Upoznat ćemo se s "vodikom", sljedećom generacijom energije koja je ugljično neutralna. Vodik se dijeli na tri vrste: "zeleni vodik", "plavi vodik" i "sivi vodik", od kojih svaki ima drugačiju metodu proizvodnje. Također ćemo objasniti svaku metodu proizvodnje, fizička svojstva elemenata, metode skladištenja/transporta i metode upotrebe. Također ću objasniti zašto je to dominantan izvor energije sljedeće generacije.
Elektroliza vode za proizvodnju zelenog vodika
Kada se koristi vodik, važno je u svakom slučaju "proizvesti vodik". Najlakši način je "elektrolizom vode". Možda ste to radili u osnovnoj školi u prirodnim naukama. Napunite čašu vodom, a elektrode u vodi. Kada se baterija spoji na elektrode i napaja, u vodi i u svakoj elektrodi se odvijaju sljedeće reakcije.
Na katodi, H+ i elektroni se kombinuju i proizvode gasoviti vodonik, dok anoda proizvodi kiseonik. Ipak, ovaj pristup je u redu za školske naučne eksperimente, ali da bi se vodonik proizvodio industrijski, moraju se pripremiti efikasni mehanizmi pogodni za proizvodnju velikih razmjera. To je „elektroliza polimerne elektrolitne membrane (PEM)“.
U ovoj metodi, polimerna polupropusna membrana koja omogućava prolaz vodikovih iona smještena je između anode i katode. Kada se voda ulije u anodu uređaja, vodikovi ioni proizvedeni elektrolizom kreću se kroz polupropusnu membranu do katode, gdje postaju molekularni vodik. S druge strane, ioni kisika ne mogu proći kroz polupropusnu membranu i postati molekule kisika na anodi.
Također, kod elektrolize alkalne vode, vodik i kisik se stvaraju odvajanjem anode i katode pomoću separatora kroz koji mogu proći samo hidroksidni ioni. Osim toga, postoje i industrijske metode poput elektrolize parom na visokim temperaturama.
Izvođenjem ovih procesa u velikim razmjerima mogu se dobiti velike količine vodika. U tom procesu se proizvodi i značajna količina kisika (polovina količine proizvedenog vodika), tako da ne bi imao štetan utjecaj na okoliš ako bi se ispustio u atmosferu. Međutim, elektroliza zahtijeva mnogo električne energije, tako da se vodik bez ugljika može proizvesti ako se proizvodi električnom energijom koja ne koristi fosilna goriva, poput vjetroturbina i solarnih panela.
"Zeleni vodik" možete dobiti elektrolizom vode korištenjem čiste energije.
Također postoji generator vodika za proizvodnju ovog zelenog vodika u velikim razmjerima. Korištenjem PEM-a u elektrolizerskom dijelu, vodik se može proizvoditi kontinuirano.
Plavi vodonik napravljen od fosilnih goriva
Dakle, koji su drugi načini za proizvodnju vodika? Vodik postoji u fosilnim gorivima poput prirodnog plina i uglja kao supstanca osim vode. Na primjer, razmotrimo metan (CH4), glavnu komponentu prirodnog plina. Ovdje postoje četiri atoma vodika. Možete dobiti vodik uklanjanjem ovog vodika.
Jedan od njih je proces koji se naziva "reformiranje metana parom" koji koristi paru. Hemijska formula ove metode je sljedeća.
Kao što vidite, ugljični monoksid i vodik mogu se izdvojiti iz jedne molekule metana.
Na ovaj način, vodik se može proizvoditi procesima kao što su "reformiranje parom" i "piroliza" prirodnog plina i uglja. "Plavi vodik" se odnosi na vodik proizveden na ovaj način.
Međutim, u ovom slučaju, ugljični monoksid i ugljični dioksid se proizvode kao nusproizvodi. Stoga ih morate reciklirati prije nego što se ispuste u atmosferu. Nusproizvod, ugljični dioksid, ako se ne regenerira, postaje vodikov plin, poznat kao "sivi vodik".
Koja vrsta elementa je vodonik?
Vodonik ima atomski broj 1 i prvi je element u periodnom sistemu elemenata.
Broj atoma je najveći u svemiru, čineći oko 90% svih elemenata u svemiru. Najmanji atom koji se sastoji od protona i elektrona je atom vodika.
Vodonik ima dva izotopa s neutronima vezanim za jezgro. Jedan neutronski vezan "deuterijum" i dva neutronski vezana "tricijum". To su također materijali za proizvodnju energije fuzije.
Unutar zvijezde poput Sunca odvija se nuklearna fuzija vodika u helijum, što je izvor energije potreban zvijezdi da sija.
Međutim, vodonik rijetko postoji kao gas na Zemlji. Vodonik formira spojeve s drugim elementima kao što su voda, metan, amonijak i etanol. Budući da je vodonik laki element, kako temperatura raste, brzina kretanja molekula vodonika se povećava i on izlazi iz Zemljine gravitacije u svemir.
Kako koristiti vodonik? Upotreba sagorijevanjem
Kako se onda koristi „vodonik“, koji je privukao svjetsku pažnju kao izvor energije sljedeće generacije? Koristi se na dva glavna načina: „sagorijevanjem“ i „gorivnom ćelijom“. Počnimo s upotrebom „sagorijevanja“.
Postoje dvije glavne vrste sagorijevanja koje se koriste.
Prvo je kao raketno gorivo. Japanska raketa H-IIA koristi vodonik kao plin "tekući vodonik" i "tekući kiseonik" koji je također u kriogenom stanju kao gorivo. Ova dva se kombiniraju, a toplotna energija generirana u tom trenutku ubrzava ubrizgavanje generiranih molekula vode, koje lete u svemir. Međutim, budući da je riječ o tehnički složenom motoru, osim Japana, samo su Sjedinjene Američke Države, Evropa, Rusija, Kina i Indija uspješno kombinirale ovo gorivo.
Druga je proizvodnja energije. Proizvodnja energije plinskim turbinama također koristi metodu kombinovanja vodonika i kiseonika za proizvodnju energije. Drugim riječima, to je metoda koja proučava toplotnu energiju koju proizvodi vodonik. U termoelektranama, toplota od sagorijevanja uglja, nafte i prirodnog gasa proizvodi paru koja pokreće turbine. Ako se vodonik koristi kao izvor toplote, elektrana će biti ugljično neutralna.
Kako se koristi vodik? Koristi se kao gorivni element
Drugi način korištenja vodika je kao gorivni element, koji direktno pretvara vodik u električnu energiju. Toyota je posebno privukla pažnju u Japanu promovirajući vozila na vodikov pogon umjesto električnih vozila (EV) kao alternativu benzinskim vozilima kao dio svojih mjera protiv globalnog zagrijavanja.
Konkretno, radimo obrnuti postupak kada uvodimo metodu proizvodnje "zelenog vodika". Hemijska formula je sljedeća.
Vodonik može generirati vodu (vruću vodu ili paru) dok istovremeno proizvodi električnu energiju, a može se vrednovati jer ne opterećuje okoliš. S druge strane, ova metoda ima relativno nisku efikasnost proizvodnje energije od 30-40% i zahtijeva platinu kao katalizator, što zahtijeva povećane troškove.
Trenutno koristimo gorivne ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC) i gorivne ćelije s fosfornom kiselinom (PAFC). Konkretno, vozila s gorivnim ćelijama koriste PEFC, tako da se može očekivati da će se proširiti u budućnosti.
Je li skladištenje i transport vodika sigurno?
Mislimo da sada razumijete kako se vodikov plin proizvodi i koristi. Dakle, kako skladištiti taj vodik? Kako ga dostaviti tamo gdje vam je potreban? Šta je sa sigurnošću u to vrijeme? Objasnit ćemo.
U stvari, vodonik je također vrlo opasan element. Početkom 20. vijeka koristili smo vodonik kao gas za puštanje balona, balona i zračnih brodova u zrak jer je bio vrlo lagan. Međutim, 6. maja 1937. godine u New Jerseyju, SAD, dogodila se "eksplozija zračnog broda Hindenburg".
Od nesreće, široko je prepoznato da je vodonik opasan. Posebno kada se zapali, on će snažno eksplodirati u prisustvu kiseonika. Stoga je neophodno "držati dalje od kiseonika" ili "držati dalje od toplote".
Nakon što smo poduzeli ove mjere, osmislili smo način dostave.
Vodonik je gas na sobnoj temperaturi, tako da iako je još uvijek gas, veoma je glomazan. Prva metoda je primjena visokog pritiska i kompresija poput cilindra prilikom pravljenja gaziranih pića. Pripremite poseban rezervoar pod visokim pritiskom i čuvajte ga pod uslovima visokog pritiska, kao što je 45Mpa.
Toyota, koja razvija vozila na gorivne ćelije (FCV), razvija rezervoar za vodik od smole visokog pritiska koji može izdržati pritisak od 70 MPa.
Druga metoda je hlađenje na -253°C kako bi se dobio tečni vodonik, te njegovo skladištenje i transport u posebnim termoizolovanim rezervoarima. Poput LNG-a (tečni prirodni gas) kada se prirodni gas uvozi iz inostranstva, vodonik se ukapljuje tokom transporta, smanjujući svoju zapreminu na 1/800 svog gasovitog stanja. 2020. godine završili smo prvi svjetski nosač tečnog vodonika. Međutim, ovaj pristup nije pogodan za vozila na gorivne ćelije jer je potrebno mnogo energije za hlađenje.
Postoji metoda skladištenja i transporta u rezervoarima poput ove, ali razvijamo i druge metode skladištenja vodonika.
Metoda skladištenja je korištenje legura za skladištenje vodika. Vodik ima svojstvo prodiranja u metale i njihovog propadanja. Ovo je razvojni savjet koji je razvijen u Sjedinjenim Državama 1960-ih. JJ Reilly i saradnici su eksperimentalno pokazali da se vodik može skladištiti i oslobađati korištenjem legure magnezija i vanadija.
Nakon toga, uspješno je razvio supstancu, poput paladija, koja može apsorbirati vodik 935 puta veći od vlastite zapremine.
Prednost korištenja ove legure je što može spriječiti nezgode uzrokovane curenjem vodika (uglavnom eksplozije). Stoga se može sigurno skladištiti i transportovati. Međutim, ako niste oprezni i ostavite je u pogrešnom okruženju, legure za skladištenje vodika mogu s vremenom osloboditi plinoviti vodik. Čak i mala iskra može uzrokovati eksploziju, stoga budite oprezni.
Također ima nedostatak što ponovljena apsorpcija i desorpcija vodika dovodi do krhkosti i smanjuje brzinu apsorpcije vodika.
Druga mogućnost je korištenje cijevi. Postoji uslov da cijevi moraju biti nekomprimovane i niskog pritiska kako bi se spriječilo krhkost cijevi, ali prednost je što se mogu koristiti postojeće plinske cijevi. Tokyo Gas je izveo građevinske radove na Harumi FLAG-u, koristeći gradske plinovode za dovod vodika do gorivnih ćelija.
Buduće društvo stvoreno energijom vodika
Konačno, razmotrimo ulogu koju vodik može imati u društvu.
Što je još važnije, želimo promovirati društvo bez ugljika, koristimo vodik za proizvodnju električne energije umjesto kao toplinsku energiju.
Umjesto velikih termoelektrana, neka domaćinstva su uvela sisteme poput ENE-FARM-a, koji koriste vodonik dobijen reformiranjem prirodnog gasa za proizvodnju potrebne električne energije. Međutim, ostaje pitanje šta učiniti sa nusproizvodima procesa reformiranja.
U budućnosti, ako se poveća cirkulacija samog vodika, poput povećanja broja stanica za punjenje vodikom, bit će moguće koristiti električnu energiju bez emisije ugljičnog dioksida. Električna energija proizvodi zeleni vodik, naravno, pa koristi električnu energiju generiranu iz sunčeve svjetlosti ili vjetra. Energija koja se koristi za elektrolizu trebala bi biti energija za suzbijanje količine proizvedene energije ili za punjenje punjive baterije kada postoji višak energije iz prirodne energije. Drugim riječima, vodik je u istom položaju kao i punjiva baterija. Ako se to dogodi, na kraju će biti moguće smanjiti proizvodnju toplinske energije. Dan kada će motor s unutrašnjim sagorijevanjem nestati iz automobila brzo se približava.
Vodik se može dobiti i na drugi način. U stvari, vodik je i dalje nusproizvod proizvodnje kaustične sode. Između ostalog, on je nusproizvod proizvodnje koksa u željezariji. Ako ovaj vodik stavite u distribuciju, moći ćete dobiti više izvora. Vodikov plin proizveden na ovaj način također se isporučuje iz vodikovih stanica.
Pogledajmo dalje u budućnost. Količina izgubljene energije također je problem s metodom prijenosa koja koristi žice za napajanje. Stoga ćemo u budućnosti koristiti vodik koji se isporučuje cjevovodima, baš kao i rezervoare ugljične kiseline koji se koriste u proizvodnji gaziranih pića, i kupit ćemo rezervoar vodika za kuću kako bismo proizvodili električnu energiju za svako domaćinstvo. Mobilni uređaji koji rade na vodikove baterije postaju uobičajeni. Bit će zanimljivo vidjeti takvu budućnost.
Vrijeme objave: 08.06.2023.
