Пра вадарод энергіі новага пакалення

Мы прадставім "вадарод", наступнае пакаленне энергіі, нейтральнае да вугляроду. Вадарод падзяляецца на тры тыпы: «зялёны вадарод», «сіні вадарод» і «шэры вадарод», кожны з якіх мае свой спосаб вытворчасці. Мы таксама растлумачым кожны метад вырабу, фізічныя ўласцівасці элементаў, метады захоўвання/транспарціроўкі і метады выкарыстання. І я таксама раскажу, чаму гэта дамінуючая крыніца энергіі наступнага пакалення.

Электроліз вады для атрымання зялёнага вадароду

Пры выкарыстанні вадароду важна ў любым выпадку «вырабляць вадарод». Самы просты спосаб - «электроліз вады». Магчыма, вы займаліся навукай у пачатковай школе. Напоўніце шклянку вадой, а электроды - вадой. Калі батарэя падлучана да электродаў і падключана да яе, у вадзе і ў кожным электродзе адбываюцца наступныя рэакцыі.
На катодзе Н+ і электроны аб'ядноўваюцца, утвараючы вадарод, а анод - кісларод. Тым не менш, гэты падыход падыходзіць для школьных навуковых эксперыментаў, але для прамысловай вытворчасці вадароду неабходна падрыхтаваць эфектыўныя механізмы, прыдатныя для буйнамаштабнай вытворчасці. Гэта значыць «электроліз палімернай электралітнай мембраны (PEM)».
У гэтым метадзе палімерная паўпранікальная мембрана, якая дазваляе прапускаць іёны вадароду, знаходзіцца паміж анодам і катодам. Калі вада заліваецца ў анод прылады, іёны вадароду, атрыманыя ў выніку электролізу, рухаюцца праз паўпранікальную мембрану да катода, дзе яны становяцца малекулярным вадародам. З іншага боку, іёны кіслароду не могуць прайсці праз паўпранікальную мембрану і стаць малекуламі кіслароду на анодзе.
Таксама пры электролізе шчолачнай вады вы ствараеце вадарод і кісларод, аддзяляючы анод і катод праз сепаратар, праз які могуць праходзіць толькі іёны гідраксіду. Акрамя таго, існуюць такія прамысловыя метады, 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), так што пры выкідзе ў атмасферу ён не акажа негатыўнага ўздзеяння на навакольнае асяроддзе. Аднак для электролізу патрабуецца шмат электраэнергіі, таму вадарод без вугляроду можна вырабляць, калі ён вырабляецца з электрычнасцю, якая не выкарыстоўвае выкапнёвае паліва, напрыклад, ветраныя турбіны і сонечныя панэлі.
Вы можаце атрымаць «зялёны вадарод» шляхам электралізу вады з выкарыстаннем чыстай энергіі.

Існуе таксама генератар вадароду для буйнамаштабнай вытворчасці гэтага зялёнага вадароду. Пры выкарыстанні PEM у секцыі электралізера можна бесперапынна вырабляць вадарод.

Сіні вадарод, выраблены з выкапнёвага паліва

Такім чынам, якія іншыя спосабы атрымання вадароду? Вадарод існуе ў выкапнёвых відах паліва, такіх як прыродны газ і вугаль, у выглядзе іншых рэчываў, акрамя вады. Напрыклад, разгледзім метан (CH4), асноўны кампанент прыроднага газу. Тут чатыры атамы вадароду. Вы можаце атрымаць вадарод, выняўшы гэты вадарод.
Адным з іх з'яўляецца працэс пад назвай «паравая канверсія метану», якая выкарыстоўвае пар. Хімічная формула гэтага метаду наступная.
Як бачыце, угарны газ і вадарод можна атрымаць з адной малекулы метану.
Такім чынам, вадарод можа быць атрыманы з дапамогай такіх працэсаў, як «паравая канверсія» і «піроліз» прыроднага газу і вугалю. «Сіні вадарод» адносіцца да вадароду, атрыманага такім чынам.
У гэтым выпадку, аднак, аксід вугляроду і вуглякіслы газ утвараюцца ў якасці пабочных прадуктаў. Такім чынам, вы павінны перапрацаваць іх, перш чым яны будуць выкінуты ў атмасферу. Пабочны прадукт вуглякіслага газу, калі яго не аднавіць, становіцца газападобным вадародам, вядомым як «шэры вадарод».

Што гэта за элемент вадарод?

Вадарод мае атамны нумар 1 і з'яўляецца першым элементам у перыядычнай сістэме.
Колькасць атамаў з'яўляецца самай вялікай у Сусвеце, складаючы каля 90% усіх элементаў у Сусвеце. Самы маленькі атам, які складаецца з пратона і электрона, - гэта атам вадароду.
Вадарод мае два ізатопы з нейтронамі, прымацаванымі да ядра. Адзін «дэйтэрый», звязаны з нейтронамі, і два «трыцій», звязаныя з нейтронамі. Гэта таксама матэрыялы для вытворчасці энергіі тэрмаядзерным сінтэзам.
Унутры такой зоркі, як сонца, адбываецца ядзерны сінтэз з вадароду ў гелій, які з'яўляецца крыніцай энергіі для ззяння зоркі.
Аднак вадарод рэдка існуе ў выглядзе газу на Зямлі. Вадарод утварае злучэнні з іншымі элементамі, такімі як вада, метан, аміяк і этанол. Так як вадарод з'яўляецца лёгкім элементам, з павышэннем тэмпературы, хуткасць руху малекул вадароду павялічваецца, і сыходзіць ад гравітацыі зямлі ў адкрыты космас.

Як выкарыстоўваць вадарод? Выкарыстанне шляхам спальвання

Тады як выкарыстоўваецца «вадарод», які прыцягнуў увагу ўсяго свету як крыніца энергіі новага пакалення? Ён выкарыстоўваецца двума асноўнымі спосабамі: «спальванне» і «паліўны элемент». Пачнем з выкарыстання «запальвання».
Выкарыстоўваецца два асноўных тыпу гарэння.
Першы - у якасці ракетнага паліва. Японская ракета H-IIA выкарыстоўвае ў якасці паліва «вадкі вадарод» і «вадкі кісларод», якія таксама знаходзяцца ў крыягенным стане. Гэтыя два аб'ядноўваюцца, і цеплавая энергія, якая выпрацоўваецца ў гэты час, паскарае ўпырск утвораных малекул вады, якія ляцяць у космас. Аднак, паколькі гэта тэхнічна складаны рухавік, за выключэннем Японіі толькі ЗША, Еўропа, Расія, Кітай і Індыя паспяхова аб'ядналі гэтае паліва.
Другое - выпрацоўка электраэнергіі. Газатурбінная вытворчасць энергіі таксама выкарыстоўвае метад аб'яднання вадароду і кіслароду для атрымання энергіі. Іншымі словамі, гэта метад, які разглядае цеплавую энергію, вырабленую вадародам. На цеплавых электрастанцыях цяпло ад спальвання вугалю, нафты і прыроднага газу вырабляе пар, які прыводзіць у рух турбіны. Калі ў якасці крыніцы цяпла выкарыстоўваць вадарод, электрастанцыя будзе вугляродна-нейтральнай.

Як выкарыстоўваць вадарод? Выкарыстоўваецца як паліўны элемент

Іншы спосаб выкарыстоўваць вадарод у якасці паліўнага элемента, які ператварае вадарод непасрэдна ў электрычнасць. У прыватнасці, Toyota прыцягнула ўвагу ў Японіі, рэкламуючы транспартныя сродкі, якія працуюць на вадародзе, а не электрамабілі (EV) у якасці альтэрнатывы бензінавым аўтамабілям у рамках мер па барацьбе з глабальным пацяпленнем.
У прыватнасці, мы робім зваротную працэдуру, калі ўводзім метад вытворчасці «зялёнага вадароду». Хімічная формула наступная.
Вадарод можа генераваць ваду (гарачую ваду або пару) пры выпрацоўцы электрычнасці, і гэта можна ацаніць, таму што ён не стварае цяжару для навакольнага асяроддзя. З іншага боку, гэты метад мае адносна нізкую эфектыўнасць вытворчасці электраэнергіі ў 30-40%, і патрабуе плаціны ў якасці каталізатара, што патрабуе дадатковых выдаткаў.
У цяперашні час мы выкарыстоўваем паліўныя элементы з палімерным электралітам (PEFC) і паліўныя элементы з фосфарнай кіслатой (PAFC). У прыватнасці, транспартныя сродкі на паліўных элементах выкарыстоўваюць PEFC, таму можна чакаць, што ён будзе распаўсюджвацца ў будучыні.

Ці бяспечна захоўванне і транспарціроўка вадароду?

Мы думаем, што цяпер вы разумееце, як вырабляецца і выкарыстоўваецца вадарод. Такім чынам, як вы захоўваеце гэты вадарод? Як даставіць яго туды, куды трэба? Што з бяспекай у той час? Мы растлумачым.
На самай справе вадарод таксама вельмі небяспечны элемент. У пачатку 20-га стагоддзя мы выкарыстоўвалі вадарод у якасці газу, каб пускаць у неба паветраныя шары, паветраныя шары і дырыжаблі, таму што ён быў вельмі лёгкім. Аднак 6 мая 1937 года ў Нью-Джэрсі, ЗША, адбыўся «выбух дырыжабля «Гіндэнбург».
Пасля аварыі было шырока прызнана, што вадарод небяспечны. Асабліва калі ён загарыцца, ён моцна выбухне кіслародам. Такім чынам, вельмі важна «трымацца далей ад кіслароду» або «трымацца далей ад цяпла».
Прыняўшы гэтыя меры, мы прыдумалі спосаб дастаўкі.
Вадарод - гэта газ пры пакаёвай тэмпературы, таму, нягледзячы на ​​​​тое, што ён застаецца газам, ён вельмі грувасткі. Першы метад заключаецца ў прымяненні высокага ціску і сціску, як цыліндр, пры падрыхтоўцы газаваных напояў. Падрыхтуйце спецыяльны бак высокага ціску і захоўвайце яго ва ўмовах высокага ціску, напрыклад 45 МПа.
Toyota, якая займаецца распрацоўкай аўтамабіляў на паліўных элементах (FCV), распрацоўвае палімерны бак вадароду высокага ціску, які можа вытрымліваць ціск 70 МПа.
Іншы спосаб - астуджэнне да -253°C для атрымання вадкага вадароду, захоўванне і транспарціроўка ў спецыяльных цеплаізаляваных рэзервуарах. Як і СПГ (звадкаваны прыродны газ), калі прыродны газ імпартуецца з-за мяжы, вадарод звадкоўваецца падчас транспарціроўкі, памяншаючы яго аб'ём да 1/800 яго газападобнага стану. У 2020 годзе мы скончылі стварэнне першага ў свеце вадкага вадароду. Аднак гэты падыход не падыходзіць для аўтамабіляў на паліўных элементах, таму што для астуджэння патрабуецца шмат энергіі.
Ёсць такі метад захоўвання і дастаўкі ў рэзервуарах, як гэты, але мы таксама распрацоўваем іншыя метады захоўвання вадароду.
Метад захоўвання заключаецца ў выкарыстанні сплаваў для захоўвання вадароду. Вадарод мае ўласцівасць пранікаць у металы і пагаршаць іх. Гэта парада для распрацоўкі, якая была распрацавана ў Злучаных Штатах у 1960-х гадах. JJ Reilly і інш. Эксперыменты паказалі, што вадарод можна захоўваць і вылучаць з дапамогай сплаву магнію і ванадыя.
Пасля гэтага ён паспяхова распрацаваў такое рэчыва, як паладый, якое можа паглынаць вадарод у 935 разоў больш, чым уласны аб'ём.
Перавага выкарыстання гэтага сплаву ў тым, што ён можа прадухіліць аварыі з уцечкай вадароду (галоўным чынам выбух). Такім чынам, яго можна бяспечна захоўваць і транспартаваць. Аднак, калі вы не будзеце асцярожныя і пакінеце яго ў няправільным асяроддзі, сплавы для захоўвання вадароду з часам могуць вылучаць газападобны вадарод. Што ж, нават невялікая іскра можа выклікаць выбух, таму будзьце асцярожныя.
Ён таксама мае той недахоп, што паўторнае паглынанне і дэсорбцыя вадароду прыводзіць да далікатнасці і зніжае хуткасць паглынання вадароду.
Іншы - выкарыстоўваць трубы. Ёсць умова, што ён павінен быць несціснутым і з нізкім ціскам, каб прадухіліць далікатнасць труб, але перавага ў тым, што можна выкарыстоўваць існуючыя газавыя трубы. Кампанія Tokyo Gas правяла будаўнічыя работы на Harumi FLAG, выкарыстоўваючы гарадскія газаправоды для падачы вадароду ў паліўныя элементы.

Грамадства будучыні, створанае вадароднай энергетыкай

Нарэшце, давайце разгледзім ролю вадароду ў грамадстве.
Што яшчэ больш важна, мы хочам прасоўваць безвугляроднае грамадства, мы выкарыстоўваем вадарод для вытворчасці электрычнасці, а не ў якасці цеплавой энергіі.
Замест буйных цеплаэлектрастанцый некаторыя хатнія гаспадаркі ўкаранілі такія сістэмы, як ENE-FARM, якія выкарыстоўваюць вадарод, атрыманы шляхам рыфармавання прыроднага газу, для атрымання неабходнай электраэнергіі. Аднак пытанне, што рабіць з пабочнымі прадуктамі працэсу рэфармавання, застаецца адкрытым.

У будучыні, калі цыркуляцыя самага вадароду павялічыцца, напрыклад, павелічэнне колькасці вадародных АЗС, можна будзе выкарыстоўваць электрычнасць без выкідаў вуглякіслага газу. Электрычнасць вырабляе зялёны вадарод, вядома, таму ён выкарыстоўвае электрычнасць, выпрацаваную ад сонечнага святла або ветру. Магутнасць, якая выкарыстоўваецца для электролізу, павінна быць магутнасцю для падаўлення колькасці выпрацоўкі энергіі або для зарадкі акумулятарнай батарэі, калі ёсць лішак энергіі ад натуральнай энергіі. Іншымі словамі, вадарод знаходзіцца ў тым жа становішчы, што і акумулятар. Калі гэта адбудзецца, з часам можна будзе скараціць выпрацоўку цеплавой энергіі. Хутка набліжаецца дзень, калі рухавікі ўнутранага згарання знікнуць з аўтамабіляў.

Вадарод можна атрымаць і іншым шляхам. Фактычна, вадарод па-ранейшаму застаецца пабочным прадуктам вытворчасці каўстычнай соды. Акрамя ўсяго іншага, гэта пабочны прадукт вытворчасці коксу ў вытворчасці жалеза. Калі вы пакладзеце гэты вадарод у размеркаванне, вы зможаце атрымаць некалькі крыніц. Атрыманы такім чынам вадарод таксама пастаўляецца вадароднымі станцыямі.

Зазірнем далей у будучыню. Колькасць страчанай энергіі таксама з'яўляецца праблемай метаду перадачы, які выкарыстоўвае драты для падачы энергіі. Такім чынам, у будучыні мы будзем выкарыстоўваць вадарод, які пастаўляецца па трубаправодах, гэтак жа, як рэзервуары з вугальнай кіслатой, якія выкарыстоўваюцца для вырабу газаваных напояў, і купляць вадародны бак дома, каб выпрацоўваць электрычнасць для кожнай сям'і. Мабільныя прылады, якія працуюць ад вадародных акумулятараў, становяцца звычайнай з'явай. Цікава будзе пабачыць такую ​​будучыню.