Tungkol sa susunod na henerasyon ng enerhiya ng hydrogen

Ipakikilala natin ang "hydrogen", ang susunod na henerasyon ng enerhiya na neutral sa carbon. Ang hydrogen ay nahahati sa tatlong uri: "green hydrogen", "blue hydrogen" at "grey hydrogen", bawat isa ay may iba't ibang paraan ng produksyon. Ipapaliwanag din namin ang bawat paraan ng paggawa, mga pisikal na katangian bilang mga elemento, mga paraan ng imbakan/transportasyon, at mga paraan ng paggamit. At ipapakilala ko rin kung bakit ito ang susunod na henerasyon na nangingibabaw na mapagkukunan ng enerhiya.

Electrolysis ng Tubig upang Makabuo ng Green Hydrogen

Kapag gumagamit ng hydrogen, mahalagang "gumawa ng hydrogen" pa rin. Ang pinakamadaling paraan ay ang "electrolyze water". Siguro ginawa mo sa grade school science. Punan ang beaker ng tubig at mga electrodes sa tubig. Kapag ang isang baterya ay konektado sa mga electrodes at pinalakas, ang mga sumusunod na reaksyon ay nangyayari sa tubig at sa bawat elektrod.
Sa cathode, ang H+ at mga electron ay nagsasama upang makagawa ng hydrogen gas, habang ang anode ay gumagawa ng oxygen. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay mainam para sa mga eksperimento sa agham ng paaralan, ngunit upang makabuo ng hydrogen sa industriya, ang mga mahusay na mekanismo na angkop para sa malakihang produksyon ay dapat ihanda. Iyon ay "polymer electrolyte membrane (PEM) electrolysis".
Sa pamamaraang ito, ang isang polymer semipermeable membrane na nagpapahintulot sa pagpasa ng mga hydrogen ions ay nasa pagitan ng isang anode at isang katod. Kapag ang tubig ay ibinuhos sa anode ng aparato, ang mga hydrogen ions na ginawa ng electrolysis ay gumagalaw sa isang semipermeable membrane patungo sa katod, kung saan sila ay nagiging molekular na hydrogen. Sa kabilang banda, ang mga ion ng oxygen ay hindi maaaring dumaan sa semipermeable na lamad at maging mga molekula ng oxygen sa anode.
Gayundin sa alkaline water electrolysis, lumikha ka ng hydrogen at oxygen sa pamamagitan ng paghihiwalay ng anode at cathode sa pamamagitan ng isang separator kung saan tanging mga hydroxide ions lamang ang maaaring dumaan. Bilang karagdagan, mayroong mga pang-industriya na pamamaraan tulad ng mataas na temperatura na electrolysis ng singaw.
Sa pamamagitan ng pagsasagawa ng mga prosesong ito sa isang malaking sukat, ang malalaking dami ng hydrogen ay maaaring makuha. Sa proseso, ang isang malaking halaga ng oxygen ay ginawa din (kalahati ng dami ng hydrogen na ginawa), upang hindi ito magkaroon ng masamang epekto sa kapaligiran kung ilalabas sa atmospera. Gayunpaman, ang electrolysis ay nangangailangan ng maraming kuryente, kaya ang carbon-free hydrogen ay maaaring gawin kung ito ay ginawa gamit ang kuryente na hindi gumagamit ng fossil fuels, tulad ng mga wind turbine at solar panel.
Maaari kang makakuha ng "berdeng hydrogen" sa pamamagitan ng pag-electrolyzing ng tubig gamit ang malinis na enerhiya.

Mayroon ding hydrogen generator para sa malakihang produksyon ng berdeng hydrogen na ito. Sa pamamagitan ng paggamit ng PEM sa seksyon ng electrolyzer, ang hydrogen ay maaaring patuloy na magawa.

Asul na Hydrogen na Ginawa mula sa Fossil Fuels

Kaya, ano ang iba pang mga paraan upang makagawa ng hydrogen? Ang hydrogen ay umiiral sa mga fossil fuel tulad ng natural na gas at karbon bilang mga sangkap maliban sa tubig. Halimbawa, isaalang-alang ang methane (CH4), ang pangunahing bahagi ng natural gas. Mayroong apat na hydrogen atoms dito. Maaari kang makakuha ng hydrogen sa pamamagitan ng pag-alis ng hydrogen na ito.
Isa sa mga ito ay isang proseso na tinatawag na "steam methane reforming" na gumagamit ng singaw. Ang pormula ng kemikal ng pamamaraang ito ay ang mga sumusunod.
Tulad ng nakikita mo, ang carbon monoxide at hydrogen ay maaaring makuha mula sa isang molekula ng methane.
Sa ganitong paraan, ang hydrogen ay maaaring gawin sa pamamagitan ng mga proseso tulad ng "steam reforming" at "pyrolysis" ng natural gas at coal. Ang "Blue hydrogen" ay tumutukoy sa hydrogen na ginawa sa ganitong paraan.
Sa kasong ito, gayunpaman, ang carbon monoxide at carbon dioxide ay ginawa bilang mga by-product. Kaya kailangan mong i-recycle ang mga ito bago sila ilabas sa kapaligiran. Ang by-product na carbon dioxide, kung hindi mababawi, ay nagiging hydrogen gas, na kilala bilang "grey hydrogen".

Anong Uri ng Elemento ang Hydrogen?

Ang hydrogen ay may atomic number na 1 at ito ang unang elemento sa periodic table.
Ang bilang ng mga atomo ay ang pinakamalaki sa uniberso, na umaabot sa halos 90% ng lahat ng elemento sa uniberso. Ang pinakamaliit na atom na binubuo ng isang proton at isang elektron ay ang hydrogen atom.
Ang hydrogen ay may dalawang isotopes na may mga neutron na nakakabit sa nucleus. Isang neutron-bonded "deuterium" at dalawang neutron-bonded "tritium". Ito rin ay mga materyales para sa fusion power generation.
Sa loob ng isang bituin tulad ng araw, nagaganap ang nuclear fusion mula sa hydrogen patungo sa helium, na siyang pinagmumulan ng enerhiya para lumiwanag ang bituin.
Gayunpaman, ang hydrogen ay bihirang umiiral bilang isang gas sa Earth. Ang hydrogen ay bumubuo ng mga compound kasama ng iba pang elemento tulad ng tubig, methane, ammonia at ethanol. Dahil ang hydrogen ay isang magaan na elemento, habang tumataas ang temperatura, tumataas ang bilis ng paggalaw ng mga molekula ng hydrogen, at tumatakas mula sa gravity ng lupa patungo sa kalawakan.

Paano Gamitin ang Hydrogen? Gamitin sa pamamagitan ng Pagsunog

Kung gayon, paano ginagamit ang "hydrogen", na nakakuha ng atensyon sa buong mundo bilang isang susunod na henerasyong pinagmumulan ng enerhiya? Ginagamit ito sa dalawang pangunahing paraan: "combustion" at "fuel cell". Magsimula tayo sa paggamit ng “burn”.
Mayroong dalawang pangunahing uri ng pagkasunog na ginagamit.
Ang una ay bilang rocket fuel. Ang H-IIA rocket ng Japan ay gumagamit ng hydrogen gas na "liquid hydrogen" at "liquid oxygen" na nasa cryogenic na estado din bilang gasolina. Ang dalawang ito ay pinagsama, at ang init na enerhiya na nabuo sa oras na iyon ay nagpapabilis sa pag-iniksyon ng mga molekula ng tubig na nabuo, na lumilipad sa kalawakan. Gayunpaman, dahil ito ay isang teknikal na mahirap na makina, maliban sa Japan, tanging ang Estados Unidos, Europa, Russia, China at India ang matagumpay na pinagsama ang gasolina na ito.
Ang pangalawa ay power generation. Gumagamit din ang pagbuo ng kuryente ng gas turbine ng paraan ng pagsasama-sama ng hydrogen at oxygen upang makabuo ng enerhiya. Sa madaling salita, ito ay isang paraan na tumitingin sa thermal energy na ginawa ng hydrogen. Sa mga thermal power plant, ang init mula sa nasusunog na karbon, langis at natural na gas ay gumagawa ng singaw na nagpapatakbo ng mga turbine. Kung gagamitin ang hydrogen bilang pinagmumulan ng init, ang planta ng kuryente ay magiging neutral sa carbon.

Paano Gamitin ang Hydrogen? Ginamit bilang Fuel Cell

Ang isa pang paraan ng paggamit ng hydrogen ay bilang fuel cell, na direktang nagko-convert ng hydrogen sa kuryente. Sa partikular, nakuha ng Toyota ang atensyon sa Japan sa pamamagitan ng pagsasabi ng mga sasakyang may hydrogen-fueled sa halip na mga de-kuryenteng sasakyan (EVs) bilang alternatibo sa mga sasakyang pang-gasolina bilang bahagi ng mga panlaban nito sa global warming.
Sa partikular, ginagawa namin ang reverse procedure kapag ipinakilala namin ang paraan ng pagmamanupaktura ng "green hydrogen". Ang formula ng kemikal ay ang mga sumusunod.
Ang hydrogen ay maaaring makabuo ng tubig (mainit na tubig o singaw) habang gumagawa ng kuryente, at maaari itong masuri dahil hindi ito nagbibigay ng pasanin sa kapaligiran. Sa kabilang banda, ang pamamaraang ito ay may medyo mababang kahusayan sa pagbuo ng kuryente na 30-40%, at nangangailangan ng platinum bilang isang katalista, kaya nangangailangan ng pagtaas ng mga gastos.
Sa kasalukuyan, gumagamit kami ng polymer electrolyte fuel cells (PEFC) at phosphoric acid fuel cells (PAFC). Sa partikular, ang mga fuel cell na sasakyan ay gumagamit ng PEFC, kaya maaari itong asahan na kumalat sa hinaharap.

Ligtas ba ang Imbakan at Transportasyon ng Hydrogen?

Sa ngayon, sa tingin namin ay naiintindihan mo na kung paano ginawa at ginagamit ang hydrogen gas. Kaya paano mo iniimbak ang hydrogen na ito? Paano mo ito makukuha kung saan mo ito kailangan? Paano naman ang seguridad sa panahong iyon? Magpapaliwanag kami.
Sa katunayan, ang hydrogen ay isa ring napakadelikadong elemento. Sa simula ng ika-20 siglo, ginamit namin ang hydrogen bilang gas upang magpalutang ng mga lobo, lobo, at airship sa kalangitan dahil napakagaan nito. Gayunpaman, noong Mayo 6, 1937, sa New Jersey, USA, naganap ang "pagsabog ng airship Hindenburg".
Mula sa aksidente, malawak na kinikilala na ang hydrogen gas ay mapanganib. Lalo na kapag nasusunog ito, sasabog ito ng marahas na may oxygen. Samakatuwid, ang "iwasan ang oxygen" o "iwasan ang init" ay mahalaga.
Matapos gawin ang mga hakbang na ito, nakaisip kami ng paraan ng pagpapadala.
Ang hydrogen ay isang gas sa temperatura ng silid, kaya kahit na ito ay isang gas pa, ito ay napakalaki. Ang unang paraan ay ang paglalagay ng mataas na presyon at pag-compress tulad ng isang silindro kapag gumagawa ng mga carbonated na inumin. Maghanda ng espesyal na tangke na may mataas na presyon at iimbak ito sa ilalim ng mga kondisyong may mataas na presyon gaya ng 45Mpa.
Ang Toyota, na gumagawa ng fuel cell vehicles (FCV), ay gumagawa ng resin high-pressure hydrogen tank na makatiis ng 70 MPa pressure.
Ang isa pang paraan ay ang paglamig sa -253°C upang makagawa ng likidong hydrogen, at iimbak at i-transport ito sa mga espesyal na tangke na may init-insulated. Tulad ng LNG (liquefied natural gas) kapag ang natural na gas ay na-import mula sa ibang bansa, ang hydrogen ay natunaw sa panahon ng transportasyon, na binabawasan ang volume nito sa 1/800 ng gaseous state nito. Noong 2020, natapos namin ang unang liquid hydrogen carrier sa mundo. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay hindi angkop para sa mga fuel cell na sasakyan dahil nangangailangan ito ng maraming enerhiya upang lumamig.
Mayroong paraan ng pag-iimbak at pagpapadala sa mga tangke na tulad nito, ngunit gumagawa din kami ng iba pang mga paraan ng pag-iimbak ng hydrogen.
Ang paraan ng pag-iimbak ay ang paggamit ng hydrogen storage alloys. Ang hydrogen ay may pag-aari ng pagtagos ng mga metal at pagkasira sa kanila. Ito ay isang tip sa pag-unlad na binuo sa Estados Unidos noong 1960's. JJ Reilly et al. Ipinakita ng mga eksperimento na ang hydrogen ay maaaring maimbak at mailabas gamit ang isang haluang metal ng magnesium at vanadium.
Pagkatapos nito, matagumpay siyang nakabuo ng isang sangkap, tulad ng palladium, na maaaring sumipsip ng hydrogen ng 935 beses sa sarili nitong dami.
Ang bentahe ng paggamit ng haluang ito ay maaari itong maiwasan ang mga aksidente sa pagtagas ng hydrogen (pangunahin ang mga aksidente sa pagsabog). Samakatuwid, maaari itong ligtas na maiimbak at maihatid. Gayunpaman, kung hindi ka mag-iingat at iwanan ito sa maling kapaligiran, ang mga hydrogen storage alloy ay maaaring maglabas ng hydrogen gas sa paglipas ng panahon. Well, kahit isang maliit na spark ay maaaring maging sanhi ng isang aksidente sa pagsabog, kaya mag-ingat.
Mayroon din itong kawalan na ang paulit-ulit na pagsipsip ng hydrogen at desorption ay humahantong sa pagkasira at pagbabawas ng rate ng pagsipsip ng hydrogen.
Ang isa pa ay ang paggamit ng mga tubo. May kondisyon na dapat itong hindi naka-compress at mababang presyon upang maiwasan ang pagkasira ng mga tubo, ngunit ang kalamangan ay magagamit ang mga umiiral na gas pipe. Ang Tokyo Gas ay nagsagawa ng gawaing pagtatayo sa Harumi FLAG, gamit ang mga pipeline ng gas ng lungsod upang magbigay ng hydrogen sa mga fuel cell.

Hinaharap na Lipunan na Nilikha ng Hydrogen Energy

Sa wakas, isaalang-alang natin ang papel na maaaring gampanan ng hydrogen sa lipunan.
Higit sa lahat, gusto naming isulong ang isang lipunang walang carbon, ginagamit namin ang hydrogen upang makabuo ng kuryente sa halip na bilang enerhiya ng init.
Sa halip na malalaking thermal power plant, ang ilang sambahayan ay nagpakilala ng mga sistema tulad ng ENE-FARM, na gumagamit ng hydrogen na nakuha sa pamamagitan ng pagreporma ng natural na gas upang makabuo ng kinakailangang kuryente. Gayunpaman, ang tanong kung ano ang gagawin sa mga by-product ng proseso ng reporma ay nananatili.

Sa hinaharap, kung ang sirkulasyon ng hydrogen mismo ay tumaas, tulad ng pagtaas ng bilang ng mga istasyon ng hydrogen refueling, posibleng gumamit ng kuryente nang hindi naglalabas ng carbon dioxide. Ang elektrisidad ay gumagawa ng berdeng hydrogen, siyempre, kaya gumagamit ito ng kuryente na nabuo mula sa sikat ng araw o hangin. Ang kapangyarihang ginagamit para sa electrolysis ay dapat na kapangyarihan upang sugpuin ang dami ng power generation o para i-charge ang rechargeable na baterya kapag may sobrang kapangyarihan mula sa natural na enerhiya. Sa madaling salita, ang hydrogen ay nasa parehong posisyon ng rechargeable na baterya. Kung mangyayari ito, magiging posible na bawasan ang pagbuo ng thermal power. Ang araw kung kailan mawala ang internal combustion engine sa mga sasakyan ay mabilis na lumalapit.

Ang hydrogen ay maaari ding makuha sa ibang ruta. Sa katunayan, ang hydrogen ay isang by-product pa rin ng paggawa ng caustic soda. Sa iba pang mga bagay, ito ay isang by-product ng coke production sa paggawa ng bakal. Kung ilalagay mo ang hydrogen na ito sa pamamahagi, makakakuha ka ng maraming mapagkukunan. Ang hydrogen gas na ginawa sa ganitong paraan ay ibinibigay din ng mga istasyon ng hydrogen.

Tumingin pa tayo sa hinaharap. Ang dami ng nawala na enerhiya ay isa ring isyu sa paraan ng paghahatid na gumagamit ng mga wire upang magbigay ng kuryente. Samakatuwid, sa hinaharap, gagamitin natin ang hydrogen na inihatid ng mga pipeline, tulad ng mga tangke ng carbonic acid na ginagamit sa paggawa ng mga carbonated na inumin, at bibili ng tangke ng hydrogen sa bahay upang makabuo ng kuryente para sa bawat sambahayan. Ang mga mobile device na tumatakbo sa mga baterya ng hydrogen ay nagiging pangkaraniwan. Magiging kawili-wiling makita ang gayong hinaharap.