Uvest ćemo "vodik", sljedeću generaciju energije koja je ugljično neutralna. Vodik se dijeli u tri vrste: „zeleni vodik“, „plavi vodik“ i „sivi vodik“, od kojih svaki ima različit način proizvodnje. Također ćemo objasniti svaku metodu proizvodnje, fizička svojstva kao elemente, metode skladištenja/transporta i metode upotrebe. Također ću vam predstaviti zašto je to dominantan izvor energije sljedeće generacije.
Elektrolizom vode za proizvodnju zelenog vodika
Kada koristite vodik, ionako je važno "proizvesti vodik". Najlakši način je "elektrolizirati vodu". Možda ste to radili u osnovnoj školi. Napunite čašu vodom, a elektrode u vodi. Kada je baterija spojena na elektrode i pod naponom, sljedeće reakcije se događaju u vodi i svakoj elektrodi.
Na katodi se H+ i elektroni spajaju i proizvode vodik, dok anoda proizvodi kisik. Ipak, ovaj je pristup dobar za školske znanstvene eksperimente, ali za industrijsku proizvodnju vodika moraju se pripremiti učinkoviti mehanizmi prikladni za proizvodnju velikih razmjera. To je "elektroliza polimerne elektrolitske membrane (PEM)".
U ovoj metodi, polimerna polupropusna membrana koja omogućuje prolaz vodikovih iona nalazi se između anode i katode. Kada se voda ulije u anodu uređaja, ioni vodika 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 u elektrolizi alkalne vode stvarate vodik i kisik odvajanjem anode i katode kroz separator kroz koji mogu proći samo hidroksidni ioni. Osim toga, postoje industrijske metode kao što je visokotemperaturna parna elektroliza.
Izvođenjem ovih procesa u velikom opsegu mogu se dobiti velike količine vodika. Pritom se proizvodi i značajna količina kisika (polovica proizvedenog volumena vodika), tako da ispuštanje u atmosferu ne bi imalo štetan utjecaj na okoliš. Međutim, elektroliza zahtijeva mnogo električne energije, tako da se vodik bez ugljika može proizvesti ako se proizvodi električnom energijom koja ne koristi fosilna goriva, kao što su vjetroturbine i solarni paneli.
Možete dobiti "zeleni vodik" elektrolizom vode koristeći čistu energiju.
Postoji i generator vodika za veliku proizvodnju ovog zelenog vodika. Korištenjem PEM-a u dijelu elektrolize vodik se može proizvoditi kontinuirano.
Plavi vodik napravljen od fosilnih goriva
Dakle, koji su drugi načini za proizvodnju vodika? Vodik postoji u fosilnim gorivima kao što su prirodni plin i ugljen kao tvari koje nisu voda. Na primjer, razmotrimo metan (CH4), glavnu komponentu prirodnog plina. Ovdje postoje četiri atoma vodika. Možete dobiti vodik tako da izvadite ovaj vodik.
Jedan od njih je proces nazvan "reforming metana parom" koji koristi paru. Kemijska formula ove metode je sljedeća.
Kao što vidite, ugljični monoksid i vodik mogu se izdvojiti iz jedne molekule metana.
Na taj se način vodik može proizvesti procesima kao što su "parni reforming" i "piroliza" prirodnog plina i ugljena. "Plavi vodik" odnosi se na vodik proizveden na ovaj način.
U ovom slučaju, međutim, ugljični monoksid i ugljični dioksid nastaju kao nusproizvodi. Stoga ih morate reciklirati prije nego se ispuste u atmosferu. Nusprodukt ugljični dioksid, ako se ne povrati, postaje vodikov plin, poznat kao "sivi vodik".
Kakav je element vodik?
Vodik ima atomski broj 1 i prvi je element u periodnom sustavu.
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.
Vodik ima dva izotopa s neutronima vezanima za jezgru. Jedan "deuterij" vezan neutronom i dva "tricija" vezan neutronom. To su također materijali za proizvodnju fuzijske energije.
Unutar zvijezde poput Sunca odvija se nuklearna fuzija iz vodika u helij, koji je izvor energije za sjaj zvijezde.
Međutim, vodik rijetko postoji kao plin na Zemlji. Vodik tvori spojeve s drugim elementima kao što su voda, metan, amonijak i etanol. Budući da je vodik lagani element, s porastom temperature povećava se brzina kretanja molekula vodika i bježi od zemljine teže u svemir.
Kako koristiti vodik? Upotreba sagorijevanjem
Zatim, kako se koristi "vodik", koji je privukao svjetsku pozornost kao izvor energije sljedeće generacije? Koristi se na dva glavna načina: "izgaranje" i "gorivne ćelije". Počnimo s upotrebom "burn".
Koriste se dvije glavne vrste izgaranja.
Prvi je kao raketno gorivo. Japanska raketa H-IIA kao gorivo koristi vodikov plin "tekući vodik" i "tekući kisik" koji je također u kriogenom stanju. Ovo dvoje se kombinira, a toplinska energija koja se tada stvara ubrzava ubrizgavanje generiranih molekula vode koje lete u svemir. Međutim, budući da se radi o tehnički teškom motoru, osim Japana, samo su SAD, Europa, Rusija, Kina i Indija uspješno kombinirale ovo gorivo.
Drugi je proizvodnja električne energije. Proizvodnja energije plinskim turbinama također koristi metodu kombiniranja vodika i kisika za proizvodnju energije. Drugim riječima, to je metoda koja promatra toplinsku energiju koju proizvodi vodik. U termoelektranama toplina od izgaranja ugljena, nafte i prirodnog plina proizvodi paru koja pokreće turbine. Ako se kao izvor topline koristi vodik, elektrana će biti ugljično neutralna.
Kako koristiti vodik? Koristi se kao gorivna ćelija
Drugi način korištenja vodika je kao goriva ćelija, koja pretvara vodik izravno u električnu energiju. Konkretno, Toyota je privukla pozornost u Japanu reklamirajući vozila s pogonom na vodik umjesto električnih vozila (EV) kao alternativu benzinskim vozilima kao dio svojih protumjera protiv globalnog zatopljenja.
Naime, mi radimo obrnuti postupak kada uvodimo način proizvodnje “zelenog vodika”. Kemijska formula je sljedeća.
Vodik može generirati vodu (toplu vodu ili paru) uz proizvodnju električne energije, a može se ocijeniti jer ne opterećuje okoliš. S druge strane, ova metoda ima relativno nisku učinkovitost proizvodnje električne energije od 30-40%, te zahtijeva platinu kao katalizator, što zahtijeva veće troškove.
Trenutno koristimo gorive ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC) i gorive ćelije s fosfornom kiselinom (PAFC). Konkretno, vozila s gorivnim ćelijama koriste PEFC, pa se može očekivati njegovo širenje u budućnosti.
Jesu li skladištenje i transport vodika sigurni?
Mislimo da ste do sada shvatili kako se vodikov plin proizvodi i koristi. Dakle, kako pohraniti ovaj vodik? Kako ga dovesti tamo gdje vam treba? Što je sa sigurnošću u to vrijeme? Objasnit ćemo.
Zapravo, vodik je također vrlo opasan element. Početkom 20. stoljeća koristili smo vodik kao plin za letenje balona, balona i zračnih brodova nebom jer je bio vrlo lagan. Međutim, 6. svibnja 1937. godine u New Jerseyu, SAD, dogodila se “eksplozija zračnog broda Hindenburg”.
Nakon nesreće, opće je poznato da je vodikov plin opasan. Pogotovo kad se zapali, snažno će eksplodirati s kisikom. Stoga je ključno "držati dalje od kisika" ili "držati dalje od topline".
Nakon poduzimanja ovih mjera, osmislili smo način dostave.
Vodik je plin na sobnoj temperaturi, pa iako je još uvijek plin, vrlo je glomazan. Prva metoda je primjena visokog pritiska i kompresija poput cilindra kada se pripremaju gazirana pića. Pripremite poseban visokotlačni spremnik i skladištite ga pod visokim tlakom kao što je 45Mpa.
Toyota, koja razvija vozila s gorivnim ćelijama (FCV), razvija visokotlačni spremnik vodika od smole koji može izdržati tlak od 70 MPa.
Druga metoda je hlađenje na -253°C kako bi se dobio tekući vodik, te njegovo skladištenje i transport u posebnim toplinski izoliranim spremnicima. Kao LNG (ukapljeni prirodni plin) kada se prirodni plin uvozi iz inozemstva, vodik se ukapljuje tijekom transporta, smanjujući svoj volumen na 1/800 svog plinovitog stanja. U 2020. dovršili smo prvi svjetski nosač tekućeg vodika. Međutim, ovaj pristup nije prikladan za vozila s gorivnim ćelijama jer zahtijeva puno energije za hlađenje.
Postoji ovakva metoda skladištenja i transporta u spremnicima, ali razvijamo i druge metode skladištenja vodika.
Metoda skladištenja je korištenje legura za skladištenje vodika. Vodik ima svojstvo da prodire u metale i kvari ih. Ovo je razvojni savjet koji je razvijen u Sjedinjenim Državama 1960-ih. JJ Reilly i sur. Eksperimenti su pokazali da se vodik može skladištiti i oslobađati pomoću legure magnezija i vanadija.
Nakon toga, uspješno je razvio tvar, poput paladija, koja može apsorbirati vodik 935 puta veći od vlastitog volumena.
Prednost korištenja ove legure je u tome što može spriječiti nesreće s curenjem vodika (uglavnom nesreće s eksplozijom). Stoga se može sigurno skladištiti i transportirati. Međutim, ako niste oprezni i ostavite ga u pogrešnom okruženju, legure za skladištenje vodika mogu s vremenom ispuštati vodikov plin. Pa, čak i mala iskra može izazvati eksploziju, stoga budite oprezni.
Također ima nedostatak da ponavljana apsorpcija i desorpcija vodika dovodi do krtosti i smanjuje stopu apsorpcije vodika.
Drugi je korištenje cijevi. Postoji uvjet da mora biti nestlačena i niskotlačna kako bi se spriječila krtost cijevi, no prednost je što se mogu koristiti postojeće plinske cijevi. Tokyo Gas izveo je građevinske radove na Harumi FLAG-u, koristeći gradske plinovode za opskrbu vodikom do gorivih ćelija.
Društvo budućnosti stvoreno vodikovom energijom
Na kraju, razmotrimo ulogu vodika 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 su kućanstva uvela sustave poput ENE-FARM-a koji za proizvodnju potrebne električne energije koriste vodik dobiven reformingom prirodnog plina. Međutim, ostaje pitanje što učiniti s nusproduktima procesa reforme.
U budućnosti, ako se poveća cirkulacija samog vodika, kao što je povećanje broja stanica za punjenje vodikom, bit će moguće koristiti električnu energiju bez emisije ugljičnog dioksida. Struja proizvodi zeleni vodik, naravno, pa koristi električnu energiju proizvedenu iz sunčeve svjetlosti ili vjetra. Snaga koja se koristi za elektrolizu trebala bi biti snaga za suzbijanje količine proizvodnje električne 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, bit će moguće smanjiti proizvodnju toplinske energije. Dan kada će motor s unutarnjim izgaranjem nestati iz automobila brzo se približava.
Vodik se može dobiti i drugim putem. Zapravo, vodik je još uvijek nusproizvod proizvodnje kaustične sode. Između ostalog, nusprodukt je proizvodnje koksa u željezari. Ako ovaj vodik stavite u distribuciju, moći ćete dobiti više izvora. Vodik proizveden na ovaj način također se opskrbljuje iz vodikovih stanica.
Pogledajmo dalje u budućnost. Količina izgubljene energije također je problem s metodom prijenosa koja koristi žice za napajanje. Stoga ćemo ubuduće koristiti vodik koji se isporučuje cjevovodima, baš kao i spremnike ugljične kiseline koji se koriste u proizvodnji gaziranih pića, te kupovati spremnik vodika kod kuće za proizvodnju električne energije za svako kućanstvo. Mobilni uređaji koji rade na vodikove baterije postaju uobičajeni. Bit će zanimljivo vidjeti takvu budućnost.
Vrijeme objave: 8. lipnja 2023
