Про енергетичний водень нового покоління

Ми запровадимо «водень» — наступне покоління енергії з нейтральним вуглецем. Водень поділяється на три типи: «зелений водень», «блакитний водень» і «сірий водень», кожен з яких має свій спосіб отримання. Ми також пояснимо кожен метод виробництва, фізичні властивості елементів, методи зберігання/транспортування та способи використання. І я також поясню, чому це домінуюче джерело енергії наступного покоління.

Електроліз води для отримання зеленого водню

При використанні водню важливо все одно «виробляти водень». Найпростіший спосіб – «електролізувати воду». Можливо, ви вивчали науку в початковій школі. Наповніть стакан водою, а електроди – водою. Коли батарею підключають до електродів і подають під напругу, у воді та в кожному електроді відбуваються такі реакції.
На катоді Н+ і електрони об’єднуються, утворюючи водень, тоді як анод виробляє кисень. Тим не менш, цей підхід підходить для шкільних наукових експериментів, але для промислового виробництва водню необхідно підготувати ефективні механізми, придатні для великомасштабного виробництва. Це «електроліз полімерної електролітної мембрани (PEM)».
У цьому методі полімерна напівпроникна мембрана, яка забезпечує проходження іонів водню, затиснута між анодом і катодом. Коли вода заливається в анод пристрою, іони водню, що утворюються в результаті електролізу, рухаються через напівпроникну мембрану до катода, де вони перетворюються на молекулярний водень. З іншого боку, іони кисню не можуть пройти через напівпроникну мембрану і стати молекулами кисню на аноді.
Крім того, під час електролізу лужної води ви створюєте водень і кисень, розділяючи анод і катод через сепаратор, через який можуть проходити лише іони гідроксиду. Крім того, існують такі промислові методи, як високотемпературний паровий електроліз.
Виконуючи ці процеси у великому масштабі, можна отримати великі кількості водню. У процесі також виробляється значна кількість кисню (половина об’єму виробленого водню), щоб він не мав шкідливого впливу на навколишнє середовище, якщо б викинувся в атмосферу. Однак для електролізу потрібно багато електроенергії, тому безвуглецевий водень можна виробляти, якщо його виробляти за допомогою електроенергії, яка не використовує викопне паливо, наприклад вітрові турбіни та сонячні батареї.
Ви можете отримати «зелений водень», електролізуючи воду з використанням чистої енергії.

Існує також генератор водню для великомасштабного виробництва цього зеленого водню. Використовуючи PEM у секції електролізера, можна безперервно виробляти водень.

Синій водень, виготовлений з викопного палива

Отже, які інші способи отримання водню? Водень існує у викопному паливі, такому як природний газ і вугілля, як речовини, відмінні від води. Для прикладу розглянемо метан (CH4), основний компонент природного газу. Тут є чотири атоми водню. Ви можете отримати водень, вийнявши цей водень.
Одним із них є процес під назвою «паровий риформінг метану», який використовує пару. Хімічна формула цього методу така.
Як бачите, окис вуглецю та водень можна виділити з однієї молекули метану.
Таким чином, водень можна виробляти за допомогою таких процесів, як «паровий риформінг» і «піроліз» природного газу та вугілля. «Блакитний водень» відноситься до водню, отриманого таким чином.
Однак у цьому випадку оксид вуглецю та вуглекислий газ утворюються як побічні продукти. Тому ви повинні переробити їх, перш ніж викинути в атмосферу. Побічний продукт вуглекислого газу, якщо його не відновити, стає газоподібним воднем, відомим як «сірий водень».

Що це за елемент Гідроген?

Водень має атомний номер 1 і є першим елементом у періодичній таблиці.
Кількість атомів є найбільшою у Всесвіті, вони становлять близько 90% всіх елементів у Всесвіті. Найменшим атомом, що складається з протона й електрона, є атом водню.
Водень має два ізотопи з нейтронами, приєднаними до ядра. Один “дейтерій” із зв’язуванням нейтронів і два “тритій” із зв’язуванням нейтронів. Це також матеріали для термоядерного виробництва енергії.
Усередині такої зірки, як Сонце, відбувається ядерний синтез із водню в гелій, який є джерелом енергії для сяяння зірки.
Однак водень рідко існує у вигляді газу на Землі. Водень утворює сполуки з іншими елементами, такими як вода, метан, аміак і етанол. Оскільки водень є легким елементом, у міру підвищення температури швидкість руху молекул водню збільшується, і він виривається з-під сили земного тяжіння у відкритий космос.

Як використовувати водень? Використання шляхом спалювання

Тоді як використовується «водень», який привернув увагу всього світу як джерело енергії нового покоління? Він використовується двома основними способами: «згоряння» та «паливний елемент». Почнемо з використання «запису».
Використовуються два основних види спалювання.
Перше — як ракетне паливо. Японська ракета H-IIA використовує в якості палива водневі гази «рідкий водень» і «рідкий кисень», які також знаходяться в кріогенному стані. Ці два поєднуються, і теплова енергія, що виділяється при цьому, прискорює впорскування утворених молекул води, що летять у космос. Однак, оскільки це технічно складний двигун, окрім Японії, лише США, Європа, Росія, Китай та Індія успішно поєднали це паливо.
Друге – виробництво електроенергії. Виробництво електроенергії на газових турбінах також використовує метод поєднання водню та кисню для отримання енергії. Іншими словами, це метод, який вивчає теплову енергію, вироблену воднем. На теплових електростанціях тепло від спалювання вугілля, нафти та природного газу виробляє пару, яка приводить в рух турбіни. Якщо як джерело тепла використовувати водень, електростанція буде вуглецево-нейтральною.

Як використовувати водень? Використовується як паливний елемент

Інший спосіб використання водню – це паливний елемент, який перетворює водень безпосередньо в електрику. Зокрема, Toyota привернула увагу в Японії, рекламуючи автомобілі на водневому паливі замість електромобілів (EV) як альтернативу бензиновим транспортним засобам у рамках своїх заходів протидії глобальному потеплінню.
Зокрема, ми робимо зворотну процедуру, коли запроваджуємо спосіб виробництва «зеленого водню». Хімічна формула наступна.
Водень може генерувати воду (гарячу воду або пару) під час виробництва електроенергії, і його можна оцінити, оскільки він не створює тягаря для навколишнього середовища. З іншого боку, цей метод має відносно низьку ефективність виробництва електроенергії 30-40%, і вимагає платини як каталізатора, що вимагає підвищених витрат.
Зараз ми використовуємо паливні елементи з полімерним електролітом (PEFC) і фосфорно-кислотні паливні елементи (PAFC). Зокрема, транспортні засоби на паливних елементах використовують PEFC, тому можна очікувати його поширення в майбутньому.

Чи безпечні зберігання та транспортування водню?

Ми думаємо, що тепер ви зрозуміли, як утворюється та використовується водень. Отже, як ви зберігаєте цей водень? Як дістати його туди, куди потрібно? Як щодо безпеки в той час? Ми пояснимо.
Насправді, водень також є дуже небезпечним елементом. На початку 20-го століття ми використовували водень як газ, щоб запускати повітряні кулі, повітряні кулі та дирижаблі в небі, оскільки він був дуже легким. Однак 6 травня 1937 року в Нью-Джерсі, США, стався «вибух дирижабля «Гінденбург».
Після аварії було широко визнано, що водень є небезпечним. Особливо, коли він загориться, він сильно вибухне з киснем. Тому «триматися подалі від кисню» або «триматися подалі від тепла» є важливим.
Після вжиття цих заходів ми придумали спосіб доставки.
Водень є газом при кімнатній температурі, тому, незважаючи на те, що він все ще газ, він дуже об’ємний. Перший метод полягає у застосуванні високого тиску та стисненні, як циліндр, під час приготування газованих напоїв. Підготуйте спеціальний резервуар високого тиску та зберігайте його в умовах високого тиску, наприклад 45 МПа.
Toyota, яка розробляє транспортні засоби на паливних елементах (FCV), розробляє бак для водню високого тиску на основі смоли, який може витримувати тиск 70 МПа.
Інший метод полягає в охолодженні до -253°C для отримання рідкого водню, а також його зберігання та транспортування в спеціальних теплоізольованих резервуарах. Як і СПГ (скраплений природний газ), коли природний газ імпортується з-за кордону, водень зріджується під час транспортування, зменшуючи його об’єм до 1/800 його газоподібного стану. У 2020 році ми завершили будівництво першого в світі транспортера рідкого водню. Однак цей підхід не підходить для автомобілів на паливних елементах, оскільки для охолодження потрібно багато енергії.
Існує такий спосіб зберігання та транспортування в резервуарах, але ми також розробляємо інші методи зберігання водню.
Спосіб зберігання полягає у використанні сплавів для зберігання водню. Водень має властивість проникати в метали і псувати їх. Це підказка для розробки, розроблена в Сполучених Штатах у 1960-х роках. JJ Reilly та ін. Експерименти показали, що водень можна зберігати та вивільняти за допомогою сплаву магнію та ванадію.
Після цього він успішно розробив речовину, таку як паладій, яка може поглинати водень у 935 разів більше, ніж власний об’єм.
Перевага використання цього сплаву полягає в тому, що він може запобігти нещасним випадкам, пов’язаним з витоком водню (переважно випадки вибуху). Тому його можна безпечно зберігати і транспортувати. Однак, якщо ви не будете обережні і залишите його в неправильному середовищі, сплави для зберігання водню можуть з часом виділяти газоподібний водень. Що ж, навіть невелика іскра може спричинити вибух, тому будьте обережні.
Він також має той недолік, що багаторазове поглинання та десорбція водню призводить до окрихчення та знижує швидкість поглинання водню.
Інший - використовувати труби. Існує умова, що він повинен бути нестислим і мати низький тиск, щоб запобігти окрихченню труб, але перевага полягає в тому, що можна використовувати існуючі газові труби. Tokyo Gas виконала будівельні роботи на Harumi FLAG, використовуючи міські газопроводи для подачі водню в паливні елементи.

Суспільство майбутнього, створене водневою енергетикою

Нарешті, давайте розглянемо роль водню в суспільстві.
Що ще важливіше, ми хочемо сприяти безвуглецевому суспільству, ми використовуємо водень для виробництва електроенергії, а не як теплову енергію.
Замість великих теплових електростанцій деякі домогосподарства запровадили такі системи, як ENE-FARM, які використовують водень, отриманий шляхом реформування природного газу, для виробництва необхідної електроенергії. Проте залишається відкритим питання, що робити з побічними продуктами процесу реформування.

У майбутньому, якщо збільшиться циркуляція самого водню, наприклад, збільшиться кількість водневих заправних станцій, можна буде використовувати електроенергію без викидів вуглекислого газу. Звичайно, електрика виробляє зелений водень, тому він використовує електроенергію, вироблену від сонячного світла або вітру. Потужність, яка використовується для електролізу, має бути потужністю для придушення обсягу генерації електроенергії або для заряджання акумуляторної батареї, коли є надлишок електроенергії від природної енергії. Іншими словами, водень знаходиться в тому ж положенні, що і акумуляторна батарея. Якщо це станеться, то з часом можна буде зменшити виробництво теплової енергії. Незабаром наближається день, коли двигуни внутрішнього згоряння зникнуть з автомобілів.

Водень також можна отримати іншим шляхом. Фактично, водень все ще є побічним продуктом виробництва каустичної соди. Крім усього іншого, це побічний продукт коксохімічного виробництва при виробництві чавуну. Якщо ви помістите цей водень у розподіл, ви зможете отримати кілька джерел. Вироблений таким чином водень також постачають водневі станції.

Зазирнемо далі в майбутнє. Кількість втраченої енергії також є проблемою методу передачі, який використовує дроти для живлення. Тому в майбутньому ми будемо використовувати водень, що доставляється по трубопроводах, так само, як резервуари для вугільної кислоти, які використовуються для виготовлення газованих напоїв, і придбаємо резервуар для водню вдома, щоб виробляти електроенергію для кожної домогосподарства. Мобільні пристрої, які працюють від водневих акумуляторів, стають звичним явищем. Буде цікаво побачити таке майбутнє.