О водородной энергии следующего поколения

Мы познакомим вас с «водородом» — следующим поколением энергии, которая является углеродно-нейтральной. Водород делится на три типа: «зеленый водород», «синий водород» и «серый водород», каждый из которых имеет свой метод производства. Мы также объясним каждый метод производства, физические свойства как элементов, методы хранения/транспортировки и методы использования. И я также расскажу, почему это доминирующий источник энергии следующего поколения.

Электролиз воды для получения зеленого водорода

При использовании водорода важно «производить водород» в любом случае. Самый простой способ — «электролизовать воду». Возможно, вы делали это на уроках естествознания в начальной школе. Наполните стакан водой, а электроды — водой. Когда батарея подключена к электродам и запитана, в воде и в каждом электроде происходят следующие реакции.
На катоде H+ и электроны объединяются, образуя водородный газ, в то время как анод производит кислород. Тем не менее, этот подход хорош для школьных научных экспериментов, но для промышленного производства водорода необходимо подготовить эффективные механизмы, подходящие для крупномасштабного производства. Это «электролиз полимерной электролитной мембраны (ПЭМ)».
В этом методе полимерная полупроницаемая мембрана, которая пропускает ионы водорода, помещается между анодом и катодом. Когда вода заливается в анод устройства, ионы водорода, полученные в результате электролиза, перемещаются через полупроницаемую мембрану к катоду, где они становятся молекулярным водородом. С другой стороны, ионы кислорода не могут пройти через полупроницаемую мембрану и становятся молекулами кислорода на аноде.
Также при электролизе щелочной воды вы создаете водород и кислород, разделяя анод и катод через сепаратор, через который могут проходить только гидроксид-ионы. Кроме того, существуют промышленные методы, такие как высокотемпературный паровой электролиз.
Выполняя эти процессы в больших масштабах, можно получить большие количества водорода. В процессе также производится значительное количество кислорода (половина объема произведенного водорода), так что он не окажет неблагоприятного воздействия на окружающую среду при выбросе в атмосферу. Однако электролиз требует большого количества электроэнергии, поэтому водород без углерода может быть получен, если он производится с помощью электроэнергии, которая не использует ископаемое топливо, например, ветряные турбины и солнечные панели.
«Зеленый водород» можно получить путем электролиза воды с использованием чистой энергии.

Также имеется генератор водорода для крупномасштабного производства этого зеленого водорода. Используя PEM в секции электролизера, водород может производиться непрерывно.

Синий водород, полученный из ископаемого топлива

Итак, какие еще есть способы получения водорода? Водород существует в ископаемом топливе, таком как природный газ и уголь, в виде веществ, отличных от воды. Например, рассмотрим метан (CH4), основной компонент природного газа. Здесь четыре атома водорода. Вы можете получить водород, удалив этот водород.
Одним из них является процесс, называемый «паровой риформинг метана», который использует пар. Химическая формула этого метода выглядит следующим образом.
Как видите, из одной молекулы метана можно извлечь оксид углерода и водород.
Таким образом, водород может быть получен посредством таких процессов, как «паровой риформинг» и «пиролиз» природного газа и угля. «Голубой водород» относится к водороду, полученному таким образом.
Однако в этом случае в качестве побочных продуктов образуются оксид углерода и диоксид углерода. Поэтому их необходимо перерабатывать до того, как они попадут в атмосферу. Побочный продукт диоксид углерода, если его не извлечь, становится водородным газом, известным как «серый водород».

Что за элемент — водород?

Водород имеет атомный номер 1 и является первым элементом в периодической таблице.
Число атомов является наибольшим во вселенной, составляя около 90% всех элементов во вселенной. Самый маленький атом, состоящий из протона и электрона, — это атом водорода.
Водород имеет два изотопа с нейтронами, прикрепленными к ядру. Один связанный нейтронами «дейтерий» и два связанных нейтронами «тритий». Это также материалы для термоядерной энергетики.
Внутри такой звезды, как Солнце, происходит ядерный синтез водорода с образованием гелия, который является источником энергии, необходимой для свечения звезды.
Однако водород редко существует в виде газа на Земле. Водород образует соединения с другими элементами, такими как вода, метан, аммиак и этанол. Поскольку водород является легким элементом, с повышением температуры скорость движения молекул водорода увеличивается, и он выходит из-под гравитации Земли в открытый космос.

Как использовать водород? Использование путем сжигания

Итак, как используется «водород», который привлек внимание всего мира как источник энергии следующего поколения? Он используется двумя основными способами: «сжигание» и «топливный элемент». Начнем с использования «горения».
Используются два основных типа сжигания.
Первый — как ракетное топливо. Японская ракета H-IIA использует в качестве топлива водородный газ «жидкий водород» и «жидкий кислород», который также находится в криогенном состоянии. Эти два компонента объединяются, и тепловая энергия, вырабатываемая в это время, ускоряет впрыскивание образующихся молекул воды, улетая в космос. Однако, поскольку это технически сложный двигатель, за исключением Японии, только США, Европа, Россия, Китай и Индия успешно объединили это топливо.
Второе — это выработка электроэнергии. Газотурбинная выработка электроэнергии также использует метод соединения водорода и кислорода для выработки энергии. Другими словами, это метод, который рассматривает тепловую энергию, вырабатываемую водородом. На тепловых электростанциях тепло от сжигания угля, нефти и природного газа производит пар, который приводит в движение турбины. Если в качестве источника тепла используется водород, электростанция будет углеродно-нейтральной.

Как использовать водород? Использование в качестве топливного элемента

Другой способ использования водорода — топливный элемент, который преобразует водород непосредственно в электричество. В частности, Toyota привлекла внимание в Японии, рекламируя автомобили на водородном топливе вместо электромобилей (EV) в качестве альтернативы бензиновым автомобилям в рамках своих мер по борьбе с глобальным потеплением.
В частности, мы делаем обратную процедуру, когда внедряем метод производства «зеленого водорода». Химическая формула выглядит следующим образом.
Водород может генерировать воду (горячую воду или пар) при производстве электроэнергии, и его можно оценить, поскольку он не наносит вреда окружающей среде. С другой стороны, этот метод имеет относительно низкую эффективность производства электроэнергии 30-40% и требует платины в качестве катализатора, что требует повышенных затрат.
В настоящее время мы используем полимерные электролитные топливные элементы (PEFC) и фосфорно-кислотные топливные элементы (PAFC). В частности, транспортные средства на топливных элементах используют PEFC, поэтому можно ожидать его распространения в будущем.

Безопасно ли хранение и транспортировка водорода?

К настоящему моменту, мы думаем, вы понимаете, как производится и используется водородный газ. Так как же хранить этот водород? Как доставить его туда, где он вам нужен? А как насчет безопасности в это время? Мы объясним.
На самом деле водород также является очень опасным элементом. В начале 20 века мы использовали водород в качестве газа для запуска в небо воздушных шаров, воздушных шаров и дирижаблей, потому что он был очень легким. Однако 6 мая 1937 года в Нью-Джерси, США, произошел «взрыв дирижабля Гинденбург».
После аварии широко признано, что водородный газ опасен. Особенно когда он загорается, он бурно взрывается с кислородом. Поэтому «держать подальше от кислорода» или «держать подальше от тепла» имеет важное значение.
Приняв эти меры, мы придумали способ доставки.
Водород при комнатной температуре находится в газообразном состоянии, поэтому, хотя он все еще является газом, он очень объемный. Первый метод заключается в применении высокого давления и сжатии как цилиндра при приготовлении газированных напитков. Подготовьте специальный резервуар высокого давления и храните его в условиях высокого давления, например, 45 МПа.
Компания Toyota, занимающаяся разработкой автомобилей на топливных элементах (FCV), разрабатывает смоляной водородный бак высокого давления, способный выдерживать давление 70 МПа.
Другой метод — охлаждение до -253°C для получения жидкого водорода, его хранение и транспортировка в специальных теплоизолированных резервуарах. Как и в случае с СПГ (сжиженным природным газом), когда природный газ импортируется из-за рубежа, водород сжижается во время транспортировки, уменьшая свой объем до 1/800 от газообразного состояния. В 2020 году мы завершили первый в мире носитель жидкого водорода. Однако этот подход не подходит для транспортных средств на топливных элементах, поскольку для его охлаждения требуется много энергии.
Существует метод хранения и транспортировки в таких резервуарах, но мы также разрабатываем другие методы хранения водорода.
Метод хранения заключается в использовании сплавов для хранения водорода. Водород обладает свойством проникать в металлы и разрушать их. Это направление развития было разработано в Соединенных Штатах в 1960-х годах. JJ Reilly et al. Эксперименты показали, что водород можно хранить и выделять с помощью сплава магния и ванадия.
После этого ему удалось создать вещество, такое как палладий, способное поглощать водород в 935 раз больше своего собственного объема.
Преимущество использования этого сплава в том, что он может предотвратить несчастные случаи с утечкой водорода (в основном, несчастные случаи со взрывом). Поэтому его можно безопасно хранить и транспортировать. Однако, если вы не будете осторожны и оставите его в неправильной среде, сплавы для хранения водорода могут со временем выделять водородный газ. Ну, даже маленькая искра может вызвать несчастный случай со взрывом, так что будьте осторожны.
Недостатком также является то, что многократное поглощение и десорбция водорода приводит к охрупчиванию и снижению скорости поглощения водорода.
Другой вариант — использовать трубы. Есть условие, что они должны быть несжатыми и низкого давления, чтобы предотвратить охрупчивание труб, но преимущество в том, что можно использовать существующие газовые трубы. Tokyo Gas выполнила строительные работы на Harumi FLAG, используя городские газопроводы для подачи водорода в топливные элементы.

Будущее общество, созданное водородной энергетикой

Наконец, давайте рассмотрим, какую роль водород может играть в обществе.
Что еще важнее, мы хотим способствовать созданию общества, свободного от углерода, поскольку мы используем водород для выработки электроэнергии, а не тепловой энергии.
Вместо крупных тепловых электростанций некоторые домохозяйства внедрили такие системы, как ENE-FARM, которые используют водород, полученный путем реформинга природного газа, для выработки необходимой электроэнергии. Однако вопрос о том, что делать с побочными продуктами процесса реформинга, остается открытым.

В будущем, если циркуляция самого водорода увеличится, например, за счет увеличения количества водородных заправочных станций, можно будет использовать электричество без выбросов углекислого газа. Электричество производит зеленый водород, конечно, поэтому оно использует электричество, вырабатываемое из солнечного света или ветра. Мощность, используемая для электролиза, должна быть мощностью для подавления количества вырабатываемой электроэнергии или для зарядки аккумуляторной батареи, когда есть избыток мощности от природной энергии. Другими словами, водород находится в том же положении, что и аккумуляторная батарея. Если это произойдет, в конечном итоге можно будет сократить выработку тепловой энергии. День, когда двигатель внутреннего сгорания исчезнет из автомобилей, быстро приближается.

Водород можно получить и другим путем. Фактически, водород все еще является побочным продуктом производства каустической соды. Среди прочего, это побочный продукт производства кокса в производстве чугуна. Если вы поместите этот водород в распределение, вы сможете получить несколько источников. Водородный газ, полученный таким образом, также поставляется водородными станциями.

Давайте заглянем дальше в будущее. Количество потерянной энергии также является проблемой при методе передачи, который использует провода для подачи питания. Поэтому в будущем мы будем использовать водород, поставляемый по трубопроводам, как и баллоны с углекислотой, используемые при изготовлении газированных напитков, и покупать баллон с водородом домой, чтобы вырабатывать электроэнергию для каждого домохозяйства. Мобильные устройства, работающие на водородных батареях, становятся обычным явлением. Интересно будет увидеть такое будущее.