Мы представим «водород», новое поколение энергии, нейтральное по выбросам углерода. 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 элементов, методы хранения/транспортировки и методы использования. И я также объясню, почему это доминирующий источник энергии следующего поколения.
Электролиз воды для получения зеленого водорода
При использовании водорода в любом случае важно «производить водород». Самый простой способ – «электролиз воды». Может быть, вы учились в начальной школе по естествознанию. Наполните стакан водой и электроды в воде. Когда батарея подключена к электродам и находится под напряжением, в воде и в каждом электроде происходят следующие реакции.
На катоде H+ и электроны объединяются с образованием газообразного водорода, а на аноде образуется кислород. Тем не менее, этот подход подходит для школьных научных экспериментов, но для промышленного производства водорода необходимо подготовить эффективные механизмы, подходящие для крупномасштабного производства. Это «электролиз с полимерной электролитной мембраной (ПЭМ)».
В этом методе между анодом и катодом помещается полимерная полупроницаемая мембрана, позволяющая проходить ионам водорода. Когда на анод устройства наливается вода, ионы водорода, образующиеся в результате электролиза, перемещаются через полупроницаемую мембрану к катоду, где становятся молекулярным водородом. С другой стороны, ионы кислорода не могут пройти через полупроницаемую мембрану и стать 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. При этом также выделяется значительное количество кислорода (половина объема производимого водорода), поэтому его выброс в атмосферу не окажет вредного воздействия на окружающую среду. Однако электролиз требует много электроэнергии, поэтому безуглеродный водород можно производить, если его производить с использованием электричества, в котором не используется ископаемое топливо, например, ветряные турбины и солнечные панели.
Вы можете получить «зеленый водород» путем электролиза воды с использованием чистой энергии.
Существует также генератор водорода для крупномасштабного производства этого зеленого водорода. Используя PEM в секции электролизера, можно производить водород непрерывно.
Голубой водород, полученный из ископаемого топлива
Итак, каковы еще 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, отняв этот водород.
Одним из них является процесс, называемый «паровой конверсией метана», в котором используется пар. Химическая формула этого метода следующая.
Как видите, из одной молекулы метана можно извлечь окись углерода и водород.
Таким образом, водород можно производить с помощью таких процессов, как «паровой риформинг» и «пиролиз» природного газа и угля. «Голубой водород» относится к водороду, полученному таким способом.
Однако в этом случае в качестве побочных продуктов образуются окись углерода и диоксид углерода. Поэтому вам придется перерабатывать их, прежде чем они попадут в атмосферу. Побочный диоксид углерода, если его не восстановить, превращается в газообразный водород, известный как «серый водород».
Что за элемент представляет собой водород?
Водород имеет атомный номер 1 и является первым элементом в таблице Менделеева.
Число атомов является самым большим во Вселенной, составляя около 90% всех элементов во Вселенной. Самый маленький атом, состоящий из протона и электрона, — это атом водорода.
Водород имеет два изотопа, к ядру которых прикреплены нейтроны. Один нейтронно-связанный «дейтерий» и два нейтронно-связанных «трития». Это также материалы для получения термоядерной энергии.
Внутри такой звезды, как Солнце, происходит ядерный синтез водорода с гелием, который является источником энергии для сияния 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 — легкий элемент, то с повышением температуры скорость движения молекул водорода увеличивается, и он уходит из-под земного притяжения в космическое пространство.
Как использовать водород? Использование путем сжигания
Тогда как же используется «водород», который привлек внимание всего мира как источник энергии следующего поколения? Его используют двумя основными способами: «сгорание» и «топливный элемент». Начнем с использования слова «burn».
Используются два основных типа горения.
Первый — в качестве ракетного топлива. Японская ракета H-IIA использует в качестве топлива водородный газ «жидкий водород» и «жидкий кислород», который также находится в криогенном состоянии. Эти два фактора объединяются, и генерируемая в это время тепловая энергия ускоряет впрыск образовавшихся молекул воды, летящих в космос. Однако, поскольку это технически сложный двигатель, кроме Японии, только США, Европа, Россия, Китай и Индия успешно совмещают это топливо.
Второе – производство электроэнергии. В газовых турбинах также используется метод объединения водорода и кислорода для выработки энергии. Другими словами, это метод, который учитывает 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 будет использоваться водород, электростанция будет углеродно-нейтральной.
Как использовать водород? Используется в качестве топливного элемента
Другой способ использования водорода — это топливный элемент, который преобразует водород непосредственно в электричество. В частности, Toyota привлекла внимание Японии, рекламируя автомобили, работающие на водороде, вместо электромобилей (EV) в качестве альтернативы бензиновым автомобилям в рамках своих мер по противодействию глобальному потеплению.
В частности, мы проделываем обратную процедуру, когда внедряем метод производства «зеленого водорода». Химическая формула следующая.
Водород может генерировать воду (горячую воду или пар) при выработке электроэнергии, и его можно оценить, поскольку он не наносит нагрузки на окружающую среду. С другой стороны, этот метод имеет относительно низкий КПД выработки электроэнергии (30-40%) и требует использования платины в качестве катализатора, что требует увеличения затрат.
В настоящее время мы используем топливные элементы с полимерным электролитом (PEFC) и топливные элементы на фосфорной кислоте (PAFC). В частности, в автомобилях на топливных элементах используется PEFC, поэтому можно ожидать его распространения в будущем.
Безопасно ли хранение и транспортировка водорода?
Мы думаем, что теперь вы понимаете, как производится и используется газообразный водород. Так как же хранить этот водород? Как доставить его туда, где он вам нужен? А как насчет безопасности в то 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 стало широко признано, что газообразный водород опасен. Особенно когда он загорается, он сильно взрывается вместе с кислородом. Поэтому важно «держаться вдали от кислорода» или «держаться вдали от тепла».
После принятия этих мер мы придумали способ доставки.
Водород — это газ при комнатной температуре, поэтому, хотя он и остается газом, он очень объемный. Первый метод — применить высокое давление и сжать, как цилиндр, при приготовлении газированных напитков. Подготовьте специальный резервуар высокого давления и храните его в условиях высокого давления, например 45 МПа.
Toyota, которая разрабатывает автомобили на топливных элементах (FCV), разрабатывает полимерный бак для водорода высокого давления, способный выдерживать давление 70 МПа.
Другой метод — охлаждение до -253°C для получения жидкого водорода, хранение и транспортировка его в специальных теплоизолированных резервуарах. Как и СПГ (сжиженный природный газ), когда природный газ импортируется из-за границы, водород при транспортировке сжижается, уменьшая его объем до 1/800 от газообразного состояния. В 2020 году мы завершили строительство первого в мире носителя жидкого водорода. Однако этот подход не подходит для автомобилей на топливных элементах, поскольку для охлаждения требуется много энергии.
Существует способ хранения и транспортировки водорода в таких емкостях, но мы разрабатываем и другие способы хранения водорода.
Метод хранения заключается в использовании сплавов для хранения водорода. Водород обладает свойством проникать в металлы и разрушать их. Это совет по развитию, который был разработан в Соединенных Штатах в 1960-х годах. Дж. Дж. Рейли и др. Эксперименты показали, что водород можно хранить и выделять с помощью сплава магния и ванадия.
После этого он успешно разработал такое вещество, как палладий, которое способно поглощать водород в 935 раз больше собственного объема.
Преимущество использования этого сплава заключается в том, что он может предотвратить несчастные случаи, связанные с утечкой водорода (в основном, взрывы). 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 газообразный водород. Что ж, даже небольшая искра может стать причиной взрыва, поэтому будьте осторожны.
Он также имеет тот недостаток, что повторяющаяся абсорбция и десорбция водорода приводят к охрупчиванию и снижению скорости абсорбции водорода.
Другой вариант — использовать трубы. Есть условие: он должен быть несжатым и иметь низкое давление, чтобы предотвратить охрупчивание труб, но преимущество состоит в том, что можно использовать существующие газовые трубы. Компания Tokyo Gas провела строительные работы на Harumi FLAG, используя городские газопроводы для подачи водорода в топливные элементы.
Общество будущего, созданное водородной энергетикой
Наконец, давайте рассмотрим роль, которую водород может играть в обществе.
Что еще более важно, мы хотим продвигать общество, свободное от выбросов углекислого газа, мы используем водород для производства электроэнергии, а не в качестве тепловой энергии.
Вместо крупных тепловых электростанций некоторые домохозяйства внедрили такие системы, как ENE-FARM, которые используют водород, полученный путем риформинга природного газа, для выработки необходимой электроэнергии. Однако остается вопрос, что делать с побочными продуктами процесса реформирования.
В будущем, если циркуляция самого водорода увеличится, например, за счет увеличения количества водородных заправочных станций, можно будет использовать электроэнергию без выбросов углекислого газа. Разумеется, электричество производит зеленый водород, поэтому используется электричество, вырабатываемое солнечным светом или ветром. Мощность, используемая для электролиза, должна быть мощностью для подавления выработки электроэнергии или для зарядки аккумуляторной батареи, когда имеется избыток энергии за счет природной энергии. Другими словами, водород находится в том же положении, что и аккумуляторная батарея. Если это произойдет, со временем появится возможность сократить выработку тепловой энергии. День, когда двигатель внутреннего сгорания исчезнет из автомобилей, быстро приближается.
Водород можно получить и другим путем. Фактически, водород до сих пор является побочным продуктом производства каустической соды. Помимо прочего, это побочный продукт производства кокса в чугунолитейном производстве. Если вы поместите этот водород в систему распределения, вы сможете получить несколько источников. Водород, полученный таким способом, также поставляется водородными станциями.
Давайте заглянем дальше в будущее. Количество потерянной энергии также является проблемой, связанной с методом передачи, при котором для подачи энергии используются провода. Поэтому в будущем мы будем использовать водород, доставляемый по трубопроводам, так же, как резервуары с углекислотой, используемые при приготовлении газированных напитков, и покупать дома резервуар с водородом, чтобы вырабатывать электроэнергию для каждого дома. Мобильные устройства, работающие на водородных батареях, становятся обычным явлением. Будет интересно увидеть такое будущее.
Время публикации: 08 июня 2023 г.
