Sobre l'energia de nova generació d'hidrogen

Introduirem l'"hidrogen", la nova generació d'energia que és 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, les propietats físiques com a elements, els mètodes d'emmagatzematge/transport i els mètodes d'ús. I també presentaré per què és la font d'energia dominant de la nova generació.

Electròlisi de l'aigua per produir hidrogen verd

Quan s'utilitza hidrogen, és important "produir hidrogen" de totes maneres. La manera més fàcil és "electrolitzar aigua". Potser ho vas fer a ciències a l'escola primària. Omple el vas de precipitats amb aigua i els elèctrodes en aigua. Quan una bateria es connecta als elèctrodes i s'energitza, es produeixen les reaccions següents a l'aigua i a cada elèctrode.
Al càtode, els H+ i els electrons es combinen per produir hidrogen gasós, mentre que l'ànode produeix oxigen. Tot i això, aquest mètode està bé per a experiments científics escolars, però per produir hidrogen industrialment, cal preparar mecanismes eficients adequats per a la producció a gran escala. Això és "electròlisi de membrana electrolítica de polímer (PEM)".
En aquest mètode, una membrana semipermeable de polímer que permet el pas d'ions d'hidrogen s'intercala 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 a través de la membrana semipermeable i convertir-se en molècules d'oxigen a l'ànode.
També en l'electròlisi alcalina de l'aigua, es crea hidrogen i oxigen separant l'ànode i el càtode mitjançant un separador a través del qual només poden passar els ions hidròxid. A més, hi ha mètodes industrials com l'electròlisi de vapor d'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, per la qual cosa es pot produir hidrogen sense carboni si es produeix amb electricitat que no utilitza combustibles fòssils, com ara aerogeneradors i panells solars.
Podeu obtenir "hidrogen verd" electrolitzant aigua utilitzant 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 d'electrolitzador, es pot produir hidrogen de forma contínua.

Hidrogen blau fet a partir de combustibles fòssils

Aleshores, quines altres maneres hi ha de produir hidrogen? L'hidrogen existeix en 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 eliminant 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, l'hidrogen es pot produir mitjançant processos com el "reformat amb vapor" i la "piròlisi" del gas natural i el carbó. L'"hidrogen blau" fa referència 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 resultant, si no es recupera, es converteix en gas hidrogen, conegut com a "hidrogen gris".

Quin tipus d'element és l'hidrogen?

L'hidrogen té un nombre atòmic d'1 i és el primer element de la taula periòdica.
El nombre d'àtoms és el més gran de l'univers, representant aproximadament el 90% de tots els elements de l'univers. L'àtom més petit que consisteix en 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.
Dins d'una estrella com el Sol, té lloc 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, el metà, l'amoníac i l'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 escapa de la gravetat de la Terra cap a l'espai exterior.

Com utilitzar l'hidrogen? Ús per combustió

Aleshores, com s'utilitza l'"hidrogen", que ha atret 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 la "cremació".
Hi ha dos tipus principals de combustió que s'utilitzen.
El primer és com a combustible de coets. El coet H-IIA del Japó utilitza gas hidrogen "hidrogen líquid" i "oxigen líquid" que també es troba en estat criogènic com a combustible. 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 de les turbines de gas també utilitza el mètode de combinar 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 impulsa les turbines. Si s'utilitza hidrogen com a font de calor, la central elèctrica serà neutra en carboni.

Com s'utilitza l'hidrogen? Utilitzat 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 vehicles alimentats per hidrogen en lloc de vehicles elèctrics (VE) com a alternativa als vehicles de gasolina com a part de les seves mesures contra l'escalfament global.
Concretament, fem el procediment invers quan introduïm el mètode de fabricació d'"hidrogen verd". La fórmula química és la següent.
L'hidrogen pot generar aigua (aigua calenta o vapor) alhora que genera electricitat, i es pot avaluar perquè no imposa una càrrega per 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, cosa que requereix un augment dels costos.
Actualment, utilitzem piles de combustible d'electròlits polimèrics (PEFC) i piles de combustible d'àcid fosfòric (PAFC). En particular, els vehicles amb piles de combustible utilitzen PEFC, per la qual cosa es pot esperar que s'estengui en el futur.

És segur l'emmagatzematge i el transport d'hidrogen?

A hores d'ara, creiem que ja enteneu com es fabrica i s'utilitza el gas hidrogen. Aleshores, com s'emmagatzema aquest hidrogen? Com ​​s'aconsegueix on es necessita? I què passa amb la seguretat en aquest moment? Us ho explicarem.
De fet, l'hidrogen també és un element molt perillós. A principis del segle XX, utilitzàvem hidrogen com a gas per fer surar globus aerostàtics, aeronaus i dirigibles pel cel perquè era molt lleuger. Tanmateix, el 6 de maig de 1937, a Nova Jersey, EUA, es va produir "l'explosió del dirigible Hindenburg".
Des de l'accident, s'ha reconegut àmpliament que el gas hidrogen és perillós. Especialment quan s'incendia, explota violentament amb oxigen. Per tant, és essencial "mantenir allunyat de l'oxigen" o "mantenir allunyat de la calor".
Després de prendre aquestes mesures, vam idear un mètode d'enviament.
L'hidrogen és un gas a temperatura ambient, per tant, tot i que continua sent un gas, és molt voluminós. El primer mètode és aplicar alta pressió i comprimir-lo com un cilindre quan es fan begudes carbonatades. Prepareu un dipòsit especial d'alta pressió i emmagatzemeu-lo en condicions d'alta pressió, com ara 45 MPa.
Toyota, que desenvolupa vehicles de piles 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-lo fins a -253 °C per produir hidrogen líquid, i emmagatzemar-lo i transportar-lo en tancs especials aïllats tèrmicament. Igual que el GNL (gas natural liquat), quan el gas natural s'importa 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 transportador d'hidrogen líquid del món. Tanmateix, aquest enfocament no és adequat per a vehicles de piles de combustible perquè requereix molta energia per refredar-se.
Hi ha un mètode per emmagatzemar i transportar en tancs com aquest, però també estem desenvolupant altres mètodes d'emmagatzematge d'hidrogen.
El mètode d'emmagatzematge consisteix a utilitzar aliatges d'emmagatzematge d'hidrogen. L'hidrogen té la propietat de penetrar en 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 mitjançant 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 fuita d'hidrogen (principalment accidents d'explosió). Per tant, es pot emmagatzemar i transportar amb seguretat. Tanmateix, si no es té cura i es deixa en un entorn equivocat, els aliatges d'emmagatzematge d'hidrogen poden alliberar gas hidrogen amb el temps. Fins i tot una petita espurna pot causar un accident d'explosió, així que aneu amb compte.
També té el desavantatge que l'absorció i desorció repetides d'hidrogen condueixen a la fragilització i redueixen la taxa d'absorció d'hidrogen.
L'altra és utilitzar canonades. Hi ha la condició que no han de ser comprimides i de baixa pressió per evitar la fragilització 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 del Harumi FLAG, utilitzant gasoductes urbans per subministrar hidrogen a les piles de combustible.

Societat futura creada per l'energia de l'hidrogen

Finalment, considerem el paper que l'hidrogen pot tenir a la societat.
Més important encara, volem promoure una societat lliure de carboni, utilitzem l'hidrogen per generar electricitat en lloc de com a energia tèrmica.
En lloc de grans centrals tèrmiques, algunes llars han introduït sistemes com ara ENE-FARM, que utilitzen hidrogen obtingut reformant gas natural per generar l'electricitat necessària. Tanmateix, la qüestió de què fer amb els subproductes del procés de reforma continua sense resposta.

En el futur, si la circulació de l'hidrogen augmenta, com ara augmentant el nombre d'estacions de subministrament d'hidrogen, serà possible utilitzar electricitat sense emetre diòxid de carboni. L'electricitat produeix hidrogen verd, és clar, de manera que utilitza l'electricitat generada a partir de la llum solar o del vent. L'energia utilitzada per a l'electròlisi hauria de ser la que permeti suprimir la quantitat d'energia generada o carregar la bateria recarregable quan hi hagi excedent d'energia natural. En altres paraules, l'hidrogen es troba en la mateixa posició que la bateria recarregable. Si això passa, finalment serà possible reduir la generació d'energia tèrmica. El dia en què el motor de combustió interna desaparegui dels cotxes s'acosta ràpidament.

L'hidrogen també es pot obtenir per una altra via. De fet, l'hidrogen continua sent 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 múltiples fonts. El gas hidrogen produït d'aquesta manera també el subministren les estacions d'hidrogen.

Mirem més enllà en el 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 canonades, igual que els dipòsits d'àcid carbònic que s'utilitzen 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 quelcom habitual. Serà interessant veure aquest futur.