Uvest ćemo "vodik", sljedeću generaciju energije koja je ugljično neutralna. Vodonik je podijeljen u tri vrste: „zeleni vodonik“, „plavi vodonik“ i „sivi vodonik“, od kojih svaka ima drugačiji način proizvodnje. Također ćemo objasniti svaki način proizvodnje, fizička svojstva kao elemenata, metode skladištenja/transporta i metode upotrebe. I također ću vam predstaviti zašto je to dominantan izvor energije sljedeće generacije.
Elektroliza vode za proizvodnju zelenog vodika
Kada se koristi vodonik, važno je ionako “proizvesti vodonik”. Najlakši način je “elektroliza vode”. Možda si u osnovnoj školi prirodnih nauka. Napunite čašu vodom, a elektrode u vodi. Kada je baterija spojena na elektrode i pod naponom, u vodi i svakoj elektrodi se javljaju sljedeće reakcije.
Na katodi, H+ i elektroni se kombinuju da bi proizveli gas vodonik, dok anoda proizvodi kiseonik. Ipak, ovaj pristup je dobar za školske naučne eksperimente, ali da bi se vodonik proizveo industrijski, moraju se pripremiti efikasni mehanizmi pogodni za proizvodnju velikih razmjera. To je “elektroliza polimer elektrolitne membrane (PEM)”.
U ovoj metodi, polimerna polupropusna membrana koja omogućava prolaz vodikovih jona nalazi se u sendviču između anode i katode. Kada se voda ulije u anodu uređaja, ioni vodonika proizvedeni elektrolizom kreću se kroz polupropusnu membranu do katode, gdje postaju molekularni vodonik. S druge strane, joni kisika ne mogu proći kroz polupropusnu membranu i postati molekuli kisika na anodi.
Također u elektrolizi alkalne vode stvarate vodonik i kisik odvajanjem anode i katode kroz separator kroz koji mogu proći samo joni hidroksida. Osim toga, postoje industrijske metode kao što je visokotemperaturna parna elektroliza.
Izvođenjem ovih procesa u velikim razmjerima mogu se dobiti velike količine vodonika. U procesu se također proizvodi značajna količina kisika (polovina količine proizvedenog vodika), tako da ne bi imao štetan utjecaj na okoliš ako bi se ispustio u atmosferu. Međutim, za elektrolizu je potrebno mnogo električne energije, tako da se vodik bez ugljenika može proizvesti ako se proizvodi električnom energijom koja ne koristi fosilna goriva, kao što su vjetroturbine i solarni paneli.
Možete dobiti "zeleni vodonik" elektrolizom vode koristeći čistu energiju.
Postoji i generator vodonika za masovnu proizvodnju ovog zelenog vodonika. Koristeći PEM u sekciji elektrolizera, vodonik se može proizvoditi kontinuirano.
Plavi vodonik napravljen od fosilnih goriva
Dakle, koji su drugi načini za proizvodnju vodonika? Vodonik postoji u fosilnim gorivima kao što su prirodni plin i ugalj kao tvari koje nisu voda. Na primjer, uzmite u obzir metan (CH4), glavnu komponentu prirodnog plina. Ovdje se nalaze četiri atoma vodika. Možete dobiti vodonik tako što ćete izvaditi ovaj vodonik.
Jedan od njih je proces koji se naziva “reformisanje metana na pari” koji koristi paru. Hemijska formula ove metode je sljedeća.
Kao što vidite, ugljični monoksid i vodonik mogu se ekstrahirati iz jedne molekule metana.
Na ovaj način, vodonik se može proizvesti kroz procese kao što su „reformisanje pare” i „piroliza” prirodnog gasa i uglja. “Plavi vodonik” se odnosi na vodonik proizveden na ovaj način.
U ovom slučaju, međutim, ugljični monoksid i ugljični dioksid nastaju kao nusproizvodi. Dakle, morate ih reciklirati prije nego što se ispuste u atmosferu. Nusproizvod ugljični dioksid, ako se ne obnovi, postaje plin vodonik, poznat kao "sivi vodonik".
Koja vrsta elementa je vodonik?
Vodik ima atomski broj 1 i prvi je element u periodnom sistemu.
Broj atoma je najveći u svemiru i čini oko 90% svih elemenata u svemiru. Najmanji atom koji se sastoji od protona i elektrona je atom vodika.
Vodonik ima dva izotopa sa neutronima vezanim za jezgro. Jedan "deuterijum" vezan na neutron i dva "tricijum" vezana na neutron. To su također materijali za proizvodnju električne energije fuzijom.
Unutar zvijezde poput Sunca odvija se nuklearna fuzija od vodika do helijuma, koji je izvor energije za sjaj zvijezde.
Međutim, vodonik retko postoji kao gas na Zemlji. Vodik stvara spojeve sa drugim elementima kao što su voda, metan, amonijak i etanol. Budući da je vodonik lagani element, kako temperatura raste, brzina kretanja molekula vodonika se povećava, te iz zemlje gravitacije bježe u svemir.
Kako koristiti vodonik? Koristi se sagorevanjem
Kako se onda koristi „vodonik“, koji je privukao pažnju širom sveta kao izvor energije sledeće generacije? Koristi se na dva glavna načina: "sagorevanje" i "goriva ćelija". Počnimo s upotrebom “burn”.
Koriste se dvije glavne vrste sagorijevanja.
Prvi je kao raketno gorivo. Japanska raketa H-IIA koristi gas vodonik "tečni vodonik" i "tečni kiseonik" koji je takođe u kriogenom stanju kao gorivo. Ovo dvoje se kombinuje, a toplotna energija stvorena u tom trenutku ubrzava ubrizgavanje generisanih molekula vode, leteći u svemir. Međutim, budući da je to tehnički težak motor, osim Japana, samo su Sjedinjene Države, Evropa, Rusija, Kina i Indija uspješno kombinovale ovo gorivo.
Drugi je proizvodnja električne energije. Proizvodnja energije gasnim turbinama takođe koristi metodu kombinovanja vodonika i kiseonika za proizvodnju energije. Drugim riječima, to je metoda koja promatra toplinsku energiju koju proizvodi vodonik. U termoelektranama, toplota od sagorevanja uglja, nafte i prirodnog gasa proizvodi paru koja pokreće turbine. Ako se vodik koristi kao izvor topline, elektrana će biti ugljično neutralna.
Kako koristiti vodonik? Koristi se kao gorivna ćelija
Drugi način korištenja vodonika je kao gorivna ćelija, koja pretvara vodonik direktno u električnu energiju. Tojota je posebno privukla pažnju u Japanu reklamirajući vozila na vodonik umjesto električnih vozila (EV) kao alternativu vozilima na benzin kao dio svojih mjera protiv globalnog zagrijavanja.
Konkretno, radimo obrnuti postupak kada uvodimo metodu proizvodnje „zelenog vodonika“. Hemijska formula je sljedeća.
Vodik može proizvesti vodu (toplu vodu ili paru) dok proizvodi električnu energiju, a može se procijeniti jer ne opterećuje okoliš. S druge strane, ova metoda ima relativno nisku efikasnost proizvodnje električne energije od 30-40%, a zahtijeva platinu kao katalizator, što zahtijeva povećane troškove.
Trenutno koristimo gorivne ćelije sa polimernim elektrolitom (PEFC) i gorive ćelije sa fosfornom kiselinom (PAFC). Posebno, vozila na gorive ćelije koriste PEFC, tako da se može očekivati da će se proširiti u budućnosti.
Da li su skladištenje i transport vodonika sigurni?
Mislimo da ste do sada shvatili kako se proizvodi i koristi vodonik. Pa kako skladištiti ovaj vodonik? Kako da ga dobijete tamo gde vam treba? Šta je sa sigurnošću u to vrijeme? Objasnit ćemo.
U stvari, vodonik je takođe veoma opasan element. Početkom 20. veka koristili smo vodonik kao gas za plutanje balona, balona i vazdušnih brodova na nebu jer je bio veoma lagan. Međutim, 6. maja 1937. godine u New Jerseyu, SAD, dogodila se “eksplozija zračnog broda Hindenburg”.
Od nesreće, opšte je poznato da je vodonik opasan. Naročito kada se zapali, snažno će eksplodirati s kisikom. Stoga je ključno „čuvati podalje od kiseonika“ ili „čuvati dalje od toplote“.
Nakon poduzimanja ovih mjera, došli smo do načina isporuke.
Vodonik je gas na sobnoj temperaturi, pa iako je još uvek gas, veoma je glomazan. Prva metoda je primjena visokog pritiska i komprimiranje poput cilindra prilikom pravljenja gaziranih pića. Pripremite poseban rezervoar visokog pritiska i čuvajte ga u uslovima visokog pritiska kao što je 45Mpa.
Toyota, koja razvija vozila na gorive ćelije (FCV), razvija rezervoar vodonika pod visokim pritiskom od smole koji može izdržati pritisak od 70 MPa.
Druga metoda je hlađenje do -253°C da bi se dobio tečni vodonik, te skladištenje i transport u specijalnim toplotno izolovanim rezervoarima. Kao i LNG (tečni prirodni gas) kada se prirodni gas uvozi iz inostranstva, vodonik se ukapljuje tokom transporta, smanjujući njegovu zapreminu na 1/800 svog gasovitog stanja. 2020. godine završili smo prvi svjetski nosač tekućeg vodonika. Međutim, ovaj pristup nije prikladan za vozila na gorive ćelije jer zahtijeva puno energije za hlađenje.
Postoji način skladištenja i otpreme u ovakvim rezervoarima, ali razvijamo i druge metode skladištenja vodonika.
Metoda skladištenja je upotreba legura za skladištenje vodonika. Vodik ima svojstvo da prodire u metale i da ih propada. Ovo je razvojni savjet koji je razvijen u Sjedinjenim Državama 1960-ih. JJ Reilly i dr. Eksperimenti su pokazali da se vodonik može skladištiti i oslobađati pomoću legure magnezijuma i vanadijuma.
Nakon toga je uspješno razvio supstancu, poput paladija, koja može apsorbirati vodonik 935 puta veći od vlastite zapremine.
Prednost upotrebe ove legure je da može spriječiti nesreće zbog curenja vodonika (uglavnom nesreće s eksplozijom). Stoga se može bezbedno skladištiti i transportovati. Međutim, ako ne budete oprezni i ostavite ga u pogrešnom okruženju, legure za skladištenje vodika mogu s vremenom otpustiti vodonik. Pa, čak i mala iskra može uzrokovati nesreću s eksplozijom, stoga budite oprezni.
Također ima nedostatak što ponovljena apsorpcija i desorpcija vodika dovode do krtosti i smanjuju brzinu apsorpcije vodonika.
Drugi je korištenje cijevi. Postoji uslov da mora biti nesabijen i pod niskim pritiskom 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, koristeći gradske gasovode za snabdijevanje vodonikom gorivnim ćelijama.
Buduće društvo koje je stvorila energija vodika
Na kraju, razmotrimo ulogu vodonika u društvu.
Što je još važnije, želimo promovirati društvo bez ugljika, koristimo vodonik za proizvodnju električne energije umjesto kao toplinsku energiju.
Umjesto velikih termoelektrana, neka domaćinstva su uvela sisteme kao što je ENE-FARM, koji koriste vodonik dobijen reformisanjem prirodnog gasa za proizvodnju potrebne električne energije. Međutim, ostaje pitanje šta učiniti sa nusproizvodima reformskog procesa.
U budućnosti, ako se sama cirkulacija vodika poveća, kao što je povećanje broja stanica za dopunu vodonika, moći će se koristiti električna energija bez emisije ugljičnog dioksida. Struja proizvodi zeleni vodonik, naravno, tako da koristi električnu energiju proizvedenu od sunčeve svjetlosti ili vjetra. Snaga koja se koristi za elektrolizu trebala bi biti snaga za suzbijanje količine proizvodnje energije ili za punjenje punjive baterije kada postoji višak energije iz prirodne energije. Drugim riječima, vodonik je u istoj poziciji kao i punjiva baterija. Ako se to dogodi, na kraju će biti moguće smanjiti proizvodnju toplinske energije. Dan kada motor sa unutrašnjim sagorevanjem nestane iz automobila brzo se bliži.
Vodonik se može dobiti i drugim putem. Zapravo, vodik je još uvijek nusproizvod proizvodnje kaustične sode. Između ostalog, to je nusproizvod proizvodnje koksa u proizvodnji željeza. Ako stavite ovaj vodonik u distribuciju, moći ćete dobiti više izvora. Na ovaj način proizveden plin vodonik također se isporučuje iz vodoničnih stanica.
Pogledajmo dalje u budućnost. Količina izgubljene energije također je problem s metodom prijenosa koji koristi žice za napajanje. Zbog toga ćemo ubuduće koristiti vodonik koji se isporučuje cevovodima, baš kao i rezervoare ugljične kiseline koji se koriste za pravljenje gaziranih pića, i kupovati rezervoar vodonika kod kuće za proizvodnju električne energije za svako domaćinstvo. Mobilni uređaji koji rade na vodikove baterije postaju uobičajeni. Biće zanimljivo vidjeti takvu budućnost.
Vrijeme objave: Jun-08-2023
