Bevezetjük a „hidrogént”, az energia következő generációját, amely szénsemleges. A hidrogént három típusra osztják: „zöld hidrogén”, „kék hidrogén” és „szürke hidrogén”, amelyek mindegyike más előállítási módszerrel rendelkezik. Elmagyarázzuk továbbá az egyes gyártási módszereket, a fizikai tulajdonságokat mint elemeket, a tárolási/szállítási módokat és a felhasználási módokat. És azt is bemutatom, hogy miért ez a következő generációs domináns energiaforrás.
Víz elektrolízise zöld hidrogén előállítására
Hidrogén használatakor mindenképpen fontos, hogy „hidrogént termeljünk”. A legegyszerűbb módja a víz „elektrolizálása”. Talán az általános iskolai természettudományos volt. Töltse fel a főzőpoharat vízzel és elektródákat vízzel. Amikor egy akkumulátort csatlakoztatunk az elektródákhoz és feszültség alá helyezzük, a következő reakciók mennek végbe a vízben és az egyes elektródákban.
A katódon a H+ és az elektronok egyesülve hidrogéngázt, míg az anód oxigént termel. Az iskolai természettudományos kísérleteknél azonban ez a megközelítés megfelelő, de a hidrogén ipari előállításához hatékony, nagyüzemi termelésre alkalmas mechanizmusokat kell készíteni. Ez a „polimer elektrolit membrán (PEM) elektrolízis”.
Ebben a módszerben egy polimer féligáteresztő membránt, amely lehetővé teszi a hidrogénionok áthaladását, egy anód és egy katód közé helyezik. Amikor vizet öntenek a készülék anódjába, az elektrolízissel előállított hidrogénionok egy féligáteresztő membránon keresztül a katódra jutnak, ahol molekuláris hidrogénné válnak. Másrészt az oxigénionok nem tudnak átjutni a féligáteresztő membránon, és oxigénmolekulává válni az anódon.
A lúgos vizes elektrolízis során is hidrogént és oxigént hoz létre úgy, hogy az anódot és a katódot egy szeparátoron keresztül választja el, amelyen csak a hidroxidionok tudnak áthaladni. Emellett léteznek olyan ipari módszerek, mint például a magas hőmérsékletű gőzelektrolízis.
Ezen eljárások nagy léptékű végrehajtásával nagy mennyiségű hidrogén nyerhető. A folyamat során jelentős mennyiségű oxigén is keletkezik (a megtermelt hidrogén térfogatának fele), így a légkörbe kerülve nem lenne káros környezeti hatása. Az elektrolízishez azonban sok elektromos áramra van szükség, ezért szénmentes hidrogén állítható elő, ha fosszilis tüzelőanyagokat nem használó elektromossággal, például szélturbinákkal és napelemekkel állítják elő.
„Zöld hidrogént” kaphat víz elektrolízisével tiszta energia felhasználásával.
Van egy hidrogéngenerátor is ennek a zöld hidrogénnek a nagyüzemi előállításához. Az elektrolizáló szekcióban a PEM használatával folyamatosan hidrogén állítható elő.
Fosszilis tüzelőanyagokból készült kék hidrogén
Szóval, milyen más módszerek vannak a hidrogén előállítására? A hidrogén a víztől eltérő anyagként a fosszilis tüzelőanyagokban, például a földgázban és a szénben található. Vegyük például a metánt (CH4), a földgáz fő összetevőjét. Itt négy hidrogénatom található. A hidrogén eltávolításával hidrogénhez juthat.
Ezek egyike a „gőz-metán reformálás” nevű eljárás, amely gőzt használ. Ennek a módszernek a kémiai képlete a következő.
Mint látható, a szén-monoxid és a hidrogén egyetlen metánmolekulából vonható ki.
Ily módon hidrogén állítható elő olyan folyamatokkal, mint a földgáz és szén „gőzreformálása” és „pirolízise”. A „kék hidrogén” az ily módon előállított hidrogént jelenti.
Ebben az esetben azonban melléktermékként szén-monoxid és szén-dioxid keletkezik. Tehát újra kell hasznosítani őket, mielőtt a légkörbe kerülnek. A melléktermék szén-dioxid, ha nem nyerik vissza, hidrogéngázzá válik, amelyet „szürke hidrogénnek” neveznek.
Milyen elem a hidrogén?
A hidrogén atomszáma 1, és a periódusos rendszer első eleme.
Az atomok száma a legnagyobb az univerzumban, a világegyetem összes elemének körülbelül 90%-át teszi ki. A legkisebb atom, amely egy protonból és egy elektronból áll, a hidrogénatom.
A hidrogénnek két izotópja van, amelyekhez neutronok kapcsolódnak. Egy neutronkötésű „deutérium” és két neutronkötésű „trícium”. Ezek is fúziós energiatermeléshez szükséges anyagok.
Egy olyan csillag belsejében, mint a Nap, magfúzió megy végbe a hidrogénből a héliummá, amely a csillag ragyogásának energiaforrása.
A hidrogén azonban ritkán létezik gázként a Földön. A hidrogén vegyületeket képez más elemekkel, például vízzel, metánnal, ammóniával és etanollal. Mivel a hidrogén könnyű elem, a hőmérséklet emelkedésével a hidrogénmolekulák mozgási sebessége növekszik, és a föld gravitációjából kikerül a világűrbe.
Hogyan használjuk a hidrogént? Égési felhasználás
Akkor hogyan használják fel a „hidrogént”, amely újgenerációs energiaforrásként világszerte felkeltette a figyelmet? Két fő módon használják: „égés” és „üzemanyagcella”. Kezdjük a „burn” használatával.
Az égésnek két fő típusa van.
Az első rakéta-üzemanyag. A japán H-IIA rakéta hidrogéngázt „folyékony hidrogént” és „folyékony oxigént” használ, amely szintén kriogén állapotban van üzemanyagként. Ezt a kettőt kombinálják, és az ekkor keletkező hőenergia felgyorsítja a keletkező vízmolekulák befecskendezését az űrbe. Mivel azonban Japán kivételével műszakilag nehéz motorról van szó, csak az Egyesült Államok, Európa, Oroszország, Kína és India kombinálta sikeresen ezt az üzemanyagot.
A második az energiatermelés. A gázturbinás energiatermelés a hidrogén és az oxigén kombinálásának módszerét is használja az energia előállítására. Más szóval, ez egy olyan módszer, amely a hidrogén által termelt hőenergiát vizsgálja. A hőerőművekben a szén, az olaj és a földgáz elégetése során keletkező hő gőzt termel, amely turbinákat hajt meg. Ha hidrogént használnak hőforrásként, akkor az erőmű szénsemleges lesz.
Hogyan használjuk a hidrogént? Üzemanyagcellaként használták
A hidrogén felhasználásának másik módja az üzemanyagcella, amely a hidrogént közvetlenül elektromos árammá alakítja. A Toyota különösen azzal hívta fel a figyelmet Japánban, hogy a globális felmelegedés elleni intézkedései részeként az elektromos járművek (EV) helyett hidrogénüzemű járműveket hirdetett a benzinüzemű járművek alternatívájaként.
Pontosabban fordított eljárást végezünk, amikor bevezetjük a „zöld hidrogén” gyártási módszerét. A kémiai képlet a következő.
A hidrogén elektromos áram előállítása közben vizet (meleg vizet vagy gőzt) tud termelni, és ez értékelhető, mert nem terheli a környezetet. Másrészt ennek az eljárásnak viszonylag alacsony, 30-40%-os energiatermelési hatásfoka van, és katalizátorként platinát igényel, így magasabb költségeket igényel.
Jelenleg polimer elektrolit üzemanyagcellákat (PEFC) és foszforsav üzemanyagcellákat (PAFC) használunk. Különösen az üzemanyagcellás járművek használnak PEFC-t, így várhatóan a jövőben elterjed.
Biztonságos a hidrogén tárolása és szállítása?
Mostanra úgy gondoljuk, hogy megértette a hidrogéngáz előállítását és felhasználását. Tehát hogyan tárolja ezt a hidrogént? Hogyan juthat el oda, ahol szüksége van rá? Mi a helyzet akkori biztonsággal? Majd elmagyarázzuk.
Valójában a hidrogén is nagyon veszélyes elem. A 20. század elején hidrogént használtunk gázként léggömbök, léggömbök és léghajók lebegtetésére az égen, mert nagyon könnyű volt. 1937. május 6-án azonban New Jersey államban (USA) megtörtént a „Hindenburg léghajó-robbanás”.
A baleset óta széles körben elismerték, hogy a hidrogéngáz veszélyes. Főleg ha kigyullad, hevesen felrobban oxigénnel. Ezért az „oxigéntől távol tartandó” vagy „hőtől távol kell tartani” elengedhetetlen.
Ezen intézkedések megtétele után kitaláltunk egy szállítási módot.
A hidrogén szobahőmérsékleten gáz, így annak ellenére, hogy még mindig gáz, nagyon terjedelmes. Az első módszer a szénsavas italok készítésénél nagy nyomás alkalmazása és hengerszerű összenyomása. Készítsen elő egy speciális nagynyomású tartályt, és tárolja nagy nyomású körülmények között, például 45 MPa.
Az üzemanyagcellás járműveket (FCV) fejlesztő Toyota gyanta nagynyomású hidrogéntartályt fejleszt, amely 70 MPa nyomásnak is ellenáll.
Egy másik módszer, hogy -253°C-ra hűtjük folyékony hidrogént, majd speciális hőszigetelt tartályokban tároljuk és szállítjuk. Az LNG-hez (folyékony földgázhoz) hasonlóan, amikor a földgázt külföldről importálják, a hidrogén a szállítás során cseppfolyósodik, így térfogata gázhalmazállapotának 1/800-ára csökken. 2020-ban elkészült a világ első folyékony hidrogénhordozója. Ez a megközelítés azonban nem alkalmas üzemanyagcellás járművekhez, mert sok energiát igényel a hűtése.
Létezik ilyen tartályokban való tárolás és szállítás, de fejlesztünk más hidrogéntárolási módszereket is.
A tárolási módszer a hidrogéntároló ötvözetek használata. A hidrogénnek megvan az a tulajdonsága, hogy behatol a fémekbe és elrontja azokat. Ez egy fejlesztési tipp, amelyet az Egyesült Államokban fejlesztettek ki az 1960-as években. JJ Reilly et al. Kísérletek kimutatták, hogy a hidrogén tárolható és felszabadítható magnézium és vanádium ötvözet segítségével.
Ezt követően sikeresen kifejlesztett egy anyagot, például a palládiumot, amely saját térfogatának 935-szörösét képes elnyelni.
Ennek az ötvözetnek az előnye, hogy megelőzheti a hidrogénszivárgásos baleseteket (főleg a robbanásos baleseteket). Ezért biztonságosan tárolható és szállítható. Ha azonban nem vigyáz, és nem megfelelő környezetben hagyja, a hidrogéntároló ötvözetek idővel hidrogéngázt bocsáthatnak ki. Nos, még egy kis szikra is okozhat robbanásbalesetet, ezért legyen óvatos.
Az is hátránya, hogy az ismételt hidrogénabszorpció és deszorpció ridegséghez vezet, és csökkenti a hidrogén abszorpciós sebességét.
A másik a csövek használata. Feltétele van, hogy nem összenyomottnak és alacsony nyomásúnak kell lennie, nehogy a csövek rideggé váljanak, de előnye, hogy a meglévő gázcsövek használhatók. A Tokyo Gas építési munkákat végzett a Harumi FLAG-on, városi gázvezetékeket használva az üzemanyagcellák hidrogénnel való ellátására.
A hidrogénenergia által létrehozott jövő társadalma
Végül nézzük meg a hidrogén szerepét a társadalomban.
Ennél is fontosabb, hogy egy szén-dioxid-mentes társadalmat akarunk előmozdítani, hogy a hidrogént hőenergia helyett villamosenergia-termelésre használjuk.
A nagy hőerőművek helyett egyes háztartások olyan rendszereket vezettek be, mint például az ENE-FARM, amelyek a földgáz reformálásával nyert hidrogént használják a szükséges villamos energia előállítására. A kérdés azonban, hogy mit kezdjünk a reformfolyamat melléktermékeivel, továbbra is fennáll.
A jövőben, ha maga a hidrogén körforgása megnövekszik, például megnő a hidrogéntöltő állomások száma, akkor szén-dioxid kibocsátás nélkül is lehet villamos energiát használni. A villamos energia természetesen zöld hidrogént termel, tehát napfényből vagy szélből származó elektromosságot használ. Az elektrolízishez használt teljesítménynek olyan teljesítménynek kell lennie, amely csökkenti az energiatermelés mennyiségét, vagy feltölti az újratölthető akkumulátort, ha a természetes energiából többletteljesítmény keletkezik. Más szóval, a hidrogén ugyanabban a helyzetben van, mint az újratölthető akkumulátor. Ha ez megtörténik, végül lehetséges lesz a hőenergia-termelés csökkentése. Gyorsan közeleg a nap, amikor a belső égésű motor eltűnik az autókból.
A hidrogént más úton is lehet nyerni. Valójában a hidrogén még mindig a marónátron előállításának mellékterméke. Többek között a vasgyártás kokszgyártásának mellékterméke. Ha ezt a hidrogént a disztribúcióba helyezi, több forráshoz is hozzájuthat. Az így előállított hidrogéngázt hidrogénállomások is szállítják.
Nézzünk tovább a jövőbe. Az energiaveszteség mértéke az átviteli módszerrel is probléma, amely vezetékeket használ az áramellátáshoz. Ezért a jövőben a szénsavas italok készítéséhez használt szénsavtartályokhoz hasonlóan a vezetékeken szállított hidrogént használjuk fel, és vásárolunk otthon egy hidrogéntartályt, amely minden háztartás számára elektromos áramot termel. A hidrogén akkumulátorral működő mobil eszközök általánossá válnak. Érdekes lesz látni egy ilyen jövőt.
Feladás időpontja: 2023-08-08
