Esittelemme vedyn, seuraavan sukupolven hiilineutraalin energian. Vety jaetaan kolmeen tyyppiin: vihreään vetyyn, siniseen vetyyn ja harmaaseen vetyyn, joilla kullakin on oma tuotantomenetelmänsä. Selitämme myös kunkin valmistusmenetelmän, alkuaineiden fysikaaliset ominaisuudet, varastointi-/kuljetusmenetelmät ja käyttötavat. Kerron myös, miksi se on seuraavan sukupolven hallitseva energialähde.
Veden elektrolyysi vihreän vedyn tuottamiseksi
Vetyä käytettäessä on tärkeää "tuottaa vetyä" joka tapauksessa. Helpoin tapa on "elektrolysoida vettä". Ehkä teit niin alakoulun luonnontieteessä. Täytä dekantterilasi vedellä ja aseta elektrodit veteen. Kun paristo kytketään elektrodeihin ja virta syötetään niihin, seuraavat reaktiot tapahtuvat vedessä ja jokaisessa elektrodissa.
Katodilla H+ ja elektronit yhdistyvät muodostaen vetykaasua, kun taas anodi tuottaa happea. Tämä lähestymistapa sopii silti hyvin koulujen luonnontieteellisiin kokeisiin, mutta vedyn teolliseen tuottamiseen on valmisteltava tehokkaita mekanismeja, jotka soveltuvat laajamittaiseen tuotantoon. Tätä kutsutaan "polymeerielektrolyyttikalvoelektrolyysiksi (PEM).
Tässä menetelmässä anodin ja katodin väliin asetetaan vetyionien kulun mahdollistava polymeerinen puoliläpäisevä kalvo. Kun laitteen anodille kaadetaan vettä, elektrolyysissä syntyvät vetyionit siirtyvät puoliläpäisevän kalvon läpi katodiin, jossa niistä tulee molekyylivetyä. Happi-ionit eivät sitä vastoin pääse puoliläpäisevän kalvon läpi ja niistä tulee happimolekyylejä anodilla.
Myös emäksisessä vesielektrolyysissä syntyy vetyä ja happea erottamalla anodi ja katodi erottimen läpi, jonka läpi pääsevät kulkemaan vain hydroksidi-ionit. Lisäksi on olemassa teollisia menetelmiä, kuten korkean lämpötilan höyryelektrolyysi.
Suorittamalla näitä prosesseja laajamittaisesti voidaan saada suuria määriä vetyä. Prosessissa tuotetaan myös merkittävä määrä happea (puolet tuotetusta vedystä), joten sillä ei olisi haitallisia ympäristövaikutuksia, jos se vapautuisi ilmakehään. Elektrolyysi vaatii kuitenkin paljon sähköä, joten hiilivapaata vetyä voidaan tuottaa, jos se tuotetaan sähköllä, joka ei käytä fossiilisia polttoaineita, kuten tuuliturbiineja ja aurinkopaneeleja.
Voit saada "vihreää vetyä" elektrolysoimalla vettä puhtaalla energialla.
Käytössä on myös vetygeneraattori tämän vihreän vedyn laajamittaiseen tuotantoon. Käyttämällä PEM:iä elektrolyysiosassa vetyä voidaan tuottaa jatkuvasti.
Sininen vety, joka on valmistettu fossiilisista polttoaineista
Mitä muita tapoja on vetyä varten? Vetyä esiintyy fossiilisissa polttoaineissa, kuten maakaasussa ja kivihiilessä, muina aineina kuin vetenä. Ajatellaanpa esimerkiksi metaania (CH4), maakaasun pääkomponenttia. Siinä on neljä vetyatomia. Voit saada vetyä ottamalla tämän vedyn pois.
Yksi näistä on höyryllä tapahtuva metaanin uudistaminen. Menetelmän kemiallinen kaava on seuraava.
Kuten näette, hiilimonoksidia ja vetyä voidaan erottaa yhdestä metaanimolekyylistä.
Tällä tavoin vetyä voidaan tuottaa esimerkiksi maakaasun ja hiilen "höyryreformoinnin" ja "pyrolyysin" avulla. "Sininen vety" viittaa tällä tavalla tuotettuun vetyyn.
Tässä tapauksessa kuitenkin syntyy sivutuotteina hiilimonoksidia ja hiilidioksidia. Joten ne on kierrätettävä ennen kuin ne vapautetaan ilmakehään. Jos sivutuotteena syntyvää hiilidioksidia ei oteta talteen, siitä tulee vetykaasua, joka tunnetaan nimellä "harmaa vety".
Minkä tyyppinen alkuaine on vety?
Vedyn järjestysluku on 1 ja se on jaksollisen järjestelmän ensimmäinen alkuaine.
Atomien lukumäärä on maailmankaikkeuden suurin, ja se muodostaa noin 90 % kaikista maailmankaikkeuden alkuaineista. Pienin atomi, joka koostuu protonista ja elektronista, on vetyatomi.
Vedyllä on kaksi isotooppia, joiden ytimeen on kiinnittynyt neutroneja. Yksi neutronisidonnainen ”deuterium” ja kaksi neutronisidonnainen ”tritium”. Nämä ovat myös materiaaleja fuusioenergian tuotantoon.
Auringon kaltaisen tähden sisällä tapahtuu ydinfuusio vedystä heliumiksi, joka on tähden loistamisen energianlähde.
Vetyä esiintyy kuitenkin harvoin kaasuna Maassa. Vety muodostaa yhdisteitä muiden alkuaineiden, kuten veden, metaanin, ammoniakin ja etanolin, kanssa. Koska vety on kevyt alkuaine, lämpötilan noustessa vetymolekyylien liikkumisnopeus kasvaa ja ne karkaavat Maan painovoiman alta avaruuteen.
Kuinka vetyä käytetään? Käyttö polttamalla
Miten sitten käytetään "vetyä", joka on herättänyt maailmanlaajuista huomiota seuraavan sukupolven energialähteenä? Sitä käytetään kahdella päätavalla: "poltto" ja "polttokennot". Aloitetaan "poltto"-sanan käytöstä.
Polttomenetelmissä käytetään kahta päätyyppiä.
Ensimmäinen on rakettipolttoaine. Japanin H-IIA-raketti käyttää polttoaineena vetykaasua, "nestemäistä vetyä" ja "nestemäistä happea", joka on myös kryogeenisessä tilassa. Nämä kaksi yhdistetään, ja tuolloin syntyvä lämpöenergia kiihdyttää syntyvien vesimolekyylien ruiskutusta avaruuteen. Koska kyseessä on teknisesti vaikea moottori, Japanin lisäksi vain Yhdysvallat, Eurooppa, Venäjä, Kiina ja Intia ovat onnistuneesti yhdistäneet tämän polttoaineen.
Toinen on sähköntuotanto. Kaasuturbiinisähköntuotannossa käytetään myös menetelmää, jossa vetyä ja happea yhdistetään energian tuottamiseksi. Toisin sanoen se on menetelmä, jossa tarkastellaan vedyn tuottamaa lämpöenergiaa. Lämpövoimalaitoksissa hiilen, öljyn ja maakaasun polttamisesta syntyvä lämpö tuottaa höyryä, joka käyttää turbiineja. Jos vetyä käytetään lämmönlähteenä, voimalaitos on hiilineutraali.
Kuinka käyttää vetyä? Käytetään polttokennona
Toinen tapa käyttää vetyä on polttokenno, jossa vedyn voi muuntaa suoraan sähköksi. Erityisesti Toyota on herättänyt huomiota Japanissa mainostamalla vetykäyttöisiä ajoneuvoja sähköajoneuvojen sijaan vaihtoehtona bensiiniajoneuvoille osana ilmaston lämpenemisen vastaisia toimiaan.
Tarkemmin sanottuna teemme käänteisen menettelyn, kun esittelemme "vihreän vedyn" valmistusmenetelmän. Kemiallinen kaava on seuraava.
Vety voi tuottaa vettä (kuumaa vettä tai höyryä) samalla kun se tuottaa sähköä, ja sitä voidaan arvioida, koska se ei rasita ympäristöä. Toisaalta tällä menetelmällä on suhteellisen alhainen sähköntuotantotehokkuus, 30–40 %, ja se vaatii katalyyttinä platinaa, mikä aiheuttaa lisää kustannuksia.
Tällä hetkellä käytämme polymeerielektrolyyttipolttokennoja (PEFC) ja fosforihappopolttokennoja (PAFC). Erityisesti polttokennoajoneuvot käyttävät PEFC:tä, joten sen odotetaan yleistyvän tulevaisuudessa.
Onko vedyn varastointi ja kuljetus turvallista?
Uskomme, että nyt ymmärrät, miten vetykaasua valmistetaan ja käytetään. Miten tätä vetyä sitten varastoidaan? Miten sitä saadaan sinne, missä sitä tarvitaan? Entä turvallisuus tuolloin? Selitämme.
Vety on itse asiassa myös erittäin vaarallinen alkuaine. 1900-luvun alussa käytimme vetyä kaasuna ilmapallojen, kuumailmapallojen ja ilmalaivojen leijuttamiseen taivaalla, koska se oli erittäin kevyttä. Kuitenkin 6. toukokuuta 1937 New Jerseyssä, Yhdysvalloissa, tapahtui "ilmalaivan Hindenburgin räjähdys".
Onnettomuuden jälkeen on laajalti tunnustettu, että vetykaasu on vaarallista. Erityisesti syttyessään tuleen se räjähtää rajusti hapen kanssa. Siksi on tärkeää pitää poissa hapesta tai lämmöstä.
Näiden toimenpiteiden jälkeen kehitimme toimitustavan.
Vety on huoneenlämmössä kaasua, joten vaikka se onkin kaasua, se on hyvin tilaa vievää. Ensimmäinen menetelmä on käyttää korkeaa painetta ja puristaa sitä sylinterin tavoin hiilihapotettujen juomien valmistuksessa. Valmistele erityinen korkeapainesäiliö ja säilytä sitä korkeassa paineessa, kuten 45 MPa:n paineessa.
Polttokennoajoneuvoja (FCV) kehittävä Toyota kehittää hartsipohjaista korkeapainevetysäiliötä, joka kestää 70 MPa:n paineen.
Toinen menetelmä on jäähdyttää vedyn -253 °C:seen nestemäisen vedyn valmistamiseksi ja varastoida ja kuljettaa sitä erityisissä lämpöeristetyissä säiliöissä. Kuten nesteytetyn maakaasun (LNG) tapauksessa, kun maakaasua tuodaan ulkomailta, vety nesteytetään kuljetuksen aikana, jolloin sen tilavuus pienenee 1/800-osaan kaasumaisesta tilastaan. Vuonna 2020 valmistui maailman ensimmäinen nestemäisen vedyn kuljetusalus. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan sovellu polttokennoajoneuvoille, koska sen jäähdyttäminen vaatii paljon energiaa.
Tällaisissa säiliöissä on olemassa varastointi- ja kuljetusmenetelmä, mutta kehitämme myös muita vedyn varastointimenetelmiä.
Varastointimenetelmänä on vedyn varastointiseosten käyttö. Vedyllä on kyky tunkeutua metalleihin ja heikentää niitä. Tämä kehitysvinkki kehitettiin Yhdysvalloissa 1960-luvulla. JJ Reilly ym. Kokeet ovat osoittaneet, että vetyä voidaan varastoida ja vapauttaa käyttämällä magnesiumin ja vanadiinin seosta.
Sen jälkeen hän kehitti onnistuneesti aineen, kuten palladiumin, joka voi absorboida vetyä 935 kertaa oman tilavuutensa verran.
Tämän seoksen käytön etuna on, että se voi estää vedyn vuoto-onnettomuuksia (pääasiassa räjähdyksiä). Siksi sitä voidaan varastoida ja kuljettaa turvallisesti. Jos et kuitenkaan ole varovainen ja jätät sen väärään ympäristöön, vedyn varastointiseokset voivat vapauttaa vetykaasua ajan myötä. Jopa pieni kipinä voi aiheuttaa räjähdyksen, joten ole varovainen.
Sillä on myös se haittapuoli, että toistuva vedyn absorptio ja desorptio johtavat haurastumiseen ja vähentävät vedyn absorptionopeutta.
Toinen vaihtoehto on putkien käyttö. Edellytyksenä on, että niiden on oltava puristamattomia ja matalapaineisia putkien haurastumisen estämiseksi, mutta etuna on, että voidaan käyttää olemassa olevia kaasuputkia. Tokyo Gas suoritti Harumin FLAGin rakennustöitä käyttäen kaupungin kaasuputkia vedyn toimittamiseen polttokennoihin.
Vetyenergian luoma tulevaisuuden yhteiskunta
Lopuksi tarkastellaan vedyn mahdollista roolia yhteiskunnassa.
Vielä tärkeämpää on, että haluamme edistää hiilivapaata yhteiskuntaa. Käytämme vetyä sähkön tuottamiseen lämmöntuotannon sijaan.
Suurten lämpövoimalaitosten sijaan joissakin kotitalouksissa on otettu käyttöön ENE-FARM-järjestelmiä, jotka käyttävät maakaasun reformoinnista saatua vetyä tarvittavan sähkön tuottamiseen. Kysymys siitä, mitä reformointiprosessin sivutuotteille tehdään, on kuitenkin edelleen avoin.
Tulevaisuudessa, jos vedyn kierto itsessään lisääntyy, kuten vedyn tankkausasemien määrä kasvaa, on mahdollista käyttää sähköä ilman hiilidioksidipäästöjä. Sähkö tuottaa tietenkin vihreää vetyä, joten se käyttää auringonvalosta tai tuulesta tuotettua sähköä. Elektrolyysissä käytettävän energian tulisi olla energiaa, jolla vähennetään sähköntuotantoa tai ladataan ladattavaa akkua, kun luonnollisesta energiasta on ylijäämätehoa. Toisin sanoen vety on samassa asemassa kuin ladattava akku. Jos näin tapahtuu, on lopulta mahdollista vähentää lämpöenergian tuotantoa. Päivä, jolloin polttomoottorit katoavat autoista, lähestyy nopeasti.
Vetyä voidaan saada myös toisella tavalla. Itse asiassa vety on edelleen lipeän tuotannon sivutuote. Se on muun muassa raudanvalmistuksen koksin tuotannon sivutuote. Jos laitat tämän vedyn jakeluun, voit saada siitä useita lähteitä. Tällä tavoin tuotettua vetykaasua toimitetaan myös vetyasemilta.
Katsotaanpa kauemmas tulevaisuuteen. Energianhukka on myös ongelma langallisilla sähkönsiirtomenetelmillä. Siksi tulevaisuudessa käytämme putkistojen kautta toimitettua vetyä, aivan kuten hiilihapotettujen juomien valmistuksessa käytettäviä hiilihapposäiliöitä, ja ostamme vetysäiliön kotiin tuottaaksemme sähköä jokaiseen kotitalouteen. Vetyakkuja käyttävät mobiililaitteet ovat yleistymässä. On mielenkiintoista nähdä tällainen tulevaisuus.
Julkaisun aika: 8. kesäkuuta 2023
