30-40% и изисква платина като катализатор, което изисква повишени разходи.
В момента използваме горивни клетки с полимерен електролит (PEFC) и горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC). По-специално, превозните средства с горивни клетки използват PEFC, така че може да се очаква да се разпространи в бъдеще.

Безопасно ли е съхранението и транспортирането на водород?

Досега смятаме, че разбирате как се произвежда и използва водородният газ. И така, как съхранявате този водород? Как да го вземете там, където ви трябва? Какво ще кажете за сигурността по това време? Ще обясним.
Всъщност водородът също е много опасен елемент. В началото на 20-ти век използвахме водород като газ, за ​​да летим балони, балони и дирижабли в небето, защото беше много лек. Въпреки това, на 6 май 1937 г. в Ню Джърси, САЩ, се случи "експлозията на дирижабъл Хинденбург".
След инцидента е широко признато, че водородният газ е опасен. Особено когато се запали, ще избухне жестоко с кислород. Следователно „пазете далеч от кислород“ или „пазете далеч от топлина“ е от съществено значение.
След като взехме тези мерки, измислихме метод за доставка.
Водородът е газ при стайна температура, така че въпреки че все още е газ, той е много обемист. Първият метод е да се приложи високо налягане и да се компресира като цилиндър, когато се правят газирани напитки. Подгответе специален резервоар за високо налягане и го съхранявайте при условия на високо налягане като 45Mpa.
Toyota, която разработва превозни средства с горивни клетки (FCV), разработва резервоар за водород с високо налягане от смола, който може да издържи налягане от 70 MPa.
Друг метод е да се охлади до -253°C, за да се получи течен водород и да се съхранява и транспортира в специални топлоизолирани резервоари. Подобно на LNG (втечнен природен газ), когато природният газ се внася от чужбина, водородът се втечнява по време на транспортирането, намалявайки обема си до 1/800 от газообразното си състояние. През 2020 г. завършихме първия в света носител на течен водород. Този подход обаче не е подходящ за превозни средства с горивни клетки, тъй като изисква много енергия за охлаждане.
Има метод за съхранение и транспортиране в резервоари като този, но ние разработваме и други методи за съхранение на водород.
Методът на съхранение е да се използват сплави за съхранение на водород. Водородът има свойството да прониква в металите и да ги поврежда. Това е съвет за разработка, разработен в Съединените щати през 60-те години на миналия век. JJ Reilly и др. Експериментите показват, че водородът може да се съхранява и освобождава с помощта на сплав от магнезий и ванадий.
След това той успешно разработи вещество като паладий, което може да абсорбира водород 935 пъти повече от собствения си обем.
Предимството на използването на тази сплав е, че може да предотврати инциденти с изтичане на водород (главно инциденти с експлозия). Поради това може безопасно да се съхранява и транспортира. Въпреки това, ако не сте внимателни и го оставите в неподходяща среда, сплавите за съхранение на водород могат да отделят водороден газ с течение на времето. Е, дори малка искра може да причини инцидент с експлозия, така че бъдете внимателни.
Той също така има недостатъка, че повтарящата се абсорбция и десорбция на водород води до крехкост и намалява скоростта на абсорбция на водород.
Другото е да се използват тръби. Има условие да е некомпресиран и с ниско налягане, за да се предотврати крехкост на тръбите, но предимството е, че могат да се използват съществуващи газови тръби. Tokyo Gas извърши строителни работи по Harumi FLAG, използвайки градски газопроводи за доставка на водород към горивните клетки.

Общество на бъдещето, създадено от водородна енергия

И накрая, нека разгледаме ролята, която водородът може да играе в обществото.
По-важното е, че искаме да насърчаваме общество без въглерод, ние използваме водород за генериране на електричество, вместо като топлинна енергия.
Вместо големи топлоелектрически централи, някои домакинства са въвели системи като ENE-FARM, които използват водород, получен чрез реформиране на природен газ, за ​​да генерират необходимото електричество. Остава обаче въпросът какво да правим със страничните продукти от процеса на реформиране.

В бъдеще, ако циркулацията на самия водород се увеличи, като например увеличаване на броя на станциите за зареждане с водород, ще бъде възможно да се използва електричество без отделяне на въглероден диоксид. Електричеството произвежда зелен водород, разбира се, така че използва електричество, генерирано от слънчева светлина или вятър. Мощността, използвана за електролиза, трябва да бъде мощността за потискане на количеството генерирана мощност или за зареждане на акумулаторната батерия, когато има излишък от енергия от естествена енергия. С други думи, водородът е в същата позиция като акумулаторната батерия. Ако това се случи, в крайна сметка ще бъде възможно да се намали производството на топлинна енергия. Денят, в който двигателите с вътрешно горене ще изчезнат от колите, наближава бързо.

Водородът може да се получи и по друг начин. Всъщност водородът все още е страничен продукт от производството на сода каустик. Освен всичко друго, той е страничен продукт от производството на кокс при производството на желязо. Ако поставите този водород в разпределението, ще можете да получите множество източници. Произведеният по този начин водороден газ също се доставя от водородни станции.

Нека погледнем по-далеч в бъдещето. Количеството загубена енергия също е проблем с метода на предаване, който използва кабели за захранване. Ето защо в бъдеще ще използваме водорода, доставян по тръбопроводи, точно както резервоарите за въглеродна киселина, използвани при производството на газирани напитки, и ще купуваме резервоар за водород у дома, за да генерираме електричество за всяко домакинство. Мобилните устройства, които работят с водородни батерии, стават нещо обичайно. Ще бъде интересно да видим такова бъдеще.