Tungkol sa susunod na henerasyon ng enerhiya ng hydrogen

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

Elektrolisis ng Tubig upang Makagawa ng Berdeng Hydrogen

Kapag gumagamit ng hydrogen, mahalagang "gumawa ng hydrogen" pa rin. Ang pinakamadaling paraan ay ang "pag-electrolyze ng tubig". Marahil ay ginawa mo na ito noong elementarya sa agham. Punuin ang beaker ng tubig at ang mga electrode sa tubig. Kapag ang isang baterya ay nakakonekta sa mga electrode at pinagagana, ang mga sumusunod na reaksyon ay nangyayari sa tubig at sa bawat electrode.
Sa cathode, ang H+ at mga electron ay nagsasama-sama upang makagawa ng hydrogen gas, habang ang anode ay gumagawa ng oxygen. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay mainam para sa mga eksperimento sa agham sa paaralan, ngunit upang makagawa ng hydrogen sa industriya, dapat ihanda ang mahusay na mga mekanismo na angkop para sa malawakang produksyon. Iyon ay ang "polymer electrolyte membrane (PEM) electrolysis".
Sa pamamaraang ito, ang isang polymer semipermeable membrane na nagpapahintulot sa pagdaan ng mga hydrogen ion ay inilalagay sa pagitan ng isang anode at isang cathode. Kapag ang tubig ay ibinuhos sa anode ng aparato, ang mga hydrogen ion na nalilikha ng electrolysis ay lumilipat sa isang semipermeable membrane patungo sa cathode, kung saan sila ay nagiging molecular hydrogen. Sa kabilang banda, ang mga oxygen ion ay hindi maaaring dumaan sa semipermeable membrane at maging mga molekula ng oxygen sa anode.
Gayundin sa alkaline water electrolysis, lumilikha ka ng hydrogen at oxygen sa pamamagitan ng paghihiwalay ng anode at cathode sa pamamagitan ng isang separator kung saan tanging mga hydroxide ion lamang ang maaaring dumaan. Bukod pa rito, may mga pang-industriya na pamamaraan tulad ng high-temperature steam electrolysis.
Sa pamamagitan ng pagsasagawa ng mga prosesong ito sa malawakang saklaw, maaaring makuha ang malaking dami ng hydrogen. Sa prosesong ito, isang malaking dami ng oxygen ang nalilikha rin (kalahati ng dami ng hydrogen na nalilikha), kaya wala itong magiging masamang epekto sa kapaligiran kung ilalabas sa atmospera. Gayunpaman, ang electrolysis ay nangangailangan ng maraming kuryente, kaya ang carbon-free hydrogen ay maaaring malikha kung ito ay nalilikha gamit ang kuryenteng hindi gumagamit ng fossil fuels, tulad ng mga wind turbine at solar panel.
Makakakuha ka ng "berdeng hydrogen" sa pamamagitan ng pag-electrolyze ng tubig gamit ang malinis na enerhiya.

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

Asul na Hydrogen na Gawa sa Fossil Fuels

Kaya, ano pa ang iba pang mga paraan upang makagawa ng hydrogen? Ang hydrogen ay umiiral sa mga fossil fuel tulad ng natural gas at karbon bilang mga sangkap maliban sa tubig. Halimbawa, isaalang-alang ang methane (CH4), ang pangunahing bahagi ng natural gas. Mayroong apat na atomo ng hydrogen dito. Makakakuha ka ng hydrogen sa pamamagitan ng pag-alis ng hydrogen na ito.
Isa na rito ang prosesong tinatawag na "steam methane reforming" na gumagamit ng singaw. Ang kemikal na pormula ng pamamaraang ito ay ang mga sumusunod.
Gaya ng nakikita mo, ang carbon monoxide at hydrogen ay maaaring makuha mula sa iisang molekula ng methane.
Sa ganitong paraan, ang hydrogen ay maaaring malikha sa pamamagitan ng mga prosesong tulad ng "steam reforming" at "pyrolysis" ng natural gas at karbon. Ang "Blue hydrogen" ay tumutukoy sa hydrogen na nalilikha sa ganitong paraan.
Gayunpaman, sa kasong ito, ang carbon monoxide at carbon dioxide ay nalilikha bilang mga by-product. Kaya kailangan mo itong i-recycle bago ito ilabas sa atmospera. 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 ang pinakamalaki sa sansinukob, na bumubuo sa halos 90% ng lahat ng elemento sa sansinukob. Ang pinakamaliit na atomo na binubuo ng isang proton at isang elektron ay ang atomo ng hydrogen.
Ang hydrogen ay may dalawang isotope na may mga neutron na nakakabit sa nucleus. Isang "deuterium" na may neutron bond at dalawang "tritium" na may neutron bond. Ito rin ay mga materyales para sa pagbuo ng kuryente gamit ang fusion.
Sa loob ng isang bituin tulad ng araw, nagaganap ang nuclear fusion mula sa hydrogen patungong helium, na siyang pinagmumulan ng enerhiya para sumikat ang bituin.
Gayunpaman, bihirang umiral ang hydrogen bilang isang gas sa Earth. Ang hydrogen ay bumubuo ng mga compound kasama ng iba pang mga 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 grabidad ng Earth 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 henerasyon na pinagmumulan ng enerhiya? Ginagamit ito sa dalawang pangunahing paraan: "combustion" at "fuel cell". Simulan natin sa paggamit ng "burn".
Mayroong dalawang pangunahing uri ng pagkasunog na ginagamit.
Ang una ay bilang panggatong ng rocket. Ang H-IIA rocket ng Japan ay gumagamit ng hydrogen gas na "liquid hydrogen" at "liquid oxygen" na nasa cryogenic state din bilang panggatong. Ang dalawang ito ay pinagsama, at ang enerhiya ng init na nalilikha sa oras na iyon ay nagpapabilis sa pag-iniksyon ng mga molekula ng tubig na nalilikha, na lumilipad patungo sa kalawakan. Gayunpaman, dahil ito ay isang teknikal na mahirap na makina, maliban sa Japan, tanging ang Estados Unidos, Europa, Russia, China at India lamang ang matagumpay na pinagsama ang panggatong na ito.
Ang pangalawa ay ang pagbuo ng kuryente. Ang pagbuo ng kuryente gamit ang gas turbine ay gumagamit din 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 nalilikha ng hydrogen. Sa mga thermal power plant, ang init mula sa nasusunog na karbon, langis, at natural gas ay lumilikha ng singaw na nagpapaandar sa mga turbine. Kung ang hydrogen ay gagamitin bilang pinagmumulan ng init, ang power plant ay magiging carbon neutral.

Paano Gamitin ang Hydrogen? Ginagamit 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, nakakuha ng atensyon ang Toyota sa Japan sa pamamagitan ng pagpapalaganap ng mga sasakyang pinapagana ng hydrogen sa halip na mga electric vehicle (EV) bilang alternatibo sa mga sasakyang de-gasolina bilang bahagi ng mga hakbang nito sa pag-iwas sa global warming.
Sa partikular, ginagawa namin ang kabaligtaran na pamamaraan kapag ipinakilala namin ang pamamaraan ng paggawa ng "green hydrogen". Ang kemikal na pormula ay ang mga sumusunod.
Ang hydrogen ay maaaring makabuo ng tubig (mainit na tubig o singaw) habang bumubuo ng kuryente, at maaari itong masuri dahil hindi ito nagpapataw 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 katalista, kaya nangangailangan ng mas mataas na gastos.
Sa kasalukuyan, gumagamit kami ng polymer electrolyte fuel cells (PEFC) at phosphoric acid fuel cells (PAFC). Sa partikular, ang mga fuel cell vehicle ay gumagamit ng PEFC, kaya inaasahang lalaganap pa ito sa hinaharap.

Ligtas ba ang Pag-iimbak at Paghahatid ng Hydrogen?

Sa ngayon, sa tingin namin ay naiintindihan mo na kung paano ginagawa at ginagamit ang hydrogen gas. Kaya paano mo iniimbak ang hydrogen na ito? Paano mo ito nakukuha kung saan mo ito kailangan? Paano naman ang seguridad sa oras na iyon? Ipapaliwanag namin.
Sa katunayan, ang hydrogen ay isa ring mapanganib na elemento. Sa simula ng ika-20 siglo, ginamit natin ang hydrogen bilang gas upang magpalutang ng mga lobo, balloon, at mga airship sa kalangitan dahil napakagaan nito. Gayunpaman, noong Mayo 6, 1937, sa New Jersey, USA, naganap ang "pagsabog ng airship na Hindenburg".
Simula ng aksidente, malawakang kinilala na mapanganib ang hydrogen gas. Lalo na kapag ito ay nasunog, ito ay sasabog nang malakas na may kasamang oxygen. Kaya naman, mahalaga ang "lumayo sa oxygen" o "umiwas sa init".
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 gas pa rin, ito ay napakalaki. Ang unang paraan ay ang paglalapat ng mataas na presyon at pag-compress na parang silindro kapag gumagawa ng mga carbonated na inumin. Maghanda ng isang espesyal na tangke na may mataas na presyon at iimbak ito sa ilalim ng mga kondisyon na may mataas na presyon tulad ng 45Mpa.
Ang Toyota, na bumubuo ng mga fuel cell vehicle (FCV), ay bumubuo ng isang resin high-pressure hydrogen tank na kayang tumagal ng 70 MPa pressure.
Ang isa pang paraan ay ang paglamig hanggang -253°C upang makagawa ng likidong hydrogen, at pag-iimbak at pagdadala nito sa mga espesyal na tangke na may heat-insulated na insulasyon. Tulad ng LNG (liquefied natural gas) kapag ang natural gas ay inaangkat mula sa ibang bansa, ang hydrogen ay nalitunaw habang dinadala, na binabawasan ang volume nito sa 1/800 ng gaseous state nito. Noong 2020, natapos natin ang unang liquid hydrogen carrier sa mundo. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay hindi angkop para sa mga fuel cell vehicle dahil nangangailangan ito ng maraming enerhiya upang lumamig.
May paraan ng pag-iimbak at pagpapadala sa mga tangke na tulad nito, ngunit bumubuo rin kami ng iba pang mga paraan ng pag-iimbak ng hydrogen.
Ang paraan ng pag-iimbak ay ang paggamit ng mga hydrogen storage alloy. Ang hydrogen ay may katangiang tumagos sa mga metal at nagpapasama sa mga ito. Ito ay isang tip sa pag-unlad na binuo sa Estados Unidos noong dekada 1960. Ipinakita nina JJ Reilly et al. na ang hydrogen ay maaaring iimbak at ilabas gamit ang isang haluang metal ng magnesium at vanadium.
Pagkatapos nito, matagumpay niyang nakabuo ng isang sangkap, tulad ng palladium, na kayang sumipsip ng hydrogen nang 935 beses ng sarili nitong volume.
Ang bentahe ng paggamit ng haluang metal na ito ay maiiwasan nito ang mga aksidente sa pagtagas ng hydrogen (pangunahin ang mga aksidente sa pagsabog). Samakatuwid, maaari itong ligtas na maiimbak at mailipat. Gayunpaman, kung hindi ka mag-iingat at iiwan ito sa maling kapaligiran, ang mga hydrogen storage alloy ay maaaring maglabas ng hydrogen gas sa paglipas ng panahon. Kahit ang isang maliit na spark ay maaaring magdulot ng aksidente sa pagsabog, kaya mag-ingat.
Mayroon din itong disbentaha na ang paulit-ulit na pagsipsip at desorption ng hydrogen ay humahantong sa embrittlement at binabawasan ang rate ng pagsipsip ng hydrogen.
Ang isa pa ay ang paggamit ng mga tubo. May kondisyon na dapat itong hindi naka-compress at mababa ang presyon upang maiwasan ang pagkasira ng mga tubo, ngunit ang bentahe ay maaaring gamitin ang mga umiiral na tubo ng gas. Isinagawa ng Tokyo Gas ang konstruksyon sa Harumi FLAG, gamit ang mga pipeline ng gas ng lungsod upang magsuplay ng hydrogen sa mga fuel cell.

Lipunang Hinaharap na Nilikha ng Hydrogen Energy

Panghuli, isaalang-alang natin ang papel na maaaring gampanan ng hydrogen sa lipunan.
Higit sa lahat, nais nating itaguyod ang isang lipunang walang carbon, ginagamit natin ang hydrogen upang makabuo ng kuryente sa halip na bilang enerhiya ng init.
Sa halip na malalaking thermal power plant, ipinakilala ng ilang kabahayan ang mga sistemang tulad ng ENE-FARM, na gumagamit ng hydrogen na nakuha sa pamamagitan ng pagreporma ng natural gas upang makabuo ng kinakailangang kuryente. Gayunpaman, nananatili ang tanong kung ano ang gagawin sa mga by-product ng proseso ng pagreporma.

Sa hinaharap, kung ang sirkulasyon ng hydrogen mismo ay tataas, tulad ng pagdaragdag ng bilang ng mga istasyon ng pagpapagasolina ng hydrogen, posible nang gumamit ng kuryente nang hindi naglalabas ng carbon dioxide. Siyempre, ang kuryente ay lumilikha ng berdeng hydrogen, kaya gumagamit ito ng kuryenteng nalilikha mula sa sikat ng araw o hangin. Ang lakas na ginagamit para sa electrolysis ay dapat na ang lakas upang sugpuin ang dami ng pagbuo ng kuryente o upang magkarga ng rechargeable na baterya kapag may sobrang lakas mula sa natural na enerhiya. Sa madaling salita, ang hydrogen ay nasa parehong posisyon ng rechargeable na baterya. Kung mangyari ito, kalaunan ay posible na mabawasan ang pagbuo ng thermal power. Mabilis na papalapit ang araw na mawawala ang internal combustion engine sa mga sasakyan.

Maaari ring makuha ang hydrogen sa pamamagitan ng ibang paraan. Sa katunayan, ang hydrogen ay isa pa ring by-product ng produksyon ng caustic soda. Bukod sa iba pang mga bagay, ito ay isang by-product ng produksyon ng coke sa paggawa ng bakal. Kung ilalagay mo ang hydrogen na ito sa distribusyon, makakakuha ka ng maraming mapagkukunan. Ang hydrogen gas na nalilikha sa ganitong paraan ay sinuplayan din ng mga istasyon ng hydrogen.

Tingnan natin nang mas malalim ang hinaharap. Ang dami ng enerhiyang nawawala ay isa ring isyu sa paraan ng paghahatid na gumagamit ng mga kable upang magsuplay ng kuryente. Samakatuwid, sa hinaharap, gagamitin natin ang hydrogen na inihahatid 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 na. Magiging interesante na makita ang ganitong hinaharap.