Пра вадарод наступнага пакалення энергіі

Мы пазнаёмімся з «вадародам» — наступным пакаленнем энергіі, якая з'яўляецца вугляродна-нейтральнай. Вадарод падзяляецца на тры тыпы: «зялёны вадарод», «блакітны вадарод» і «шэры вадарод», кожны з якіх мае розны метад вытворчасці. Мы таксама растлумачым кожны метад вытворчасці, фізічныя ўласцівасці элементаў, метады захоўвання/транспартавання і метады выкарыстання. А таксама я растлумачу, чаму ён з'яўляецца дамінуючай крыніцай энергіі наступнага пакалення.

Электроліз вады для атрымання зялёнага вадароду

Пры выкарыстанні вадароду важна ўсё роўна «вырабляць вадарод». Найпрасцейшы спосаб — «электролізаваць ваду». Магчыма, вы рабілі гэта ў пачатковай школе па прыродазнаўстве. Напоўніце шклянку вадой, а электроды — вадой. Калі батарэйка падключаецца да электродаў і падаецца на іх энергія, у вадзе і ў кожным электродзе адбываюцца наступныя рэакцыі.
На катодзе H+ і электроны злучаюцца, утвараючы вадарод, а анод выпрацоўвае кісларод. Тым не менш, гэты падыход падыходзіць для школьных навуковых эксперыментаў, але для прамысловай вытворчасці вадароду неабходна падрыхтаваць эфектыўныя механізмы, прыдатныя для маштабнай вытворчасці. Гэта «электроліз з дапамогай палімерна-электролітнай мембраны (ПЭМ)».
У гэтым метадзе паміж анодам і катодам размяшчаецца палімерная напаўпранікальная мембрана, якая дазваляе іонам вадароду праходзіць. Калі ў анод прылады наліваецца вада, іоны вадароду, якія ўтвараюцца ў выніку электролізу, праходзяць праз напаўпранікальную мембрану да катода, дзе яны ператвараюцца ў малекулярны вадарод. З іншага боку, іоны кіслароду не могуць прайсці праз напаўпранікальную мембрану і ператварыцца ў малекулы кіслароду на анодзе.
Таксама пры шчолачным электролізе вады вадарод і кісларод ствараюцца шляхам падзелу анода і катода з дапамогай сепаратара, праз які могуць праходзіць толькі гідраксід-іоны. Акрамя таго, існуюць прамысловыя метады, такія як высокатэмпературны паравы электроліз.
Выконваючы гэтыя працэсы ў вялікіх маштабах, можна атрымаць вялікую колькасць вадароду. У працэсе таксама выпрацоўваецца значная колькасць кіслароду (палова аб'ёму вырабленага вадароду), таму ён не акажа негатыўнага ўздзеяння на навакольнае асяроддзе пры трапленні ў атмасферу. Аднак электроліз патрабуе шмат электраэнергіі, таму вадарод без вугляроду можна атрымаць, калі яго вырабляць з дапамогай электраэнергіі, якая не выкарыстоўвае выкапнёвае паліва, напрыклад, ветраных турбін і сонечных панэляў.
Вы можаце атрымаць «зялёны вадарод» шляхам электролізу вады з выкарыстаннем чыстай энергіі.

Таксама ёсць генератар вадароду для маштабнай вытворчасці гэтага зялёнага вадароду. Выкарыстоўваючы PEM у секцыі электралізера, вадарод можна атрымліваць бесперапынна.

Блакітны вадарод, атрыманы з выкапнёвага паліва

Дык якія ж яшчэ спосабы атрымання вадароду? Вадарод існуе ў выкапнёвым паліве, такім як прыродны газ і вугаль, у выглядзе рэчываў, адрозных ад вады. Напрыклад, разгледзім метан (CH4), асноўны кампанент прыроднага газу. Тут ёсць чатыры атамы вадароду. Вы можаце атрымаць вадарод, выдаліўшы гэты вадарод.
Адзін з іх — працэс пад назвай «паравая рыформінга метану», у якім выкарыстоўваецца пара. Хімічная формула гэтага метаду наступная.
Як бачыце, з адной малекулы метану можна атрымаць аксід вугляроду і вадарод.
Такім чынам, вадарод можна атрымліваць з дапамогай такіх працэсаў, як «паравая рыформінг» і «піроліз» прыроднага газу і вугалю. «Блакітны вадарод» адносіцца да вадароду, атрыманага такім чынам.
Аднак у гэтым выпадку ў якасці пабочных прадуктаў утвараюцца чадны газ і вуглякіслы газ. Таму іх трэба перапрацаваць, перш чым яны трапяць у атмасферу. Калі вуглякіслы газ не рэкупераваць, ён ператвараецца ў вадарод, вядомы як «шэры вадарод».

Які тып элемента з'яўляецца вадародам?

Вадарод мае атамны нумар 1 і з'яўляецца першым элементам у перыядычнай табліцы.
Колькасць атамаў з'яўляецца найбольшай у Сусвеце, яна складае каля 90% усіх элементаў у Сусвеце. Найменшы атам, які складаецца з пратона і электрона, — гэта атам вадароду.
Вадарод мае два ізатопы з нейтронамі, звязанымі з ядром. Адзін нейтронна звязаны «дэйтэрый» і два нейтронна звязаныя «трытый». Гэта таксама матэрыялы для выпрацоўкі энергіі тэрмаядзернага сінтэзу.
Унутры зоркі, падобнай да Сонца, адбываецца ядзерны сінтэз з вадароду ў гелій, які з'яўляецца крыніцай энергіі, неабходнай для ззяння зоркі.
Аднак вадарод рэдка сустракаецца ў выглядзе газу на Зямлі. Вадарод утварае злучэнні з іншымі элементамі, такімі як вада, метан, аміяк і этанол. Паколькі вадарод — лёгкі элемент, з павышэннем тэмпературы хуткасць руху малекул вадароду павялічваецца, і яны выходзяць з-пад сілы зямнога прыцягнення ў космас.

Як выкарыстоўваць вадарод? Выкарыстанне шляхам спальвання

Дык як жа выкарыстоўваецца «вадарод», які прыцягнуў увагу ўсяго свету як крыніца энергіі наступнага пакалення? Ён выкарыстоўваецца двума асноўнымі спосабамі: «гарэнне» і «паліўны элемент». Пачнем з выкарыстання «спальвання».
Выкарыстоўваюцца два асноўныя тыпы гарэння.
Першы — у якасці ракетнага паліва. Японская ракета H-IIA выкарыстоўвае ў якасці паліва газападобны вадарод («вадкі вадарод») і «вадкі кісларод», які таксама знаходзіцца ў крыягенным стане. Гэтыя два рэчывы змешваюцца, і цеплавая энергія, якая выпрацоўваецца пры гэтым, паскарае ўпырскванне малекул вады, якія ўтвараюцца, і яны ляцяць у космас. Аднак, паколькі гэта тэхнічна складаны рухавік, акрамя Японіі, толькі ЗША, Еўропа, Расія, Кітай і Індыя паспяхова спалучаюць гэта паліва.
Другі — вытворчасць электраэнергіі. Вытворчасць электраэнергіі з дапамогай газавых турбін таксама выкарыстоўвае метад спалучэння вадароду і кіслароду для выпрацоўкі энергіі. Іншымі словамі, гэта метад, які разглядае цеплавую энергію, якая выпрацоўваецца вадародам. На цеплавых электрастанцыях цяпло ад спальвання вугалю, нафты і прыроднага газу выпрацоўвае пару, якая прыводзіць у рух турбіны. Калі вадарод выкарыстоўваецца ў якасці крыніцы цяпла, электрастанцыя будзе вугляродна-нейтральнай.

Як выкарыстоўваць вадарод? Выкарыстоўваецца ў якасці паліўнага элемента

Іншы спосаб выкарыстання вадароду — гэта паліўны элемент, які пераўтварае вадарод непасрэдна ў электрычнасць. У прыватнасці, Toyota прыцягнула ўвагу ў Японіі, рэкламуючы аўтамабілі на вадародзе замест электрамабіляў (EV) у якасці альтэрнатывы бензінавым аўтамабілям у рамках сваіх мер па барацьбе з глабальным пацяпленнем.
Дакладней, пры ўвядзенні метаду вытворчасці «зялёнага вадароду» мы выконваем адваротную працэдуру. Хімічная формула выглядае наступным чынам.
Вадарод можа выпрацоўваць ваду (гарачую ваду або пару) адначасова з выпрацоўкай электрычнасці, і гэта можна ацаніць, бо ён не наносіць шкоды навакольнаму асяроддзю. З іншага боку, гэты метад мае адносна нізкую эфектыўнасць выпрацоўкі энергіі — 30-40 %, і патрабуе плаціны ў якасці каталізатара, што павялічвае выдаткі.
У цяперашні час мы выкарыстоўваем палімерна-электролітныя паліўныя элементы (PEFC) і фосфарна-кіслотныя паліўныя элементы (PAFC). У прыватнасці, PEFC выкарыстоўваецца ў аўтамабілях на паліўных элементах, таму можна чакаць яго распаўсюджвання ў будучыні.

Ці бяспечна захоўванне і транспарціроўка вадароду?

Мы лічым, што вы ўжо зразумелі, як вырабляецца і выкарыстоўваецца вадарод. Дык як жа захоўваць гэты вадарод? Як даставіць яго туды, куды трэба? А як наконт бяспекі ў гэты час? Мы растлумачым.
Насамрэч, вадарод таксама з'яўляецца вельмі небяспечным элементам. У пачатку 20-га стагоддзя вадарод выкарыстоўваўся ў якасці газу для запуску паветраных шароў, паветраных шароў і дырыжабляў у небе, таму што ён быў вельмі лёгкім. Аднак 6 мая 1937 года ў Нью-Джэрсі, ЗША, адбыўся «выбух дырыжабля Гіндэнбург».
Пасля аварыі стала шырока прызнана, што вадарод небяспечны. Асабліва калі ён загарэцца, ён моцна выбухне ў прысутнасці кіслароду. Таму вельмі важна «трымаць далей ад кіслароду» або «трымаць далей ад цяпла».
Пасля прыняцця гэтых мер мы прыдумалі спосаб дастаўкі.
Вадарод пры пакаёвай тэмпературы з'яўляецца газам, таму, нягледзячы на ​​тое, што ён усё яшчэ застаецца газам, ён вельмі аб'ёмны. Першы метад - прымяніць высокі ціск і сціснуць яго, як цыліндр, пры падрыхтоўцы газаваных напояў. Падрыхтуйце спецыяльны рэзервуар высокага ціску і захоўвайце яго пад высокім ціскам, напрыклад, 45 МПа.
Кампанія Toyota, якая распрацоўвае аўтамабілі на паліўных элементах (FCV), распрацоўвае рэзервуар для вадароду высокага ціску з смалы, здольны вытрымліваць ціск 70 МПа.
Іншы метад заключаецца ў астуджэнні да -253°C для атрымання вадкага вадароду, яго захоўванні і транспарціроўцы ў спецыяльных цеплаізаляваных рэзервуарах. Падобна СПГ (звадкаваны прыродны газ), калі прыродны газ імпартуецца з-за мяжы, вадарод звадкоўваецца падчас транспарціроўкі, памяншаючы яго аб'ём да 1/800 ад яго газападобнага стану. У 2020 годзе мы завяршылі будаўніцтва першага ў свеце носьбіта вадкага вадароду. Аднак гэты падыход не падыходзіць для аўтамабіляў на паліўных элементах, бо для яго астуджэння патрабуецца шмат энергіі.
Існуе метад захоўвання і транспарціроўкі ў падобных рэзервуарах, але мы таксама распрацоўваем іншыя метады захоўвання вадароду.
Метад захоўвання заключаецца ў выкарыстанні сплаваў для захоўвання вадароду. Вадарод мае ўласцівасць пранікаць у металы і разбураць іх. Гэтая ідэя была распрацавана ў Злучаных Штатах у 1960-х гадах Дж. Дж. Рэйлі і інш. Эксперыменты паказалі, што вадарод можна захоўваць і вызваляць з дапамогай сплаву магнію і ванадыя.
Пасля гэтага ён паспяхова распрацаваў рэчыва, такое як паладый, якое можа паглынаць вадарод у 935 разоў большым за свой уласны аб'ём.
Перавага выкарыстання гэтага сплаву заключаецца ў тым, што ён можа прадухіліць уцечку вадароду (у асноўным выбухі). Такім чынам, яго можна бяспечна захоўваць і транспартаваць. Аднак, калі вы не будзеце асцярожныя і пакінеце яго ў няправільным асяроддзі, сплавы для захоўвання вадароду могуць з часам вылучаць газападобны вадарод. Нават невялікая іскра можа выклікаць выбух, таму будзьце асцярожныя.
Недахопам таксама з'яўляецца тое, што паўторнае паглынанне і дэсорбцыя вадароду прыводзіць да яго охрупчвання і зніжае хуткасць паглынання вадароду.
Другі варыянт — выкарыстоўваць трубы. Ёсць умова, што яны павінны быць несціснутымі і пад нізкім ціскам, каб прадухіліць іх охрупненне, але перавага ў тым, што можна выкарыстоўваць існуючыя газавыя трубы. Кампанія Tokyo Gas правяла будаўнічыя работы на газаправодзе Harumi FLAG, выкарыстоўваючы гарадскія газаправоды для падачы вадароду ў паліўныя элементы.

Будучае грамадства, створанае вадароднай энергіяй

Нарэшце, давайце разгледзім ролю, якую вадарод можа адыгрываць у грамадстве.
Што яшчэ важней, мы хочам прасоўваць грамадства без вугляроду, мы выкарыстоўваем вадарод для вытворчасці электрычнасці, а не ў якасці цеплавой энергіі.
Замест буйных цеплавых электрастанцый некаторыя хатнія гаспадаркі ўкаранілі такія сістэмы, як ENE-FARM, якія выкарыстоўваюць вадарод, атрыманы шляхам рыформінгу прыроднага газу, для выпрацоўкі неабходнай электрычнасці. Аднак пытанне аб тым, што рабіць з пабочнымі прадуктамі працэсу рыформінгу, застаецца адкрытым.

У будучыні, калі цыркуляцыя самога вадароду павялічыцца, напрыклад, праз павелічэнне колькасці вадародных заправачных станцый, можна будзе выкарыстоўваць электрычнасць без выкідаў вуглякіслага газу. Электрычнасць, вядома, вырабляе зялёны вадарод, таму яна выкарыстоўвае электрычнасць, якая выпрацоўваецца з сонечнага святла або ветру. Энергія, якая выкарыстоўваецца для электролізу, павінна быць магутнасцю для падаўлення колькасці выпрацоўванай энергіі або для зарадкі акумулятарнай батарэі, калі ёсць лішак энергіі з прыроднай энергіі. Іншымі словамі, вадарод знаходзіцца ў тым жа становішчы, што і акумулятарная батарэя. Калі гэта адбудзецца, у рэшце рэшт можна будзе знізіць выпрацоўку цеплавой энергіі. Дзень, калі рухавік унутранага згарання знікне з аўтамабіляў, хутка набліжаецца.

Вадарод можна атрымаць і іншым шляхам. Фактычна, вадарод усё яшчэ з'яўляецца пабочным прадуктам вытворчасці каўстычнай соды. Сярод іншага, гэта пабочны прадукт вытворчасці коксу ў чыгуначнай прамысловасці. Калі вы ўвядзеце гэты вадарод у сістэму размеркавання, вы зможаце атрымаць некалькі крыніц. Газападобны вадарод, які вырабляецца такім чынам, таксама пастаўляецца вадароднымі станцыямі.

Давайце зазірнем далей у будучыню. Колькасць страт энергіі таксама з'яўляецца праблемай з-за метаду перадачы энергіі, які выкарыстоўвае правады для падачы энергіі. Таму ў будучыні мы будзем выкарыстоўваць вадарод, які пастаўляецца па трубаправодах, гэтак жа, як рэзервуары з вуглякіслатой, якія выкарыстоўваюцца для вырабу газаваных напояў, і купляць вадародны рэзервуар дома для выпрацоўкі электрычнасці для кожнай сям'і. Мабільныя прылады, якія працуюць на вадародных батарэях, становяцца звычайнай з'явай. Цікава будзе паглядзець на такую ​​будучыню.