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 setiap satunya mempunyai kaedah pengeluaran yang berbeza. Kami juga akan menerangkan setiap kaedah pembuatan, sifat fizikal sebagai unsur, kaedah penyimpanan/pengangkutan, dan kaedah penggunaan. Dan saya juga akan memperkenalkan mengapa ia merupakan sumber tenaga dominan generasi akan datang.

Elektrolisis Air untuk Menghasilkan Hidrogen Hijau

Apabila menggunakan hidrogen, adalah penting untuk "menghasilkan hidrogen". Cara paling mudah ialah "mengelektrolisis air". Mungkin anda pernah melakukannya semasa sekolah rendah sains. Isi bikar dengan air dan elektrod di dalam air. Apabila bateri disambungkan ke elektrod dan diberi tenaga, tindak balas berikut berlaku di dalam air dan di setiap elektrod.
Di katod, H+ dan elektron bergabung untuk menghasilkan gas hidrogen, manakala anod menghasilkan oksigen. Namun begitu, pendekatan ini sesuai untuk eksperimen sains sekolah, tetapi untuk menghasilkan hidrogen secara industri, mekanisme cekap yang sesuai untuk pengeluaran berskala besar mesti disediakan. Itulah "elektrolisis membran elektrolit polimer (PEM)".
Dalam kaedah ini, membran separa telap polimer yang membolehkan laluan ion hidrogen diapit di antara anod dan katod. Apabila air dituang ke dalam anod peranti, ion hidrogen yang dihasilkan melalui 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 alkali, anda menghasilkan hidrogen dan oksigen dengan memisahkan anod dan katod melalui pemisah yang hanya boleh dilalui oleh ion hidroksida. Di samping itu, terdapat kaedah perindustrian seperti elektrolisis stim suhu tinggi.
Dengan melaksanakan proses ini secara besar-besaran, sejumlah besar hidrogen dapat diperoleh. Dalam proses ini, sejumlah besar oksigen juga dihasilkan (separuh daripada jumlah hidrogen yang dihasilkan), sehingga tidak akan memberi kesan buruk terhadap alam sekitar jika dilepaskan ke atmosfera. Walau bagaimanapun, elektrolisis memerlukan banyak elektrik, jadi hidrogen bebas karbon dapat dihasilkan jika dihasilkan dengan 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 hidrogen hijau ini secara besar-besaran. Dengan menggunakan PEM dalam bahagian elektrolisis, hidrogen boleh dihasilkan secara berterusan.

Hidrogen Biru Diperbuat daripada Bahan Api Fosil

Jadi, apakah cara lain untuk menghasilkan hidrogen? Hidrogen wujud dalam bahan api fosil seperti gas asli dan arang batu sebagai bahan selain air. Contohnya, 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 "pembentukan semula metana stim" yang menggunakan stim. 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 "pembentukan semula stim" 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 hasil sampingan. Jadi anda perlu mengitar semulanya sebelum ia dilepaskan ke atmosfera. Hasil sampingan karbon dioksida, jika tidak dipulihkan, menjadi gas hidrogen, yang 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, merangkumi 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" yang terikat dengan neutron dan dua "tritium" yang terikat dengan neutron. Ini juga merupakan bahan untuk penjanaan kuasa pelakuran.
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. Memandangkan hidrogen merupakan unsur ringan, apabila suhu meningkat, kelajuan pergerakan molekul hidrogen meningkat dan terlepas daripada graviti bumi ke angkasa lepas.

Bagaimana Menggunakan Hidrogen? Digunakan melalui 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 pembakaran utama yang digunakan.
Yang pertama adalah sebagai bahan api roket. Roket H-IIA Jepun menggunakan gas hidrogen "hidrogen cecair" dan "oksigen cecair" yang juga berada dalam keadaan kriogenik sebagai bahan api. Kedua-duanya digabungkan, dan tenaga haba yang dihasilkan pada masa itu mempercepatkan suntikan molekul air yang dihasilkan, terbang ke angkasa lepas. Walau bagaimanapun, kerana ia merupakan 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 merupakan kaedah yang melihat tenaga haba yang dihasilkan oleh hidrogen. Dalam loji janakuasa haba, haba daripada pembakaran arang batu, minyak dan gas asli menghasilkan stim yang memacu turbin. Jika hidrogen digunakan sebagai sumber haba, loji janakuasa akan menjadi neutral karbon.

Bagaimana Menggunakan Hidrogen? Digunakan sebagai Sel Bahan Api

Satu lagi cara untuk menggunakan hidrogen adalah sebagai sel bahan api, yang menukar hidrogen secara langsung kepada elektrik. Khususnya, Toyota telah menarik perhatian di Jepun dengan menggembar-gemburkan kenderaan berbahan api hidrogen dan bukannya kenderaan elektrik (EV) sebagai alternatif kepada kenderaan petrol sebagai sebahagian daripada langkah-langkah penanggulangan pemanasan globalnya.
Secara khususnya, kami melakukan prosedur sebaliknya 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, justeru 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 dijangka akan merebak pada masa hadapan.

Adakah Penyimpanan dan Pengangkutan Hidrogen Selamat?

Sekarang, kami rasa anda sudah faham bagaimana gas hidrogen dihasilkan dan digunakan. Jadi bagaimana anda menyimpan hidrogen ini? Bagaimanakah anda mendapatkannya di tempat yang anda perlukan? Bagaimana pula dengan keselamatan pada masa itu? Kami akan terangkan.
Malah, hidrogen juga merupakan unsur yang sangat berbahaya. Pada awal abad ke-20, kita 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" telah berlaku.
Sejak kemalangan itu, telah diakui secara meluas bahawa gas hidrogen adalah berbahaya. Terutamanya apabila ia terbakar, ia akan meletup dengan kuat bersama oksigen. Oleh itu, "jauhkan diri daripada oksigen" atau "jauhkan diri daripada haba" adalah penting.
Selepas mengambil langkah-langkah ini, kami telah menghasilkan kaedah penghantaran.
Hidrogen ialah 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 simpannya di bawah keadaan tekanan tinggi seperti 45Mpa.
Toyota, yang membangunkan kenderaan sel bahan api (FCV), sedang membangunkan tangki hidrogen bertekanan tinggi resin yang boleh menahan tekanan 70 MPa.
Kaedah lain adalah dengan menyejukkan hingga -253°C untuk membuat hidrogen cecair, dan menyimpan serta mengangkutnya dalam tangki penebat haba khas. Seperti LNG (gas asli cecair) apabila gas asli diimport dari luar negara, hidrogen dicairkan semasa pengangkutan, mengurangkan isipadunya kepada 1/800 daripada keadaan gasnya. Pada tahun 2020, kami telah menyiapkan 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 penyimpanannya adalah dengan menggunakan aloi penyimpanan hidrogen. Hidrogen mempunyai sifat menembusi logam dan merosakkannya. 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, beliau berjaya membangunkan bahan seperti paladium, yang boleh menyerap hidrogen 935 kali ganda isipadunya sendiri.
Kelebihan menggunakan aloi ini ialah ia boleh mencegah kemalangan kebocoran hidrogen (terutamanya kemalangan letupan). Oleh itu, ia boleh disimpan dan diangkut dengan selamat. Walau bagaimanapun, jika anda tidak berhati-hati dan meninggalkannya di persekitaran yang salah, aloi simpanan hidrogen boleh melepaskan gas hidrogen dari semasa ke semasa. Malah, percikan api kecil pun boleh menyebabkan kemalangan letupan, jadi berhati-hatilah.
Ia juga mempunyai kelemahan iaitu penyerapan dan penyahjerapan hidrogen yang berulang menyebabkan kerapuhan dan mengurangkan kadar penyerapan hidrogen.
Satu lagi ialah menggunakan paip. Terdapat syarat bahawa ia mestilah tidak dimampatkan dan bertekanan rendah untuk mengelakkan kerapuhan paip, tetapi kelebihannya ialah paip gas sedia ada boleh digunakan. Tokyo Gas menjalankan kerja-kerja pembinaan di 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 diperoleh dengan memproses semula gas asli untuk menjana elektrik yang diperlukan. Walau bagaimanapun, persoalan tentang apa yang perlu dilakukan dengan hasil sampingan proses pembaharuan masih kekal.

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

Hidrogen juga boleh diperoleh melalui laluan lain. Malah, hidrogen masih merupakan hasil sampingan daripada penghasilan soda kaustik. Antara lain, ia merupakan hasil sampingan daripada penghasilan kok dalam pembuatan besi. Jika anda memasukkan hidrogen ini ke dalam pengedaran, anda akan dapat memperoleh pelbagai 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, kita 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 untuk setiap isi rumah. Peranti mudah alih yang menggunakan bateri hidrogen semakin menjadi kebiasaan. Adalah menarik untuk melihat masa depan sedemikian.