Mengenai hidrogen tenaga generasi akan datang

Kami akan memperkenalkan "hidrogen", tenaga generasi seterusnya yang neutral karbon. Hidrogen dibahagikan kepada tiga jenis: "hidrogen hijau", "hidrogen biru" dan "hidrogen kelabu", yang masing-masing mempunyai kaedah pengeluaran yang berbeza. Kami juga akan menerangkan setiap kaedah pembuatan, sifat fizikal sebagai elemen, kaedah penyimpanan/pengangkutan, dan kaedah penggunaan. Dan saya juga akan memperkenalkan mengapa ia adalah sumber tenaga dominan generasi akan datang.

Elektrolisis Air untuk Menghasilkan Hidrogen Hijau

Apabila menggunakan hidrogen, adalah penting untuk "menghasilkan hidrogen" pula. Cara paling mudah ialah "mengelektrolisis air". Mungkin anda melakukannya dalam sains sekolah rendah. Isikan bikar dengan air dan elektrod dalam air. Apabila bateri disambungkan ke elektrod dan ditenagakan, tindak balas berikut berlaku di dalam air dan dalam setiap elektrod.
Di katod, H+ dan elektron bergabung untuk menghasilkan gas hidrogen, manakala anod menghasilkan oksigen. Namun, pendekatan ini sesuai untuk eksperimen sains sekolah, tetapi untuk menghasilkan hidrogen secara industri, mekanisme cekap yang sesuai untuk pengeluaran berskala besar mesti disediakan. Iaitu "elektrolisis membran elektrolit polimer (PEM)".
Dalam kaedah ini, membran separa telap polimer yang membenarkan laluan ion hidrogen diapit di antara anod dan katod. Apabila air dituangkan ke dalam anod peranti, ion hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis bergerak melalui membran separa telap ke katod, di mana ia menjadi hidrogen molekul. Sebaliknya, ion oksigen tidak boleh melalui membran separa telap dan menjadi molekul oksigen di anod.
Juga dalam elektrolisis air beralkali, anda mencipta hidrogen dan oksigen dengan mengasingkan anod dan katod melalui pemisah yang melaluinya hanya ion hidroksida boleh melaluinya. Di samping itu, terdapat kaedah perindustrian seperti elektrolisis wap suhu tinggi.
Dengan melakukan proses ini secara besar-besaran, kuantiti hidrogen yang banyak boleh diperolehi. Dalam proses itu, sejumlah besar oksigen juga dihasilkan (separuh daripada jumlah hidrogen yang dihasilkan), supaya ia tidak mempunyai kesan buruk terhadap alam sekitar jika dilepaskan ke atmosfera. Bagaimanapun, elektrolisis memerlukan tenaga elektrik yang banyak, jadi hidrogen bebas karbon boleh dihasilkan jika ia dihasilkan dengan tenaga elektrik yang tidak menggunakan bahan api fosil, seperti turbin angin dan panel solar.
Anda boleh mendapatkan "hidrogen hijau" dengan mengelektrolisis air menggunakan tenaga bersih.

Terdapat juga penjana hidrogen untuk pengeluaran besar-besaran hidrogen hijau ini. Dengan menggunakan PEM dalam bahagian elektrolisis, hidrogen boleh dihasilkan secara berterusan.

Hidrogen Biru Diperbuat daripada Bahan Api Fosil

Jadi, apakah cara lain untuk membuat hidrogen? Hidrogen wujud dalam bahan api fosil seperti gas asli dan arang batu sebagai bahan selain air. Sebagai contoh, pertimbangkan metana (CH4), komponen utama gas asli. Terdapat empat atom hidrogen di sini. Anda boleh mendapatkan hidrogen dengan mengeluarkan hidrogen ini.
Salah satunya ialah proses yang dipanggil "pembaharuan metana wap" yang menggunakan wap. Formula kimia kaedah ini adalah seperti berikut.
Seperti yang anda lihat, karbon monoksida dan hidrogen boleh diekstrak daripada satu molekul metana.
Dengan cara ini, hidrogen boleh dihasilkan melalui proses seperti "pembaharuan wap" dan "pirolisis" gas asli dan arang batu. "Hidrogen biru" merujuk kepada hidrogen yang dihasilkan dengan cara ini.
Walau bagaimanapun, dalam kes ini, karbon monoksida dan karbon dioksida dihasilkan sebagai produk sampingan. Jadi anda perlu mengitar semula mereka sebelum dilepaskan ke atmosfera. Karbon dioksida hasil sampingan, jika tidak dipulihkan, menjadi gas hidrogen, dikenali sebagai "hidrogen kelabu".

Apakah Jenis Unsur Hidrogen?

Hidrogen mempunyai nombor atom 1 dan merupakan unsur pertama dalam jadual berkala.
Bilangan atom adalah yang terbesar di alam semesta, menyumbang kira-kira 90% daripada semua unsur di alam semesta. Atom terkecil yang terdiri daripada proton dan elektron ialah atom hidrogen.
Hidrogen mempunyai dua isotop dengan neutron yang melekat pada nukleus. Satu "deuterium" terikat neutron dan dua "tritium" terikat neutron. Ini juga merupakan bahan untuk penjanaan kuasa gabungan.
Di dalam bintang seperti matahari, pelakuran nuklear daripada hidrogen kepada helium sedang berlaku, yang merupakan sumber tenaga untuk bintang itu bersinar.
Walau bagaimanapun, hidrogen jarang wujud sebagai gas di Bumi. Hidrogen membentuk sebatian dengan unsur lain seperti air, metana, ammonia dan etanol. Oleh kerana hidrogen ialah unsur ringan, apabila suhu meningkat, kelajuan pergerakan molekul hidrogen meningkat, dan terlepas dari graviti bumi ke angkasa lepas.

Bagaimana untuk menggunakan hidrogen? Penggunaan secara Pembakaran

Kemudian, bagaimanakah "hidrogen", yang telah menarik perhatian seluruh dunia sebagai sumber tenaga generasi akan datang, digunakan? Ia digunakan dalam dua cara utama: "pembakaran" dan "sel bahan api". Mari kita mulakan dengan penggunaan "bakar".
Terdapat dua jenis utama pembakaran yang digunakan.
Yang pertama adalah sebagai bahan api roket. Roket H-IIA Jepun menggunakan gas hidrogen “hidrogen cecair” dan “oksigen cecair” yang juga dalam keadaan kriogenik sebagai bahan api. Kedua-dua ini digabungkan, dan tenaga haba yang dihasilkan pada masa itu mempercepatkan suntikan molekul air yang dihasilkan, terbang ke angkasa. Walau bagaimanapun, kerana ia adalah enjin yang sukar dari segi teknikal, kecuali Jepun, hanya Amerika Syarikat, Eropah, Rusia, China dan India yang berjaya menggabungkan bahan api ini.
Yang kedua ialah penjanaan kuasa. Penjanaan kuasa turbin gas juga menggunakan kaedah menggabungkan hidrogen dan oksigen untuk menjana tenaga. Dalam erti kata lain, ia adalah kaedah yang melihat tenaga haba yang dihasilkan oleh hidrogen. Dalam loji kuasa terma, haba daripada pembakaran arang batu, minyak dan gas asli menghasilkan wap yang memacu turbin. Jika hidrogen digunakan sebagai sumber haba, loji kuasa akan menjadi neutral karbon.

Bagaimana untuk menggunakan hidrogen? Digunakan sebagai Sel Bahan Api

Satu lagi cara untuk menggunakan hidrogen adalah sebagai sel bahan api, yang menukar hidrogen terus kepada elektrik. Khususnya, Toyota telah menarik perhatian di Jepun dengan menggembar-gemburkan kenderaan bahan api hidrogen dan bukannya kenderaan elektrik (EV) sebagai alternatif kepada kenderaan petrol sebagai sebahagian daripada langkah balas pemanasan globalnya.
Secara khusus, kami melakukan prosedur terbalik apabila kami memperkenalkan kaedah pembuatan "hidrogen hijau". Formula kimia adalah seperti berikut.
Hidrogen boleh menjana air (air panas atau wap) sambil menjana elektrik, dan ia boleh dinilai kerana ia tidak membebankan alam sekitar. Sebaliknya, kaedah ini mempunyai kecekapan penjanaan kuasa yang agak rendah iaitu 30-40%, dan memerlukan platinum sebagai pemangkin, dengan itu memerlukan peningkatan kos.
Pada masa ini, kami menggunakan sel bahan api elektrolit polimer (PEFC) dan sel bahan api asid fosforik (PAFC). Khususnya, kenderaan sel bahan api menggunakan PEFC, jadi ia boleh dijangka merebak pada masa hadapan.

Adakah Penyimpanan dan Pengangkutan Hidrogen Selamat?

Sekarang, kami fikir anda memahami cara gas hidrogen dibuat dan digunakan. Jadi bagaimana anda menyimpan hidrogen ini? Bagaimana anda mendapatkannya di tempat yang anda perlukan? Bagaimana pula dengan keselamatan pada masa itu? Kami akan menerangkan.
Malah, hidrogen juga merupakan unsur yang sangat berbahaya. Pada awal abad ke-20, kami menggunakan hidrogen sebagai gas untuk mengapungkan belon, belon, dan kapal udara di langit kerana ia sangat ringan. Walau bagaimanapun, pada 6 Mei 1937, di New Jersey, Amerika Syarikat, "letupan kapal udara Hindenburg" berlaku.
Sejak kemalangan itu, ia telah diiktiraf secara meluas bahawa gas hidrogen adalah berbahaya. Lebih-lebih lagi apabila ia terbakar, ia akan meletup dengan kuat dengan oksigen. Oleh itu, "jauhkan diri daripada oksigen" atau "jauhkan diri daripada haba" adalah penting.
Selepas mengambil langkah-langkah ini, kami menghasilkan kaedah penghantaran.
Hidrogen adalah gas pada suhu bilik, jadi walaupun ia masih gas, ia sangat besar. Kaedah pertama adalah dengan menggunakan tekanan tinggi dan memampatkan seperti silinder semasa membuat minuman berkarbonat. Sediakan tangki tekanan tinggi khas dan simpan di bawah keadaan tekanan tinggi seperti 45Mpa.
Toyota, yang membangunkan kenderaan sel bahan api (FCV), sedang membangunkan tangki hidrogen tekanan tinggi resin yang boleh menahan tekanan 70 MPa.
Kaedah lain ialah menyejukkan hingga -253°C untuk membuat hidrogen cecair, dan menyimpan dan mengangkutnya dalam tangki penebat haba khas. Seperti LNG (gas asli cecair) apabila gas asli diimport dari luar negara, hidrogen dicairkan semasa pengangkutan, mengurangkan jumlahnya kepada 1/800 daripada keadaan gasnya. Pada tahun 2020, kami telah melengkapkan pembawa hidrogen cecair pertama di dunia. Walau bagaimanapun, pendekatan ini tidak sesuai untuk kenderaan sel bahan api kerana ia memerlukan banyak tenaga untuk menyejukkan.
Terdapat kaedah penyimpanan dan penghantaran dalam tangki seperti ini, tetapi kami juga sedang membangunkan kaedah penyimpanan hidrogen yang lain.
Kaedah penyimpanan adalah menggunakan aloi simpanan hidrogen. Hidrogen mempunyai sifat menembusi logam dan merosotnya. Ini adalah petua pembangunan yang dibangunkan di Amerika Syarikat pada tahun 1960-an. JJ Reilly et al. Eksperimen telah menunjukkan bahawa hidrogen boleh disimpan dan dibebaskan menggunakan aloi magnesium dan vanadium.
Selepas itu, dia berjaya membangunkan bahan, seperti paladium, yang boleh menyerap hidrogen 935 kali ganda isipadunya sendiri.
Kelebihan menggunakan aloi ini ialah ia boleh mengelakkan kemalangan kebocoran hidrogen (terutamanya kemalangan letupan). Oleh itu, ia boleh disimpan dan diangkut dengan selamat. Walau bagaimanapun, jika anda tidak berhati-hati dan meninggalkannya dalam persekitaran yang salah, aloi simpanan hidrogen boleh membebaskan gas hidrogen dari semasa ke semasa. Nah, percikan kecil pun boleh menyebabkan kemalangan letupan, jadi berhati-hati.
Ia juga mempunyai kelemahan iaitu penyerapan dan desorpsi hidrogen berulang membawa kepada kemerosotan dan mengurangkan kadar penyerapan hidrogen.
Yang lain ialah menggunakan paip. Terdapat syarat bahawa ia mesti tidak dimampatkan dan tekanan rendah untuk mengelakkan kerosakkan paip, tetapi kelebihannya ialah paip gas sedia ada boleh digunakan. Tokyo Gas menjalankan kerja pembinaan pada Harumi FLAG, menggunakan saluran paip gas bandar untuk membekalkan hidrogen kepada sel bahan api.

Masyarakat Masa Depan Dicipta oleh Tenaga Hidrogen

Akhir sekali, mari kita pertimbangkan peranan hidrogen dalam masyarakat.
Lebih penting lagi kami ingin mempromosikan masyarakat bebas karbon, kami menggunakan hidrogen untuk menjana elektrik dan bukannya sebagai tenaga haba.
Daripada loji janakuasa haba yang besar, sesetengah isi rumah telah memperkenalkan sistem seperti ENE-FARM, yang menggunakan hidrogen yang diperolehi dengan mengubah gas asli untuk menjana tenaga elektrik yang diperlukan. Walau bagaimanapun, persoalan tentang apa yang perlu dilakukan dengan hasil sampingan proses pembaharuan kekal.

Pada masa hadapan, jika peredaran hidrogen itu sendiri meningkat, seperti menambah bilangan stesen mengisi minyak hidrogen, ia akan dapat menggunakan elektrik tanpa mengeluarkan karbon dioksida. Elektrik menghasilkan hidrogen hijau, sudah tentu, jadi ia menggunakan tenaga elektrik yang dihasilkan daripada cahaya matahari atau angin. Kuasa yang digunakan untuk elektrolisis hendaklah kuasa untuk menekan jumlah penjanaan kuasa atau untuk mengecas bateri boleh dicas semula apabila terdapat lebihan kuasa daripada tenaga semula jadi. Dalam erti kata lain, hidrogen berada dalam kedudukan yang sama dengan bateri boleh dicas semula. Jika ini berlaku, akhirnya akan dapat mengurangkan penjanaan kuasa haba. Hari apabila enjin pembakaran dalaman hilang dari kereta semakin hampir.

Hidrogen juga boleh diperoleh melalui laluan lain. Malah, hidrogen masih merupakan hasil sampingan daripada penghasilan soda kaustik. Antara lain, ia adalah hasil sampingan pengeluaran kok dalam pembuatan besi. Jika anda meletakkan hidrogen ini dalam pengedaran, anda akan boleh mendapatkan berbilang sumber. Gas hidrogen yang dihasilkan dengan cara ini juga dibekalkan oleh stesen hidrogen.

Mari kita lihat lebih jauh ke masa hadapan. Jumlah tenaga yang hilang juga merupakan isu dengan kaedah penghantaran yang menggunakan wayar untuk membekalkan kuasa. Oleh itu, pada masa hadapan, kami akan menggunakan hidrogen yang dihantar melalui saluran paip, sama seperti tangki asid karbonik yang digunakan dalam membuat minuman berkarbonat, dan membeli tangki hidrogen di rumah untuk menjana elektrik bagi setiap isi rumah. Peranti mudah alih yang menggunakan bateri hidrogen menjadi perkara biasa. Ia akan menjadi menarik untuk melihat masa depan seperti itu.