Vi vil introdusere «hydrogen», den neste generasjonen energi som er karbonnøytral. Hydrogen er delt inn i tre typer: «grønn hydrogen», «blå hydrogen» og «grå hydrogen», som hver har en ulik produksjonsmetode. Vi vil også forklare hver produksjonsmetode, 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
Når man bruker hydrogen, er det viktig å «produsere hydrogen» uansett. Den enkleste måten er å «elektrolysere vann». Kanskje du gjorde det på naturfag på barneskolen. Fyll begerglasset med vann og elektrodene i vann. Når et batteri kobles til elektrodene og aktiveres, skjer følgende reaksjoner i vannet og i hver elektrode.
Ved katoden kombineres H+ og elektroner for å produsere hydrogengass, mens anoden produserer oksygen. Denne tilnærmingen er likevel fin for naturfageksperimenter på skolen, men for å produsere hydrogen industrielt må det utarbeides effektive mekanismer som er egnet for storskalaproduksjon. Det er «polymerelektrolyttmembran (PEM) elektrolyse».
I denne metoden klemmes en semipermeabel polymermembran som tillater passasje av hydrogenioner mellom en anode og en katode. Når vann helles i enhetens anode, beveger hydrogenioner produsert ved elektrolyse seg gjennom en semipermeabel membran til katoden, hvor de blir til molekylært hydrogen. På den annen side kan ikke oksygenioner passere gjennom den semipermeable membranen og bli til oksygenmolekyler ved anoden.
Også i alkalisk vannelektrolyse lager man hydrogen og oksygen ved å separere anoden og katoden gjennom en separator som bare hydroksidioner kan passere gjennom. I tillegg finnes det industrielle metoder som høytemperaturdampelektrolyse.
Ved å utføre disse prosessene i stor skala kan man utvinne store mengder hydrogen. I prosessen produseres det også en betydelig mengde oksygen (halvparten av volumet av produsert hydrogen), slik at det ikke vil ha noen negativ miljøpåvirkning hvis 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 «grønn hydrogen» ved å elektrolysere vann ved hjelp av ren energi.
Det finnes også en hydrogengenerator for storskalaproduksjon av denne grønne hydrogenen. Ved å bruke PEM i elektrolyserdelen 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 ut dette hydrogenet.
En av disse er en prosess kalt «dampmetanreformering» som bruker damp. Den kjemiske formelen for denne metoden er som følger.
Som du kan se, kan karbonmonoksid og hydrogen utvinnes fra et enkelt metanmolekyl.
På denne måten kan hydrogen produseres gjennom prosesser som «dampreformering» 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 blir, hvis det ikke gjenvinnes, hydrogengass, kjent som «grå hydrogen».
Hva slags grunnstoff er hydrogen?
Hydrogen har atomnummer 1 og er det første grunnstoffet i periodesystemet.
Antallet 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. En nøytronbundet «deuterium» og to nøytronbundne «tritium». Disse er også materialer for fusjonskraftproduksjon.
Inne i en stjerne som solen foregår det kjernefusjon fra hydrogen til helium, som er energikilden for at stjernen skal lyse.
Hydrogen finnes imidlertid sjelden som gass på jorden. Hydrogen danner forbindelser med andre grunnstoffer som vann, metan, ammoniakk og etanol. Siden hydrogen er et lett grunnstoff, øker bevegelseshastigheten til hydrogenmolekylene når temperaturen stiger, og de slipper ut fra jordens tyngdekraft til verdensrommet.
Hvordan bruke hydrogen? Bruk ved forbrenning
Hvordan brukes så «hydrogen», som har fått verdensomspennende oppmerksomhet som neste generasjons energikilde? Det brukes på to hovedmåter: «forbrenning» og «brenselcelle». La oss starte med bruken av «brenning».
Det er to hovedtyper forbrenning som brukes.
Den første er som rakettdrivstoff. Japans H-IIA-rakett bruker hydrogengass «flytende hydrogen» og «flytende oksygen», som også er i kryogen tilstand, som drivstoff. Disse to kombineres, og varmeenergien som genereres akselererer injeksjonen av de genererte vannmolekylene som flyr ut i rommet. Men fordi det er en teknisk vanskelig motor, har bare USA, Europa, Russland, Kina og India, med unntak av Japan, kombinert dette drivstoffet med hell.
Det andre er kraftproduksjon. Gassturbinkraftproduksjon bruker også metoden med å kombinere hydrogen og oksygen for å generere energi. Med andre ord er det en metode som ser på den termiske energien som produseres av hydrogen. I termiske kraftverk produserer varmen fra forbrenning av kull, olje og naturgass damp som driver turbiner. Hvis hydrogen brukes som varmekilde, vil kraftverket være karbonnøytralt.
Hvordan bruke hydrogen? Brukt som brenselcelle
En annen måte å bruke hydrogen på er som en brenselcelle, som omdanner hydrogen direkte til elektrisitet. Toyota har spesielt vakt oppmerksomhet i Japan ved å markedsføre hydrogendrevne kjøretøy i stedet for elbiler som et alternativ til bensinbiler som en del av sine tiltak mot global oppvarming.
Mer spesifikt gjør vi den motsatte prosedyren når vi introduserer produksjonsmetoden for «grønn hydrogen». Den kjemiske formelen er som følger.
Hydrogen kan generere vann (varmt vann eller damp) samtidig som det genererer elektrisitet, og det kan evalueres fordi det ikke belaster miljøet. På den annen side har denne metoden en relativt lav kraftproduksjonseffektivitet på 30–40 %, og krever platina som katalysator, noe som medfører økte kostnader.
For tiden bruker vi polymerelektrolyttbrenselceller (PEFC) og fosforsyrebrenselceller (PAFC). Spesielt brenselcellekjøretøy bruker PEFC, så det kan forventes at det vil spre seg i fremtiden.
Er lagring og transport av hydrogen trygg?
Nå tror vi at du forstår hvordan hydrogengass produseres og brukes. Så hvordan lagrer du dette hydrogenet? Hvordan får du det dit du trenger det? Hva med sikkerheten på det tidspunktet? Vi skal forklare.
Faktisk er hydrogen også et veldig farlig grunnstoff. På begynnelsen av 1900-tallet brukte vi hydrogen som gass til å sveve ballonger, ballonger og luftskip på himmelen fordi det var veldig lett. Men 6. mai 1937 skjedde «luftskipeksplosjonen Hindenburg» i New Jersey, USA.
Siden ulykken har det vært allment anerkjent at hydrogengass er farlig. Spesielt når den tar fyr, vil den eksplodere voldsomt med oksygen. Derfor er det viktig å «holde seg unna oksygen» eller «holde seg unna varme».
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 det veldig klumpete. Den første metoden er å bruke høyt trykk og komprimere som en sylinder når man lager kullsyreholdige drikker. Klargjør en spesiell høytrykkstank og oppbevar den under høytrykksforhold som 45 MPa.
Toyota, som utvikler brenselcellekjøretøy (FCV), utvikler en høytrykkstank for hydrogen i harpiks som tåler et trykk på 70 MPa.
En annen metode er å kjøle ned til -253 °C for å lage flytende hydrogen, og lagre og transportere det i spesielle varmeisolerte tanker. I likhet med LNG (flytende naturgass) når naturgass importeres fra utlandet, blir hydrogen flytendegjort under transport, noe som reduserer volumet til 1/800 av gassformen. I 2020 ferdigstilte vi verdens første flytende hydrogenbærer. Denne tilnærmingen er imidlertid ikke egnet for brenselcellekjøretøy fordi det krever mye energi å kjøle det 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 et stoff, som 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 lagres og transporteres trygt. Men hvis du ikke er forsiktig og oppbevarer den 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 betingelse at det må være ikke-komprimert og lavt trykk for å forhindre sprøhet i rørene, men fordelen er at eksisterende gassrør kan brukes. Tokyo Gas utførte byggearbeid på Harumi FLAG, ved hjelp av byens gassrørledninger for å forsyne hydrogen til brenselceller.
Fremtidens samfunn skapt av hydrogenenergi
La oss til slutt se på hvilken rolle hydrogen kan spille i samfunnet.
Enda viktigere er det at 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 introdusert systemer som ENE-FARM, som bruker hydrogen utvunnet ved reformering av naturgass for å generere den nødvendige elektrisiteten. Spørsmålet om hva man skal gjøre med biproduktene fra reformeringsprosessen gjenstår imidlertid.
I fremtiden, hvis sirkulasjonen av hydrogen i seg selv øker, for eksempel ved å øke antallet hydrogenfyllestasjoner, vil det være mulig å bruke elektrisitet uten å slippe ut karbondioksid. Elektrisitet produserer selvfølgelig grønn hydrogen, så den bruker elektrisitet generert fra sollys eller vind. Kraften som brukes til elektrolyse bør være kraften til å undertrykke mengden strømproduksjon eller til å lade det oppladbare batteriet når det er overskuddsstrøm fra naturlig energi. Med andre ord er hydrogenet i samme posisjon som det oppladbare batteriet. Hvis dette skjer, vil det etter hvert være mulig å redusere termisk kraftproduksjon. Dagen da forbrenningsmotoren forsvinner fra biler nærmer seg raskt.
Hydrogen kan også utvinnes på en annen måte. Faktisk er hydrogen fortsatt et biprodukt fra produksjonen av kaustisk soda. Blant annet er det et biprodukt fra koksproduksjon i jernproduksjon. Hvis du bruker dette hydrogenet i distribusjonen, vil du kunne få tak i flere kilder. Hydrogengass produsert på denne måten leveres også av hydrogenstasjoner.
La oss se lenger inn i fremtiden. Mengden energi som går tapt er også et problem med overføringsmetoden som bruker ledninger for å forsyne strøm. Derfor vil vi i fremtiden bruke hydrogen levert via rørledninger, akkurat som kullsyretankene 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 blir stadig vanlige. Det blir interessant å se en slik fremtid.
Publisert: 08.06.2023
