Um næstu kynslóð orkuvetnis

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

Rafgreining vatns til að framleiða grænt vetni

Þegar vetni er notað er mikilvægt að „framleiða vetni“ samt sem áður. Auðveldasta leiðin er að „rafgreina vatn“. Kannski gerðir þú það í náttúrufræði í grunnskóla. Fyllið bikarglasið með vatni og leggið rafskautin í vatn. Þegar rafhlaða er tengd við rafskautin og virkjuð, eiga eftirfarandi viðbrögð sér stað í vatninu og í hverri rafskaut.
Við bakskautið sameinast H+ og rafeindir til að framleiða vetnisgas, en anóðan framleiðir súrefni. Þessi aðferð hentar þó vel fyrir vísindatilraunir í skólum, en til að framleiða vetni í iðnaði verður að útbúa skilvirkar aðferðir sem henta til stórfelldrar framleiðslu. Það er „rafgreining á fjölliðu raflausnarhimnu (PEM)“.
Í þessari aðferð er hálfgegndræp himna úr fjölliðu, sem leyfir vetnisjónum að komast í gegn, sett á milli anóðu og katóðu. Þegar vatni er hellt í anóðu tækisins fara vetnisjónir, sem myndast við rafgreiningu, í gegnum hálfgegndræpa himnu að katóðunni þar sem þær verða að sameindavetni. Hins vegar geta súrefnisjónir ekki farið í gegnum hálfgegndræpu himnuna og orðið að súrefnissameindum við anóðuna.
Einnig í basískri vatnsrafgreiningu býrðu til vetni og súrefni með því að aðskilja anóðu og katóðu í gegnum skilju sem aðeins hýdroxíðjónir komast í gegnum. Að auki eru til iðnaðaraðferðir eins og gufurafgreining við háan hita.
Með því að framkvæma þessi ferli í stórum stíl er hægt að fá mikið magn af vetni. Í ferlinu er einnig framleitt umtalsvert magn af súrefni (helmingur þess magns sem framleitt er af vetni), þannig að það hefði engin skaðleg umhverfisáhrif ef það losnaði út í andrúmsloftið. Hins vegar krefst rafgreining mikillar rafmagns, þannig að hægt er að framleiða kolefnislaust vetni ef það er framleitt með rafmagni sem notar ekki jarðefnaeldsneyti, svo sem vindmyllur og sólarsellur.
Þú getur fengið „grænt vetni“ með því að rafgreina vatn með hreinni orku.

Einnig er til staðar vetnisframleiðandi fyrir stórfellda framleiðslu á þessu græna vetni. Með því að nota PEM í rafgreiningarhlutanum er hægt að framleiða vetni samfellt.

Blátt vetni framleitt úr jarðefnaeldsneyti

Hvaða aðrar leiðir eru þá til að framleiða vetni? Vetni finnst í jarðefnaeldsneyti eins og jarðgasi og kolum sem önnur efni en vatn. Tökum til dæmis metan (CH4), aðalþátt jarðgass. Það eru fjögur vetnisatóm hér. Þú getur fengið vetni með því að taka þetta vetni út.
Eitt af þessu er ferli sem kallast „gufumetanumbreyting“ sem notar gufu. Efnaformúlan fyrir þessa aðferð er sem hér segir.
Eins og þú sérð er hægt að vinna kolmónoxíð og vetni úr einni metansameind.
Á þennan hátt er hægt að framleiða vetni með ferlum eins og „gufuumbreytingu“ og „hitasundrun“ á jarðgasi og kolum. „Blátt vetni“ vísar til vetnis sem framleitt er á þennan hátt.
Í þessu tilviki myndast hins vegar kolmónoxíð og koltvísýringur sem aukaafurðir. Því þarf að endurvinna þau áður en þau losna út í andrúmsloftið. Ef aukaafurðin koltvísýringur er ekki endurheimt verður hún að vetnisgasi, þekkt sem „grátt vetni“.

Hvers konar frumefni er vetni?

Vetni hefur sætistöluna 1 og er fyrsta frumefnið í lotukerfinu.
Fjöldi frumeinda er sá mesti í alheiminum og nemur um 90% allra frumefna í alheiminum. Minnsta frumeind sem samanstendur af róteind og rafeind er vetnisatómið.
Vetni hefur tvær samsætur með nifteindum tengdum við kjarnann. Einn nifteindabundinn „deuterium“ og tvær nifteindabundnar „trítium“. Þetta eru einnig efni sem notuð eru til orkuframleiðslu í kjarnasamruna.
Inni í stjörnu eins og sólinni á sér stað kjarnasamruni úr vetni í helíum, sem er orkugjafinn fyrir stjörnuna til að skína.
Vetni er þó sjaldgæft sem gas á jörðinni. Vetni myndar efnasambönd með öðrum frumefnum eins og vatni, metani, ammóníaki og etanóli. Þar sem vetni er létt frumefni eykst hreyfihraði vetnissameindanna þegar hitastig hækkar og þær losna undan þyngdarafli jarðar út í geiminn.

Hvernig á að nota vetni? Notkun með bruna

Hvernig er þá „vetni“, sem hefur vakið athygli um allan heim sem næstu kynslóð orkugjafa, notað? Það er notað á tvo megin vegu: með „brennslu“ og „eldsneytisfrumu“. Byrjum á notkun hugtaksins „brennsla“.
Það eru tvær helstu gerðir af brennslu sem notaðar eru.
Fyrsta dæmið er sem eldsneyti fyrir eldflaugar. Japanska H-IIA eldflaugin notar vetnisgas, „fljótandi vetni“, og „fljótandi súrefni“, sem er einnig í lághitastigi, sem eldsneyti. Þessi tvö eru sameinuð og varmaorkan sem myndast við það flýtir fyrir innspýtingu vatnssameindanna sem myndast og fljúga út í geiminn. Hins vegar, þar sem þetta er tæknilega erfið vél, hafa aðeins Bandaríkin, Evrópa, Rússland, Kína og Indland, fyrir utan Japan, tekist að sameina þetta eldsneyti.
Í öðru lagi er orkuframleiðsla. Gastúrbínaframleiðsla notar einnig aðferðina að sameina vetni og súrefni til að framleiða orku. Með öðrum orðum, þetta er aðferð sem skoðar varmaorkuna sem vetni framleiðir. Í varmaorkuverum framleiðir hitinn frá brennslu kola, olíu og jarðgass gufu sem knýr túrbínur. Ef vetni er notað sem hitagjafi verður orkuverið kolefnishlutlaust.

Hvernig á að nota vetni? Notað sem eldsneytisfrumu

Önnur leið til að nota vetni er sem eldsneytisrafhlöða, sem breytir vetni beint í rafmagn. Toyota hefur sérstaklega vakið athygli í Japan með því að kynna vetnisknúin ökutæki í stað rafbíla sem valkost við bensínbíla, sem hluta af aðgerðum sínum gegn hlýnun jarðar.
Við erum að gera öfuga aðferð þegar við kynnum framleiðsluaðferðina fyrir „grænt vetni“. Efnaformúlan er sem hér segir.
Vetni getur framleitt vatn (heitt vatn eða gufu) á meðan rafmagn er framleitt og það er hægt að meta þar sem það veldur ekki umhverfisálagi. Hins vegar hefur þessi aðferð tiltölulega lága orkunýtni, 30-40%, og krefst platínu sem hvata, sem leiðir til aukins kostnaðar.
Eins og er notum við fjölliðu-rafmagnseldsneytisfrumur (PEFC) og fosfórsýrueldsneytisfrumur (PAFC). Sérstaklega nota eldsneytisfrumubílar PEFC, þannig að búast má við að það muni breiðast út í framtíðinni.

Er geymsla og flutningur vetnis öruggur?

Við teljum að þú skiljir nú hvernig vetnisgas er framleitt og notað. Hvernig geymir þú þetta vetni? Hvernig færðu það þangað sem þú þarft á því að halda? Hvað með öryggið á þeim tíma? Við munum útskýra.
Reyndar er vetni líka mjög hættulegt frumefni. Í byrjun 20. aldar notuðum við vetni sem gas til að láta loftbelgi, blöðrur og loftskip svífa á himninum vegna þess að það var mjög létt. Hins vegar, þann 6. maí 1937, í New Jersey í Bandaríkjunum, varð „sprengingin í loftskipinu Hindenburg“.
Frá slysinu hefur almennt verið viðurkennt að vetnisgas er hættulegt. Sérstaklega þegar það kviknar í springur það harkalega með súrefni. Þess vegna er nauðsynlegt að „halda frá súrefni“ eða „halda frá hita“.
Eftir að hafa gripið til þessara ráðstafana fundum við upp sendingaraðferð.
Vetni er gas við stofuhita, svo þótt það sé enn gas, þá er það mjög fyrirferðarmikið. Fyrsta aðferðin er að beita háþrýstingi og þjappa því saman eins og strokk þegar kolsýrðir drykkir eru búnir til. Útbúið sérstakan háþrýstitank og geymið hann við háþrýstingsskilyrði eins og 45Mpa.
Toyota, sem þróar eldsneytisfrumubíla (FCV), er að þróa háþrýstitank úr vetni úr plastefni sem þolir 70 MPa þrýsting.
Önnur aðferð er að kæla vetni niður í -253°C til að búa til fljótandi vetni og geyma það og flytja það í sérstökum einangruðum tönkum. Líkt og fljótandi jarðgas (LNG) þegar jarðgas er flutt inn frá útlöndum, þá er vetni fljótandi við flutning, sem minnkar rúmmál þess niður í 1/800 af gasformi þess. Árið 2020 kláruðum við fyrsta fljótandi vetnisflutningstækið í heimi. Hins vegar hentar þessi aðferð ekki fyrir eldsneytisfrumubíla þar sem það krefst mikillar orku að kæla það.
Það er til aðferð til að geyma og flytja í tönkum eins og þessum, en við erum líka að þróa aðrar aðferðir til að geyma vetni.
Geymsluaðferðin er að nota vetnisgeymslumálmblöndur. Vetni hefur þann eiginleika að smjúga inn í málma og skemma þá. Þetta er þróunarráð sem var þróað í Bandaríkjunum á sjöunda áratugnum. JJ Reilly o.fl. Tilraunir hafa sýnt að hægt er að geyma og losa vetni með því að nota málmblöndu af magnesíum og vanadíum.
Eftir það tókst honum að þróa efni, eins og palladíum, sem getur tekið í sig vetni sem er 935 sinnum meira en eigið rúmmál.
Kosturinn við að nota þessa málmblöndu er að hún getur komið í veg fyrir vetnisleka (aðallega sprengislys). Þess vegna er hægt að geyma og flytja hana á öruggan hátt. Hins vegar, ef ekki er farið varlega og hún er geymd í röngum aðstæðum, geta vetnisgeymslumálmblöndur losað vetnisgas með tímanum. Jafnvel lítill neisti getur valdið sprengislysi, svo verið varkár.
Það hefur einnig þann ókost að endurtekin vetnisupptaka og frásog leiðir til brothættis og dregur úr vetnisupptökuhraða.
Hin leiðin er að nota pípur. Skilyrði er að þær séu ekki þjappaðar og undir lágum þrýstingi til að koma í veg fyrir að pípurnar brotni, en kosturinn er sá að hægt er að nota núverandi gasleiðslur. Tokyo Gas framkvæmdi við Harumi FLAG og notaði gasleiðslur borgarinnar til að útvega vetni í eldsneytisfrumur.

Framtíðarsamfélag skapað með vetnisorku

Að lokum skulum við skoða það hlutverk sem vetni getur gegnt í samfélaginu.
Mikilvægara er að við viljum stuðla að kolefnislausu samfélagi, við notum vetni til að framleiða rafmagn í stað þess að nota það sem varmaorku.
Í stað stórra varmaorkuvera hafa sum heimili innleitt kerfi eins og ENE-FARM, sem nota vetni sem fæst með umbreytingu jarðgass til að framleiða nauðsynlega rafmagn. Hins vegar er spurningin enn óljós hvað eigi að gera við aukaafurðir umbreytingarferlisins.

Í framtíðinni, ef dreifing vetnis sjálfs eykst, eins og með því að fjölga vetnisstöðvum, verður hægt að nota rafmagn án þess að losa koltvísýring. Rafmagn framleiðir auðvitað grænt vetni, þannig að það notar rafmagn sem er framleitt úr sólarljósi eða vindi. Orkan sem notuð er til rafgreiningar ætti að vera sú afl sem dregur úr orkuframleiðslu eða hleður endurhlaðanlega rafhlöðuna þegar umframorka er til staðar frá náttúrulegri orku. Með öðrum orðum, vetnið er í sömu stöðu og endurhlaðanlega rafhlaðan. Ef þetta gerist verður að lokum hægt að draga úr varmaorkuframleiðslu. Sá dagur þegar brunahreyfillinn hverfur úr bílum nálgast óðfluga.

Vetni er einnig hægt að fá með öðrum hætti. Reyndar er vetni enn aukaafurð við framleiðslu á vítissóda. Það er meðal annars aukaafurð við kóksframleiðslu í járnframleiðslu. Ef þú setur þetta vetni í dreifinguna geturðu fengið margar uppsprettur. Vetnisgas sem framleitt er á þennan hátt er einnig útvegað af vetnisstöðvum.

Við skulum skoða framtíðina. Magn orkutaps er einnig vandamál með flutningsaðferðina sem notar víra til að afla orku. Þess vegna munum við í framtíðinni nota vetni sem flutt er með leiðslum, rétt eins og kolsýrutankana sem notaðir eru til að búa til gosdrykki, og kaupa vetnistank heima til að framleiða rafmagn fyrir hvert heimili. Farsímar sem ganga fyrir vetnisrafhlöðum eru að verða algengir. Það verður áhugavert að sjá slíka framtíð.