درباره نسل بعدی انرژی هیدروژن

ما «هیدروژن»، نسل بعدی انرژی که کربن خنثی دارد را معرفی خواهیم کرد. هیدروژن به سه نوع تقسیم می‌شود: «هیدروژن سبز»، «هیدروژن آبی» و «هیدروژن خاکستری» که هر کدام روش تولید متفاوتی دارند. همچنین هر روش تولید، خواص فیزیکی به عنوان عنصر، روش‌های ذخیره‌سازی/حمل و نقل و روش‌های استفاده را توضیح خواهیم داد. و همچنین معرفی خواهم کرد که چرا این منبع انرژی غالب نسل بعدی است.

الکترولیز آب برای تولید هیدروژن سبز

هنگام استفاده از هیدروژن، «تولید هیدروژن» در هر صورت مهم است. ساده‌ترین راه «الکترولیز کردن آب» است. شاید در علوم دبستان این کار را انجام داده باشید. بشر را با آب و الکترودها را در آب پر کنید. وقتی یک باتری به الکترودها متصل و انرژی‌دار می‌شود، واکنش‌های زیر در آب و در هر الکترود رخ می‌دهد.
در کاتد، H+ و الکترون‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا گاز هیدروژن تولید کنند، در حالی که آند اکسیژن تولید می‌کند. با این حال، این رویکرد برای آزمایش‌های علوم مدرسه مناسب است، اما برای تولید صنعتی هیدروژن، باید سازوکارهای کارآمد مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ آماده شوند. این همان «الکترولیز غشای الکترولیت پلیمری (PEM)» است.
در این روش، یک غشای نیمه‌تراوای پلیمری که امکان عبور یون‌های هیدروژن را فراهم می‌کند، بین یک آند و یک کاتد قرار می‌گیرد. هنگامی که آب به داخل آند دستگاه ریخته می‌شود، یون‌های هیدروژن تولید شده توسط الکترولیز از طریق یک غشای نیمه‌تراوا به سمت کاتد حرکت می‌کنند و در آنجا به هیدروژن مولکولی تبدیل می‌شوند. از طرف دیگر، یون‌های اکسیژن نمی‌توانند از غشای نیمه‌تراوا عبور کنند و در آند به مولکول‌های اکسیژن تبدیل می‌شوند.
همچنین در الکترولیز قلیایی آب، با جدا کردن آند و کاتد از طریق جداکننده‌ای که فقط یون‌های هیدروکسید می‌توانند از آن عبور کنند، هیدروژن و اکسیژن ایجاد می‌کنید. علاوه بر این، روش‌های صنعتی مانند الکترولیز بخار با دمای بالا نیز وجود دارد.
با انجام این فرآیندها در مقیاس بزرگ، می‌توان مقادیر زیادی هیدروژن به دست آورد. در این فرآیند، مقدار قابل توجهی اکسیژن نیز تولید می‌شود (نصف حجم هیدروژن تولید شده)، به طوری که در صورت آزاد شدن در جو، هیچ تأثیر نامطلوب زیست‌محیطی نخواهد داشت. با این حال، الکترولیز به برق زیادی نیاز دارد، بنابراین اگر هیدروژن با برقی تولید شود که از سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌کند، مانند توربین‌های بادی و پنل‌های خورشیدی، می‌توان هیدروژن بدون کربن تولید کرد.
شما می‌توانید با الکترولیز آب با استفاده از انرژی پاک، «هیدروژن سبز» به دست آورید.

همچنین یک ژنراتور هیدروژن برای تولید انبوه این هیدروژن سبز وجود دارد. با استفاده از PEM در بخش الکترولیز، می‌توان هیدروژن را به طور مداوم تولید کرد.

هیدروژن آبی ساخته شده از سوخت‌های فسیلی

بنابراین، چه راه‌های دیگری برای تولید هیدروژن وجود دارد؟ هیدروژن در سوخت‌های فسیلی مانند گاز طبیعی و زغال سنگ به عنوان موادی غیر از آب وجود دارد. به عنوان مثال، متان (CH4)، جزء اصلی گاز طبیعی را در نظر بگیرید. در اینجا چهار اتم هیدروژن وجود دارد. می‌توانید با خارج کردن این هیدروژن، هیدروژن به دست آورید.
یکی از این فرآیندها «ریفرمینگ متان با بخار» است که از بخار استفاده می‌کند. فرمول شیمیایی این روش به شرح زیر است.
همانطور که می‌بینید، مونوکسید کربن و هیدروژن را می‌توان از یک مولکول متان استخراج کرد.
به این ترتیب، هیدروژن می‌تواند از طریق فرآیندهایی مانند «اصلاح بخار» و «پیرولیز» گاز طبیعی و زغال سنگ تولید شود. «هیدروژن آبی» به هیدروژنی اشاره دارد که به این روش تولید می‌شود.
با این حال، در این مورد، مونوکسید کربن و دی اکسید کربن به عنوان محصولات جانبی تولید می‌شوند. بنابراین باید قبل از انتشار آنها در جو، آنها را بازیافت کنید. دی اکسید کربن حاصل از این فرآیند، اگر بازیافت نشود، به گاز هیدروژن تبدیل می‌شود که به عنوان "هیدروژن خاکستری" شناخته می‌شود.

هیدروژن چه نوع عنصری است؟

هیدروژن عدد اتمی ۱ دارد و اولین عنصر در جدول تناوبی است.
تعداد اتم‌ها در جهان بیشترین است و حدود ۹۰٪ از کل عناصر جهان را تشکیل می‌دهد. کوچکترین اتم متشکل از یک پروتون و یک الکترون، اتم هیدروژن است.
هیدروژن دو ایزوتوپ با نوترون‌های متصل به هسته دارد. یکی «دوتریوم» با پیوند نوترونی و دو «تریتیوم» با پیوند نوترونی. اینها همچنین موادی برای تولید انرژی همجوشی هستند.
درون ستاره‌ای مانند خورشید، همجوشی هسته‌ای از هیدروژن به هلیوم در حال وقوع است که منبع انرژی برای درخشش ستاره است.
با این حال، هیدروژن به ندرت به صورت گاز روی زمین وجود دارد. هیدروژن با عناصر دیگری مانند آب، متان، آمونیاک و اتانول ترکیباتی تشکیل می‌دهد. از آنجایی که هیدروژن یک عنصر سبک است، با افزایش دما، سرعت حرکت مولکول‌های هیدروژن افزایش می‌یابد و از گرانش زمین به فضای بیرونی فرار می‌کند.

چگونه از هیدروژن استفاده کنیم؟ استفاده از طریق احتراق

پس، «هیدروژن» که به عنوان منبع انرژی نسل بعدی توجه جهانی را به خود جلب کرده است، چگونه مورد استفاده قرار می‌گیرد؟ این ماده به دو روش اصلی استفاده می‌شود: «احتراق» و «پیل سوختی». بیایید با استفاده از «سوختن» شروع کنیم.
دو نوع اصلی احتراق استفاده می‌شود.
مورد اول به عنوان سوخت موشک است. موشک H-IIA ژاپن از گاز هیدروژن «هیدروژن مایع» و «اکسیژن مایع» که آن هم در حالت برودتی است، به عنوان سوخت استفاده می‌کند. این دو با هم ترکیب می‌شوند و انرژی گرمایی تولید شده در آن زمان، تزریق مولکول‌های آب تولید شده را تسریع می‌کند و به فضا پرتاب می‌شود. با این حال، به دلیل اینکه این موتور از نظر فنی دشوار است، به جز ژاپن، فقط ایالات متحده، اروپا، روسیه، چین و هند با موفقیت این سوخت را ترکیب کرده‌اند.
مورد دوم، تولید برق است. تولید برق با توربین گازی نیز از روش ترکیب هیدروژن و اکسیژن برای تولید انرژی استفاده می‌کند. به عبارت دیگر، روشی است که به انرژی حرارتی تولید شده توسط هیدروژن نگاه می‌کند. در نیروگاه‌های حرارتی، گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، بخاری تولید می‌کند که توربین‌ها را به حرکت در می‌آورد. اگر از هیدروژن به عنوان منبع گرما استفاده شود، نیروگاه از نظر کربن خنثی خواهد بود.

چگونه از هیدروژن استفاده کنیم؟ به عنوان یک سلول سوختی استفاده می‌شود

راه دیگر برای استفاده از هیدروژن، استفاده از آن به عنوان پیل سوختی است که هیدروژن را مستقیماً به برق تبدیل می‌کند. به طور خاص، تویوتا با تبلیغ خودروهای هیدروژنی به جای خودروهای برقی (EV) به عنوان جایگزینی برای خودروهای بنزینی، به عنوان بخشی از اقدامات مقابله با گرمایش جهانی، توجه ژاپن را به خود جلب کرده است.
به طور خاص، ما هنگام معرفی روش تولید «هیدروژن سبز»، روند معکوس را انجام می‌دهیم. فرمول شیمیایی به شرح زیر است.
هیدروژن می‌تواند ضمن تولید برق، آب (آب گرم یا بخار) تولید کند و به دلیل اینکه باری بر محیط زیست تحمیل نمی‌کند، قابل ارزیابی است. از سوی دیگر، این روش راندمان تولید برق نسبتاً پایینی در حدود 30 تا 40 درصد دارد و به پلاتین به عنوان کاتالیزور نیاز دارد، بنابراین مستلزم افزایش هزینه‌ها است.
در حال حاضر، ما از پیل‌های سوختی الکترولیت پلیمری (PEFC) و پیل‌های سوختی اسید فسفریک (PAFC) استفاده می‌کنیم. به طور خاص، وسایل نقلیه پیل سوختی از PEFC استفاده می‌کنند، بنابراین می‌توان انتظار داشت که در آینده گسترش یابد.

آیا ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن ایمن است؟

فکر می‌کنیم تا الان فهمیده‌اید که گاز هیدروژن چگونه ساخته و استفاده می‌شود. خب، چطور این هیدروژن را ذخیره می‌کنید؟ چطور آن را به جایی که نیاز دارید می‌برید؟ در آن زمان امنیت چطور است؟ توضیح خواهیم داد.
در واقع، هیدروژن عنصر بسیار خطرناکی نیز هست. در آغاز قرن بیستم، ما از هیدروژن به عنوان گاز برای شناور کردن بالن‌ها، بادکنک‌ها و کشتی‌های هوایی در آسمان استفاده می‌کردیم زیرا بسیار سبک بود. با این حال، در 6 مه 1937، در نیوجرسی، ایالات متحده آمریکا، "انفجار کشتی هوایی هیندنبورگ" رخ داد.
از زمان این حادثه، به طور گسترده مشخص شده است که گاز هیدروژن خطرناک است. به خصوص وقتی آتش می‌گیرد، با اکسیژن به شدت منفجر می‌شود. بنابراین، «از اکسیژن دور نگه دارید» یا «از گرما دور نگه دارید» ضروری است.
پس از انجام این اقدامات، به یک روش حمل و نقل رسیدیم.
هیدروژن در دمای اتاق گاز است، بنابراین با اینکه هنوز گاز است، اما بسیار حجیم است. روش اول اعمال فشار بالا و فشرده سازی مانند یک استوانه هنگام تهیه نوشیدنی های گازدار است. یک مخزن فشار بالای مخصوص تهیه کنید و آن را تحت شرایط فشار بالا مانند ۴۵Mpa ذخیره کنید.
تویوتا، که خودروهای پیل سوختی (FCV) را توسعه می‌دهد، در حال توسعه یک مخزن هیدروژن رزینی فشار بالا است که می‌تواند فشار 70 مگاپاسکال را تحمل کند.
روش دیگر، خنک کردن تا دمای ۲۵۳- درجه سانتیگراد برای تولید هیدروژن مایع و ذخیره و حمل آن در مخازن عایق حرارتی مخصوص است. مانند LNG (گاز طبیعی مایع) هنگام واردات گاز طبیعی از خارج از کشور، هیدروژن نیز در حین حمل و نقل مایع می‌شود و حجم آن به ۱/۸۰۰ حالت گازی خود کاهش می‌یابد. در سال ۲۰۲۰، ما اولین حامل هیدروژن مایع جهان را تکمیل کردیم. با این حال، این رویکرد برای خودروهای پیل سوختی مناسب نیست زیرا برای خنک شدن به انرژی زیادی نیاز دارد.
روشی برای ذخیره و حمل و نقل در مخازن مانند این وجود دارد، اما ما در حال توسعه روش‌های دیگری برای ذخیره هیدروژن نیز هستیم.
روش ذخیره‌سازی، استفاده از آلیاژهای ذخیره‌سازی هیدروژن است. هیدروژن خاصیت نفوذ به فلزات و تخریب آنها را دارد. این یک نکته‌ی توسعه‌ای است که در دهه‌ی ۱۹۶۰ در ایالات متحده توسعه یافت. جی. جی. ریلی و همکارانش. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که هیدروژن را می‌توان با استفاده از آلیاژی از منیزیم و وانادیوم ذخیره و آزاد کرد.
پس از آن، او با موفقیت ماده‌ای مانند پالادیوم را توسعه داد که می‌تواند هیدروژن را 935 برابر حجم خود جذب کند.
مزیت استفاده از این آلیاژ این است که می‌تواند از حوادث نشت هیدروژن (عمدتاً حوادث انفجار) جلوگیری کند. بنابراین، می‌توان آن را با خیال راحت ذخیره و حمل کرد. با این حال، اگر مراقب نباشید و آن را در محیط نامناسب رها کنید، آلیاژهای ذخیره هیدروژن می‌توانند به مرور زمان گاز هیدروژن آزاد کنند. خب، حتی یک جرقه کوچک هم می‌تواند باعث حادثه انفجار شود، پس مراقب باشید.
همچنین این عیب را دارد که جذب و دفع مکرر هیدروژن منجر به شکنندگی و کاهش میزان جذب هیدروژن می‌شود.
مورد دیگر استفاده از لوله‌ها است. یک شرط وجود دارد که باید غیر فشرده و کم فشار باشد تا از شکنندگی لوله‌ها جلوگیری شود، اما مزیت آن این است که می‌توان از لوله‌های گاز موجود استفاده کرد. شرکت گاز توکیو کار ساخت و ساز روی هارومی فلگ را انجام داد و از خطوط لوله گاز شهری برای تأمین هیدروژن به سلول‌های سوختی استفاده کرد.

جامعه آینده‌ای که توسط انرژی هیدروژن ساخته می‌شود

در نهایت، بیایید نقشی را که هیدروژن می‌تواند در جامعه ایفا کند، بررسی کنیم.
مهمتر از همه، ما می‌خواهیم جامعه‌ای بدون کربن را ترویج دهیم، ما از هیدروژن به جای انرژی گرمایی، برای تولید برق استفاده می‌کنیم.
به جای نیروگاه‌های حرارتی بزرگ، برخی از خانوارها سیستم‌هایی مانند ENE-FARM را معرفی کرده‌اند که از هیدروژن به دست آمده از اصلاح گاز طبیعی برای تولید برق مورد نیاز استفاده می‌کنند. با این حال، این سوال که با محصولات جانبی فرآیند اصلاح چه باید کرد، همچنان پابرجاست.

در آینده، اگر گردش خود هیدروژن افزایش یابد، مانند افزایش تعداد ایستگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن، می‌توان از برق بدون انتشار دی‌اکسید کربن استفاده کرد. برق، هیدروژن سبز تولید می‌کند، بنابراین از برق تولید شده از نور خورشید یا باد استفاده می‌کند. نیرویی که برای الکترولیز استفاده می‌شود باید نیرویی باشد که میزان تولید برق را کاهش دهد یا باتری قابل شارژ را در صورت وجود نیروی مازاد از انرژی طبیعی شارژ کند. به عبارت دیگر، هیدروژن در همان موقعیت باتری قابل شارژ قرار دارد. اگر این اتفاق بیفتد، در نهایت می‌توان تولید برق حرارتی را کاهش داد. روزی که موتور احتراق داخلی از خودروها ناپدید شود، به سرعت در حال نزدیک شدن است.

هیدروژن را می‌توان از طریق دیگری نیز به دست آورد. در واقع، هیدروژن هنوز هم محصول جانبی تولید سود سوزآور است. در میان چیزهای دیگر، این محصول جانبی تولید کک در آهن‌سازی است. اگر این هیدروژن را در سیستم توزیع قرار دهید، می‌توانید منابع متعددی داشته باشید. گاز هیدروژن تولید شده از این طریق نیز توسط ایستگاه‌های هیدروژن تأمین می‌شود.

بیایید بیشتر به آینده نگاه کنیم. میزان انرژی از دست رفته نیز در روش انتقال که از سیم برای تأمین برق استفاده می‌کند، مسئله‌ساز است. بنابراین، در آینده، ما از هیدروژن تحویل داده شده توسط خطوط لوله، درست مانند مخازن اسید کربنیک مورد استفاده در ساخت نوشیدنی‌های گازدار، استفاده خواهیم کرد و یک مخزن هیدروژن در خانه برای تولید برق برای هر خانوار خریداری خواهیم کرد. دستگاه‌های تلفن همراه که با باتری‌های هیدروژنی کار می‌کنند، رایج می‌شوند. دیدن چنین آینده‌ای جالب خواهد بود.