Rreth hidrogjenit të energjisë së gjeneratës së ardhshme

Do të prezantojmë “hidrogjenin”, gjeneratën e ardhshme të energjisë që është neutrale ndaj karbonit. Hidrogjeni ndahet në tre lloje: “hidrogjeni jeshil”, “hidrogjeni blu” dhe “hidrogjeni gri”, secila prej të cilave ka një metodë të ndryshme prodhimi. Gjithashtu do të shpjegojmë secilën metodë prodhimi, vetitë fizike si elementë, metodat e ruajtjes/transportit dhe metodat e përdorimit. Dhe gjithashtu do të prezantoj pse është burimi dominues i energjisë i gjeneratës së ardhshme.

Elektroliza e ujit për të prodhuar hidrogjen të gjelbër

Kur përdorni hidrogjen, është e rëndësishme të “prodhoni hidrogjen” gjithsesi. Mënyra më e lehtë është të “elektrolizoni ujin”. Ndoshta e keni bërë në shkollën fillore në lëndën e shkencës. Mbushni gotën me ujë dhe elektrodat në ujë. Kur një bateri lidhet me elektrodat dhe energjizohet, ndodhin reaksionet e mëposhtme në ujë dhe në secilën elektrodë.
Në katodë, H+ dhe elektronet kombinohen për të prodhuar gaz hidrogjeni, ndërsa anoda prodhon oksigjen. Megjithatë, kjo qasje është e mirë për eksperimentet shkencore në shkollë, por për të prodhuar hidrogjen në mënyrë industriale, duhet të përgatiten mekanizma efikasë të përshtatshëm për prodhim në shkallë të gjerë. Kjo është "elektroliza e membranës së elektrolitit polimer (PEM)".
Në këtë metodë, një membranë polimeri gjysmë e përshkueshme që lejon kalimin e joneve të hidrogjenit vendoset midis një anode dhe një katode. Kur uji derdhet në anodën e pajisjes, jonet e hidrogjenit të prodhuara nga elektroliza lëvizin përmes një membrane gjysmë të përshkueshme drejt katodës, ku ato bëhen hidrogjen molekular. Nga ana tjetër, jonet e oksigjenit nuk mund të kalojnë përmes membranës gjysmë të përshkueshme dhe të bëhen molekula oksigjeni në anodë.
Gjithashtu në elektrolizën alkaline të ujit, krijohet hidrogjen dhe oksigjen duke ndarë anodën dhe katoden përmes një ndarësi përmes të cilit mund të kalojnë vetëm jonet hidroksid. Përveç kësaj, ekzistojnë metoda industriale siç është elektroliza me avull në temperaturë të lartë.
Duke kryer këto procese në një shkallë të gjerë, mund të merren sasi të mëdha hidrogjeni. Gjatë këtij procesi, prodhohet gjithashtu një sasi e konsiderueshme oksigjeni (gjysma e vëllimit të hidrogjenit të prodhuar), kështu që nuk do të ketë ndikim negativ në mjedis nëse lirohet në atmosferë. Megjithatë, elektroliza kërkon shumë energji elektrike, kështu që hidrogjeni pa karbon mund të prodhohet nëse prodhohet me energji elektrike që nuk përdor lëndë djegëse fosile, siç janë turbinat me erë dhe panelet diellore.
Ju mund të merrni "hidrogjen të gjelbër" duke elektrolizuar ujin duke përdorur energji të pastër.

Ekziston gjithashtu një gjenerator hidrogjeni për prodhimin në shkallë të gjerë të këtij hidrogjeni të gjelbër. Duke përdorur PEM në seksionin e elektrolizuesit, hidrogjeni mund të prodhohet vazhdimisht.

Hidrogjeni blu i prodhuar nga lëndët djegëse fosile

Pra, cilat janë mënyrat e tjera për të prodhuar hidrogjen? Hidrogjeni ekziston në lëndët djegëse fosile si gazi natyror dhe qymyri si substanca të tjera përveç ujit. Për shembull, merrni metanin (CH4), përbërësin kryesor të gazit natyror. Këtu ka katër atome hidrogjeni. Mund të merrni hidrogjen duke e hequr këtë hidrogjen.
Një nga këto është një proces i quajtur "reformimi i metanit me avull" që përdor avull. Formula kimike e kësaj metode është si më poshtë.
Siç mund ta shihni, monoksidi i karbonit dhe hidrogjeni mund të nxirren nga një molekulë e vetme metani.
Në këtë mënyrë, hidrogjeni mund të prodhohet përmes proceseve të tilla si "reformimi me avull" dhe "piroliza" e gazit natyror dhe qymyrit. "Hidrogjeni blu" i referohet hidrogjenit të prodhuar në këtë mënyrë.
Në këtë rast, megjithatë, monoksidi i karbonit dhe dioksidi i karbonit prodhohen si nënprodukte. Pra, duhet t'i ricikloni ato përpara se të lirohen në atmosferë. Nënprodukti dioksid i karbonit, nëse nuk rikuperohet, shndërrohet në gaz hidrogjeni, i njohur si "hidrogjen gri".

Çfarë lloj elementi është hidrogjeni?

Hidrogjeni ka një numër atomik prej 1 dhe është elementi i parë në tabelën periodike.
Numri i atomeve është më i madhi në univers, duke përbërë rreth 90% të të gjithë elementëve në univers. Atomi më i vogël që përbëhet nga një proton dhe një elektron është atomi i hidrogjenit.
Hidrogjeni ka dy izotope me neutrone të lidhura me bërthamën. Një “deuterium” i lidhur me neutrone dhe dy “tritium” të lidhur me neutrone. Këto janë gjithashtu materiale për gjenerimin e energjisë së shkrirjes.
Brenda një ylli si dielli, ndodh bashkimi bërthamor nga hidrogjeni në helium, i cili është burimi i energjisë që ylli të shkëlqejë.
Megjithatë, hidrogjeni rrallë ekziston si gaz në Tokë. Hidrogjeni formon komponime me elementë të tjerë si uji, metani, amoniaku dhe etanoli. Meqenëse hidrogjeni është një element i lehtë, me rritjen e temperaturës, shpejtësia e lëvizjes së molekulave të hidrogjenit rritet dhe ikin nga graviteti i tokës në hapësirën e jashtme.

Si të përdoret hidrogjeni? Përdorimi me anë të djegies

Atëherë, si përdoret “hidrogjeni”, i cili ka tërhequr vëmendjen botërore si një burim energjie i gjeneratës së ardhshme? Ai përdoret në dy mënyra kryesore: “djegie” dhe “qelizë karburanti”. Le të fillojmë me përdorimin e “djegies”.
Përdoren dy lloje kryesore të djegies.
E para është si karburant për raketa. Raketa japoneze H-IIA përdor si karburant gaz hidrogjeni "hidrogjen të lëngshëm" dhe "oksigjen të lëngshëm", i cili është gjithashtu në gjendje kriogjenike. Këto të dyja kombinohen dhe energjia e nxehtësisë e gjeneruar në atë kohë përshpejton injektimin e molekulave të ujit të gjeneruara, duke fluturuar në hapësirë. Megjithatë, për shkak se është një motor teknikisht i vështirë, përveç Japonisë, vetëm Shtetet e Bashkuara, Evropa, Rusia, Kina dhe India e kanë kombinuar me sukses këtë karburant.
E dyta është prodhimi i energjisë. Prodhimi i energjisë nga turbinat me gaz përdor gjithashtu metodën e kombinimit të hidrogjenit dhe oksigjenit për të gjeneruar energji. Me fjalë të tjera, është një metodë që shqyrton energjinë termike të prodhuar nga hidrogjeni. Në termocentralet, nxehtësia nga djegia e qymyrit, naftës dhe gazit natyror prodhon avull që vë në lëvizje turbinat. Nëse hidrogjeni përdoret si burim nxehtësie, termocentrali do të jetë neutral ndaj karbonit.

Si të përdoret hidrogjeni? Përdoret si qelizë karburanti

Një mënyrë tjetër për të përdorur hidrogjenin është si një qelizë karburanti, e cila e shndërron hidrogjenin direkt në energji elektrike. Në veçanti, Toyota ka tërhequr vëmendjen në Japoni duke reklamuar automjetet me karburant hidrogjeni në vend të automjeteve elektrike (EV) si një alternativë ndaj automjeteve me benzinë, si pjesë e masave të saj kundër ngrohjes globale.
Në mënyrë specifike, ne po bëjmë procedurën e kundërt kur prezantojmë metodën e prodhimit të "hidrogjenit të gjelbër". Formula kimike është si më poshtë.
Hidrogjeni mund të gjenerojë ujë (ujë të nxehtë ose avull) ndërkohë që gjeneron energji elektrike, dhe mund të vlerësohet sepse nuk përbën një barrë për mjedisin. Nga ana tjetër, kjo metodë ka një efikasitet relativisht të ulët të gjenerimit të energjisë prej 30-40%, dhe kërkon platin si katalizator, duke kërkuar kështu kosto më të larta.
Aktualisht, ne po përdorim qeliza karburanti me elektrolit polimer (PEFC) dhe qeliza karburanti me acid fosforik (PAFC). Në veçanti, automjetet me qeliza karburanti përdorin PEFC, kështu që mund të pritet që ai të përhapet në të ardhmen.

A është i sigurt ruajtja dhe transporti i hidrogjenit?

Deri tani, mendojmë se e keni kuptuar se si prodhohet dhe përdoret gazi i hidrogjenit. Pra, si e ruani këtë hidrogjen? Si e çoni aty ku keni nevojë? Po siguria në atë kohë? Do ta shpjegojmë.
Në fakt, hidrogjeni është gjithashtu një element shumë i rrezikshëm. Në fillim të shekullit të 20-të, ne përdorëm hidrogjenin si gaz për të fluturuar balona, ​​balona dhe anije ajrore në qiell, sepse ishte shumë i lehtë. Megjithatë, më 6 maj 1937, në New Jersey, SHBA, ndodhi "shpërthimi i anijes ajrore Hindenburg".
Që nga aksidenti, është pranuar gjerësisht se gazi i hidrogjenit është i rrezikshëm. Sidomos kur merr flakë, ai do të shpërthejë me forcë me oksigjen. Prandaj, është thelbësore të thuhet "mbajeni larg oksigjenit" ose "mbajeni larg nxehtësisë".
Pasi morëm këto masa, dolëm me një metodë transporti.
Hidrogjeni është gaz në temperaturë ambienti, kështu që edhe pse është ende gaz, është shumë i trashë. Metoda e parë është të aplikohet presion i lartë dhe të kompresohet si një cilindër kur përgatiten pije të gazuara. Përgatitni një rezervuar të posaçëm me presion të lartë dhe ruajeni atë në kushte presioni të lartë, siç është 45Mpa.
Toyota, e cila zhvillon automjete me qeliza karburanti (FCV), po zhvillon një rezervuar hidrogjeni me presion të lartë prej rrëshire që mund t'i rezistojë presionit prej 70 MPa.
Një metodë tjetër është ftohja në -253°C për të prodhuar hidrogjen të lëngshëm, dhe ruajtja e transportimi i tij në rezervuarë të posaçëm të izoluar nga nxehtësia. Ashtu si LNG (gazi natyror i lëngshëm) kur gazi natyror importohet nga jashtë, hidrogjeni lëngëzohet gjatë transportit, duke e zvogëluar vëllimin e tij në 1/800 të gjendjes së tij të gaztë. Në vitin 2020, ne përfunduam transportuesin e parë të hidrogjenit të lëngshëm në botë. Megjithatë, kjo qasje nuk është e përshtatshme për automjetet me qeliza karburanti sepse kërkon shumë energji për t'u ftohur.
Ekziston një metodë për ruajtjen dhe transportimin në tanke si kjo, por ne po zhvillojmë edhe metoda të tjera të ruajtjes së hidrogjenit.
Metoda e ruajtjes është përdorimi i lidhjeve të ruajtjes së hidrogjenit. Hidrogjeni ka vetinë e depërtimit në metale dhe dëmtimit të tyre. Ky është një këshillë zhvillimi që u zhvillua në Shtetet e Bashkuara në vitet 1960. JJ Reilly et al. Eksperimentet kanë treguar se hidrogjeni mund të ruhet dhe të çlirohet duke përdorur një lidhje magnezi dhe vanadiumi.
Pas kësaj, ai zhvilloi me sukses një substancë, siç është paladiumi, e cila mund të thithë hidrogjen 935 herë vëllimin e vet.
Avantazhi i përdorimit të këtij aliazh është se mund të parandalojë aksidentet me rrjedhje hidrogjeni (kryesisht aksidente me shpërthime). Prandaj, mund të ruhet dhe transportohet në mënyrë të sigurt. Megjithatë, nëse nuk jeni të kujdesshëm dhe e lini në mjedisin e gabuar, aliazhet e ruajtjes së hidrogjenit mund të lëshojnë gaz hidrogjeni me kalimin e kohës. Epo, edhe një shkëndijë e vogël mund të shkaktojë një aksident me shpërthim, prandaj kini kujdes.
Gjithashtu ka disavantazhin që thithja dhe desorbimi i përsëritur i hidrogjenit çon në brishtësi dhe ul shkallën e thithjes së hidrogjenit.
Tjetra është përdorimi i tubave. Ekziston një kusht që ato duhet të jenë jo të kompresuara dhe me presion të ulët për të parandaluar brishtësinë e tubave, por avantazhi është se mund të përdoren tubat ekzistues të gazit. Tokyo Gas kreu punime ndërtimi në Harumi FLAG, duke përdorur tubacionet e gazit të qytetit për të furnizuar me hidrogjen qelizat e karburantit.

Shoqëria e së ardhmes e krijuar nga energjia e hidrogjenit

Së fundmi, le të shqyrtojmë rolin që mund të luajë hidrogjeni në shoqëri.
Më e rëndësishmja, ne duam të promovojmë një shoqëri pa karbon, ne përdorim hidrogjenin për të gjeneruar energji elektrike në vend të energjisë së nxehtësisë.
Në vend të termocentraleve të mëdha, disa familje kanë futur sisteme të tilla si ENE-FARM, të cilat përdorin hidrogjenin e përftuar nga reformimi i gazit natyror për të gjeneruar energjinë elektrike të nevojshme. Megjithatë, mbetet pyetja se çfarë të bëhet me nënproduktet e procesit të reformimit.

Në të ardhmen, nëse qarkullimi i vetë hidrogjenit rritet, siç është rritja e numrit të stacioneve të furnizimit me hidrogjen, do të jetë e mundur të përdoret energjia elektrike pa emetuar dioksid karboni. Energjia elektrike prodhon hidrogjen të gjelbër, sigurisht, kështu që përdor energjinë elektrike të gjeneruar nga rrezet e diellit ose era. Energjia e përdorur për elektrolizë duhet të jetë fuqia për të shtypur sasinë e gjenerimit të energjisë ose për të ngarkuar baterinë e rikarikueshme kur ka energji të tepërt nga energjia natyrore. Me fjalë të tjera, hidrogjeni është në të njëjtën pozicion si bateria e rikarikueshme. Nëse kjo ndodh, përfundimisht do të jetë e mundur të zvogëlohet prodhimi i energjisë termike. Dita kur motori me djegie të brendshme të zhduket nga makinat po afrohet me shpejtësi.

Hidrogjeni mund të merret edhe nëpërmjet një rruge tjetër. Në fakt, hidrogjeni është ende një nënprodukt i prodhimit të sodës kaustike. Ndër të tjera, është një nënprodukt i prodhimit të koksit në prodhimin e hekurit. Nëse e vendosni këtë hidrogjen në shpërndarje, do të jeni në gjendje të merrni burime të shumta. Gazi i hidrogjenit i prodhuar në këtë mënyrë furnizohet gjithashtu nga stacionet e hidrogjenit.

Le të shohim më tej në të ardhmen. Sasia e energjisë së humbur është gjithashtu një problem me metodën e transmetimit që përdor tela për të furnizuar me energji. Prandaj, në të ardhmen, ne do të përdorim hidrogjenin e furnizuar nga tubacionet, njësoj si rezervuarët e acidit karbonik që përdoren në prodhimin e pijeve të gazuara, dhe do të blejmë një rezervuar hidrogjeni në shtëpi për të gjeneruar energji elektrike për çdo familje. Pajisjet mobile që funksionojnë me bateri hidrogjeni po bëhen të zakonshme. Do të jetë interesante të shohim një të ardhme të tillë.