Про водень наступного покоління енергії

Ми познайомимося з «воднем» – наступним поколінням енергії, яке є вуглецево нейтральним. Водень поділяється на три типи: «зелений водень», «блакитний водень» та «сірий водень», кожен з яких має різний метод виробництва. Ми також пояснимо кожен метод виробництва, фізичні властивості елементів, методи зберігання/транспортування та способи використання. А також я поясню, чому він є домінуючим джерелом енергії наступного покоління.

Електроліз води для отримання зеленого водню

Під час використання водню важливо все одно «виробляти водень». Найпростіший спосіб – «електролізувати воду». Можливо, ви робили це на заняттях з природознавства в початковій школі. Наповніть склянку водою, а електроди – водою. Коли до електродів підключено батарею та подається напруга, у воді та в кожному електроді відбуваються такі реакції.
На катоді H+ та електрони об'єднуються, утворюючи газоподібний водень, тоді як анод виробляє кисень. Тим не менш, цей підхід добре підходить для шкільних наукових експериментів, але для промислового виробництва водню необхідно підготувати ефективні механізми, придатні для великомасштабного виробництва. Це «електроліз з використанням полімерної електролітної мембрани (PEM)».
У цьому методі полімерна напівпроникна мембрана, яка пропускає іони водню, розміщена 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 та стати молекулами кисню на аноді.
Також при лужному електролізі води водень і кисень утворюються шляхом розділення анода та катода за допомогою сепаратора, через який можуть проходити лише гідроксид-іони. Крім того, існують промислові методи, такі як високотемпературний електроліз парою.
Виконуючи ці процеси у великих масштабах, можна отримати велику кількість водню. У процесі також виробляється значна кількість кисню (половина обсягу виробленого водню), тому його викид в атмосферу не матиме негативного впливу на навколишнє середовище. Однак електроліз вимагає багато електроенергії, тому безвуглецевий водень можна виробляти, якщо його виробляти за допомогою електроенергії, яка не використовує викопне паливо, таке як вітрові турбіни та сонячні панелі.
Ви можете отримати «зелений водень» шляхом електролізу води з використанням чистої енергії.

Також є генератор водню для великомасштабного виробництва цього зеленого водню. Завдяки використанню PEM в секції електролізера водень можна виробляти безперервно.

Блакитний водень, отриманий з викопного палива

Отже, які ще є способи отримання водню? Водень існує у викопному паливі, такому як природний газ і вугілля, у вигляді речовин, відмінних від води. Наприклад, розглянемо метан (CH4), основний компонент природного газу. Тут є чотири атоми водню. Ви можете отримати водень, видаливши цей водень.
Один із них – це процес під назвою «паровий риформінг метану», у якому використовується пара. Хімічна формула цього методу така:
Як бачите, чадний газ та водень можна витягти з однієї молекули метану.
Таким чином, водень можна виробляти за допомогою таких процесів, як «парове риформування» та «піроліз» природного газу та вугілля. «Блакитний водень» стосується водню, отриманого таким чином.
Однак у цьому випадку чадний газ та вуглекислий газ утворюються як побічні продукти. Тому їх потрібно переробити, перш ніж вони потраплять в атмосферу. Якщо вуглекислий газ не рекуперувати, він перетворюється на газоподібний водень, відомий як «сірий водень».

Який тип елемента являє собою водень?

Водень має атомний номер 1 і є першим елементом у періодичній таблиці.
Кількість атомів є найбільшою у Всесвіті, складаючи близько 90% усіх елементів у Всесвіті. Найменшим атомом, що складається з протона та електрона, є атом водню.
Водень має два ізотопи з нейтронами, приєднаними до ядра. Один нейтронно-зв'язаний «дейтерій» і два нейтронно-зв'язані «тритій». Ці матеріали також є матеріалами для виробництва енергії термоядерного синтезу.
Усередині зірки, такої як Сонце, відбувається ядерний синтез з водню в гелій, який є джерелом енергії, необхідної для світіння зірки.
Однак, водень рідко існує у вигляді газу на Землі. Водень утворює сполуки з іншими елементами, такими як вода, метан, аміак та етанол. Оскільки водень є легким елементом, з підвищенням температури швидкість руху молекул водню збільшується, і він виходить з-під сили земного тяжіння у космос.

Як використовувати водень? Використання шляхом згоряння

Тоді як використовується «водень», який привернув увагу всього світу як джерело енергії наступного покоління? Його використовують двома основними способами: «згоряння» та «паливний елемент». Почнемо з використання «спалювання».
Використовуються два основних типи горіння.
Перший – як ракетне паливо. Японська ракета H-IIA використовує як паливо газоподібний водень (рідкий водень) та «рідкий кисень», який також знаходиться в кріогенному стані. Ці два речовини поєднуються, і теплова енергія, що утворюється при цьому, прискорює впорскування молекул води, що утворюються, і вони летять у космос. Однак, оскільки це технічно складний двигун, окрім Японії, лише Сполучені Штати, Європа, Росія, Китай та Індія успішно поєднують це паливо.
Другий – це виробництво електроенергії. Виробництво електроенергії за допомогою газових турбін також використовує метод поєднання водню та кисню для вироблення енергії. Іншими словами, це метод, який розглядає теплову енергію, що виробляється воднем. На теплових електростанціях тепло від спалювання вугілля, нафти та природного газу виробляє пару, яка приводить в рух турбіни. Якщо водень використовується як джерело тепла, електростанція буде вуглецево-нейтральною.

Як використовувати водень? Використовується як паливний елемент

Інший спосіб використання водню – це паливний елемент, який перетворює водень безпосередньо на електрику. Зокрема, Toyota привернула увагу в Японії, рекламуючи автомобілі на водневому паливі замість електромобілів (EV) як альтернативу бензиновим автомобілям у рамках своїх заходів боротьби з глобальним потеплінням.
Зокрема, ми виконуємо зворотну процедуру, коли вводимо метод виробництва «зеленого водню». Хімічна формула така:
Водень може генерувати воду (гарячу воду або пару) одночасно з виробленням електроенергії, і це можна оцінити, оскільки він не створює навантаження на навколишнє середовище. З іншого боку, цей метод має відносно низьку ефективність виробництва електроенергії 30-40% і вимагає платини як каталізатора, що, відповідно, вимагає підвищених витрат.
Наразі ми використовуємо полімерно-електролітні паливні елементи (PEFC) та фосфорно-кислотні паливні елементи (PAFC). Зокрема, транспортні засоби на паливних елементах використовують PEFC, тому можна очікувати його поширення в майбутньому.

Чи безпечне зберігання та транспортування водню?

Наразі, ми вважаємо, ви розумієте, як виробляється та використовується газоподібний водень. Тож як зберігати цей водень? Як доставити його туди, куди потрібно? А як щодо безпеки в цей час? Ми пояснимо.
Насправді, водень також є дуже небезпечним елементом. На початку 20-го століття ми використовували водень як газ для запуску повітряних куль, аеростатів та дирижаблів у небі, оскільки він був дуже легким. Однак 6 травня 1937 року в Нью-Джерсі, США, стався «вибух дирижабля Гінденбург».
Після аварії стало загальновизнаним, що газоподібний водень є небезпечним. Особливо, коли він займається, він сильно вибухає від кисню. Тому важливо дотримуватися правил «тримати подалі від кисню» або «тримати подалі від тепла».
Після вжиття цих заходів ми розробили спосіб доставки.
Водень є газом за кімнатної температури, тому, хоча він все ще є газом, він дуже об'ємний. Перший метод полягає у застосуванні високого тиску та стиснення, як циліндр, під час приготування газованих напоїв. Підготуйте спеціальний резервуар високого тиску та зберігайте його в умовах високого тиску, наприклад, 45 МПа.
Компанія Toyota, яка розробляє автомобілі на паливних елементах (FCV), розробляє резервуар для водню високого тиску зі смоли, здатний витримувати тиск 70 МПа.
Інший метод полягає в охолодженні до -253°C для отримання рідкого водню, а також його зберіганні та транспортуванні у спеціальних теплоізольованих резервуарах. Як і ЗПГ (скраплений природний газ), коли природний газ імпортується з-за кордону, водень скраплюється під час транспортування, зменшуючи його об'єм до 1/800 від газоподібного стану. У 2020 році ми завершили створення першого у світі рідкого водневого транспортного засобу. Однак цей підхід не підходить для автомобілів на паливних елементах, оскільки для його охолодження потрібно багато енергії.
Існує метод зберігання та транспортування в подібних резервуарах, але ми також розробляємо інші методи зберігання водню.
Метод зберігання полягає у використанні сплавів для зберігання водню. Водень має властивість проникати крізь метали та руйнувати їх. Це розробка, розроблена у Сполучених Штатах у 1960-х роках. Дж. Дж. Рейлі 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 більший за свій власний об'єм.
Перевагою використання цього сплаву є те, що він може запобігти витоку водню (головним чином вибухам). Тому його можна безпечно зберігати та транспортувати. Однак, якщо ви не будете обережні та залишите його в неналежному середовищі, сплави для зберігання водню можуть з часом виділяти газоподібний водень. Навіть невелика іскра може спричинити вибух, тому будьте обережні.
Також є недолік, що багаторазове поглинання та десорбція водню призводить до окрихчення та зниження швидкості поглинання водню.
Інший варіант – використання труб. Існує умова, що вони повинні бути нестисненими та низького тиску, щоб запобігти окрихченню труб, але перевага полягає в тому, що можна використовувати існуючі газопроводи. Компанія Tokyo Gas виконала будівельні роботи на Harumi FLAG, використовуючи міські газопроводи для постачання водню до паливних елементів.

Майбутнє суспільство, створене водневою енергетикою

Нарешті, розглянемо роль, яку водень може відігравати в суспільстві.
Що ще важливіше, ми хочемо сприяти створенню суспільства без вуглецю, ми використовуємо водень для виробництва електроенергії, а не як теплову енергію.
Замість великих теплових електростанцій деякі домогосподарства впровадили такі системи, як ENE-FARM, які використовують водень, отриманий шляхом риформінгу природного газу, для виробництва необхідної електроенергії. Однак питання, що робити з побічними продуктами процесу риформінгу, залишається відкритим.

У майбутньому, якщо збільшиться обіг самого водню, наприклад, збільшиться кількість водневих заправних станцій, можна буде використовувати електроенергію без викидів вуглекислого газу. Електрика, звичайно, виробляє зелений водень, тому вона використовує електроенергію, що виробляється сонячним світлом або вітром. Енергія, яка використовується для електролізу, має бути енергією для придушення кількості виробленої енергії або для заряджання акумуляторної батареї, коли є надлишок енергії від природної енергії. Іншими словами, водень знаходиться в тому ж положенні, що й акумуляторна батарея. Якщо це станеться, зрештою можна буде зменшити вироблення теплової енергії. День, коли двигун внутрішнього згоряння зникне з автомобілів, швидко наближається.

Водень також можна отримати іншим шляхом. Фактично, водень все ще є побічним продуктом виробництва каустичної соди. Серед іншого, це побічний продукт виробництва коксу в чавуноплавстві. Якщо ви запустите цей водень у розподіл, ви зможете отримати кілька джерел. Газоподібний водень, отриманий таким чином, також постачається водневими станціями.

Давайте заглянемо далі в майбутнє. Кількість втраченої енергії також є проблемою через метод передачі, який використовує дроти для постачання енергії. Тому в майбутньому ми будемо використовувати водень, що постачається трубопроводами, так само, як резервуари з вуглекислотою, що використовуються для виготовлення газованих напоїв, і купуватимемо резервуар з воднем додому для виробництва електроенергії для кожного домогосподарства. Мобільні пристрої, що працюють на водневих акумуляторах, стають звичним явищем. Цікаво буде побачити таке майбутнє.