Tietoja seuraavan sukupolven energiavedystä

Esittelemme "vedyn", uuden sukupolven energian, joka on hiilineutraali. Vety jaetaan kolmeen tyyppiin: "vihreä vety", "sininen vety" ja "harmaa vety", joilla jokaisella on erilainen tuotantomenetelmä. Selitämme myös jokaisen valmistustavan, fysikaaliset ominaisuudet elementteinä, varastointi-/kuljetustavat ja käyttötavat. Ja esittelen myös, miksi se on seuraavan sukupolven hallitseva energialähde.

Veden elektrolyysi vihreän vedyn tuottamiseksi

Vetyä käytettäessä on joka tapauksessa tärkeää "tuottaa vetyä". Helpoin tapa on "elektrolysoida vesi". Ehkä opit peruskoulun luonnontieteitä. Täytä dekantterilasi vedellä ja elektrodit vedellä. Kun akku on liitetty elektrodeihin ja jännitteinen, seuraavat reaktiot tapahtuvat vedessä ja jokaisessa elektrodissa.
Katodilla H+ ja elektronit yhdistyvät tuottaen vetykaasua, kun taas anodi tuottaa happea. Silti tämä lähestymistapa sopii hyvin koulujen luonnontieteellisiin kokeisiin, mutta vedyn teolliseen tuotantoon on valmistauduttava tehokkaita, laajamittaiseen tuotantoon soveltuvia mekanismeja. Se on "polymeerielektrolyyttikalvon (PEM) elektrolyysi".
Tässä menetelmässä polymeerinen puoliläpäisevä kalvo, joka sallii vetyionien kulkemisen, asetetaan anodin ja katodin väliin. Kun laitteen anodiin kaadetaan vettä, elektrolyysillä tuotetut vetyionit siirtyvät puoliläpäisevän kalvon läpi katodille, jossa niistä tulee molekyylivetyä. Toisaalta happi-ionit eivät voi kulkea puoliläpäisevän kalvon läpi ja muuttua happimolekyyleiksi anodilla.
Myös alkalisessa vesielektrolyysissä vetyä ja happea syntyy erottamalla anodin ja katodin erottimen läpi, jonka läpi vain hydroksidi-ionit voivat kulkea. Lisäksi on olemassa teollisia menetelmiä, kuten korkean lämpötilan höyryelektrolyysi.
Suorittamalla näitä prosesseja suuressa mittakaavassa voidaan saada suuria määriä vetyä. Prosessissa syntyy myös huomattava määrä happea (puolet tuotetun vedyn tilavuudesta), joten sillä ei ilmakehään joutuessaan olisi haitallisia ympäristövaikutuksia. Elektrolyysi vaatii kuitenkin paljon sähköä, joten hiiletöntä vetyä voidaan tuottaa, jos sitä tuotetaan sähköllä, joka ei käytä fossiilisia polttoaineita, kuten tuuliturbiinit ja aurinkopaneelit.
Voit saada "vihreää vetyä" elektrolysoimalla vettä puhtaalla energialla.

On myös vetygeneraattori tämän vihreän vedyn laajamittaista tuotantoa varten. Käyttämällä PEM:ää elektrolyysiosassa, vetyä voidaan tuottaa jatkuvasti.

Fossiilisista polttoaineista valmistettu sininen vety

Joten mitä muita tapoja valmistaa vetyä? Vetyä on fossiilisissa polttoaineissa, kuten maakaasussa ja hiilessä, muina aineina kuin vedessä. Tarkastellaan esimerkiksi metaania (CH4), joka on maakaasun pääkomponentti. Tässä on neljä vetyatomia. Voit saada vetyä poistamalla tämän vedyn.
Yksi näistä on prosessi, jota kutsutaan "höyrymetaanin reformoimiseksi", joka käyttää höyryä. Tämän menetelmän kemiallinen kaava on seuraava.
Kuten näet, hiilimonoksidia ja vetyä voidaan uuttaa yhdestä metaanimolekyylistä.
Tällä tavalla vetyä voidaan tuottaa prosesseilla, kuten "höyryreformoinnilla" ja maakaasun ja hiilen "pyrolyysillä". "Sininen vety" tarkoittaa tällä tavalla tuotettua vetyä.
Tässä tapauksessa hiilimonoksidia ja hiilidioksidia syntyy kuitenkin sivutuotteina. Joten sinun on kierrätettävä ne ennen kuin ne päästetään ilmakehään. Sivutuotteena oleva hiilidioksidi, jos sitä ei oteta talteen, muuttuu vetykaasuksi, joka tunnetaan nimellä "harmaa vety".

Millainen elementti on vety?

Vedyn atominumero on 1 ja se on jaksollisen taulukon ensimmäinen alkuaine.
Atomien lukumäärä on maailmankaikkeuden suurin, ja se muodostaa noin 90% kaikista universumin alkuaineista. Pienin protonista ja elektronista koostuva atomi on vetyatomi.
Vetyllä on kaksi isotooppia, joiden ytimeen on kiinnittynyt neutroneja. Yksi neutronisidottu "deuterium" ja kaksi neutronisidosta "tritium". Nämä ovat myös materiaaleja fuusiovoiman tuotantoon.
Auringon kaltaisen tähden sisällä tapahtuu ydinfuusio vedystä heliumiksi, joka on energianlähde tähden loistamiseen.
Vetyä on kuitenkin harvoin kaasuna maapallolla. Vety muodostaa yhdisteitä muiden alkuaineiden, kuten veden, metaanin, ammoniakin ja etanolin kanssa. Koska vety on kevyt alkuaine, lämpötilan noustessa vetymolekyylien liikenopeus kasvaa ja pakenee maan painovoimasta avaruuteen.

Kuinka käyttää vetyä? Käytä polttoa

Miten sitten käytetään "vetyä", joka on herättänyt maailmanlaajuista huomiota seuraavan sukupolven energialähteenä? Sitä käytetään kahdella päätavalla: "poltto" ja "polttokenno". Aloitetaan "polttaa" käytöstä.
Käytetään kahta päätyyppiä polttoa.
Ensimmäinen on rakettipolttoaineena. Japanin H-IIA-raketti käyttää polttoaineena vetykaasua "nestemäistä vetyä" ja "nestemäistä happea", joka on myös kryogeenisessä tilassa. Nämä kaksi yhdistetään, ja tuolloin syntyvä lämpöenergia nopeuttaa syntyneiden vesimolekyylien ruiskuttamista, jotka lentävät avaruuteen. Kuitenkin, koska se on Japania lukuun ottamatta teknisesti vaikea moottori, vain Yhdysvallat, Eurooppa, Venäjä, Kiina ja Intia ovat onnistuneet yhdistämään tämän polttoaineen.
Toinen on sähköntuotanto. Kaasuturbiinin sähköntuotannossa käytetään myös menetelmää, jossa vetyä ja happea yhdistetään energian tuottamiseksi. Toisin sanoen se on menetelmä, joka tarkastelee 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, joka muuttaa vedyn suoraan sähköksi. Erityisesti Toyota on kiinnittänyt huomiota Japanissa mainostamalla vetykäyttöisiä ajoneuvoja sähköautojen (EV) sijaan vaihtoehtona bensiinikäyttöisille ajoneuvoille osana ilmaston lämpenemisen vastatoimiaan.
Tarkemmin sanottuna teemme päinvastaisen menettelyn, kun otamme käyttöön "vihreän vedyn" valmistusmenetelmän. Kemiallinen kaava on seuraava.
Vety voi tuottaa vettä (kuumaa vettä tai höyryä) samalla kun tuottaa sähköä, ja se voidaan arvioida, koska se ei kuormita ympäristöä. Toisaalta tällä menetelmällä on suhteellisen alhainen, 30-40 %, tehontuotantohyötysuhde, ja se vaatii platinaa katalyyttinä, mikä vaatii kasvaneita kustannuksia.
Tällä hetkellä käytämme polymeerielektrolyyttipolttokennoja (PEFC) ja fosforihappopolttokennoja (PAFC). Erityisesti polttokennoautoissa käytetään PEFC:tä, joten sen voidaan odottaa leviävän tulevaisuudessa.

Onko vedyn varastointi ja kuljetus turvallista?

Tähän mennessä uskomme sinun ymmärtävän, kuinka vetykaasua valmistetaan ja käytetään. Joten miten säilytät tämän vedyn? Miten saat sen sinne, missä sitä tarvitset? Entä turvallisuus tuolloin? Selitämme.
Itse asiassa vety on myös erittäin vaarallinen alkuaine. 1900-luvun alussa käytimme vetyä kaasuna ilmapallojen, ilmapallojen ja ilmalaivojen kellutukseen taivaalla, koska se oli erittäin kevyttä. Kuitenkin 6. toukokuuta 1937 New Jerseyssä Yhdysvalloissa tapahtui "ilmalaiva Hindenburgin räjähdys".
Onnettomuuden jälkeen on laajalti tunnustettu, että vetykaasu on vaarallinen. Varsinkin kun se syttyy tuleen, se räjähtää voimakkaasti hapen kanssa. Siksi "pidä poissa hapesta" tai "pidä poissa lämmöstä" on välttämätöntä.
Näiden toimenpiteiden jälkeen päätimme toimitustavan.
Vety on kaasu huoneenlämmössä, joten vaikka se on edelleen kaasua, se on erittäin tilaa vievää. Ensimmäinen menetelmä on käyttää korkeaa painetta ja puristaa kuin sylinteri hiilihapollisten juomien valmistuksessa. Valmistele erityinen korkeapainesäiliö ja säilytä sitä korkeapaineisissa olosuhteissa, kuten 45 Mpa.
Polttokennoautoja (FCV) kehittävä Toyota kehittää hartsikorkeapaineista vetysäiliötä, joka kestää 70 MPa:n painetta.
Toinen tapa on jäähdyttää -253 °C:seen nestemäisen vedyn valmistamiseksi ja varastoida ja kuljettaa sitä erityisissä lämpöeristetyissä säiliöissä. Kuten LNG (nesteytetty maakaasu), kun maakaasua tuodaan ulkomailta, vety nesteytyy kuljetuksen aikana, jolloin sen tilavuus pienenee 1/800:aan kaasumaisesta tilastaan. Vuonna 2020 valmistuimme maailman ensimmäisen nestemäisen vedyn kantajan. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan sovellu polttokennoajoneuvoihin, koska sen jäähdyttäminen vaatii paljon energiaa.
Tällaisissa säiliöissä on olemassa tapa varastoida ja kuljettaa, mutta kehitämme myös muita vedyn varastointimenetelmiä.
Varastointimenetelmänä on käyttää vetyvarastointiseoksia. Vedyllä on ominaisuus tunkeutua metalleihin ja heikentää niitä. Tämä on kehitysvinkki, joka kehitettiin Yhdysvalloissa 1960-luvulla. JJ Reilly et ai. Kokeet ovat osoittaneet, että vetyä voidaan varastoida ja vapauttaa käyttämällä magnesiumin ja vanadiinin seosta.
Sen jälkeen hän kehitti menestyksekkäästi palladiumin kaltaisen aineen, joka pystyy absorboimaan vetyä 935 kertaa oman tilavuutensa verran.
Tämän seoksen käytön etuna on, että se voi estää vedyn vuotoonnettomuuksia (pääasiassa räjähdysonnettomuuksia). Siksi sitä voidaan säilyttää ja kuljettaa turvallisesti. Jos et kuitenkaan ole varovainen ja jätät sen väärään ympäristöön, vedyn varastointilejeeringit voivat vapauttaa vetykaasua ajan myötä. Pienikin kipinä voi aiheuttaa räjähdysonnettomuuden, joten ole varovainen.
Sillä on myös se haittapuoli, että toistuva vedyn absorptio ja desorptio johtavat haurastumiseen ja vähentävät vedyn absorptionopeutta.
Toinen on putkien käyttö. Edellytyksenä on, että sen tulee olla puristamaton ja matalapaineinen putkien haurastumisen estämiseksi, mutta etuna on, että olemassa olevia kaasuputkia voidaan käyttää. Tokyo Gas toteutti Harumin FLAG:n rakennustöitä käyttämällä kaupungin kaasuputkia vetyä toimittamaan polttokennoihin.

Hydrogen Energyn luoma tulevaisuuden yhteiskunta

Lopuksi pohditaan vedyn roolia yhteiskunnassa.
Vielä tärkeämpää on, että haluamme edistää hiilivapaata yhteiskuntaa, käytämme vetyä sähkön tuottamiseen lämpöenergian sijaan.
Isojen lämpövoimaloiden sijasta osa kotitalouksista on ottanut käyttöön järjestelmiä, kuten ENE-FARM, jotka käyttävät maakaasua reformoimalla saatua vetyä tarvittavan sähkön tuottamiseen. Kuitenkin kysymys siitä, mitä tehdä uudistusprosessin sivutuotteille, on edelleen olemassa.

Tulevaisuudessa, jos itse vedyn kierto lisääntyy, esimerkiksi lisää vetytankkausasemien määrää, sähköä voidaan käyttää ilman hiilidioksidipäästöjä. Sähkö tuottaa luonnollisesti vihreää vetyä, joten se käyttää auringonvalosta tai tuulesta tuotettua sähköä. Elektrolyysissä käytettävän tehon tulisi olla tehoa, jolla vähennetään sähköntuotannon määrää tai ladataan ladattava akku, kun luonnonenergiasta on ylimääräistä tehoa. Toisin sanoen vety on samassa asennossa kuin ladattava akku. Jos näin tapahtuu, on lopulta mahdollista vähentää lämpösähkön tuotantoa. Päivä, jolloin polttomoottori katoaa autoista, lähestyy kovaa vauhtia.

Vetyä voidaan saada myös toista reittiä pitkin. Itse asiassa vety on edelleen kaustisen soodan tuotannon sivutuote. Se on muun muassa raudanvalmistuksen koksin valmistuksen sivutuote. Jos laitat tämän vedyn jakeluun, voit saada useita lähteitä. Tällä tavalla tuotettua vetykaasua toimitetaan myös vetyasemilta.

Katsotaanpa pidemmälle tulevaisuuteen. Menetettävän energian määrä on myös ongelma lähetystavassa, joka käyttää johtoja virran syöttämiseen. Siksi käytämme jatkossa putkistojen kautta toimitettavaa vetyä hiilihapollisten juomien valmistuksessa käytettävien hiilihappotankkien tapaan ja ostamme vetysäiliön kotiin sähköntuotantoon jokaiseen talouteen. Vetyakuilla toimivat mobiililaitteet ovat yleistymässä. On mielenkiintoista nähdä tällainen tulevaisuus.