Keyingi avlod energiyasi vodorod haqida

Biz uglerod neytral energiyaning keyingi avlodi bo'lgan "vodorod" ni kiritamiz. Vodorod uch turga bo'linadi: "yashil vodorod", "ko'k vodorod" va "kulrang vodorod", ularning har biri boshqa ishlab chiqarish usuliga ega. Shuningdek, biz har bir ishlab chiqarish usulini, elementlar sifatida jismoniy xususiyatlarni, saqlash / tashish usullarini va foydalanish usullarini tushuntiramiz. Bundan tashqari, men nima uchun bu keyingi avlodning asosiy energiya manbai ekanligini tanishtiraman.

Yashil vodorod hosil qilish uchun suvning elektrolizi

Vodoroddan foydalanganda, baribir "vodorod ishlab chiqarish" muhim ahamiyatga ega. Eng oson yo'li - "suvni elektroliz qilish". Balki siz maktab fanida o'qigansiz. Stakanni suv va elektrodlarni suv bilan to'ldiring. Batareya elektrodlarga ulanganda va quvvat berilganda suvda va har bir elektrodda quyidagi reaktsiyalar sodir bo'ladi.
Katodda H+ va elektronlar vodorod gazini hosil qilish uchun birlashadi, anod esa kislorod hosil qiladi. Shunga qaramay, bu yondashuv maktab fanlari bo'yicha tajribalar uchun juda mos keladi, ammo vodorodni sanoatda ishlab chiqarish uchun keng miqyosli ishlab chiqarishga mos keladigan samarali mexanizmlarni tayyorlash kerak. Bu "polimer elektrolitlar membranasi (PEM) elektrolizi".
Ushbu usulda vodorod ionlarining o'tishini ta'minlaydigan polimer yarim o'tkazuvchan membrana anod va katod orasiga o'rnatiladi. Qurilmaning anodiga suv quyilganda, elektroliz natijasida hosil bo'lgan vodorod ionlari yarim o'tkazuvchan membrana orqali katodga o'tadi va u erda molekulyar vodorodga aylanadi. Boshqa tomondan, kislorod ionlari yarim o'tkazuvchan membranadan o'tolmaydi va anodda kislorod molekulasiga aylanadi.
Shuningdek, gidroksidi suv elektrolizida siz anod va katodni faqat gidroksid ionlari o'tishi mumkin bo'lgan ajratgich orqali ajratib, vodorod va kislorod hosil qilasiz. Bundan tashqari, yuqori haroratli bug 'elektrolizi kabi sanoat usullari mavjud.
Bu jarayonlarni keng miqyosda bajarish orqali katta miqdorda vodorod olish mumkin. Bu jarayonda kislorodning katta miqdori ham ishlab chiqariladi (ishlab chiqarilgan vodorod hajmining yarmi), shuning uchun u atmosferaga chiqarilsa, 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 qazib olinadigan yoqilg'idan foydalanmaydigan elektr energiyasi bilan ishlab chiqarilsa, ishlab chiqarilishi mumkin.
Toza energiya yordamida suvni elektroliz qilish orqali siz "yashil vodorod" ni olishingiz mumkin.

Ushbu yashil vodorodni keng ko'lamda ishlab chiqarish uchun vodorod generatori ham mavjud. Elektrolizator qismida PEMni qo'llash orqali vodorod uzluksiz ishlab chiqarilishi mumkin.

Ko'k vodorod qazib olinadigan yoqilg'idan olingan

Xo'sh, vodorodni olishning boshqa usullari qanday? Vodorod tabiiy gaz va ko'mir kabi qazib olinadigan yoqilg'ida suvdan boshqa moddalar sifatida mavjud. Masalan, tabiiy gazning asosiy komponenti bo'lgan metanni (CH4) ko'rib chiqing. Bu erda to'rtta vodorod atomi mavjud. Ushbu vodorodni chiqarib, vodorodni olishingiz mumkin.
Ulardan biri bug'dan foydalanadigan "bug' metanini isloh qilish" deb ataladigan jarayondir. Ushbu usulning kimyoviy formulasi quyidagicha.
Ko'rib turganingizdek, bitta metan molekulasidan uglerod oksidi va vodorodni olish mumkin.
Shu tarzda, vodorodni tabiiy gaz va ko'mirning "bug'ni isloh qilish" va "pirolizi" kabi jarayonlar orqali ishlab chiqarish mumkin. "Moviy vodorod" shu tarzda ishlab chiqarilgan vodorodga ishora qiladi.
Biroq, bu holda, uglerod oksidi va karbonat angidrid yon mahsulot sifatida ishlab chiqariladi. Shuning uchun ularni atmosferaga chiqarishdan oldin ularni qayta ishlashingiz kerak. Qo'shimcha mahsulot karbonat angidrid, agar qayta tiklanmasa, "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 element bo'lib, koinotdagi barcha elementlarning taxminan 90% ni tashkil qiladi. Proton va elektrondan tashkil topgan eng kichik atom vodorod atomidir.
Vodorod yadroga neytronlar biriktirilgan ikkita izotopga ega. Bir neytron bilan bog'langan "deyteriy" va ikkita neytron bilan bog'langan "tritiy". Bular termoyadroviy energiya ishlab chiqarish uchun ham materiallardir.
Quyosh kabi yulduz ichida vodoroddan geliyga yadroviy sintez sodir bo'ladi, bu esa yulduzning porlashi uchun energiya manbai hisoblanadi.
Biroq, vodorod Yerda kamdan-kam hollarda gaz sifatida mavjud. Vodorod suv, metan, ammiak va etanol kabi boshqa elementlar bilan birikmalar hosil qiladi. Vodorod engil element bo'lganligi sababli, harorat ko'tarilishi bilan vodorod molekulalarining harakat tezligi oshadi va yerning tortishish kuchidan kosmosga chiqadi.

Vodoroddan qanday foydalanish kerak? Yonish orqali foydalanish

Xo'sh, yangi avlod energiya manbai sifatida butun dunyo e'tiborini tortgan "vodorod" qanday ishlatiladi? U ikkita asosiy usulda qo'llaniladi: "yonish" va "yonilg'i xujayrasi". Keling, "kuyish" dan foydalanishdan boshlaylik.
Yonishning ikkita asosiy turi qo'llaniladi.
Birinchisi, raketa yoqilg'isi sifatida. Yaponiyaning H-IIA raketasi yoqilg'i sifatida kriogen holatda bo'lgan vodorod gazi "suyuq vodorod" va "suyuq kislorod" dan foydalanadi. Bu ikkisi birlashtiriladi va o'sha paytda hosil bo'lgan issiqlik energiyasi hosil bo'lgan suv molekulalarining kosmosga uchib ketishini tezlashtiradi. Biroq, bu texnik jihatdan qiyin dvigatel bo'lgani uchun, Yaponiyadan tashqari, faqat AQSh, Evropa, Rossiya, Xitoy va Hindiston bu yoqilg'ini muvaffaqiyatli birlashtirdi.
Ikkinchisi - energiya ishlab chiqarish. Gaz turbinali energiya 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 stantsiyalarida ko'mir, neft va tabiiy gazni yoqish natijasida turbinalar harakatlanadigan bug' hosil bo'ladi. Agar vodorod issiqlik manbai sifatida ishlatilsa, elektr stantsiyasi uglerod neytral bo'ladi.

Vodoroddan qanday foydalanish kerak? Yoqilg'i xujayrasi sifatida ishlatiladi

Vodoroddan foydalanishning yana bir usuli - vodorodni to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantiradigan yonilg'i xujayrasi. Xususan, Toyota global isishga qarshi chora-tadbirlar doirasida benzinli transport vositalariga muqobil elektr transport vositalari (EV) o'rniga vodorod yoqilg'isida ishlaydigan transport vositalarini taklif qilish orqali Yaponiyada e'tiborni tortdi.
Xususan, biz "yashil vodorod" ishlab chiqarish usulini joriy qilganimizda teskari jarayonni amalga oshirmoqdamiz. Kimyoviy formulasi quyidagicha.
Vodorod elektr energiyasini ishlab chiqarishda suv (issiq suv yoki bug ') hosil qilishi mumkin va u atrof-muhitga yuk bo'lmagani uchun baholanishi mumkin. Boshqa tomondan, bu usul nisbatan past energiya ishlab chiqarish samaradorligi 30-40% ga ega va katalizator sifatida platinani talab qiladi, shuning uchun xarajatlarni oshiradi.
Hozirgi vaqtda biz polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari (PEFC) va fosfor kislotasi yonilg'i xujayralari (PAFC) dan foydalanmoqdamiz. Xususan, yonilg'i xujayrasi vositalari PEFC dan foydalanadi, shuning uchun kelajakda uning tarqalishini kutish mumkin.

Vodorodni saqlash va tashish xavfsizmi?

Hozircha siz vodorod gazining qanday ishlab chiqarilishi va ishlatilishini tushunasiz deb o'ylaymiz. Xo'sh, bu vodorodni qanday saqlaysiz? Uni kerakli joyda qanday qilib olish mumkin? O'sha paytda xavfsizlik haqida nima deyish mumkin? Biz tushuntiramiz.
Darhaqiqat, vodorod ham juda xavfli element hisoblanadi. 20-asrning boshida biz vodoroddan havo sharlari, havo kemalari va havo kemalarini havoda suzish uchun gaz sifatida ishlatardik, chunki u juda yengil edi. Biroq, 1937 yil 6 mayda AQShning Nyu-Jersi shtatida "Hindenburg dirijali portlashi" sodir bo'ldi.
Voqea sodir bo'lganidan beri vodorod gazining xavfli ekanligi keng e'tirof etilgan. Ayniqsa, u yonib ketganda, u kislorod bilan kuchli portlaydi. Shuning uchun "kisloroddan uzoqroq tuting" yoki "issiqlikdan uzoqroq tuting" juda muhimdir.
Ushbu choralarni ko'rganimizdan so'ng, biz yuk tashish usulini o'ylab topdik.
Vodorod xona haroratidagi gazdir, shuning uchun u hali ham gaz bo'lsa ham, u juda katta hajmga ega. Birinchi usul - gazlangan ichimliklar tayyorlashda yuqori bosim va silindr kabi siqish. Maxsus yuqori bosimli tank tayyorlang va uni 45Mpa kabi yuqori bosimli sharoitlarda saqlang.
Yoqilg'i xujayrali transport vositalarini (FCV) ishlab chiqaruvchi Toyota kompaniyasi 70 MPa bosimga bardosh beradigan qatronli yuqori bosimli vodorod bakini ishlab chiqmoqda.
Yana bir usul - 253°C gacha sovutib, suyuq vodorod hosil qilish va uni maxsus issiqlik izolyatsiyalangan rezervuarlarda saqlash va tashishdir. Tabiiy gaz xorijdan olib kelinganda LNG (suyultirilgan gaz) singari, tashish jarayonida vodorod suyultirilib, uning hajmini gaz holatining 1/800 qismigacha kamaytiradi. 2020 yilda biz dunyodagi birinchi suyuq vodorod tashuvchini qurib oldik. Biroq, bu yondashuv yonilg'i xujayrasi vositalari uchun mos emas, chunki u sovutish uchun juda ko'p energiya talab qiladi.
Bu kabi tanklarda saqlash va jo'natish usuli mavjud, ammo biz vodorodni saqlashning boshqa usullarini ham ishlab chiqmoqdamiz.
Saqlash usuli vodorodni saqlash qotishmalaridan foydalanishdir. Vodorod metallarga kirib, ularni buzuvchi xususiyatga ega. Bu 1960-yillarda Qo'shma Shtatlarda ishlab chiqilgan rivojlanish maslahati. JJ Reilly va boshqalar. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, vodorodni magniy va vanadiy qotishmasi yordamida saqlash va chiqarish mumkin.
Shundan so'ng u vodorodni o'z hajmidan 935 barobar ko'p yuta oladigan palladiy kabi moddani muvaffaqiyatli ishlab chiqdi.
Ushbu qotishmadan foydalanishning afzalligi shundaki, u vodorod qochqinning baxtsiz hodisalarini (asosan portlash hodisalari) oldini oladi. Shuning uchun uni xavfsiz saqlash va tashish mumkin. Biroq, 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 bir uchqun ham portlash avariyasiga olib kelishi mumkin, shuning uchun ehtiyot bo'ling.
Bundan tashqari, vodorodni qayta singdirish va desorbsiyalash mo'rtlashishga olib kelishi va vodorodning so'rilish tezligini kamaytirishi ham kamchiliklarga ega.
Ikkinchisi quvurlarni ishlatishdir. Quvurlarning mo'rtlashishiga yo'l qo'ymaslik uchun u siqilmagan va past bosimli bo'lishi kerak bo'lgan shart mavjud, ammo afzallik shundaki, mavjud gaz quvurlaridan foydalanish mumkin. Tokyo Gas yonilg'i xujayralarini vodorod bilan ta'minlash uchun shahar gaz quvurlaridan foydalangan holda Harumi FLAG ustida qurilish ishlarini olib bordi.

Vodorod energiyasi tomonidan yaratilgan kelajak jamiyati

Va nihoyat, vodorodning jamiyatdagi rolini ko'rib chiqaylik.
Eng muhimi, biz uglerodsiz jamiyatni rivojlantirishni xohlaymiz, biz vodorodni issiqlik energiyasi sifatida emas, balki elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatamiz.
Yirik issiqlik elektr stansiyalari oʻrniga baʼzi uy xoʻjaliklarida tabiiy gazni isloh qilish natijasida olingan vodoroddan kerakli elektr energiyasini ishlab chiqaruvchi ENE-FARM kabi tizimlar joriy qilingan. Biroq, islohot jarayonining qo'shimcha mahsuloti bilan nima qilish kerakligi masalasi qolmoqda.

Kelajakda vodorodning o‘zi aylanmasi ortib ketsa, masalan, vodorod yonilg‘i quyish shoxobchalari ko‘paytirilsa, karbonat angidrid gazini chiqarmasdan elektr energiyasidan foydalanish mumkin bo‘ladi. Elektr, albatta, yashil vodorod ishlab chiqaradi, shuning uchun 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 zaryad qilish uchun quvvat bo'lishi kerak. Boshqacha qilib aytganda, vodorod qayta zaryadlanuvchi batareya bilan bir xil holatda. Agar bu sodir bo'lsa, oxir-oqibat issiqlik energiyasini ishlab chiqarishni kamaytirish mumkin bo'ladi. Avtomobillardan ichki yonuv dvigateli yo'qoladigan kun yaqinlashmoqda.

Vodorodni boshqa yo'l orqali ham olish mumkin. Aslida, vodorod hali ham kaustik soda ishlab chiqarishning qo'shimcha mahsulotidir. Boshqa narsalar qatorida, bu temir ishlab chiqarishda koks ishlab chiqarishning qo'shimcha mahsulotidir. Agar siz ushbu vodorodni taqsimotga qo'ysangiz, bir nechta manbalarni olishingiz mumkin bo'ladi. Shu tarzda ishlab chiqarilgan vodorod gazi vodorod stantsiyalari tomonidan ham etkazib beriladi.

Keling, kelajakka ko'proq qaraylik. Yo'qotilgan energiya miqdori, shuningdek, elektr ta'minoti uchun simlardan foydalanadigan uzatish usuli bilan bog'liq muammodir. Shu bois kelgusida gazli ichimliklar tayyorlashda ishlatiladigan karbonat kislotasi baklari kabi quvurlar orqali yetkaziladigan vodoroddan ham foydalanamiz va har bir xonadonga 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.