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 svaka ima drugačiju metodu proizvodnje. Također ćemo objasniti svaku metodu proizvodnje, fizikalna svojstva elemenata, metode skladištenja/transporta i načine korištenja. Također ću objasniti zašto je to dominantan izvor energije sljedeće generacije.
Elektroliza vode za proizvodnju zelenog vodika
Prilikom korištenja vodika, važno je u svakom slučaju "proizvesti vodik". Najlakši način je "elektrolizom vode". Možda ste to radili u osnovnoj školi u prirodoslovlju. Napunite čašu vodom, a elektrode u vodi. Kada se baterija spoji na elektrode i napaja, u vodi i u svakoj elektrodi događaju se sljedeće reakcije.
Na katodi se H+ i elektroni kombiniraju kako bi proizveli plinoviti vodik, dok anoda proizvodi kisik. Ipak, ovaj pristup je u redu za školske znanstvene eksperimente, ali za industrijsku proizvodnju vodika potrebno je pripremiti učinkovite mehanizme prikladne za proizvodnju velikih razmjera. To je „elektroliza polimerne elektrolitne membrane (PEM)“.
U ovoj metodi, polimerna polupropusna membrana koja omogućuje prolaz vodikovih iona smještena je između anode i katode. Kada se voda ulije u anodu uređaja, vodikovi ioni nastali 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.
Provođenjem ovih procesa u velikim razmjerima mogu se dobiti velike količine vodika. U procesu se proizvodi i značajna količina kisika (polovica volumena proizvedenog vodika), tako da ne bi imao štetan utjecaj na okoliš ako bi se ispustio u atmosferu. Međutim, elektroliza zahtijeva puno električne energije, pa 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 elektrolizatoru, vodik se može proizvoditi kontinuirano.
Plavi vodik proizveden iz fosilnih goriva
Dakle, koji su drugi načini za proizvodnju vodika? Vodik postoji u fosilnim gorivima poput prirodnog plina i ugljena kao tvar osim vode. Na primjer, razmotrimo metan (CH4), glavnu komponentu prirodnog plina. Ovdje postoje četiri atoma vodika. Vodik možete dobiti uklanjanjem ovog vodika.
Jedan od njih je proces nazvan "reformiranje metana parom" koji koristi paru. Kemijska formula ove metode je sljedeća.
Kao što vidite, ugljikov monoksid i vodik mogu se izdvojiti iz jedne molekule metana.
Na taj se način vodik može proizvesti procesima poput „reformiranja parom“ i „pirolize“ 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 što se ispuste u atmosferu. Nusproizvod ugljični dioksid, ako se ne oporavi, postaje vodikov plin, poznat kao "sivi vodik".
Koja je vrsta elementa vodik?
Vodik ima atomski broj 1 i prvi je element u periodnom sustavu 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.
Vodik ima dva izotopa s neutronima vezanim za jezgru. Jedan neutronski vezan "deuterij" i dva neutronski vezana "tritij". To su također materijali za proizvodnju energije fuzije.
Unutar zvijezde poput Sunca odvija se nuklearna fuzija vodika u helij, što je izvor energije potreban za sjaj zvijezde.
Međutim, vodik rijetko postoji kao plin na Zemlji. Vodik tvori spojeve s drugim elementima poput vode, metana, amonijaka i etanola. Budući da je vodik lagani element, kako temperatura raste, brzina kretanja molekula vodika se povećava i on izlazi iz Zemljine gravitacije u svemir.
Kako koristiti vodik? Upotreba izgaranjem
Kako se onda koristi „vodik“, koji je privukao svjetsku pozornost kao izvor energije sljedeće generacije? Koristi se na dva glavna načina: „izgaranjem“ i „gorivnim ćelijama“. Počnimo s upotrebom „izgaranja“.
Postoje dvije glavne vrste izgaranja koje se koriste.
Prvo je kao raketno gorivo. Japanska raketa H-IIA koristi vodikov plin "tekući vodik" i "tekući kisik" koji je također u kriogenom stanju kao gorivo. To dvoje se kombinira, a toplinska energija stvorena u tom trenutku ubrzava ubrizgavanje stvorenih molekula vode, koje lete u svemir. Međutim, budući da je riječ o tehnički složenom motoru, osim Japana, samo su Sjedinjene Države, Europa, Rusija, Kina i Indija uspješno kombinirale ovo gorivo.
Druga je proizvodnja energije. Proizvodnja energije plinskim turbinama također koristi metodu kombiniranja vodika i kisika za proizvodnju energije. Drugim riječima, to je metoda koja proučava toplinsku energiju koju proizvodi vodik. U termoelektranama, toplina izgaranjem ugljena, nafte i prirodnog plina proizvodi paru koja pokreće turbine. Ako se vodik koristi kao izvor topline, elektrana će biti ugljično neutralna.
Kako koristiti vodik? Koristi se kao gorivni članak
Drugi način korištenja vodika je kao gorivni član, koji izravno pretvara vodik u električnu energiju. Toyota je posebno privukla pozornost u Japanu promovirajući vozila na vodikov pogon umjesto električnih vozila (EV) kao alternativu benzinskim vozilima kao dio svojih protumjera globalnog zatopljenja.
Točnije, radimo obrnuti postupak kada uvodimo metodu proizvodnje „zelenog vodika“. Kemijska formula je sljedeća.
Vodik 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 učinkovitost 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. Kako pohraniti taj vodik? Kako ga dostaviti tamo gdje vam je potreban? 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 puštanje balona, balona i zračnih brodova u zrak jer je bio vrlo lagan. Međutim, 6. svibnja 1937. u New Jerseyju u SAD-u dogodila se "eksplozija zračnog broda Hindenburg".
Od nesreće, općepoznato je da je vodikov plin opasan. Pogotovo kada se zapali, eksplozivno će eksplodirati s kisikom. Stoga je ključno "držati podalje od kisika" ili "držati podalje od topline".
Nakon što smo poduzeli ove mjere, osmislili smo način dostave.
Vodik je plin na sobnoj temperaturi, pa iako je još uvijek plin, vrlo je glomazan. Prva metoda je primjena visokog tlaka i kompresija poput cilindra prilikom izrade gaziranih pića. Pripremite posebnu bocu visokog tlaka i pohranite je pod uvjetima visokog tlaka, kao što je 45 MPa.
Toyota, koja razvija vozila na gorivne ćelije (FCV), razvija spremnik vodika od smole visokog tlaka koji može izdržati tlak od 70 MPa.
Druga metoda je hlađenje na -253 °C za proizvodnju tekućeg vodika, te njegovo skladištenje i transport u posebnim toplinski izoliranim spremnicima. Poput LNG-a (ukapljenog prirodnog plina) kada se prirodni plin uvozi iz inozemstva, vodik se ukapljuje tijekom transporta, smanjujući svoj volumen na 1/800 plinovitog stanja. U 2020. godini dovršili smo prvi svjetski nosač tekućeg vodika. Međutim, ovaj pristup nije prikladan za vozila s gorivnim ćelijama jer je za hlađenje potrebno puno energije.
Postoji metoda skladištenja i otpreme u spremnicima poput ove, ali razvijamo i druge metode skladištenja vodika.
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 suradnici. Eksperimenti su pokazali da se vodik može pohraniti i osloboditi 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 što može spriječiti nezgode s curenjem vodika (uglavnom eksplozije). Stoga se može sigurno skladištiti i transportirati. Međutim, ako niste oprezni i ostavite je u pogrešnom okruženju, legure za skladištenje vodika mogu s vremenom osloboditi vodikov plin. 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 je upotreba cijevi. Postoji uvjet da cijevi moraju biti nekomprimirane i niskog tlaka 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 opskrbu vodikom gorivnih ćelija.
Buduće društvo stvoreno vodikovom energijom
Na kraju, 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 kućanstva su uvela sustave poput ENE-FARM-a, koji koriste vodik dobiven reformiranjem prirodnog plina za proizvodnju potrebne električne energije. Međutim, ostaje pitanje što učiniti s 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 sunčevom svjetlošću ili vjetrom. Energija koja se koristi za elektrolizu trebala bi biti snaga 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 unutarnjim izgaranjem nestati iz automobila brzo se približava.
Vodik se može dobiti i na drugi način. Zapravo, vodik je i dalje nusproizvod proizvodnje kaustične sode. Između ostalog, to je nusproizvod proizvodnje koksa u proizvodnji željeza. Ako ovaj vodik stavite u distribuciju, moći ćete dobiti više izvora. Vodikov plin proizveden na ovaj način također se isporučuje s vodikovih stanica.
Pogledajmo dalje u budućnost. Količina izgubljene energije također je problem s metodom prijenosa koja koristi žice za opskrbu energijom. Stoga ćemo u budućnosti koristiti vodik isporučen cjevovodima, baš kao i spremnike ugljične kiseline koji se koriste u proizvodnji gaziranih pića, te ćemo kupiti spremnik vodika za kuću kako bismo proizvodili električnu energiju za svako kućanstvo. Mobilni uređaji koji rade na vodikove baterije postaju uobičajeni. Bit će zanimljivo vidjeti takvu budućnost.
Vrijeme objave: 08.06.2023.
