درباره انرژی نسل بعدی هیدروژن

ما "هیدروژن" را معرفی خواهیم کرد، نسل بعدی انرژی که کربن خنثی است. هیدروژن به سه نوع «هیدروژن سبز»، «هیدروژن آبی» و «هیدروژن خاکستری» تقسیم می‌شود که هر کدام روش تولید متفاوتی دارند. ما همچنین هر روش ساخت، خواص فیزیکی به عنوان عناصر، روش های ذخیره سازی/حمل و نقل و روش های استفاده را توضیح خواهیم داد. و همچنین توضیح خواهم داد که چرا نسل بعدی منبع انرژی غالب است.

الکترولیز آب برای تولید هیدروژن سبز

هنگام استفاده از هیدروژن، به هر حال «تولید هیدروژن» مهم است. ساده ترین راه "الکترولیز کردن آب" است. شاید شما در کلاس درس علوم درس خوانده اید. لیوان را با آب و الکترودهای داخل آب پر کنید. هنگامی که یک باتری به الکترودها متصل می شود و انرژی می گیرد، واکنش های زیر در آب و در هر الکترود رخ می دهد.
در کاتد، H+ و الکترون ها برای تولید گاز هیدروژن ترکیب می شوند، در حالی که آند اکسیژن تولید می کند. با این حال، این رویکرد برای آزمایش‌های علمی مدارس خوب است، اما برای تولید هیدروژن صنعتی، مکانیسم‌های کارآمد مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ باید آماده شود. این "الکترولیز غشای الکترولیت پلیمری (PEM)" است.
در این روش، یک غشای نیمه تراوا پلیمری که اجازه عبور یون های هیدروژن را می دهد، بین آند و کاتد قرار می گیرد. هنگامی که آب به داخل آند دستگاه ریخته می شود، یون های هیدروژن تولید شده توسط الکترولیز از طریق یک غشای نیمه تراوا به سمت کاتد حرکت می کنند و در آنجا به هیدروژن مولکولی تبدیل می شوند. از طرف دیگر، یون های اکسیژن نمی توانند از غشای نیمه تراوا عبور کرده و در آند به مولکول های اکسیژن تبدیل شوند.
همچنین در الکترولیز آب قلیایی، شما با جداسازی آند و کاتد از طریق جداکننده ای که فقط یون های هیدروکسید از آن عبور می کنند، هیدروژن و اکسیژن ایجاد می کنید. علاوه بر این، روش های صنعتی مانند الکترولیز بخار با دمای بالا نیز وجود دارد.
با انجام این فرآیندها در مقیاس بزرگ می توان مقادیر زیادی هیدروژن به دست آورد. در این فرآیند، مقدار قابل توجهی اکسیژن نیز تولید می شود (نصف حجم هیدروژن تولید شده)، به طوری که در صورت انتشار در اتمسفر، اثرات نامطلوبی بر محیط زیست نخواهد داشت. با این حال، الکترولیز به برق زیادی نیاز دارد، بنابراین اگر با برقی تولید شود که از سوخت های فسیلی مانند توربین های بادی و پنل های خورشیدی استفاده نمی شود، هیدروژن بدون کربن تولید می شود.
شما می توانید با الکترولیز آب با استفاده از انرژی پاک "هیدروژن سبز" بدست آورید.

همچنین یک مولد هیدروژن برای تولید در مقیاس بزرگ این هیدروژن سبز وجود دارد. با استفاده از PEM در بخش الکترولیز می توان هیدروژن را به طور مداوم تولید کرد.

هیدروژن آبی ساخته شده از سوخت های فسیلی

بنابراین، راه های دیگری برای ساخت هیدروژن چیست؟ هیدروژن در سوخت های 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. شما می توانید با خارج کردن این هیدروژن هیدروژن دریافت کنید.
یکی از این فرآیندها، فرآیندی به نام "رفرمینگ متان بخار" است که از بخار استفاده می کند. فرمول شیمیایی این روش به شرح زیر است.
همانطور که می بینید، مونوکسید کربن و هیدروژن را می توان از یک مولکول متان استخراج کرد.
به این ترتیب، هیدروژن را می توان از طریق فرآیندهایی مانند «رفرمینگ بخار» و «تجزیه در اثر حرارت» گاز طبیعی و زغال سنگ تولید کرد. "هیدروژن آبی" به هیدروژن تولید شده به این روش اشاره دارد.
اما در این حالت مونوکسید کربن و دی اکسید کربن به عنوان محصولات جانبی تولید می شوند. بنابراین باید قبل از رها شدن در جو آنها را بازیافت کنید. محصول جانبی دی اکسید کربن، اگر بازیافت نشود، به گاز هیدروژن تبدیل می شود که به "هیدروژن خاکستری" معروف است.

هیدروژن چه نوع عنصری است؟

هیدروژن دارای عدد اتمی 1 است و اولین عنصر جدول تناوبی است.
تعداد اتم ها بزرگترین در جهان است که حدود 90 درصد از کل عناصر جهان را تشکیل می دهد. کوچکترین اتم متشکل از یک پروتون و یک الکترون اتم هیدروژن است.
هیدروژن دارای دو ایزوتوپ با نوترون های متصل به هسته است. یک "دوتریوم" با پیوند نوترونی و دو "تریتیوم" با پیوند نوترونی. اینها همچنین موادی برای تولید برق فیوژن هستند.
در درون ستاره ای مانند خورشید، همجوشی هسته ای از هیدروژن به هلیوم در حال انجام است که منبع انرژی برای درخشش ستاره است.
با این حال، هیدروژن به ندرت به عنوان گاز روی زمین وجود دارد. هیدروژن با عناصر دیگر مانند آب، متان، آمونیاک و اتانول ترکیباتی را تشکیل می دهد. از آنجایی که هیدروژن یک عنصر سبک است، با افزایش دما، سرعت حرکت مولکول‌های هیدروژن افزایش می‌یابد و از گرانش زمین به فضای بیرونی می‌گریزد.

چگونه از هیدروژن استفاده کنیم؟ استفاده از طریق احتراق

سپس، "هیدروژن" که توجه جهانی را به عنوان یک منبع انرژی نسل بعدی به خود جلب کرده است، چگونه استفاده می شود؟ به دو صورت اصلی استفاده می شود: "احتراق" و "پیل سوختی". بیایید با استفاده از "سوزاندن" شروع کنیم.
دو نوع اصلی احتراق استفاده می شود.
اولین مورد به عنوان سوخت موشک است. موشک H-IIA ژاپن از گاز هیدروژن "هیدروژن مایع" و "اکسیژن مایع" استفاده می کند که در حالت برودتی نیز به عنوان سوخت است. این دو با هم ترکیب می شوند و انرژی گرمایی تولید شده در آن زمان باعث تسریع تزریق مولکول های آب تولید شده و پرواز به فضا می شود. با این حال، به دلیل اینکه این موتور از نظر فنی مشکلی است، به جز ژاپن، تنها ایالات متحده، اروپا، روسیه، چین و هند این سوخت را با موفقیت ترکیب کرده اند.
دوم تولید برق است. در تولید برق توربین گاز نیز از روش ترکیب هیدروژن و اکسیژن برای تولید انرژی استفاده می شود. به عبارت دیگر، این روشی است که به انرژی حرارتی تولید شده توسط هیدروژن نگاه می کند. در نیروگاه های حرارتی، گرمای حاصل از سوزاندن زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، بخار تولید می کند که توربین ها را به حرکت در می آورد. اگر از هیدروژن به عنوان منبع گرما استفاده شود، نیروگاه کربن خنثی خواهد بود.

چگونه از هیدروژن استفاده کنیم؟ به عنوان پیل سوختی استفاده می شود

روش دیگر استفاده از هیدروژن به عنوان پیل سوختی است که هیدروژن را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند. به طور خاص، تویوتا با تبلیغ وسایل نقلیه با سوخت هیدروژنی به جای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) به عنوان جایگزینی برای خودروهای بنزینی به عنوان بخشی از اقدامات مقابله با گرمایش جهانی، توجه را در ژاپن به خود جلب کرده است.
به طور خاص، هنگامی که روش تولید "هیدروژن سبز" را معرفی می کنیم، رویه معکوس را انجام می دهیم. فرمول شیمیایی به شرح زیر است.
هیدروژن می تواند در حین تولید برق آب (آب گرم یا بخار) تولید کند و می توان آن را ارزیابی کرد زیرا باری بر محیط زیست تحمیل نمی کند. از طرف دیگر، این روش دارای راندمان تولید برق نسبتاً پایین 30-40 درصد است و به پلاتین به عنوان کاتالیزور نیاز دارد، بنابراین نیاز به افزایش هزینه دارد.
در حال حاضر، ما از سلول های سوختی الکترولیت پلیمری (PEFC) و سلول های سوختی اسید فسفریک (PAFC) استفاده می کنیم. به طور خاص، خودروهای پیل سوختی از PEFC استفاده می کنند، بنابراین می توان انتظار داشت که در آینده گسترش یابد.

آیا ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن ایمن است؟

تا به حال، ما فکر می کنیم متوجه شده اید که گاز هیدروژن چگونه ساخته و استفاده می شود. پس چگونه این هیدروژن را ذخیره می کنید؟ چگونه آن را در جایی که نیاز دارید به دست آورید؟ امنیت در آن زمان چطور؟ توضیح می دهیم
در واقع هیدروژن نیز عنصر بسیار خطرناکی است. در آغاز قرن بیستم، ما از هیدروژن به عنوان گاز برای شناور کردن بالن ها، بالون ها و کشتی های هوایی در آسمان استفاده می کردیم، زیرا بسیار سبک بود. با این حال، در 6 می 1937، در نیوجرسی، ایالات متحده، "انفجار کشتی هوایی Hindenburg" رخ داد.
از زمان این حادثه، به طور گسترده ای تشخیص داده شد که گاز هیدروژن خطرناک است. مخصوصاً وقتی آتش می گیرد، با اکسیژن به شدت منفجر می شود. بنابراین، "دور از اکسیژن" یا "دور از گرما" ضروری است.
پس از انجام این اقدامات به یک روش حمل و نقل رسیدیم.
هیدروژن یک گاز در دمای اتاق است، بنابراین با وجود اینکه هنوز گاز است، بسیار حجیم است. روش اول اعمال فشار بالا و فشرده سازی مانند یک استوانه هنگام تهیه نوشیدنی های گازدار است. یک مخزن مخصوص پرفشار تهیه کنید و آن را در شرایط پرفشار مانند 45 مگاپاسکال نگهداری کنید.
تویوتا، که خودروهای سلول سوختی (FCV) را توسعه می دهد، در حال توسعه مخزن هیدروژن پرفشار رزینی است که می تواند فشار 70 مگاپاسکال را تحمل کند.
روش دیگر سرد کردن تا 253- درجه سانتیگراد برای تولید هیدروژن مایع و ذخیره و حمل آن در مخازن مخصوص عایق حرارت است. مانند LNG (گاز طبیعی مایع) هنگامی که گاز طبیعی از خارج وارد می شود، هیدروژن در حین حمل و نقل مایع می شود و حجم آن به 1/800 حالت گازی آن کاهش می یابد. در سال 2020، اولین حامل هیدروژن مایع جهان را تکمیل کردیم. با این حال، این روش برای وسایل نقلیه پیل سوختی مناسب نیست، زیرا برای خنک شدن به انرژی زیادی نیاز دارد.
روشی برای ذخیره سازی و حمل در مخازن مانند این وجود دارد، اما ما در حال توسعه روش های دیگر ذخیره سازی هیدروژن نیز هستیم.
روش ذخیره سازی استفاده از آلیاژهای ذخیره هیدروژن است. هیدروژن خاصیت نفوذ به فلزات و تخریب آنها را دارد. این یک نکته توسعه است که در دهه 1960 در ایالات متحده ایجاد شد. جی جی ریلی و همکاران آزمایشات نشان داده است که هیدروژن را می توان با استفاده از آلیاژ منیزیم و وانادیم ذخیره و آزاد کرد.
پس از آن، او با موفقیت ماده ای مانند پالادیوم را تولید کرد که می تواند 935 برابر حجم خود هیدروژن را جذب کند.
مزیت استفاده از این آلیاژ این است که می تواند از حوادث نشت هیدروژن (عمدتا حوادث انفجار) جلوگیری کند. بنابراین، می توان 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 می توانند به مرور زمان گاز هیدروژن را آزاد کنند. خوب، حتی یک جرقه کوچک می تواند باعث حادثه انفجار شود، پس مراقب باشید.
همچنین این عیب را دارد که جذب و دفع مکرر هیدروژن منجر به شکنندگی و کاهش سرعت جذب هیدروژن می شود.
مورد دیگر استفاده از لوله است. برای جلوگیری از شکنندگی لوله ها شرطی وجود دارد که باید فشرده و کم فشار باشد، اما مزیت آن این است که می توان از لوله های گاز موجود استفاده کرد. توکیو گاز کار ساخت و ساز بر روی پرچم Harumi را انجام داد و از خطوط لوله گاز شهری برای تامین هیدروژن به سلول های سوختی استفاده کرد.

جامعه آینده ایجاد شده توسط هیدروژن انرژی

در نهایت، بیایید نقش هیدروژن را در جامعه در نظر بگیریم.
مهمتر از آن ما می خواهیم جامعه ای بدون کربن را ترویج کنیم، ما از هیدروژن برای تولید برق به جای انرژی گرمایی استفاده می کنیم.
به جای نیروگاه های حرارتی بزرگ، برخی از خانواده ها سیستم هایی مانند ENE-FARM را معرفی کرده اند که از هیدروژن به دست آمده از اصلاح گاز طبیعی برای تولید برق مورد نیاز استفاده می کنند. با این حال، این سوال که با محصولات جانبی روند اصلاحات چه باید کرد، همچنان باقی است.

در آینده، اگر گردش خود هیدروژن افزایش یابد، مانند افزایش تعداد ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن، استفاده از برق بدون انتشار دی اکسید کربن امکان پذیر خواهد بود. البته الکتریسیته هیدروژن سبز تولید می کند، بنابراین از برق تولید شده از نور خورشید یا باد استفاده می کند. توان مورد استفاده برای الکترولیز باید قدرتی باشد که مقدار تولید برق را کاهش دهد یا باتری قابل شارژ را در زمانی که نیروی اضافی از انرژی طبیعی وجود دارد، شارژ کند. به عبارت دیگر، هیدروژن در همان موقعیت باتری قابل شارژ قرار دارد. اگر این اتفاق بیفتد، در نهایت امکان کاهش تولید برق حرارتی وجود خواهد داشت. روزی که موتور احتراق داخلی از خودروها محو می شود به سرعت نزدیک می شود.

هیدروژن را می توان از طریق دیگری نیز به دست آورد. در واقع، هیدروژن هنوز محصول جانبی تولید سود سوزآور است. از جمله محصول جانبی تولید کک در آهن‌سازی است. اگر این هیدروژن را در توزیع قرار دهید، می توانید چندین منبع را به دست آورید. گاز هیدروژن تولید شده از این طریق نیز توسط ایستگاه های هیدروژن تامین می شود.

بیایید بیشتر به آینده نگاه کنیم. میزان انرژی از دست رفته نیز در روش انتقال که از سیم برای تامین برق استفاده می کند، مشکل دارد. بنابراین، در آینده، مانند مخازن اسید کربنیک که در تولید نوشیدنی‌های گازدار استفاده می‌شود، از هیدروژن تحویلی توسط خطوط لوله استفاده می‌کنیم و یک مخزن هیدروژن در خانه برای تولید برق برای هر خانوار خریداری می‌کنیم. دستگاه های موبایلی که با باتری های هیدروژنی کار می کنند در حال تبدیل شدن به یک امر عادی هستند. دیدن چنین آینده ای جالب خواهد بود.