Bemutatjuk a „hidrogént”, a következő generációs, karbonsemleges energiát. A hidrogén három típusra oszlik: „zöld hidrogén”, „kék hidrogén” és „szürke hidrogén”, amelyek mindegyikének más az előállítási módszere. Elmagyarázzuk az egyes előállítási módszereket, az elemek fizikai tulajdonságait, a tárolási/szállítási módszereket és a felhasználási módokat. Azt is bemutatom, hogy miért ez a következő generációs domináns energiaforrás.
Víz elektrolízise zöld hidrogén előállításához
Hidrogén használatakor mindenképpen fontos a „hidrogén előállítása”. A legegyszerűbb módszer a „víz elektrolízise”. Talán ezt tetted az általános iskolai természettudomány órán. Töltsd meg a főzőpoharat vízzel, és helyezd az elektródákat vízbe. Amikor egy elemet csatlakoztatsz az elektródákhoz és áram alá helyezel, a következő reakciók mennek végbe a vízben és az egyes elektródákban.
A katódon a H+ és az elektronok egyesülve hidrogéngázt termelnek, míg az anód oxigént termel. Ez a megközelítés iskolai természettudományos kísérletekhez megfelelő, de a hidrogén ipari előállításához hatékony, nagyüzemi termelésre alkalmas mechanizmusokat kell előállítani. Ez a „polimer elektrolit membrán (PEM) elektrolízis”.
Ebben a módszerben egy polimer féligáteresztő membránt helyeznek el az anód és a katód között, amely lehetővé teszi a hidrogénionok átjutását. Amikor vizet öntenek a készülék anódjába, az elektrolízis során keletkező hidrogénionok egy féligáteresztő membránon keresztül a katódhoz jutnak, ahol molekuláris hidrogénné válnak. Másrészt az oxigénionok nem tudnak átjutni a féligáteresztő membránon, és az anódon oxigénmolekulákká válni.
A lúgos víz elektrolízise során hidrogént és oxigént állítanak elő az anód és a katód szétválasztásával egy szeparátoron keresztül, amelyen csak hidroxidionok haladhatnak át. Ezenkívül léteznek ipari módszerek is, mint például a magas hőmérsékletű gőzelektrolízis.
Ezen folyamatok nagymértékű végrehajtásával nagy mennyiségű hidrogén nyerhető. A folyamat során jelentős mennyiségű oxigén is keletkezik (a termelt hidrogén térfogatának fele), így a légkörbe kerülve nem lenne káros környezeti hatása. Az elektrolízis azonban sok villamos energiát igényel, így szén-dioxid-mentes hidrogén állítható elő, ha olyan villamos energiával állítják elő, amely nem használ fosszilis tüzelőanyagokat, például szélturbinákat és napelemeket.
„Zöld hidrogént” nyerhetünk víz elektrolízisével, tiszta energia felhasználásával.
Van egy hidrogéngenerátor is ennek a zöld hidrogénnek a nagymértékű előállításához. A PEM elektrolizáló szakaszban történő használatával a hidrogén folyamatosan előállítható.
Kék hidrogén fosszilis tüzelőanyagokból
Szóval, milyen más módjai vannak a hidrogén előállításának? A hidrogén a fosszilis tüzelőanyagokban, például a földgázban és a szénben is megtalálható, vízen kívüli anyagként. Vegyük például a metánt (CH4), a földgáz fő alkotóelemét. Itt négy hidrogénatom található. A hidrogént úgy nyerhetjük, hogy kivesszük ezt a hidrogént.
Az egyik ilyen eljárás a „gőzös metánreformálás”, amely gőzt használ. A módszer kémiai képlete a következő.
Amint látható, egyetlen metánmolekulából szén-monoxid és hidrogén kinyerhető.
Ily módon hidrogén állítható elő olyan eljárásokkal, mint a földgáz és a szén „gőzreformálása” és „pirolízise”. A „kék hidrogén” az így előállított hidrogénre utal.
Ebben az esetben azonban szén-monoxid és szén-dioxid keletkezik melléktermékként. Ezért újra kell hasznosítani őket, mielőtt a légkörbe kerülnének. A melléktermékként keletkező szén-dioxid, ha nem nyerik vissza, hidrogéngázzá, más néven „szürke hidrogénné” válik.
Milyen típusú elem a hidrogén?
A hidrogén rendszáma 1, és ez az első elem a periódusos rendszerben.
Az atomok száma a legnagyobb az univerzumban, az univerzum összes elemének körülbelül 90%-át teszi ki. A legkisebb atom, amely egy protonból és egy elektronból áll, a hidrogénatom.
A hidrogénnek két izotópja van, amelyek magjához neutronok kapcsolódnak. Egy neutronkötésű „deutérium” és két neutronkötésű „trícium”. Ezek fúziós energiatermeléshez is alkalmas anyagok.
Egy olyan csillag belsejében, mint a Nap, hidrogénből héliummá fúzió zajlik, amely a csillag ragyogásának energiaforrása.
A hidrogén azonban ritkán fordul elő gáz halmazállapotban a Földön. A hidrogén vegyületeket alkot más elemekkel, például vízzel, metánnal, ammóniával és etanollal. Mivel a hidrogén könnyű elem, a hőmérséklet emelkedésével a hidrogénmolekulák mozgási sebessége növekszik, és a Föld gravitációja elől a világűrbe távoznak.
Hogyan használjuk a hidrogént? Égés útján történő felhasználás
Akkor hogyan használják a „hidrogént”, amely világszerte felhívta magára a figyelmet, mint következő generációs energiaforrás? Két fő módon használják: „égetésként” és „üzemanyagcellaként”. Kezdjük az „égetés” használatával.
Két fő égéstípust alkalmaznak.
Az első rakéta-üzemanyagként szolgál. A japán H-IIA rakéta hidrogéngázt, „folyékony hidrogént” és kriogén állapotban lévő „folyékony oxigént” használ üzemanyagként. Ez a kettő kombinálódik, és az ekkor keletkező hőenergia felgyorsítja a keletkező vízmolekulák befecskendezését az űrbe. Mivel azonban technikailag bonyolult hajtóműről van szó, Japánon kívül csak az Egyesült Államoknak, Európának, Oroszországnak, Kínának és Indiának sikerült kombinálnia ezt az üzemanyagot.
A második az energiatermelés. A gázturbinás energiatermelés szintén a hidrogén és az oxigén kombinálásával állít elő energiát. Más szóval, ez egy olyan módszer, amely a hidrogén által termelt hőenergiát vizsgálja. A hőerőművekben a szén, az olaj és a földgáz elégetéséből származó hő gőzt termel, amely turbinákat hajt. Ha hidrogént használnak hőforrásként, az erőmű karbonsemleges lesz.
Hogyan használható a hidrogén? Üzemanyagcellaként használják
A hidrogén egy másik felhasználási módja az üzemanyagcella, amely közvetlenül elektromos árammá alakítja a hidrogént. A Toyota különösen Japánban hívta fel magára a figyelmet azzal, hogy a globális felmelegedés elleni védekezés részeként a hidrogénüzemű járműveket az elektromos járművek (EV) helyett a benzinüzemű járművek alternatívájaként reklámozta.
Pontosabban, a fordított eljárást követjük, amikor a „zöld hidrogén” előállítási módját mutatjuk be. A kémiai képlet a következő.
A hidrogén képes vizet (forró vizet vagy gőzt) termelni, miközben áramot termel, és ez azért is értékelhető, mert nem terheli a környezetet. Másrészt ennek a módszernek viszonylag alacsony, 30-40%-os energiatermelési hatásfoka van, és platinát igényel katalizátorként, így megnövekedett költségekkel jár.
Jelenleg polimer elektrolit üzemanyagcellákat (PEFC) és foszforsav üzemanyagcellákat (PAFC) használunk. Különösen az üzemanyagcellás járművek használják a PEFC-t, így a jövőben várhatóan elterjed.
Biztonságos a hidrogén tárolása és szállítása?
Mostanra úgy gondoljuk, érti, hogyan állítják elő és használják a hidrogéngázt. Hogyan tárolja ezt a hidrogént? Hogyan juttassa el oda, ahol szüksége van rá? Mi a helyzet a biztonsággal? Elmagyarázzuk.
Valójában a hidrogén is egy nagyon veszélyes elem. A 20. század elején a hidrogént gázként használtuk lufik, léggömbök és léghajók levegőben való reptetéséhez, mivel nagyon könnyű volt. 1937. május 6-án azonban New Jersey-ben, az Egyesült Államokban történt a „Hindenburg léghajó robbanás”.
A baleset óta széles körben elismert tény, hogy a hidrogéngáz veszélyes. Különösen akkor robban fel hevesen oxigénnel, ha lángra kap. Ezért elengedhetetlen az „oxigéntől távol tartandó” vagy a „hőtől távol tartandó” figyelmeztetés.
Miután megtettük ezeket az intézkedéseket, kidolgoztunk egy szállítási módot.
A hidrogén szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú, tehát bár továbbra is gáz, nagyon terjedelmes. Az első módszer a nagy nyomás alkalmazása és a hengerhez hasonló összenyomás szénsavas italok készítésekor. Készítsen elő egy speciális nagynyomású tartályt, és tárolja nagy nyomáson, például 45 MPa nyomáson.
A Toyota, amely üzemanyagcellás járműveket (FCV) fejleszt, egy 70 MPa nyomásnak ellenálló, gyantából készült nagynyomású hidrogéntartályt fejleszt.
Egy másik módszer a -253°C-ra való hűtés folyékony hidrogén előállításához, majd tárolása és szállítása speciális hőszigetelt tartályokban. Az LNG-hez (cseppfolyósított földgáz) hasonlóan, amikor külföldről importálnak földgázt, a hidrogént is cseppfolyósítják a szállítás során, így térfogata gáznemű halmazállapotának 1/800-ad részére csökken. 2020-ban elkészítettük a világ első folyékony hidrogénszállító tartályát. Ez a megközelítés azonban nem alkalmas üzemanyagcellás járművekhez, mivel sok energiát igényel a hűtése.
Létezik egy ilyen tartályokban történő tárolási és szállítási módszer, de más hidrogéntárolási módszereket is fejlesztünk.
A tárolási módszer a hidrogéntároló ötvözetek használata. A hidrogén képes behatolni a fémekbe és roncsolni azokat. Ez egy fejlesztési ötlet, amelyet az Egyesült Államokban dolgoztak ki az 1960-as években. JJ Reilly és munkatársai kísérletek kimutatták, hogy a hidrogén tárolható és felszabadítható magnézium és vanádium ötvözetével.
Ezt követően sikeresen kifejlesztett egy anyagot, például a palládiumot, amely a saját térfogatának 935-szörösét képes hidrogént elnyelni.
Ennek az ötvözetnek az az előnye, hogy megelőzheti a hidrogénszivárgásból eredő baleseteket (főleg robbanásokat). Ezért biztonságosan tárolható és szállítható. Azonban, ha nem vigyázunk, és rossz környezetben hagyjuk, a hidrogéntároló ötvözetek idővel hidrogéngázt szabadíthatnak fel. Nos, már egy kis szikra is robbanást okozhat, ezért legyünk óvatosak.
Hátránya továbbá, hogy az ismételt hidrogén-abszorpció és -deszorpció ridegséghez vezet és csökkenti a hidrogén-abszorpció sebességét.
A másik a csövek használata. Van egy feltétel, hogy azoknak nem kell összenyomottnak és alacsony nyomásúaknak kell lenniük, hogy megakadályozzák a csövek ridegedését, de az az előny, hogy a meglévő gázcsövek is használhatók. A Tokyo Gas építési munkálatokat végzett a Harumi FLAG-en, városi gázvezetékeket használva a hidrogén üzemanyagcellákhoz való ellátására.
A hidrogénenergia által teremtett jövőbeli társadalom
Végül, vizsgáljuk meg a hidrogén társadalomban betöltött szerepét.
Ami még ennél is fontosabb, hogy egy szén-dioxid-mentes társadalmat akarunk előmozdítani, a hidrogént villamos energia előállítására használjuk hőenergia helyett.
A nagy hőerőművek helyett egyes háztartások olyan rendszereket vezettek be, mint az ENE-FARM, amelyek földgáz reformálásával nyert hidrogént használnak a szükséges villamos energia előállításához. Azonban továbbra is fennáll a kérdés, hogy mi legyen a reformálási folyamat melléktermékeivel.
A jövőben, ha maga a hidrogén forgalma is növekszik, például a hidrogéntöltő állomások számának növekedésével, lehetővé válik az elektromos áram szén-dioxid kibocsátása nélküli használata. Az elektromos áram természetesen zöld hidrogént termel, tehát napfényből vagy szélből származó áramot használ. Az elektrolízishez felhasznált energiának olyan energiának kell lennie, amely csökkenti az energiatermelés mennyiségét, vagy feltölti az újratölthető akkumulátort, amikor a természetes energiából származó többletenergia áll rendelkezésre. Más szóval, a hidrogén ugyanabban a helyzetben van, mint az újratölthető akkumulátor. Ha ez megtörténik, végül csökkenthető lesz a hőenergia-termelés. Gyorsan közeledik az a nap, amikor a belső égésű motor eltűnik az autókból.
A hidrogén más úton is előállítható. Valójában a hidrogén továbbra is a marónátron gyártásának mellékterméke. Többek között a vasgyártás kokszgyártásának mellékterméke. Ha ezt a hidrogént elosztjuk, több forrásból is beszerezhetjük. Az így előállított hidrogéngázt hidrogénkutak is ellátják.
Tekintsünk távolabb a jövőbe. Az energiaveszteség mennyisége szintén problémát jelent a vezetékes energiaátviteli módszernél. Ezért a jövőben a csővezetéken szállított hidrogént fogjuk használni, akárcsak a szénsavas italok készítéséhez használt szénsavtartályokat, és otthonra is veszünk egy hidrogéntartályt, hogy minden háztartás számára áramot termeljünk. A hidrogén akkumulátorokkal működő mobil eszközök egyre elterjedtebbek. Érdekes lesz látni egy ilyen jövőt.
Közzététel ideje: 2023. június 8.
