Относно водорода от следващо поколение енергия

Ще ви представим „водорода“ – следващото поколение енергия, което е въглеродно неутрално. Водородът се разделя на три вида: „зелен водород“, „син водород“ и „сив водород“, всеки от които има различен метод на производство. Ще обясним и всеки метод на производство, физичните свойства на елементите, методите на съхранение/транспортиране и методите на употреба. Ще ви обясня и защо е доминиращият енергиен източник от следващо поколение.

Електролиза на вода за производство на зелен водород

Когато се използва водород, е важно така или иначе да се „произвежда водород“. Най-лесният начин е да се „електролизира вода“. Може би сте правили това в началното училище по природни науки. Напълнете чашата с вода и поставете електродите във вода. Когато батерия е свързана към електродите и се захранва, във водата и във всеки електрод протичат следните реакции.
На катода H+ и електроните се комбинират, за да произведат водороден газ, докато анодът произвежда кислород. Този подход е подходящ за училищни научни експерименти, но за да се произведе водород в промишленост, трябва да се подготвят ефикасни механизми, подходящи за мащабно производство. Това е „електролиза с полимерна електролитна мембрана (PEM)“.
При този метод, между анод и катод е поставена полимерна полупропусклива мембрана, която позволява преминаването на водородни йони. Когато водата се излее в анода на устройството, водородните йони, получени чрез електролиза, се придвижват 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 алкалната електролиза на вода се създават водород и кислород чрез разделяне на анода и катода чрез сепаратор, през който могат да преминават само хидроксидни йони. Освен това съществуват и промишлени методи, като например 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 той не би имал неблагоприятно въздействие върху околната среда, ако се изпусне в атмосферата. Електролизата обаче изисква много електричество, така че може да се произведе безвъглероден водород, 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, използвайки чиста енергия.

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

Син водород, произведен от изкопаеми горива

И така, какви са другите начини за производство на водород? Водородът съществува във изкопаемите горива, като природен газ и въглища, като вещества, различни от вода. Например, помислете за метана (CH4), основният компонент на природния газ. Тук има четири водородни атома. Можете да получите водород, като отстраните този водород.
Един от тях е процес, наречен „парно реформиране на метан“, който използва пара. Химичната формула на този метод е следната.
Както виждате, въглеродният оксид и водородът могат да бъдат извлечени от една молекула метан.
По този начин водородът може да се произвежда чрез процеси като „парно реформиране“ и „пиролиза“ на природен газ и въглища. „Син водород“ се отнася до водорода, 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 изпуснати в атмосферата. Ако не се възстанови, страничният продукт въглеродният диоксид 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, като представлява 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, свързани с ядрото. Един неутронно свързан „деутерий“ и два неутронно свързани „тритий“. Те са също материали за генериране на енергия от термоядрен синтез.
Вътре в звезда като Слънцето протича ядрен синтез от водород до хелий, който е източникът на енергия, за да свети звездата.
Въпреки това, водородът 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 те излизат от гравитацията на Земята в космоса.

Как да използваме водород? Употреба чрез горене

Тогава как се използва „водородът“, който е привлякъл вниманието на целия свят като енергиен източник от следващо поколение? Той се използва по два основни начина: „горене“ и „горивна клетка“. Нека започнем с употребата на „изгаряне“.
Използват се два основни вида горене.
Първото 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 вещества се комбинират и генерираната топлинна енергия ускорява впръскването на генерираните водни молекули, излитайки в космоса. Тъй като обаче това е технически сложен двигател, с изключение на Япония, само Съединените щати, Европа, Русия, Китай и Индия са успешно комбинирали това гориво.
Второто е производството на електроенергия. Производството на електроенергия от 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, като рекламира превозни средства, задвижвани с водород, вместо електрически превозни средства (EV), като алтернатива на бензиновите превозни средства като част от мерките си за борба с глобалното затопляне.
По-конкретно, ние правим обратната процедура, когато въвеждаме метода на производство на „зелен водород“. Химичната формула е следната.
Водородът може да генерира вода (гореща вода или пара), докато произвежда електричество, и може да бъде оценен, защото не натоварва околната среда. От друга страна, този метод има относително ниска ефективност на производство на енергия от 30-40% и изисква платина като катализатор, което води до повишени разходи.
В момента използваме полимерни електролитни горивни клетки (PEFC) и горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC). По-специално, превозните средства с горивни клетки използват PEFC, така че може да се очаква разпространението им в бъдеще.

Безопасно ли е съхранението и транспортирането на водород?

Смятаме, че вече разбирате как се произвежда и използва водородният газ. И така, как съхранявате този водород? Как го доставяте там, където ви е необходим? А как е със сигурността по това време? Ще ви обясним.
Всъщност, водородът е и много опасен елемент. В началото на 20-ти век използвахме водород като газ за издигане на балони, балони и дирижабли в небето, защото беше много лек. На 6 май 1937 г. обаче в Ню Джърси, САЩ, се случи „експлозията на дирижабъла Хинденбург“.
След инцидента е широко признато, че водородният газ е опасен. Особено когато се запали, той ще експлодира бурно с кислород. Следователно, „пазете далеч от кислород“ или „пазете далеч от топлина“ е от съществено значение.
След като предприехме 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 при приготвяне на газирани напитки. Пригответе специален резервоар за високо налягане и го съхранявайте при условия на високо налягане, например 45Mpa.
Toyota, която разработва превозни средства с горивни клетки (FCV), разработва резервоар за водород под високо налягане от смола, който може да издържи на налягане от 70 MPa.
Друг метод е охлаждането до -253°C за производство на течен водород, съхраняването и транспортирането му в специални топлоизолирани резервоари. Подобно на втечнения природен газ (LNG), когато природният газ се внася от чужбина, водородът се втечнява по време на транспортиране, намалявайки обема си до 1/800 от газообразното си състояние. През 2020 г. завършихме първия в света превозвач на течен водород. Този подход обаче не е подходящ за превозни средства с горивни клетки, тъй като изисква много енергия за охлаждане.
Съществува метод за съхранение и транспортиране в резервоари като този, но ние разработваме и други методи за съхранение на водород.
Методът за съхранение е чрез използване на сплави за съхранение на водород. Водородът има свойството да прониква в металите и да ги разрушава. Това е развойна идея, разработена в Съединените щати през 60-те години на миналия век. Дж. Дж. Райли и др. Експерименти показват, че водородът може да се съхранява и освобождава с помощта на сплав от магнезий и ванадий.
След това той успешно разработва вещество, като например паладий, което може да абсорбира водород 935 пъти собствения си обем.
Предимството на използването на тази сплав е, че може да предотврати инциденти с изтичане на водород (предимно инциденти с експлозия). Следователно, тя може да се съхранява и транспортира безопасно. Ако обаче не внимавате и я оставите в неподходяща среда, сплавите за съхранение на водород могат да отделят водороден газ с течение на времето. Дори малка искра може да причини експлозия, така че бъдете внимателни.
Също така има недостатъка, че многократното абсорбиране и десорбция на водород води до крехкост и намалява скоростта на абсорбция на водород.
Другият вариант е да се използват тръби. Има условие, че те трябва да са некомпресирани и с ниско налягане, за да се предотврати крехкостта на тръбите, но предимството е, че могат да се използват съществуващи газопроводи. Tokyo Gas извърши строителни работи по Harumi FLAG, използвайки градски газопроводи за доставка на водород към горивните клетки.

Бъдещо общество, създадено от водородна енергия

Накрая, нека разгледаме ролята, която водородът може да играе в обществото.
По-важното е, че искаме да насърчим общество без въглерод, ние използваме водород за производство на електричество, вместо като топлинна енергия.
Вместо големи топлоелектрически централи, някои домакинства са въвели системи като ENE-FARM, които използват водород, получен чрез реформинг на природен газ, за ​​генериране на необходимата електроенергия. Остава обаче въпросът какво да се прави със страничните продукти от процеса на реформинг.

В бъдеще, ако циркулацията на самия водород се увеличи, например чрез увеличаване на броя на станциите за зареждане с водород, ще бъде възможно да се използва електричество без отделяне на въглероден диоксид. Електричеството, разбира се, произвежда зелен водород, така че използва електричество, генерирано от слънчева светлина или вятър. Енергията, използвана за електролиза, трябва да бъде енергията за потискане на количеството генерирана енергия или за зареждане на акумулаторната батерия, когато има излишък от енергия от природата. С други думи, водородът е в същото положение 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 автомобилите, бързо наближава.

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 в чугунодобивната промишленост. Ако включите този водород в разпределението, ще можете да получите множество източници. Водородният газ, произведен по този начин, също се доставя от водородни станции.

Нека погледнем по-напред в бъдещето. Количеството загубена енергия също е проблем, свързан с метода на пренос, който използва проводници за захранване. Следователно, в бъдеще ще използваме водорода, доставян по тръбопроводи, точно както резервоарите с въглеродна киселина, използвани за приготвяне на газирани напитки, и ще си купуваме резервоар с водород у дома, за да генерираме електричество за всяко домакинство. Мобилните устройства, работещи с водородни батерии, стават все по-често срещани. Ще бъде интересно да видим такова бъдеще.