Vi vil introdusere "hydrogen", neste generasjon energi som er karbonnøytral. Hydrogen er delt inn i tre typer: "grønt hydrogen", "blått hydrogen" og "grått hydrogen", som hver har sin egen produksjonsmetode. Vi vil også forklare hver fremstillingsmetode, fysiske egenskaper som elementer, lagrings-/transportmetoder og bruksmetoder. Og jeg vil også introdusere hvorfor det er neste generasjons dominerende energikilde.
Elektrolyse av vann for å produsere grønt hydrogen
Ved bruk av hydrogen er det uansett viktig å «produsere hydrogen». Den enkleste måten er å "elektrolysere vann". Kanskje du gjorde naturfag på grunnskolen. Fyll begerglasset med vann og elektroder i vann. Når et batteri kobles til elektrodene og aktiveres, oppstår følgende reaksjoner i vannet og i hver elektrode.
Ved katoden kombineres H+ og elektroner for å produsere hydrogengass, mens anoden produserer oksygen. Likevel er denne tilnærmingen fin for skolevitenskapelige eksperimenter, men for å produsere hydrogen industrielt, må det utarbeides effektive mekanismer egnet for storskala produksjon. Det er "polymerelektrolyttmembran (PEM) elektrolyse".
I denne metoden er en polymer semipermeabel membran som tillater passasje av hydrogenioner klemt mellom en anode og en katode. Når vann helles inn i enhetens anode, beveger hydrogenioner produsert ved elektrolyse seg gjennom en semipermeabel membran til katoden, hvor de blir molekylært hydrogen. På den annen side kan oksygenioner ikke passere gjennom den semipermeable membranen og bli oksygenmolekyler ved anoden.
Også i alkalisk vannelektrolyse skaper man hydrogen og oksygen ved å separere anoden og katoden gjennom en separator som bare hydroksidioner kan passere. I tillegg er det industrielle metoder som høytemperatur dampelektrolyse.
Ved å utføre disse prosessene i stor skala kan man få store mengder hydrogen. I prosessen produseres det også en betydelig mengde oksygen (halvparten av volumet av produsert hydrogen), slik at det ikke ville ha noen negativ miljøpåvirkning dersom det slippes ut i atmosfæren. Elektrolyse krever imidlertid mye elektrisitet, så karbonfritt hydrogen kan produseres hvis det produseres med elektrisitet som ikke bruker fossilt brensel, som vindturbiner og solcellepaneler.
Du kan få "grønt hydrogen" ved å elektrolysere vann med ren energi.
Det finnes også en hydrogengenerator for storskala produksjon av dette grønne hydrogenet. Ved å bruke PEM i elektrolyseseksjonen kan hydrogen produseres kontinuerlig.
Blått hydrogen laget av fossilt brensel
Så, hva er andre måter å lage hydrogen på? Hydrogen finnes i fossilt brensel som naturgass og kull som andre stoffer enn vann. Tenk for eksempel på metan (CH4), hovedkomponenten i naturgass. Det er fire hydrogenatomer her. Du kan få hydrogen ved å ta dette hydrogenet ut.
En av disse er en prosess kalt "dampmetanreforming" som bruker damp. Den kjemiske formelen for denne metoden er som følger.
Som du kan se, kan karbonmonoksid og hydrogen ekstraheres fra et enkelt metanmolekyl.
På denne måten kan hydrogen produseres gjennom prosesser som «dampreforming» og «pyrolyse» av naturgass og kull. "Blå hydrogen" refererer til hydrogen produsert på denne måten.
I dette tilfellet produseres imidlertid karbonmonoksid og karbondioksid som biprodukter. Så du må resirkulere dem før de slippes ut i atmosfæren. Biproduktet karbondioksid, hvis det ikke gjenvinnes, blir til hydrogengass, kjent som "grå hydrogen".
Hva slags grunnstoff er hydrogen?
Hydrogen har et atomnummer på 1 og er det første grunnstoffet i det periodiske systemet.
Antall atomer er det største i universet, og utgjør omtrent 90 % av alle grunnstoffer i universet. Det minste atomet som består av et proton og et elektron er hydrogenatomet.
Hydrogen har to isotoper med nøytroner festet til kjernen. Ett nøytronbundet "deuterium" og to nøytronbundet "tritium". Dette er også materialer for fusjonskraftproduksjon.
Inne i en stjerne som solen foregår det kjernefysisk fusjon fra hydrogen til helium, som er energikilden for at stjernen skal skinne.
Imidlertid eksisterer hydrogen sjelden som en gass på jorden. Hydrogen danner forbindelser med andre grunnstoffer som vann, metan, ammoniakk og etanol. Siden hydrogen er et lett grunnstoff, øker bevegelseshastigheten til hydrogenmolekyler etter hvert som temperaturen stiger, og rømmer fra jordens tyngdekraft til verdensrommet.
Hvordan bruke hydrogen? Bruk ved forbrenning
Så, hvordan brukes "hydrogen", som har tiltrukket seg verdensomspennende oppmerksomhet som en neste generasjons energikilde? Den brukes på to hovedmåter: "forbrenning" og "brenselcelle". La oss starte med bruken av "brenne".
Det er to hovedtyper av forbrenning som brukes.
Den første er som rakettdrivstoff. Japans H-IIA-rakett bruker hydrogengass "flytende hydrogen" og "flytende oksygen", som også er i en kryogen tilstand som drivstoff. Disse to er kombinert, og varmeenergien som genereres på det tidspunktet akselererer injeksjonen av vannmolekylene som genereres, og flyr ut i verdensrommet. Men fordi det er en teknisk vanskelig motor, bortsett fra Japan, er det bare USA, Europa, Russland, Kina og India som har kombinert dette drivstoffet.
Den andre er kraftproduksjon. Gassturbinkraftproduksjon bruker også metoden for å kombinere hydrogen og oksygen for å generere energi. Med andre ord, det er en metode som ser på den termiske energien produsert av hydrogen. I termiske kraftverk produserer varmen fra brenning av kull, olje og naturgass damp som driver turbiner. Dersom hydrogen brukes som varmekilde, vil kraftverket være karbonnøytralt.
Hvordan bruke hydrogen? Brukes som brenselcelle
En annen måte å bruke hydrogen på er som brenselcelle, som omdanner hydrogen direkte til elektrisitet. Spesielt har Toyota trukket oppmerksomhet i Japan ved å vise til hydrogendrevne kjøretøy i stedet for elektriske kjøretøyer (EV-er) som et alternativ til bensinbiler som en del av sine mottiltak for global oppvarming.
Nærmere bestemt gjør vi omvendt prosedyre når vi introduserer produksjonsmetoden for "grønt hydrogen". Den kjemiske formelen er som følger.
Hydrogen kan generere vann (varmt vann eller damp) mens det genererer elektrisitet, og det kan vurderes fordi det ikke belaster miljøet. På den annen side har denne metoden en relativt lav kraftgenereringseffektivitet på 30-40 %, og krever platina som katalysator, og krever dermed økte kostnader.
For tiden bruker vi polymerelektrolyttbrenselceller (PEFC) og fosforsyrebrenselceller (PAFC). Spesielt brenselcellekjøretøyer bruker PEFC, så det kan forventes å spre seg i fremtiden.
Er hydrogenlagring og -transport trygt?
Nå tror vi du forstår hvordan hydrogengass lages og brukes. Så hvordan lagrer du dette hydrogenet? Hvordan får du det dit du trenger det? Hva med sikkerheten på den tiden? Vi skal forklare.
Faktisk er hydrogen også et veldig farlig grunnstoff. På begynnelsen av 1900-tallet brukte vi hydrogen som gass for å flyte ballonger, ballonger og luftskip på himmelen fordi det var veldig lett. Men den 6. mai 1937, i New Jersey, USA, skjedde "luftskipets Hindenburg-eksplosjon".
Siden ulykken har det vært allment anerkjent at hydrogengass er farlig. Spesielt når det tar fyr, vil det eksplodere voldsomt med oksygen. Derfor er "holde unna oksygen" eller "holdes unna varme" avgjørende.
Etter å ha tatt disse tiltakene, kom vi opp med en fraktmetode.
Hydrogen er en gass ved romtemperatur, så selv om det fortsatt er en gass, er den veldig klumpete. Den første metoden er å påføre høyt trykk og komprimere som en sylinder når du lager kullsyreholdige drikker. Forbered en spesiell høytrykkstank og oppbevar den under høytrykksforhold som 45Mpa.
Toyota, som utvikler brenselcellekjøretøy (FCV), utvikler en harpiks høytrykks hydrogentank som tåler 70 MPa trykk.
En annen metode er å kjøle ned til -253°C for å lage flytende hydrogen, og lagre og transportere det i spesielle varmeisolerte tanker. Som LNG (flytende naturgass) når naturgass importeres fra utlandet, blir hydrogen flytende under transport, noe som reduserer volumet til 1/800 av dets gassformige tilstand. I 2020 fullførte vi verdens første flytende hydrogenbærer. Denne tilnærmingen er imidlertid ikke egnet for brenselcellekjøretøyer fordi det krever mye energi å kjøle ned.
Det finnes en metode for lagring og frakt i tanker som denne, men vi utvikler også andre metoder for hydrogenlagring.
Lagringsmetoden er å bruke hydrogenlagringslegeringer. Hydrogen har egenskapen til å trenge inn i metaller og forringe dem. Dette er et utviklingstips som ble utviklet i USA på 1960-tallet. JJ Reilly et al. Eksperimenter har vist at hydrogen kan lagres og frigjøres ved hjelp av en legering av magnesium og vanadium.
Etter det utviklet han med hell et stoff, for eksempel palladium, som kan absorbere hydrogen 935 ganger sitt eget volum.
Fordelen med å bruke denne legeringen er at den kan forhindre hydrogenlekkasjeulykker (hovedsakelig eksplosjonsulykker). Derfor kan den trygt lagres og transporteres. Men hvis du ikke er forsiktig og lar den ligge i feil miljø, kan hydrogenlagringslegeringer frigjøre hydrogengass over tid. Vel, selv en liten gnist kan forårsake en eksplosjonsulykke, så vær forsiktig.
Det har også den ulempen at gjentatt hydrogenabsorpsjon og desorpsjon fører til sprøhet og reduserer hydrogenabsorpsjonshastigheten.
Den andre er å bruke rør. Det er en forutsetning at det skal være ukomprimert og lavt trykk for å hindre sprøhet av rørene, men fordelen er at eksisterende gassrør kan benyttes. Tokyo Gas utførte byggearbeid på Harumi FLAG, ved å bruke bygassrørledninger for å levere hydrogen til brenselceller.
Future Society Laget av Hydrogen Energy
Til slutt, la oss vurdere rollen hydrogen kan spille i samfunnet.
Enda viktigere, vi ønsker å fremme et karbonfritt samfunn, vi bruker hydrogen til å generere elektrisitet i stedet for som varmeenergi.
I stedet for store termiske kraftverk har noen husholdninger innført systemer som ENE-FARM, som bruker hydrogen oppnådd ved å reformere naturgass for å generere nødvendig elektrisitet. Spørsmålet om hva man skal gjøre med biproduktene av reformeringsprosessen gjenstår imidlertid.
I fremtiden, hvis sirkulasjonen av selve hydrogenet øker, for eksempel ved å øke antallet hydrogenstasjoner, vil det være mulig å bruke strøm uten å slippe ut karbondioksid. Elektrisitet produserer selvfølgelig grønt hydrogen, så det bruker strøm generert fra sollys eller vind. Strømmen som brukes til elektrolyse bør være kraften til å undertrykke mengden kraftgenerering eller til å lade det oppladbare batteriet når det er overskuddskraft fra naturlig energi. Hydrogenet er med andre ord i samme posisjon som det oppladbare batteriet. Hvis dette skjer, vil det på sikt være mulig å redusere termisk kraftproduksjon. Dagen da forbrenningsmotoren forsvinner fra bilene nærmer seg med stormskritt.
Hydrogen kan også fås gjennom en annen vei. Faktisk er hydrogen fortsatt et biprodukt av produksjonen av kaustisk soda. Det er blant annet et biprodukt fra koksproduksjonen ved jernfremstilling. Hvis du legger dette hydrogenet i distribusjonen, vil du kunne få flere kilder. Hydrogengass produsert på denne måten blir også levert av hydrogenstasjoner.
La oss se lenger inn i fremtiden. Mengden energi som går tapt er også et problem med overføringsmetoden som bruker ledninger til å levere strøm. Derfor vil vi i fremtiden bruke hydrogenet som leveres av rørledninger, akkurat som karbonsyretankene som brukes til å lage kullsyreholdige drikker, og kjøpe en hydrogentank hjemme for å generere strøm til hver husholdning. Mobile enheter som kjører på hydrogenbatterier er i ferd med å bli vanlig. Det skal bli interessant å se en slik fremtid.
Innleggstid: Jun-08-2023
