Introduirem "hidrogen", la propera generació d'energia neutra en carboni. L'hidrogen es divideix en tres tipus: "hidrogen verd", "hidrogen blau" i "hidrogen gris", cadascun dels quals té un mètode de producció diferent. També explicarem cada mètode de fabricació, propietats físiques com a elements, mètodes d'emmagatzematge/transport i mètodes d'ús. I també presentaré per què és la font d'energia dominant de la propera generació.
Electròlisi de l'aigua per produir hidrogen verd
Quan s'utilitza hidrogen, és important "produir hidrogen" de totes maneres. La manera més senzilla és "electrolitzar l'aigua". Potser vas fer ciències a l'escola primària. Ompliu el vas de precipitats amb aigua i els elèctrodes amb aigua. Quan una bateria està connectada als elèctrodes i s'activa, es produeixen les reaccions següents a l'aigua i a cada elèctrode.
Al càtode, H+ i electrons es combinen per produir hidrogen gasós, mentre que l'ànode produeix oxigen. Tot i així, aquest enfocament està bé per als experiments científics escolars, però per produir hidrogen industrialment, s'han de preparar mecanismes eficients adequats per a la producció a gran escala. Això és "electròlisi de membrana d'electròlits de polímer (PEM)".
En aquest mètode, una membrana semipermeable de polímer que permet el pas dels ions d'hidrogen està intercalada entre un ànode i un càtode. Quan s'aboca aigua a l'ànode del dispositiu, els ions d'hidrogen produïts per electròlisi es mouen a través d'una membrana semipermeable fins al càtode, on es converteixen en hidrogen molecular. D'altra banda, els ions d'oxigen no poden passar per la membrana semipermeable i es converteixen en molècules d'oxigen a l'ànode.
També en l'electròlisi d'aigua alcalina, es crea hidrogen i oxigen separant l'ànode i el càtode mitjançant un separador pel qual només poden passar els ions hidròxid. A més, hi ha mètodes industrials com l'electròlisi de vapor a alta temperatura.
Realitzant aquests processos a gran escala es poden obtenir grans quantitats d'hidrogen. En el procés, també es produeix una quantitat important d'oxigen (la meitat del volum d'hidrogen produït), de manera que no tindria cap impacte ambiental advers si s'alliberés a l'atmosfera. Tanmateix, l'electròlisi requereix molta electricitat, de manera que es pot produir hidrogen sense carboni si es produeix amb electricitat que no utilitza combustibles fòssils, com ara turbines eòliques i plaques solars.
Podeu obtenir "hidrogen verd" electrolitzant l'aigua amb energia neta.
També hi ha un generador d'hidrogen per a la producció a gran escala d'aquest hidrogen verd. Mitjançant l'ús de PEM a la secció de l'electrolitzador, es pot produir hidrogen contínuament.
Hidrogen blau elaborat amb combustibles fòssils
Aleshores, quines altres maneres hi ha de fer hidrogen? L'hidrogen existeix en els combustibles fòssils com el gas natural i el carbó com a substàncies diferents de l'aigua. Per exemple, considerem el metà (CH4), el component principal del gas natural. Aquí hi ha quatre àtoms d'hidrogen. Podeu obtenir hidrogen traient aquest hidrogen.
Un d'aquests és un procés anomenat "reformat de metà amb vapor" que utilitza vapor. La fórmula química d'aquest mètode és la següent.
Com podeu veure, el monòxid de carboni i l'hidrogen es poden extreure d'una sola molècula de metà.
D'aquesta manera, es pot produir hidrogen mitjançant processos com el "reformat amb vapor" i la "piròlisi" de gas natural i carbó. "Hidrogen blau" es refereix a l'hidrogen produït d'aquesta manera.
En aquest cas, però, el monòxid de carboni i el diòxid de carboni es produeixen com a subproductes. Per tant, cal reciclar-los abans que s'alliberin a l'atmosfera. El diòxid de carboni subproducte, si no es recupera, es converteix en gas hidrogen, conegut com "hidrogen gris".
Quin tipus d'element és l'hidrogen?
L'hidrogen té un nombre atòmic 1 i és el primer element de la taula periòdica.
El nombre d'àtoms és el més gran de l'univers, representant al voltant del 90% de tots els elements de l'univers. L'àtom més petit format per un protó i un electró és l'àtom d'hidrogen.
L'hidrogen té dos isòtops amb neutrons units al nucli. Un "deuteri" enllaçat per neutrons i dos "triti" enllaçats per neutrons. Aquests també són materials per a la generació d'energia de fusió.
A l'interior d'una estrella com el sol s'està produint la fusió nuclear d'hidrogen a heli, que és la font d'energia perquè l'estrella brilli.
Tanmateix, l'hidrogen rarament existeix com a gas a la Terra. L'hidrogen forma compostos amb altres elements com l'aigua, metà, amoníac i etanol. Com que l'hidrogen és un element lleuger, a mesura que augmenta la temperatura, la velocitat de moviment de les molècules d'hidrogen augmenta i s'escapa de la gravetat de la terra a l'espai exterior.
Com utilitzar l'hidrogen? Ús per combustió
Aleshores, com s'utilitza l'"hidrogen", que ha cridat l'atenció mundial com a font d'energia de nova generació? S'utilitza de dues maneres principals: "combustió" i "pila de combustible". Comencem amb l'ús de "cremar".
S'utilitzen dos tipus principals de combustió.
El primer és com a combustible de coets. El coet H-IIA del Japó utilitza com a combustible gas hidrogen "hidrogen líquid" i "oxigen líquid" que també es troba en estat criogènic. Aquests dos es combinen, i l'energia calorífica generada en aquell moment accelera la injecció de les molècules d'aigua generades, volant a l'espai. Tanmateix, com que és un motor tècnicament difícil, excepte el Japó, només els Estats Units, Europa, Rússia, la Xina i l'Índia han combinat amb èxit aquest combustible.
El segon és la generació d'energia. La generació d'energia amb turbines de gas també utilitza el mètode de combinació d'hidrogen i oxigen per generar energia. En altres paraules, és un mètode que analitza l'energia tèrmica produïda per l'hidrogen. A les centrals tèrmiques, la calor de la crema de carbó, petroli i gas natural produeix vapor que acciona les turbines. Si s'utilitza hidrogen com a font de calor, la central elèctrica serà neutra en carboni.
Com utilitzar l'hidrogen? S'utilitza com a pila de combustible
Una altra manera d'utilitzar l'hidrogen és com a pila de combustible, que converteix l'hidrogen directament en electricitat. En particular, Toyota ha cridat l'atenció al Japó promocionant els vehicles alimentats amb hidrogen en lloc dels vehicles elèctrics (EV) com a alternativa als vehicles de gasolina com a part de les seves contramesures contra l'escalfament global.
Concretament, estem fent el procediment invers quan introduïm el mètode de fabricació de "hidrogen verd". La fórmula química és la següent.
L'hidrogen pot generar aigua (aigua calenta o vapor) mentre genera electricitat, i es pot avaluar perquè no imposa cap càrrega al medi ambient. D'altra banda, aquest mètode té una eficiència de generació d'energia relativament baixa del 30-40% i requereix platí com a catalitzador, per la qual cosa requereix un augment de costos.
Actualment, estem utilitzant piles de combustible d'electròlits de polímer (PEFC) i piles de combustible d'àcid fosfòric (PAFC). En particular, els vehicles de pila de combustible utilitzen PEFC, de manera que es pot esperar que s'estenguin en el futur.
És segur l'emmagatzematge i el transport d'hidrogen?
A hores d'ara, creiem que enteneu com es fa i s'utilitza l'hidrogen. Llavors, com emmagatzemeu aquest hidrogen? Com ho aconsegueixes on ho necessites? Què passa amb la seguretat en aquell moment? Ja ho explicarem.
De fet, l'hidrogen també és un element molt perillós. A principis del segle XX, vam utilitzar l'hidrogen com a gas per flotar globus, globus i aeronaus pel cel perquè era molt lleuger. Tanmateix, el 6 de maig de 1937, a Nova Jersey, EUA, es va produir l'"explosió de l'aeronau Hindenburg".
Des de l'accident, s'ha reconegut àmpliament que el gas hidrogen és perillós. Sobretot quan s'encén, explotarà violentament amb l'oxigen. Per tant, "mantenir allunyat de l'oxigen" o "mantenir allunyat de la calor" és essencial.
Després de prendre aquestes mesures, hem creat un mètode d'enviament.
L'hidrogen és un gas a temperatura ambient, així que tot i que encara és un gas, és molt voluminós. El primer mètode és aplicar alta pressió i comprimir com un cilindre en fer begudes carbonatades. Prepareu un dipòsit especial d'alta pressió i emmagatzemeu-lo en condicions d'alta pressió com ara 45Mpa.
Toyota, que desenvolupa vehicles de pila de combustible (FCV), està desenvolupant un dipòsit d'hidrogen d'alta pressió de resina que pot suportar una pressió de 70 MPa.
Un altre mètode és refredar fins a -253 °C per fer hidrogen líquid i emmagatzemar-lo i transportar-lo en dipòsits especials aïllats per calor. Igual que el GNL (gas natural liquat) quan s'importa gas natural de l'estranger, l'hidrogen es liqua durant el transport, reduint el seu volum a 1/800 del seu estat gasós. El 2020, vam completar el primer portador d'hidrogen líquid del món. Tanmateix, aquest enfocament no és adequat per a vehicles de pila de combustible perquè requereix molta energia per refredar-se.
Hi ha un mètode d'emmagatzematge i enviament en tancs com aquest, però també estem desenvolupant altres mètodes d'emmagatzematge d'hidrogen.
El mètode d'emmagatzematge és utilitzar aliatges d'emmagatzematge d'hidrogen. L'hidrogen té la propietat de penetrar els metalls i deteriorar-los. Aquest és un consell de desenvolupament que es va desenvolupar als Estats Units a la dècada de 1960. JJ Reilly et al. Els experiments han demostrat que l'hidrogen es pot emmagatzemar i alliberar utilitzant un aliatge de magnesi i vanadi.
Després d'això, va desenvolupar amb èxit una substància, com el pal·ladi, que pot absorbir hidrogen 935 vegades el seu propi volum.
L'avantatge d'utilitzar aquest aliatge és que pot prevenir accidents de fuites d'hidrogen (principalment accidents d'explosió). Per tant, es pot emmagatzemar i transportar amb seguretat. Tanmateix, si no aneu amb compte i el deixeu en un entorn equivocat, els aliatges d'emmagatzematge d'hidrogen poden alliberar gas d'hidrogen amb el temps. Bé, fins i tot una petita espurna pot provocar un accident d'explosió, així que aneu amb compte.
També té l'inconvenient que l'absorció i la desorció repetides d'hidrogen condueixen a la fragilitat i redueixen la taxa d'absorció d'hidrogen.
L'altre és utilitzar canonades. Hi ha una condició que ha de ser no comprimit i baixa pressió per evitar la fragilitat de les canonades, però l'avantatge és que es poden utilitzar les canonades de gas existents. Tokyo Gas va dur a terme treballs de construcció a la BANDERA Harumi, utilitzant gasoductes de la ciutat per subministrar hidrogen a les piles de combustible.
Societat futura creada per l'energia de l'hidrogen
Finalment, considerem el paper que pot tenir l'hidrogen a la societat.
Més important encara, volem promoure una societat lliure de carboni, utilitzem l'hidrogen per generar electricitat en lloc d'energia tèrmica.
En lloc de les grans centrals tèrmiques, algunes llars han introduït sistemes com ENE-FARM, que utilitzen l'hidrogen obtingut mitjançant la reforma del gas natural per generar l'electricitat necessària. Tanmateix, la qüestió de què fer amb els subproductes del procés de reforma continua.
En el futur, si augmenta la circulació de l'hidrogen en si, com ara augmentar el nombre d'estacions de subministrament d'hidrogen, es podrà utilitzar electricitat sense emetre diòxid de carboni. L'electricitat produeix hidrogen verd, per descomptat, de manera que utilitza l'electricitat generada a partir de la llum solar o del vent. La potència utilitzada per a l'electròlisi ha de ser la potència per suprimir la quantitat de generació d'energia o per carregar la bateria recarregable quan hi ha energia sobrant d'energia natural. En altres paraules, l'hidrogen es troba a la mateixa posició que la bateria recarregable. Si això passa, finalment serà possible reduir la generació d'energia tèrmica. S'acosta ràpidament el dia en què el motor de combustió interna desapareix dels cotxes.
L'hidrogen també es pot obtenir per una altra via. De fet, l'hidrogen encara és un subproducte de la producció de sosa càustica. Entre altres coses, és un subproducte de la producció de coc en la fabricació de ferro. Si poseu aquest hidrogen a la distribució, podreu obtenir diverses fonts. El gas d'hidrogen produït d'aquesta manera també és subministrat per estacions d'hidrogen.
Mirem més enllà al futur. La quantitat d'energia perduda també és un problema amb el mètode de transmissió que utilitza cables per subministrar energia. Per tant, en el futur, utilitzarem l'hidrogen subministrat per les canonades, igual que els dipòsits d'àcid carbònic utilitzats per fer begudes carbonatades, i comprarem un dipòsit d'hidrogen a casa per generar electricitat per a cada llar. Els dispositius mòbils que funcionen amb bateries d'hidrogen s'estan convertint en un lloc habitual. Serà interessant veure un futur així.
Hora de publicació: Jun-08-2023
