Ons sal "waterstof" bekendstel, die volgende generasie energie wat koolstofneutraal is. Waterstof word in drie tipes verdeel: "groen waterstof", "blou waterstof" en "grys waterstof", wat elkeen 'n ander produksiemetode het. Ons sal ook elke vervaardigingsmetode, fisiese eienskappe as elemente, bergings-/vervoermetodes en gebruiksmetodes verduidelik. En ek sal ook bekendstel waarom dit die volgende generasie dominante energiebron is.
Elektrolise van Water om Groen Waterstof te Produseer
Wanneer waterstof gebruik word, is dit in elk geval belangrik om "waterstof te produseer". Die maklikste manier is om "water te elektroliseer". Miskien het jy dit in laerskoolwetenskap gedoen. Vul die beker met water en die elektrodes in water. Wanneer 'n battery aan die elektrodes gekoppel en geaktiveer word, vind die volgende reaksies in die water en in elke elektrode plaas.
By die katode kombineer H+ en elektrone om waterstofgas te produseer, terwyl die anode suurstof produseer. Hierdie benadering is egter goed vir skoolwetenskap-eksperimente, maar om waterstof industrieel te produseer, moet doeltreffende meganismes wat geskik is vir grootskaalse produksie voorberei word. Dit is "polimeer-elektrolietmembraan (PEM) elektrolise".
In hierdie metode word 'n polimeer-semi-deurlaatbare membraan wat die deurgang van waterstofione toelaat, tussen 'n anode en 'n katode geplaas. Wanneer water in die toestel se anode gegooi word, beweeg waterstofione wat deur elektrolise geproduseer word, deur 'n semipermeabele membraan na die katode, waar hulle molekulêre waterstof word. Aan die ander kant kan suurstofione nie deur die semipermeabele membraan beweeg en suurstofmolekules by die anode word nie.
Ook in alkaliese waterelektrolise skep jy waterstof en suurstof deur die anode en katode te skei deur 'n skeier waardeur slegs hidroksiedione kan beweeg. Daarbenewens is daar industriële metodes soos hoëtemperatuur-stoomelektrolise.
Deur hierdie prosesse op groot skaal uit te voer, kan groot hoeveelhede waterstof verkry word. In die proses word ook 'n beduidende hoeveelheid suurstof geproduseer (die helfte van die volume waterstof wat geproduseer word), sodat dit geen nadelige omgewingsimpak sou hê as dit in die atmosfeer vrygestel word nie. Elektrolise benodig egter baie elektrisiteit, dus kan koolstofvrye waterstof geproduseer word as dit geproduseer word met elektrisiteit wat nie fossielbrandstowwe gebruik nie, soos windturbines en sonpanele.
Jy kan "groen waterstof" kry deur water te elektroliseer met behulp van skoon energie.
Daar is ook 'n waterstofgenerator vir grootskaalse produksie van hierdie groen waterstof. Deur PEM in die elektroliseerder-afdeling te gebruik, kan waterstof voortdurend geproduseer word.
Blou waterstof gemaak van fossiele brandstowwe
So, wat is ander maniere om waterstof te maak? Waterstof bestaan in fossielbrandstowwe soos natuurlike gas en steenkool as stowwe anders as water. Beskou byvoorbeeld metaan (CH4), die hoofkomponent van natuurlike gas. Daar is vier waterstofatome hier. Jy kan waterstof kry deur hierdie waterstof uit te haal.
Een hiervan is 'n proses genaamd "stoommetaanreformering" wat stoom gebruik. Die chemiese formule van hierdie metode is soos volg.
Soos jy kan sien, kan koolstofmonoksied en waterstof uit 'n enkele metaanmolekule onttrek word.
Op hierdie manier kan waterstof geproduseer word deur prosesse soos "stoomreformering" en "pirolise" van natuurlike gas en steenkool. "Blou waterstof" verwys na waterstof wat op hierdie manier geproduseer word.
In hierdie geval word koolstofmonoksied en koolstofdioksied egter as neweprodukte geproduseer. Jy moet hulle dus herwin voordat hulle in die atmosfeer vrygestel word. Die neweproduk koolstofdioksied, indien nie herwin nie, word waterstofgas, bekend as "grys waterstof".
Watter soort element is waterstof?
Waterstof het 'n atoomgetal van 1 en is die eerste element op die periodieke tabel.
Die aantal atome is die grootste in die heelal en maak ongeveer 90% van alle elemente in die heelal uit. Die kleinste atoom wat uit 'n proton en 'n elektron bestaan, is die waterstofatoom.
Waterstof het twee isotope met neutrone wat aan die kern geheg is. Een neutrongebonde "deuterium" en twee neutrongebonde "tritium". Hierdie is ook materiale vir die opwekking van kernfusie-krag.
Binne-in 'n ster soos die son vind kernfusie van waterstof na helium plaas, wat die energiebron is vir die ster om te skyn.
Waterstof bestaan egter selde as 'n gas op Aarde. Waterstof vorm verbindings met ander elemente soos water, metaan, ammoniak en etanol. Aangesien waterstof 'n ligte element is, neem die bewegingspoed van waterstofmolekules toe soos die temperatuur styg, en ontsnap van die swaartekrag van die aarde na die buitenste ruimte.
Hoe om waterstof te gebruik? Gebruik deur verbranding
Hoe word "waterstof", wat wêreldwyd aandag getrek het as 'n volgende-generasie energiebron, dan gebruik? Dit word op twee hoofmaniere gebruik: "verbranding" en "brandstofsel". Kom ons begin met die gebruik van "brand".
Daar is twee hooftipes verbranding wat gebruik word.
Die eerste is as vuurpylbrandstof. Japan se H-IIA-vuurpyl gebruik waterstofgas "vloeibare waterstof" en "vloeibare suurstof" wat ook in 'n kriogeniese toestand is as brandstof. Hierdie twee word gekombineer, en die hitte-energie wat op daardie tydstip opgewek word, versnel die inspuiting van die watermolekules wat die ruimte in vlieg. Omdat dit egter 'n tegnies moeilike enjin is, het slegs die Verenigde State, Europa, Rusland, China en Indië, behalwe vir Japan, hierdie brandstof suksesvol gekombineer.
Die tweede is kragopwekking. Gasturbine-kragopwekking gebruik ook die metode om waterstof en suurstof te kombineer om energie op te wek. Met ander woorde, dit is 'n metode wat kyk na die termiese energie wat deur waterstof geproduseer word. In termiese kragsentrales produseer die hitte van die verbranding van steenkool, olie en natuurlike gas stoom wat turbines aandryf. As waterstof as 'n hittebron gebruik word, sal die kragsentrale koolstofneutraal wees.
Hoe om waterstof te gebruik? Gebruik as 'n brandstofsel
Nog 'n manier om waterstof te gebruik, is as 'n brandstofsel, wat waterstof direk in elektrisiteit omskakel. Toyota het veral aandag in Japan getrek deur waterstofaangedrewe voertuie in plaas van elektriese voertuie (EV's) as 'n alternatief vir petrolvoertuie aan te bied as deel van sy teenmaatreëls teen aardverwarming.
Spesifiek doen ons die omgekeerde prosedure wanneer ons die vervaardigingsmetode van "groen waterstof" bekendstel. Die chemiese formule is soos volg.
Waterstof kan water (warm water of stoom) genereer terwyl elektrisiteit opgewek word, en dit kan geëvalueer word omdat dit nie 'n las op die omgewing plaas nie. Aan die ander kant het hierdie metode 'n relatief lae kragopwekkingsdoeltreffendheid van 30-40%, en vereis platinum as katalisator, wat dus verhoogde koste meebring.
Tans gebruik ons polimeer-elektrolietbrandstofselle (PEFC) en fosforsuurbrandstofselle (PAFC). Brandstofselvoertuie gebruik veral PEFC, dus kan verwag word dat dit in die toekoms sal versprei.
Is waterstofberging en -vervoer veilig?
Teen hierdie tyd dink ons jy verstaan hoe waterstofgas gemaak en gebruik word. So hoe stoor jy hierdie waterstof? Hoe kry jy dit waar jy dit nodig het? Wat van sekuriteit op daardie tydstip? Ons sal verduidelik.
Trouens, waterstof is ook 'n baie gevaarlike element. Aan die begin van die 20ste eeu het ons waterstof as 'n gas gebruik om ballonne, ballonne en lugskepe in die lug te laat dryf omdat dit baie lig was. Op 6 Mei 1937 het die "lugskip Hindenburg-ontploffing" egter in New Jersey, VSA, plaasgevind.
Sedert die ongeluk is dit wyd erken dat waterstofgas gevaarlik is. Veral wanneer dit vlam vat, sal dit hewig met suurstof ontplof. Daarom is "hou weg van suurstof" of "hou weg van hitte" noodsaaklik.
Nadat ons hierdie maatreëls getref het, het ons 'n versendingsmetode bedink.
Waterstof is 'n gas by kamertemperatuur, so al is dit steeds 'n gas, is dit baie lywig. Die eerste metode is om hoë druk toe te pas en soos 'n silinder saam te pers wanneer koolzuurhoudende drankies gemaak word. Berei 'n spesiale hoëdruktenk voor en bêre dit onder hoëdruktoestande soos 45Mpa.
Toyota, wat brandstofselvoertuie (FCV) ontwikkel, ontwikkel 'n hars-hoëdruk-waterstoftenk wat 70 MPa-druk kan weerstaan.
Nog 'n metode is om af te koel tot -253°C om vloeibare waterstof te maak, en dit te stoor en te vervoer in spesiale hitte-geïsoleerde tenks. Soos LNG (vloeibare natuurlike gas) wanneer natuurlike gas van die buiteland ingevoer word, word waterstof tydens vervoer vloeibaar gemaak, wat die volume daarvan tot 1/800 van sy gasvormige toestand verminder. In 2020 het ons die wêreld se eerste vloeibare waterstofdraer voltooi. Hierdie benadering is egter nie geskik vir brandstofselvoertuie nie, want dit benodig baie energie om af te koel.
Daar is 'n metode om in tenks soos hierdie te stoor en te verskeep, maar ons ontwikkel ook ander metodes vir waterstofberging.
Die bergingsmetode is om waterstofbergingslegerings te gebruik. Waterstof het die eienskap om metale te penetreer en te laat versleg. Hierdie is 'n ontwikkelingswenk wat in die 1960's in die Verenigde State ontwikkel is. JJ Reilly et al. Eksperimente het getoon dat waterstof gestoor en vrygestel kan word deur 'n legering van magnesium en vanadium te gebruik.
Daarna het hy suksesvol 'n stof, soos palladium, ontwikkel wat waterstof 935 keer sy eie volume kan absorbeer.
Die voordeel van die gebruik van hierdie legering is dat dit waterstoflekkasie-ongelukke (hoofsaaklik ontploffingsongelukke) kan voorkom. Daarom kan dit veilig gestoor en vervoer word. As jy egter nie versigtig is nie en dit in die verkeerde omgewing los, kan waterstofbergingslegerings mettertyd waterstofgas vrystel. Wel, selfs 'n klein vonkie kan 'n ontploffingsongeluk veroorsaak, so wees versigtig.
Dit het ook die nadeel dat herhaalde waterstofabsorpsie en desorpsie tot brosheid lei en die waterstofabsorpsietempo verminder.
Die ander is om pype te gebruik. Daar is 'n voorwaarde dat dit nie-saamgepers en lae druk moet wees om broswording van die pype te voorkom, maar die voordeel is dat bestaande gaspype gebruik kan word. Tokyo Gas het konstruksiewerk aan die Harumi FLAG uitgevoer, deur stadsgaspyplyne te gebruik om waterstof aan brandstofselle te verskaf.
Toekomstige samelewing geskep deur waterstofenergie
Laastens, kom ons kyk na die rol wat waterstof in die samelewing kan speel.
Meer belangrik, ons wil 'n koolstofvrye samelewing bevorder, ons gebruik waterstof om elektrisiteit op te wek in plaas van as hitte-energie.
In plaas van groot termiese kragsentrales het sommige huishoudings stelsels soos ENE-FARM ingestel, wat waterstof gebruik wat verkry word deur natuurlike gas te hervorm om die benodigde elektrisiteit op te wek. Die vraag bly egter oor wat om met die neweprodukte van die hervormingsproses te doen.
In die toekoms, as die sirkulasie van waterstof self toeneem, soos om die aantal waterstofvulstasies te verhoog, sal dit moontlik wees om elektrisiteit te gebruik sonder om koolstofdioksied vry te stel. Elektrisiteit produseer natuurlik groen waterstof, dus gebruik dit elektrisiteit wat deur sonlig of wind opgewek word. Die krag wat vir elektrolise gebruik word, moet die krag wees om die hoeveelheid kragopwekking te onderdruk of om die herlaaibare battery te laai wanneer daar surpluskrag van natuurlike energie is. Met ander woorde, die waterstof is in dieselfde posisie as die herlaaibare battery. As dit gebeur, sal dit uiteindelik moontlik wees om termiese kragopwekking te verminder. Die dag wanneer die binnebrandenjin uit motors verdwyn, kom vinnig nader.
Waterstof kan ook deur 'n ander roete verkry word. Trouens, waterstof is steeds 'n neweproduk van die produksie van bytsoda. Dit is onder andere 'n neweproduk van kooksproduksie in ystervervaardiging. As jy hierdie waterstof in die verspreiding plaas, sal jy verskeie bronne kan kry. Waterstofgas wat op hierdie manier geproduseer word, word ook deur waterstofstasies verskaf.
Kom ons kyk verder na die toekoms. Die hoeveelheid energie wat verlore gaan, is ook 'n probleem met die metode van oordrag wat drade gebruik om krag te verskaf. Daarom sal ons in die toekoms die waterstof wat deur pypleidings gelewer word, gebruik, net soos die koolsuurtenks wat gebruik word om koolzuurhoudende drankies te maak, en 'n waterstoftenk by die huis koop om elektrisiteit vir elke huishouding op te wek. Mobiele toestelle wat op waterstofbatterye werk, word al hoe meer algemeen. Dit sal interessant wees om so 'n toekoms te sien.
Plasingstyd: 8 Junie 2023
