Vi kommer att introducera "väte", nästa generations energi som är koldioxidneutral. Vätgas delas in i tre typer: "grönt väte", "blått väte" och "grå väte", som var och en har olika produktionsmetod. Vi kommer också att förklara varje tillverkningsmetod, fysikaliska egenskaper som element, lagrings-/transportmetoder och användningsmetoder. Och jag kommer också att presentera varför det är nästa generations dominerande energikälla.
Elektrolys av vatten för att producera grönt väte
När man använder väte är det ändå viktigt att ”producera väte”. Det enklaste sättet är att "elektrolysera vatten". Kanske gjorde du i grundskolans naturvetenskap. Fyll bägaren med vatten och elektroderna i vatten. När ett batteri kopplas till elektroderna och strömförsörjs sker följande reaktioner i vattnet och i varje elektrod.
Vid katoden kombineras H+ och elektroner för att producera vätgas, medan anoden producerar syre. Ändå är detta tillvägagångssätt bra för skolexperiment, men för att producera väte industriellt måste effektiva mekanismer som lämpar sig för storskalig produktion förberedas. Det är "polymer elektrolytmembran (PEM) elektrolys".
I denna metod är ett semipermeabelt polymermembran som tillåter passage av vätejoner inklämt mellan en anod och en katod. När vatten hälls in i enhetens anod, rör sig vätejoner som produceras genom elektrolys genom ett semipermeabelt membran till katoden, där de blir molekylärt väte. Å andra sidan kan syrejoner inte passera genom det semipermeabla membranet och bli syremolekyler vid anoden.
Även vid alkalisk vattenelektrolys skapar man väte och syre genom att separera anod och katod genom en separator genom vilken endast hydroxidjoner kan passera. Dessutom finns det industriella metoder som högtemperatur-ångelektrolys.
Genom att utföra dessa processer i stor skala kan stora mängder väte erhållas. I processen produceras också en betydande mängd syre (halva volymen väte som produceras), så att det inte skulle ha någon negativ miljöpåverkan om det släpps ut i atmosfären. Elektrolys kräver dock mycket el, så kolfritt väte kan produceras om det produceras med el som inte använder fossila bränslen, som vindkraftverk och solpaneler.
Du kan få "grönt väte" genom att elektrolysera vatten med ren energi.
Det finns också en vätgasgenerator för storskalig produktion av detta gröna väte. Genom att använda PEM i elektrolyssektionen kan väte produceras kontinuerligt.
Blå väte tillverkad av fossila bränslen
Så, vilka är andra sätt att tillverka väte? Väte finns i fossila bränslen som naturgas och kol som andra ämnen än vatten. Tänk till exempel på metan (CH4), huvudkomponenten i naturgas. Det finns fyra väteatomer här. Du kan få väte genom att ta ut detta väte.
En av dessa är en process som kallas "steam metan reforming" som använder ånga. Den kemiska formeln för denna metod är följande.
Som du kan se kan kolmonoxid och väte extraheras från en enda metanmolekyl.
På så sätt kan väte framställas genom processer som ”ångreformering” och ”pyrolys” av naturgas och kol. "Blå väte" avser väte som produceras på detta sätt.
I detta fall produceras dock kolmonoxid och koldioxid som biprodukter. Så du måste återvinna dem innan de släpps ut i atmosfären. Biprodukten koldioxid, om den inte återvinns, blir vätgas, känd som "grå väte".
Vilken typ av grundämne är väte?
Väte har ett atomnummer 1 och är det första grundämnet i det periodiska systemet.
Antalet atomer är det största i universum och står för cirka 90 % av alla grundämnen i universum. Den minsta atomen som består av en proton och en elektron är väteatomen.
Väte har två isotoper med neutroner fästa vid kärnan. Ett neutronbundet "deuterium" och två neutronbundet "tritium". Dessa är också material för fusionskraftproduktion.
Inuti en stjärna som solen pågår kärnfusion från väte till helium, som är energikällan för stjärnan att lysa.
Men väte finns sällan som en gas på jorden. Väte bildar föreningar med andra grundämnen som vatten, metan, ammoniak och etanol. Eftersom väte är ett lätt grundämne, när temperaturen stiger, ökar rörelsehastigheten för vätemolekyler och flyr från jordens gravitation till yttre rymden.
Hur använder man väte? Används vid förbränning
Hur används då "väte", som har väckt uppmärksamhet över hela världen som nästa generations energikälla? Det används på två huvudsakliga sätt: "förbränning" och "bränslecell". Låt oss börja med användningen av "bränna".
Det finns två huvudtyper av förbränning som används.
Den första är som raketbränsle. Japans H-IIA-raket använder vätgas "flytande väte" och "flytande syre" som också är i ett kryogent tillstånd som bränsle. Dessa två kombineras, och värmeenergin som genereras vid den tiden accelererar injektionen av de genererade vattenmolekylerna som flyger ut i rymden. Men eftersom det är en tekniskt svår motor, förutom Japan, har bara USA, Europa, Ryssland, Kina och Indien framgångsrikt kombinerat detta bränsle.
Det andra är kraftproduktion. Generering av gasturbinkraft använder också metoden att kombinera väte och syre för att generera energi. Det är med andra ord en metod som tittar på den termiska energin som produceras av väte. I värmekraftverk producerar värmen från förbränning av kol, olja och naturgas ånga som driver turbiner. Om väte används som värmekälla blir kraftverket koldioxidneutralt.
Hur använder man väte? Används som bränslecell
Ett annat sätt att använda väte är som bränslecell, som omvandlar väte direkt till elektricitet. I synnerhet har Toyota uppmärksammats i Japan genom att presentera vätgasdrivna fordon istället för elfordon (EV) som ett alternativ till bensinfordon som en del av sina motåtgärder mot global uppvärmning.
Specifikt gör vi det omvända förfarandet när vi introducerar tillverkningsmetoden för "grönt väte". Den kemiska formeln är följande.
Vätgas kan generera vatten (varmvatten eller ånga) samtidigt som det genererar el, och det kan utvärderas eftersom det inte belastar miljön. Å andra sidan har denna metod en relativt låg kraftgenereringseffektivitet på 30-40 % och kräver platina som katalysator, vilket kräver ökade kostnader.
För närvarande använder vi polymerelektrolytbränsleceller (PEFC) och fosforsyrabränsleceller (PAFC). I synnerhet bränslecellsfordon använder PEFC, så det kan förväntas spridas i framtiden.
Är vätgaslagring och transport säker?
Vid det här laget tror vi att du förstår hur vätgas tillverkas och används. Så hur lagrar du detta väte? Hur får man det där man behöver det? Hur är det med säkerheten på den tiden? Vi ska förklara.
Faktum är att väte också är ett mycket farligt grundämne. I början av 1900-talet använde vi väte som gas för att sväva ballonger, ballonger och luftskepp på himlen eftersom det var väldigt lätt. Men den 6 maj 1937, i New Jersey, USA, inträffade "luftskeppet Hindenburg-explosionen".
Sedan olyckan har det varit allmänt erkänt att vätgas är farligt. Speciellt när det fattas eld kommer det att explodera våldsamt med syre. Därför är "håll borta från syre" eller "håll borta från värme" viktigt.
Efter att ha vidtagit dessa åtgärder kom vi fram till en fraktmetod.
Väte är en gas vid rumstemperatur, så även om det fortfarande är en gas är det väldigt skrymmande. Den första metoden är att applicera högt tryck och komprimera som en cylinder när man gör kolsyrade drycker. Förbered en speciell högtryckstank och förvara den under högtrycksförhållanden som 45Mpa.
Toyota, som utvecklar bränslecellsfordon (FCV), utvecklar en högtrycksvätgastank i harts som tål ett tryck på 70 MPa.
En annan metod är att kyla ner till -253°C för att göra flytande väte, och lagra och transportera det i speciella värmeisolerade tankar. Liksom LNG (flytande naturgas) när naturgas importeras från utlandet, blir väte flytande under transport, vilket minskar dess volym till 1/800 av dess gasformiga tillstånd. 2020 färdigställde vi världens första flytande vätebärare. Detta tillvägagångssätt är dock inte lämpligt för bränslecellsfordon eftersom det kräver mycket energi för att kyla.
Det finns en metod att lagra och frakta i tankar som denna, men vi utvecklar också andra metoder för vätgaslagring.
Lagringsmetoden är att använda vätelagringslegeringar. Väte har egenskapen att penetrera metaller och förstöra dem. Detta är ett utvecklingstips som utvecklades i USA på 1960-talet. JJ Reilly et al. Experiment har visat att väte kan lagras och frigöras med hjälp av en legering av magnesium och vanadin.
Efter det utvecklade han framgångsrikt ett ämne, som palladium, som kan absorbera väte 935 gånger sin egen volym.
Fördelen med att använda denna legering är att den kan förhindra väteläckageolyckor (främst explosionsolyckor). Därför kan den förvaras och transporteras säkert. Men om du inte är försiktig och lämnar den i fel miljö kan vätelagringslegeringar frigöra vätgas med tiden. Tja, även en liten gnista kan orsaka en explosionsolycka, så var försiktig.
Det har också nackdelen att upprepad väteabsorption och desorption leder till sprödhet och minskar väteabsorptionshastigheten.
Den andra är att använda rör. Det finns ett villkor att det måste vara okomprimerat och lågt tryck för att förhindra försprödning av rören, men fördelen är att befintliga gasrör kan användas. Tokyo Gas utförde byggnadsarbeten på Harumi FLAG, med hjälp av stadsgasledningar för att leverera vätgas till bränsleceller.
Future Society Skapad av Hydrogen Energy
Låt oss slutligen överväga vilken roll väte kan spela i samhället.
Ännu viktigare vill vi främja ett kolfritt samhälle, vi använder väte för att generera el istället för som värmeenergi.
Istället för stora värmekraftverk har vissa hushåll infört system som ENE-FARM, som använder väte som erhålls genom att reformera naturgas för att generera den elektricitet som krävs. Frågan om vad man ska göra med biprodukterna från reformeringsprocessen kvarstår dock.
I framtiden, om själva cirkulationen av vätgas ökar, som att öka antalet vätgastankstationer, kommer det att vara möjligt att använda el utan att släppa ut koldioxid. Elektricitet producerar grönt väte, naturligtvis, så den använder el som genereras från solljus eller vind. Kraften som används för elektrolys bör vara kraften för att undertrycka mängden kraftgenerering eller för att ladda det uppladdningsbara batteriet när det finns överskottskraft från naturlig energi. Vätgasen är med andra ord i samma position som det uppladdningsbara batteriet. Om detta händer kommer det så småningom att vara möjligt att minska värmekraftsproduktionen. Dagen när förbränningsmotorn försvinner från bilar närmar sig med stormsteg.
Väte kan också erhållas via en annan väg. Faktum är att väte fortfarande är en biprodukt av produktionen av kaustiksoda. Det är bland annat en biprodukt från koksframställning vid järntillverkning. Om du lägger detta väte i distributionen kommer du att kunna få flera källor. Vätgas som produceras på detta sätt tillförs även vätgasstationer.
Låt oss se längre in i framtiden. Mängden energi som går förlorad är också ett problem med överföringsmetoden som använder ledningar för att leverera ström. Därför kommer vi i framtiden att använda vätgas som levereras av rörledningar, precis som kolsyratankarna som används för att tillverka kolsyrade drycker, och köpa en vätgastank hemma för att generera el till varje hushåll. Mobila enheter som körs på vätgasbatterier blir vanliga. Det ska bli intressant att se en sådan framtid.
Posttid: 2023-08-08
