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 hoekom 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 vervaardig". Die maklikste manier is om water te “elektroliseer”. Miskien het jy in laerskool wetenskap gedoen. Vul die beker met water en elektrodes in water. Wanneer 'n battery aan die elektrodes gekoppel en aangeskakel 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. Tog is hierdie benadering goed vir skoolwetenskap-eksperimente, maar om waterstof industrieel te vervaardig, moet doeltreffende meganismes wat geskik is vir grootskaalse produksie voorberei word. Dit is "polimeer elektroliet membraan (PEM) elektrolise".
In hierdie metode word 'n semipermeabele polimeermembraan wat die deurgang van waterstofione toelaat, tussen 'n anode en 'n katode ingeklem. 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 hoë-temperatuur stoom elektrolise.
Deur hierdie prosesse op groot skaal uit te voer, kan groot hoeveelhede waterstof verkry word. In die proses word 'n aansienlike hoeveelheid suurstof ook geproduseer (die helfte van die volume waterstof wat geproduseer word), sodat dit geen nadelige omgewingsimpak sal hê as dit in die atmosfeer vrygestel word nie. Elektrolise verg egter baie elektrisiteit, dus kan koolstofvrye waterstof geproduseer word as dit vervaardig word met elektrisiteit wat nie fossielbrandstowwe gebruik nie, soos windturbines en sonpanele.
Jy kan "groen waterstof" kry deur water met skoon energie te elektroliseer.
Daar is ook 'n waterstofopwekker vir grootskaalse produksie van hierdie groen waterstof. Deur PEM in die elektroliseerder-afdeling te gebruik, kan waterstof deurlopend geproduseer word.
Blou waterstof gemaak van fossielbrandstowwe
So, wat is ander maniere om waterstof te maak? Waterstof bestaan in fossielbrandstowwe soos aardgas en steenkool as ander stowwe as water. Oorweeg byvoorbeeld metaan (CH4), die hoofkomponent van aardgas. Hier is vier waterstofatome. Jy kan waterstof kry deur hierdie waterstof uit te haal.
Een hiervan is 'n proses genaamd "stoommetaanhervorming" 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.
Sodoende kan waterstof geproduseer word deur prosesse soos “stoomhervorming” en “pirolise” van aardgas 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 vrygelaat word. Die neweproduk koolstofdioksied, as dit nie herwin word 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, wat sowat 90% van alle elemente in die heelal uitmaak. 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 neutron-gebonde "deuterium" en twee neutron-gebind "tritium". Dit is ook materiaal vir samesmelting kragopwekking.
Binne '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 namate 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 dan "waterstof", wat wêreldwyd aandag getrek het as 'n volgende generasie energiebron, gebruik? Dit word hoofsaaklik op twee maniere 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 kriogene toestand as brandstof is. Hierdie twee word gekombineer, en die hitte-energie wat op daardie tydstip gegenereer word, versnel die inspuiting van die watermolekules wat gegenereer word, wat na die ruimte vlieg. Omdat dit egter 'n tegnies moeilike enjin is, behalwe vir Japan, het slegs die Verenigde State, Europa, Rusland, China en Indië 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 aardgas stoom wat turbines aandryf. As waterstof as 'n hittebron gebruik word, sal die kragsentrale koolstofneutraal wees.
Hoe om waterstof te gebruik? Word gebruik as 'n brandstofsel
Nog 'n manier om waterstof te gebruik is as 'n brandstofsel, wat waterstof direk in elektrisiteit omskakel. Toyota het veral die aandag in Japan getrek deur waterstofaangedrewe voertuie in plaas van elektriese voertuie (EV's) as 'n alternatief vir petrolvoertuie as deel van sy aardverwarming teenmaatreëls voor te stel.
Spesifiek, ons doen die omgekeerde prosedure wanneer ons die vervaardigingsmetode van "groen waterstof" bekendstel. Die chemiese formule is soos volg.
Waterstof kan water (warm water of stoom) opwek terwyl elektrisiteit opgewek word, en dit kan geëvalueer word omdat dit nie 'n las op die omgewing lê nie. Aan die ander kant het hierdie metode 'n relatief lae kragopwekkingsdoeltreffendheid van 30-40%, en vereis platinum as 'n katalisator, wat dus verhoogde koste vereis.
Tans gebruik ons polimeerelektrolietbrandstofselle (PEFC) en fosforsuurbrandstofselle (PAFC). Veral brandstofselvoertuie gebruik 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 berg 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, in New Jersey, VSA, het die "lugskip Hindenburg-ontploffing" egter plaasgevind.
Sedert die ongeluk is dit wyd erken dat waterstofgas gevaarlik is. Veral wanneer dit aan die brand slaan, 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 met 'n versendingsmetode vorendag gekom.
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 druk wanneer koolzuurhoudende drankies gemaak word. Berei 'n spesiale hoëdruktenk voor en berg dit onder hoëdruktoestande soos 45Mpa.
Toyota, wat brandstofselvoertuie (FCV) ontwikkel, ontwikkel ’n harshoëdrukwaterstoftenk wat 70 MPa-druk kan weerstaan.
Nog 'n metode is om af te koel tot -253°C om vloeibare waterstof te maak, en dit in spesiale hitte-geïsoleerde tenks te berg en te vervoer. Soos LNG (vloeibare aardgas) wanneer aardgas uit die buiteland ingevoer word, word waterstof tydens vervoer vloeibaar gemaak, wat die volume daarvan tot 1/800 van sy gastoestand verminder. In 2020 het ons die wêreld se eerste vloeibare waterstofdraer voltooi. Hierdie benadering is egter nie geskik vir brandstofselvoertuie nie omdat dit baie energie verg om af te koel.
Daar is 'n metode van berging en verskeping in tenks soos hierdie, maar ons ontwikkel ook ander metodes van waterstofberging.
Die bergingsmetode is om waterstofopbergingslegerings te gebruik. Waterstof het die eienskap om metale binne te dring en dit te verswak. Dit is 'n ontwikkelingswenk wat in die 1960's in die Verenigde State ontwikkel is. JJ Reilly et al. Eksperimente het getoon dat waterstof geberg 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 waterstoflekkasieongelukke (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 waterstofopbergingslegerings 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 brosheid van die pype te voorkom, maar die voordeel is dat bestaande gaspype gebruik kan word. Tokyo Gas het konstruksiewerk aan die Harumi-VLAG uitgevoer en stadsgaspypleidings gebruik om waterstof aan brandstofselle te verskaf.
Toekomstige samelewing Geskep deur Waterstof Energie
Laastens, kom ons kyk na die rol wat waterstof in die samelewing kan speel.
Nog belangriker, 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 aardgas te hervorm om die nodige elektrisiteit op te wek. Die vraag wat om te doen met die neweprodukte van die hervormingsproses bly egter.
In die toekoms, as die sirkulasie van waterstof self toeneem, soos die verhoging van die aantal waterstofvulstasies, sal dit moontlik wees om elektrisiteit te gebruik sonder om koolstofdioksied vry te stel. Elektrisiteit produseer groen waterstof, natuurlik, so dit gebruik 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 surplus krag 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 meer '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 vervaardig word, word ook deur waterstofstasies voorsien.
Kom ons kyk verder in die toekoms. Die hoeveelheid energie wat verlore gaan, is ook 'n probleem met die metode van transmissie wat drade gebruik om krag te voorsien. 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 alledaags. Dit sal interessant wees om so 'n toekoms te sien.
Postyd: Jun-08-2023
