Keyingi avlod energiyasi vodorod haqida

Biz uglerod neytral bo'lgan keyingi avlod energiyasi bo'lgan "vodorod" ni tanishtiramiz. Vodorod uch turga bo'linadi: "yashil vodorod", "ko'k vodorod" va "kulrang vodorod", ularning har biri turli xil ishlab chiqarish usuliga ega. Shuningdek, biz har bir ishlab chiqarish usulini, elementlar sifatida fizik xususiyatlarini, saqlash/tashish usullarini va foydalanish usullarini tushuntiramiz. Shuningdek, men nima uchun u keyingi avlod dominant energiya manbai ekanligini ham aytib o'taman.

Yashil vodorod ishlab chiqarish uchun suvning elektrolizi

Vodoroddan foydalanganda, baribir "vodorod ishlab chiqarish" muhimdir. Eng oson yo'li - "suvni elektroliz qilish". Balki siz boshlang'ich maktab fanida shunday qilgandirsiz. Stakanni suv va elektrodlar bilan to'ldiring. Batareya elektrodlarga ulanganda va quvvatlantirilganda, suvda va har bir elektrodda quyidagi reaksiyalar sodir bo'ladi.
Katodda H+ va elektronlar birlashib, vodorod gazini hosil qiladi, anod esa kislorod ishlab chiqaradi. Shunga qaramay, bu yondashuv maktab ilmiy tajribalari uchun juda mos keladi, ammo sanoat miqyosida vodorod ishlab chiqarish uchun keng ko'lamli ishlab chiqarish uchun mos keladigan samarali mexanizmlarni tayyorlash kerak. Bu "polimer elektrolit membranasi (PEM) elektrolizi".
Bu usulda anod va katod orasiga vodorod ionlarining o'tishini ta'minlaydigan polimer yarim o'tkazuvchan membrana joylashtiriladi. Qurilmaning anodiga suv quyilganda, elektroliz natijasida hosil bo'lgan vodorod ionlari yarim o'tkazuvchan membrana orqali katodga o'tadi va u yerda molekulyar vodorodga aylanadi. Boshqa tomondan, kislorod ionlari yarim o'tkazuvchan membranadan o'tib, anodda kislorod molekulalariga aylana olmaydi.
Shuningdek, ishqoriy suv elektrolizida siz anod va katodni faqat gidroksid ionlari o'tishi mumkin bo'lgan separator orqali ajratish orqali vodorod va kislorod hosil qilasiz. Bundan tashqari, yuqori haroratli bug' elektrolizi kabi sanoat usullari mavjud.
Ushbu jarayonlarni keng miqyosda amalga oshirish orqali ko'p miqdorda vodorod olish mumkin. Jarayon davomida sezilarli miqdorda kislorod ham ishlab chiqariladi (hosil bo'lgan vodorod hajmining yarmi), shuning uchun atmosferaga chiqarilsa, u atrof-muhitga salbiy ta'sir ko'rsatmaydi. Biroq, elektroliz juda ko'p elektr energiyasini talab qiladi, shuning uchun uglerodsiz vodorod shamol turbinalari va quyosh panellari kabi qazilma yoqilg'ilardan foydalanmaydigan elektr energiyasi bilan ishlab chiqarilsa, ishlab chiqarilishi mumkin.
Toza energiya yordamida suvni elektroliz qilish orqali "yashil vodorod" ni olish mumkin.

Ushbu yashil vodorodni keng ko'lamda ishlab chiqarish uchun vodorod generatori ham mavjud. Elektrolizator bo'limida PEM dan foydalanish orqali vodorodni uzluksiz ishlab chiqarish mumkin.

Qazilma yoqilg'ilardan olingan moviy vodorod

Xo'sh, vodorodni ishlab chiqarishning yana qanday usullari mavjud? Vodorod tabiiy gaz va ko'mir kabi qazilma yoqilg'ilarda suvdan tashqari boshqa moddalar sifatida mavjud. Masalan, tabiiy gazning asosiy komponenti bo'lgan metan (CH4) ni ko'rib chiqing. Bu yerda to'rtta vodorod atomi mavjud. Siz bu vodorodni ajratib olish orqali vodorodni olishingiz mumkin.
Ulardan biri bug'dan foydalanadigan "bug' metanini isloh qilish" deb nomlangan jarayondir. Ushbu usulning kimyoviy formulasi quyidagicha.
Ko'rib turganingizdek, uglerod oksidi va vodorodni bitta metan molekulasidan ajratib olish mumkin.
Shu tarzda, vodorodni "bug' bilan isloh qilish" va tabiiy gaz va ko'mirni "pirolizlash" kabi jarayonlar orqali ishlab chiqarish mumkin. "Moviy vodorod" shu tarzda ishlab chiqarilgan vodorodni anglatadi.
Biroq, bu holda, uglerod oksidi va karbonat angidrid qo'shimcha mahsulotlar sifatida ishlab chiqariladi. Shuning uchun siz ularni atmosferaga chiqarilishidan oldin qayta ishlashingiz kerak. Qo'shimcha mahsulot bo'lgan karbonat angidrid, agar qaytarib olinmasa, "kulrang vodorod" deb nomlanuvchi vodorod gaziga aylanadi.

Vodorod qanday element?

Vodorodning atom raqami 1 ga teng va davriy jadvaldagi birinchi elementdir.
Atomlar soni koinotdagi eng katta bo'lib, koinotdagi barcha elementlarning taxminan 90% ni tashkil qiladi. Proton va elektrondan iborat eng kichik atom vodorod atomidir.
Vodorod yadroga biriktirilgan neytronlarga ega ikkita izotopga ega. Bitta neytron bilan bog'langan "deuteriy" va ikkita neytron bilan bog'langan "tritiy". Bular, shuningdek, termoyadroviy energiya ishlab chiqarish uchun materiallardir.
Quyosh kabi yulduz ichida vodoroddan geliyga yadro sintezi sodir bo'ladi, bu esa yulduzning porlashi uchun energiya manbai hisoblanadi.
Biroq, vodorod Yerda kamdan-kam hollarda gaz shaklida mavjud. Vodorod suv, metan, ammiak va etanol kabi boshqa elementlar bilan birikmalar hosil qiladi. Vodorod yengil element bo'lgani uchun, harorat ko'tarilishi bilan vodorod molekulalarining harakat tezligi oshadi va Yerning tortishish kuchidan kosmosga chiqib ketadi.

Vodoroddan qanday foydalanish kerak? Yonish orqali foydalanish

Xo'sh, keyingi avlod energiya manbai sifatida butun dunyo e'tiborini tortgan "vodorod" qanday ishlatiladi? U ikkita asosiy usulda qo'llaniladi: "yonish" va "yoqilg'i xujayrasi". Keling, "yonish" so'zidan boshlaylik.
Yonishning ikkita asosiy turi qo'llaniladi.
Birinchisi raketa yoqilg'isi sifatida. Yaponiyaning H-IIA raketasi yoqilg'i sifatida vodorod gazi "suyuq vodorod" va kriogen holatda bo'lgan "suyuq kislorod" dan foydalanadi. Bu ikkalasi birlashtirilgan va o'sha paytda hosil bo'lgan issiqlik energiyasi hosil bo'lgan suv molekulalarining in'ektsiyasini tezlashtiradi va kosmosga uchadi. Biroq, bu texnik jihatdan qiyin dvigatel bo'lgani uchun, Yaponiyadan tashqari, faqat AQSh, Yevropa, Rossiya, Xitoy va Hindiston bu yoqilg'ini muvaffaqiyatli birlashtirdilar.
Ikkinchisi - elektr energiyasi ishlab chiqarish. Gaz turbinasi elektr energiyasi ishlab chiqarishda energiya ishlab chiqarish uchun vodorod va kislorodni birlashtirish usuli ham qo'llaniladi. Boshqacha qilib aytganda, bu vodorod tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik energiyasini ko'rib chiqadigan usul. Issiqlik elektr stansiyalarida ko'mir, neft va tabiiy gazni yoqishdan chiqadigan issiqlik turbinalarni harakatga keltiradigan bug' hosil qiladi. Agar vodorod issiqlik manbai sifatida ishlatilsa, elektr stansiyasi uglerod neytral bo'ladi.

Vodoroddan qanday foydalanish kerak? Yoqilg'i xujayrasi sifatida ishlatiladi

Vodoroddan foydalanishning yana bir usuli - bu vodorodni to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantiradigan yoqilg'i xujayrasi sifatida. Xususan, Toyota global isishga qarshi choralar doirasida benzinli transport vositalariga alternativa sifatida elektr transport vositalari (EV) o'rniga vodorod yoqilg'isida ishlaydigan transport vositalarini targ'ib qilib, Yaponiyada e'tiborni tortdi.
Xususan, biz "yashil vodorod" ishlab chiqarish usulini joriy qilganimizda teskari protsedurani bajaramiz. Kimyoviy formula quyidagicha.
Vodorod elektr energiyasi ishlab chiqarish paytida suv (issiq suv yoki bug ') hosil qilishi mumkin va uni baholash mumkin, chunki u atrof-muhitga yuk tushirmaydi. Boshqa tomondan, bu usul nisbatan past energiya ishlab chiqarish samaradorligiga ega, ya'ni 30-40% va katalizator sifatida platinani talab qiladi, shuning uchun xarajatlarning ko'payishi talab etiladi.
Hozirda biz polimer elektrolit yonilg'i xujayralari (PEFC) va fosforik kislota yonilg'i xujayralaridan (PAFC) foydalanmoqdamiz. Xususan, yonilg'i xujayralari bilan ishlaydigan transport vositalari PEFC dan foydalanadi, shuning uchun kelajakda uning tarqalishi kutilmoqda.

Vodorodni saqlash va tashish xavfsizmi?

Hozirga kelib, siz vodorod gazining qanday ishlab chiqarilishi va ishlatilishini tushungan deb o'ylaymiz. Xo'sh, bu vodorodni qanday saqlaysiz? Uni kerakli joyga qanday olasiz? O'sha paytdagi xavfsizlik haqida nima deyish mumkin? Biz tushuntirib beramiz.
Darhaqiqat, vodorod ham juda xavfli elementdir. 20-asrning boshlarida biz vodoroddan havo sharlari, sharlar va dirijabllarni osmonda suzish uchun gaz sifatida foydalanganmiz, chunki u juda yengil edi. Biroq, 1937-yil 6-mayda AQShning Nyu-Jersi shtatida "Hindenburg dirijabl portlashi" sodir bo'ldi.
Baxtsiz hodisadan beri vodorod gazi xavfli ekanligi keng tan olingan. Ayniqsa, u yonib ketganda, u kislorod bilan kuchli portlaydi. Shuning uchun, "kisloroddan uzoqroq turing" yoki "issiqlikdan uzoqroq turing" juda muhimdir.
Ushbu choralarni ko'rgandan so'ng, biz yetkazib berish usulini o'ylab topdik.
Vodorod xona haroratida gazdir, shuning uchun u hali ham gaz bo'lsa ham, juda katta hajmga ega. Birinchi usul - gazlangan ichimliklar tayyorlashda yuqori bosimni qo'llash va silindr kabi siqish. Maxsus yuqori bosimli idish tayyorlang va uni 45Mpa kabi yuqori bosimli sharoitlarda saqlang.
Yoqilg'i xujayralari bilan ishlaydigan transport vositalarini (FCV) ishlab chiqaruvchi Toyota kompaniyasi 70 MPa bosimga bardosh bera oladigan qatronli yuqori bosimli vodorod bakini ishlab chiqmoqda.
Yana bir usul - suyuq vodorod hosil qilish uchun -253°C gacha sovutish va uni maxsus issiqlik izolyatsiyalangan baklarda saqlash va tashish. Chet eldan tabiiy gaz import qilinganda suyultirilgan tabiiy gaz (LNG) singari, vodorod ham tashish paytida suyultiriladi va uning hajmi gazsimon holatining 1/800 qismigacha kamayadi. 2020-yilda biz dunyodagi birinchi suyuq vodorod tashuvchisini ishlab chiqarishni yakunladik. Biroq, bu yondashuv yonilg'i xujayralari bilan ishlaydigan transport vositalari uchun mos emas, chunki uni sovutish uchun ko'p energiya talab etiladi.
Shunga o'xshash baklarda saqlash va jo'natish usuli mavjud, ammo biz vodorodni saqlashning boshqa usullarini ham ishlab chiqmoqdamiz.
Saqlash usuli vodorod saqlash qotishmalaridan foydalanishdir. Vodorod metallarga kirib, ularni parchalash xususiyatiga ega. Bu 1960-yillarda Qo'shma Shtatlarda ishlab chiqilgan rivojlanish bo'yicha maslahatdir. JJ Reilly va boshqalar. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, vodorodni magniy va vanadiy qotishmasi yordamida saqlash va ajratish mumkin.
Shundan so'ng, u o'z hajmidan 935 baravar ko'p vodorodni yuta oladigan palladiy kabi moddani muvaffaqiyatli ishlab chiqdi.
Ushbu qotishmadan foydalanishning afzalligi shundaki, u vodorod oqishining oldini oladi (asosan portlash hodisalari). Shuning uchun uni xavfsiz saqlash va tashish mumkin. Biroq, agar ehtiyot bo'lmasangiz va uni noto'g'ri muhitda qoldirsangiz, vodorod saqlash qotishmalari vaqt o'tishi bilan vodorod gazini chiqarishi mumkin. Xo'sh, hatto kichik uchqun ham portlash hodisasiga olib kelishi mumkin, shuning uchun ehtiyot bo'ling.
Shuningdek, uning takroriy vodorod yutish va desorbtsiyasi mo'rtlikka olib keladi va vodorod yutish tezligini pasaytiradi degan kamchiligi ham bor.
Ikkinchisi esa quvurlardan foydalanishdir. Quvurlarning mo'rtlashishini oldini olish uchun u siqilmagan va past bosimli bo'lishi shart, ammo afzalligi shundaki, mavjud gaz quvurlaridan foydalanish mumkin. Tokyo Gas kompaniyasi Harumi FLAGda qurilish ishlarini olib bordi va yonilg'i elementlariga vodorod yetkazib berish uchun shahar gaz quvurlaridan foydalandi.

Vodorod energiyasi tomonidan yaratilgan kelajak jamiyati

Nihoyat, vodorodning jamiyatda qanday rol o'ynashi mumkinligini ko'rib chiqaylik.
Eng muhimi, biz uglerodsiz jamiyatni targ'ib qilmoqchimiz, biz vodoroddan issiqlik energiyasi sifatida emas, balki elektr energiyasi ishlab chiqarish uchun foydalanamiz.
Yirik issiqlik elektr stansiyalari o'rniga, ba'zi uy xo'jaliklari zarur elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun tabiiy gazni isloh qilish orqali olingan vodoroddan foydalanadigan ENE-FARM kabi tizimlarni joriy etishdi. Biroq, isloh qilish jarayonining qo'shimcha mahsulotlari bilan nima qilish kerakligi haqidagi savol hali ham dolzarbligicha qolmoqda.

Kelajakda, agar vodorodning o'z aylanishi oshsa, masalan, vodorod yoqilg'i quyish shoxobchalari soni ko'paysa, karbonat angidrid chiqarmasdan elektr energiyasidan foydalanish mumkin bo'ladi. Elektr energiyasi, albatta, yashil vodorod ishlab chiqaradi, shuning uchun u quyosh nuri yoki shamoldan hosil bo'lgan elektr energiyasidan foydalanadi. Elektroliz uchun ishlatiladigan quvvat energiya ishlab chiqarish miqdorini bostirish yoki tabiiy energiyadan ortiqcha quvvat mavjud bo'lganda qayta zaryadlanuvchi batareyani zaryadlash quvvati bo'lishi kerak. Boshqacha qilib aytganda, vodorod qayta zaryadlanuvchi batareya bilan bir xil holatda bo'ladi. Agar bu sodir bo'lsa, oxir-oqibat issiqlik energiyasi ishlab chiqarishni kamaytirish mumkin bo'ladi. Ichki yonish dvigateli avtomobillardan yo'qolib ketadigan kun tez yaqinlashmoqda.

Vodorodni boshqa yo'l bilan ham olish mumkin. Aslida, vodorod hali ham kaustik soda ishlab chiqarishning qo'shimcha mahsuloti hisoblanadi. Boshqa narsalar qatori, u temir ishlab chiqarishda koks ishlab chiqarishning qo'shimcha mahsulotidir. Agar siz bu vodorodni tarqatishga qo'ysangiz, bir nechta manbalarni olishingiz mumkin bo'ladi. Shu tarzda ishlab chiqarilgan vodorod gazi ham vodorod stantsiyalari tomonidan ta'minlanadi.

Keling, kelajakka chuqurroq nazar tashlaylik. Yo'qotilgan energiya miqdori simlar orqali elektr energiyasini yetkazib berish usuli bilan ham bog'liq. Shuning uchun, kelajakda biz gazlangan ichimliklar tayyorlashda ishlatiladigan karbonat kislotasi baklari kabi quvurlar orqali yetkazib beriladigan vodoroddan foydalanamiz va har bir xonadon uchun elektr energiyasi ishlab chiqarish uchun uyda vodorod bakini sotib olamiz. Vodorod batareyalarida ishlaydigan mobil qurilmalar odatiy holga aylanib bormoqda. Bunday kelajakni ko'rish qiziqarli bo'ladi.