Um næstu kynslóð orkuvetni

Við munum kynna „vetni“, næstu kynslóð orku sem er kolefnishlutlaus. Vetni er skipt í þrjár tegundir: „grænt vetni“, „blátt vetni“ og „grátt vetni“, sem hver um sig hefur mismunandi framleiðsluaðferð. Við munum einnig útskýra hverja framleiðsluaðferð, eðliseiginleika sem frumefni, geymslu-/flutningsaðferðir og notkunaraðferðir. Og ég mun líka kynna hvers vegna það er næsta kynslóð ríkjandi orkugjafi.

Rafgreining vatns til að framleiða grænt vetni

Þegar vetni er notað er mikilvægt að „framleiða vetni“ hvort sem er. Auðveldasta leiðin er að „rafgreina vatn“. Kannski gerðir þú það í grunnskólafræði. Fylltu bikarglasið með vatni og rafskaut í vatni. Þegar rafhlaða er tengd við rafskautin og spennt verða eftirfarandi viðbrögð í vatninu og í hverju rafskauti.
Við bakskautið sameinast H+ og rafeindir og mynda vetnisgas, en rafskautið framleiðir súrefni. Samt sem áður er þessi nálgun fín fyrir vísindatilraunir í skólum, en til að framleiða vetni í iðnaði þarf að undirbúa skilvirka aðferðir sem henta fyrir stórframleiðslu. Það er „fjölliða raflausn himna (PEM) rafgreining“.
Í þessari aðferð er hálfgegndræpi fjölliða himna sem gerir vetnisjónum kleift að fara á milli rafskauts og bakskauts. Þegar vatni er hellt í rafskaut tækisins fara vetnisjónir sem framleiddar eru með rafgreiningu í gegnum hálfgegndræpa himnu til bakskautsins þar sem þær verða að sameindavetni. Á hinn bóginn geta súrefnisjónir ekki farið í gegnum hálfgegndræpa himnuna og orðið súrefnissameindir við forskautið.
Einnig í basískri vatnsrafgreiningu býrðu til vetni og súrefni með því að skilja rafskautið og bakskautið í gegnum skilju sem aðeins hýdroxíðjónir komast í gegnum. Að auki eru iðnaðaraðferðir eins og háhita gufu rafgreining.
Með því að framkvæma þessar aðferðir í stórum stíl er hægt að fá mikið magn af vetni. Í því ferli myndast einnig umtalsvert magn af súrefni (helmingur þess rúmmáls sem framleitt er af vetni), þannig að það hefði engin skaðleg umhverfisáhrif ef það sleppt út í andrúmsloftið. Rafgreiningin krefst hins vegar mikillar raforku og því er hægt að framleiða kolefnislaust vetni ef það er framleitt með rafmagni sem notar ekki jarðefnaeldsneyti eins og vindmyllur og sólarrafhlöður.
Þú getur fengið „grænt vetni“ með því að rafgreina vatn með hreinni orku.

Þar er einnig vetnisrafall til stórframleiðslu á þessu græna vetni. Með því að nota PEM í rafgreiningarhlutanum er hægt að framleiða vetni stöðugt.

Blátt vetni gert úr jarðefnaeldsneyti

Svo, hverjar eru aðrar leiðir til að búa til vetni? Vetni er til í jarðefnaeldsneyti eins og jarðgasi og kolum sem önnur efni en vatn. Tökum til dæmis metan (CH4), sem er aðalþáttur jarðgass. Hér eru fjögur vetnisatóm. Þú getur fengið vetni með því að taka þetta vetni út.
Eitt af þessu er ferli sem kallast „steam metan reforming“ sem notar gufu. Efnaformúla þessarar aðferðar er sem hér segir.
Eins og þú sérð er hægt að vinna kolmónoxíð og vetni úr einni metansameind.
Þannig er hægt að framleiða vetni með ferli eins og „gufuumbót“ og „pyrolysis“ á jarðgasi og kolum. „Blát vetni“ vísar til vetni sem framleitt er á þennan hátt.
Í þessu tilviki er hins vegar kolmónoxíð og koltvísýringur framleiddur sem aukaafurðir. Þannig að þú verður að endurvinna þau áður en þeim er hleypt út í andrúmsloftið. Aukaafurðin koltvísýringur, ef hann er ekki endurheimtur, verður vetnisgasi, þekktur sem „grátt vetni“.

Hvers konar frumefni er vetni?

Vetni hefur atómnúmerið 1 og er fyrsta frumefnið í lotukerfinu.
Fjöldi atóma er sá stærsti í alheiminum og eru um 90% allra frumefna alheimsins. Minnsta atómið sem samanstendur af róteind og rafeind er vetnisatómið.
Vetni hefur tvær samsætur með nifteindum tengdum kjarnanum. Eitt nifteindatengd „deuterium“ og tvö nifteindatengd „tríum“. Þetta eru líka efni til samrunaorkuframleiðslu.
Inni í stjörnu eins og sólinni á sér stað kjarnasamruni úr vetni í helíum sem er orkugjafi stjörnunnar til að skína.
Hins vegar er vetni sjaldan til sem gas á jörðinni. Vetni myndar efnasambönd með öðrum frumefnum eins og vatni, metani, ammoníaki og etanóli. Þar sem vetni er létt frumefni eykst hreyfihraði vetnissameinda eftir því sem hitastigið hækkar og sleppur úr þyngdarafli jarðar út í geiminn.

Hvernig á að nota vetni? Notist við brennslu

Þá, hvernig er „vetni“, sem hefur vakið heimsathygli sem næstu kynslóðar orkugjafi, notað? Það er notað á tvo megin vegu: „brennslu“ og „eldsneytisfrumur“. Við skulum byrja á því að nota „brenna“.
Það eru tvær megingerðir brennslu notaðar.
Hið fyrra er sem eldflaugaeldsneyti. Japanska H-IIA eldflaugin notar vetnisgas „fljótandi vetni“ og „fljótandi súrefni“ sem er einnig í frystingu sem eldsneyti. Þetta tvennt er sameinað og varmaorkan sem myndast á þeim tíma flýtir fyrir inndælingu vatnssameindanna sem myndast og fljúga út í geiminn. Hins vegar, vegna þess að þetta er tæknilega erfið vél, nema Japan, hafa aðeins Bandaríkin, Evrópa, Rússland, Kína og Indland tekist að sameina þetta eldsneyti.
Annað er orkuframleiðsla. Gatúrbínuframleiðsla notar einnig aðferðina við að sameina vetni og súrefni til að framleiða orku. Með öðrum orðum, það er aðferð sem lítur á varmaorkuna sem vetni framleiðir. Í varmavirkjunum framleiðir hitinn frá brennslu kola, olíu og jarðgass gufu sem knýr hverfla. Ef vetni er notað sem hitagjafi verður virkjunin kolefnishlutlaus.

Hvernig á að nota vetni? Notað sem eldsneytisklefi

Önnur leið til að nota vetni er sem efnarafall, sem breytir vetni beint í rafmagn. Sérstaklega hefur Toyota vakið athygli í Japan með því að beita vetnisknúnum ökutækjum í stað rafknúinna farartækja (EVS) sem valkost við bensínbíla sem hluta af mótvægisaðgerðum sínum við hlýnun jarðar.
Nánar tiltekið erum við að gera öfuga aðferð þegar við kynnum framleiðsluaðferðina „græna vetni“. Efnaformúlan er sem hér segir.
Vetni getur myndað vatn (heitt vatn eða gufu) á meðan það framleiðir rafmagn og það er hægt að meta það vegna þess að það leggur ekki álag á umhverfið. Á hinn bóginn hefur þessi aðferð tiltölulega lága orkuöflunarnýtni, 30-40%, og krefst platínu sem hvata og krefst því aukins kostnaðar.
Eins og er erum við að nota fjölliða raflausnaeldsneytisfrumur (PEFC) og fosfórsýrueldsneytisfrumur (PAFC). Sérstaklega nota efnarafala ökutæki PEFC og því má búast við að það breiðist út í framtíðinni.

Er vetnisgeymsla og flutningur öruggur?

Núna höldum við að þú skiljir hvernig vetnisgas er búið til og notað. Svo hvernig geymir þú þetta vetni? Hvernig færðu það þar sem þú þarft það? Hvað með öryggið á þeim tíma? Við munum útskýra.
Reyndar er vetni líka mjög hættulegt frumefni. Í upphafi 20. aldar notuðum við vetni sem gas til að láta blöðrur, blöðrur og loftskip flota á himni vegna þess að það var mjög létt. Hins vegar, 6. maí 1937, í New Jersey, Bandaríkjunum, varð „loftskipið Hindenburg sprenging“.
Eftir slysið hefur almennt verið viðurkennt að vetnisgas sé hættulegt. Sérstaklega þegar það kviknar í því springur það kröftuglega með súrefni. Þess vegna er nauðsynlegt að „halda í burtu frá súrefni“ eða „halda í burtu frá hita“.
Eftir að hafa gripið til þessara ráðstafana komum við upp með sendingaraðferð.
Vetni er lofttegund við stofuhita, svo þó að það sé enn gas, þá er það mjög fyrirferðarmikið. Fyrsta aðferðin er að beita háþrýstingi og þjappa saman eins og strokk þegar búið er til kolsýrða drykki. Útbúið sérstakan háþrýstitank og geymið hann við háþrýstiskilyrði eins og 45Mpa.
Toyota, sem þróar eldsneytisfrumubíla (FCV), er að þróa trjákvoða háþrýsti vetnistank sem þolir 70 MPa þrýsting.
Önnur aðferð er að kæla niður í -253°C til að búa til fljótandi vetni og geyma og flytja í sérstökum hitaeinangruðum tönkum. Eins og LNG (fljótandi jarðgas) þegar jarðgas er flutt inn erlendis frá, er vetni fljótandi við flutning og minnkar rúmmál þess í 1/800 af loftkenndu ástandi þess. Árið 2020 kláruðum við fyrsta fljótandi vetnisburðarefni heimsins. Hins vegar hentar þessi nálgun ekki fyrir eldsneytisfrumuökutæki vegna þess að það þarf mikla orku til að kæla.
Það er aðferð við að geyma og senda í tönkum sem þessum en við erum líka að þróa aðrar aðferðir við vetnisgeymslu.
Geymsluaðferðin er að nota vetnisgeymslublöndur. Vetni hefur þann eiginleika að smjúga í gegnum málma og skemma þá. Þetta er þróunarráð sem var þróað í Bandaríkjunum á sjöunda áratugnum. JJ Reilly o.fl. Tilraunir hafa sýnt að vetni er hægt að geyma og losa með því að nota blöndu af magnesíum og vanadíum.
Eftir það þróaði hann með góðum árangri efni, eins og palladíum, sem getur tekið í sig vetni 935 sinnum eigin rúmmál.
Kosturinn við að nota þessa málmblöndu er að hún getur komið í veg fyrir vetnislekaslys (aðallega sprengjuslys). Þess vegna er hægt að geyma og flytja það á öruggan hátt. Hins vegar, ef þú ferð ekki varlega og skilur það eftir í röngu umhverfi, geta vetnisgeymslublöndur losað vetnisgas með tímanum. Jæja, jafnvel lítill neisti getur valdið sprengjuslysi, svo vertu varkár.
Það hefur einnig þann ókost að endurtekið frásog og afsog vetnis leiðir til stökkunar og dregur úr frásogshraða vetnis.
Hitt er að nota rör. Skilyrði er að það þurfi að vera óþjappað og lágan þrýsting til að koma í veg fyrir að lögnin brotni, en kosturinn er sá að hægt er að nota núverandi gasrör. Tokyo Gas framkvæmdi framkvæmdir við Harumi FLAG og notaði gasleiðslur í borginni til að útvega vetni til efnarafala.

Framtíðarsamfélag skapað af Vetnisorku

Að lokum skulum við íhuga hvaða hlutverk vetni getur gegnt í samfélaginu.
Mikilvægara er að við viljum stuðla að kolefnislausu samfélagi, við notum vetni til raforkuframleiðslu í stað varmaorku.
Í stað stórra varmavirkjana hafa sum heimili tekið upp kerfi eins og ENE-FARM, sem nota vetni sem fæst með endurbótum á jarðgasi til að framleiða nauðsynlega raforku. Hins vegar er spurningin um hvað eigi að gera við aukaafurðir umbótaferlisins.

Ef útbreiðsla vetnis sjálfs eykst í framtíðinni, svo sem fjölgun vetniseldsneytisstöðva, verður hægt að nota rafmagn án þess að losa koltvísýring. Rafmagn framleiðir að sjálfsögðu grænt vetni, þannig að það notar rafmagn sem framleitt er með sólarljósi eða vindi. Aflið sem notað er til rafgreiningar ætti að vera krafturinn til að bæla niður magn orkuframleiðslu eða til að hlaða endurhlaðanlegu rafhlöðuna þegar það er umframafl frá náttúrulegri orku. Með öðrum orðum, vetnið er í sömu stöðu og endurhlaðanlega rafhlaðan. Ef það gerist verður á endanum hægt að draga úr varmaorkuframleiðslu. Dagurinn þegar brunavélin hverfur úr bílum nálgast óðfluga.

Vetni er einnig hægt að fá með annarri leið. Reyndar er vetni enn aukaafurð við framleiðslu á ætandi gosi. Það er meðal annars aukaafurð kókframleiðslu í járnvinnslu. Ef þú setur þetta vetni í dreifingu muntu geta fengið margar uppsprettur. Vetnisgas sem framleitt er á þennan hátt er einnig veitt frá vetnisstöðvum.

Horfum lengra inn í framtíðina. Magn tapaðrar orku er einnig vandamál með sendingaraðferðina sem notar víra til að veita orku. Þess vegna munum við í framtíðinni nota vetnið sem afhent er með leiðslum, rétt eins og kolsýrutankana sem notaðir eru til að búa til kolsýrða drykki, og kaupa vetnistank heima til að framleiða rafmagn fyrir hvert heimili. Farsímar sem ganga fyrir vetnisrafhlöðum eru að verða algeng. Það verður fróðlegt að sjá slíka framtíð.