Om nästa generations energiväte

Vi kommer att introducera ”väte”, nästa generations energi som är koldioxidneutral. Väte delas in i tre typer: ”grönt väte”, ”blått väte” och ”grått väte”, som alla har olika produktionsmetoder. Vi kommer också att förklara varje tillverkningsmetod, fysikaliska egenskaper som grundämnen, lagrings-/transportmetoder och användningsmetoder. Och jag kommer också att introducera varför det är nästa generations dominerande energikälla.

Elektrolys av vatten för att producera grönt väte

När man använder väte är det viktigt att "producera väte" ändå. Det enklaste sättet är att "elektrolysera vatten". Kanske gjorde du det i NO i grundskolan. Fyll bägaren med vatten och elektroderna i vatten. När ett batteri ansluts till elektroderna och aktiveras sker följande reaktioner i vattnet och i varje elektrod.
Vid katoden kombineras H+ och elektroner för att producera vätgas, medan anoden producerar syre. Denna metod är dock bra för naturvetenskapliga experiment i skolan, men för att producera vätgas industriellt måste effektiva mekanismer som är lämpliga för storskalig produktion förberedas. Det är "polymerelektrolytmembran (PEM) elektrolys".
I denna metod placeras ett semipermeabelt polymermembran som tillåter passage av vätejoner mellan en anod och en katod. När vatten hälls i anordningens 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 anoden och katoden genom en separator genom vilken endast hydroxidjoner kan passera. Dessutom finns det industriella metoder som högtemperaturångelektrolys.
Genom att utföra dessa processer i stor skala kan stora mängder väte utvinnas. I processen produceras också en betydande mängd syre (hälften av volymen producerad väte), så det skulle inte ha någon negativ miljöpåverkan om det släpps ut i atmosfären. Elektrolys kräver dock mycket elektricitet, så koldioxidfri väte kan produceras om den produceras med elektricitet som inte använder fossila bränslen, såsom vindkraftverk och solpaneler.
Du kan få "grönt väte" genom att elektrolysera vatten med hjälp av ren energi.

Det finns också en vätgasgenerator för storskalig produktion av denna gröna vätgas. Genom att använda PEM i elektrolyssektionen kan vätgas produceras kontinuerligt.

Blå väte tillverkad av fossila bränslen

Så, vilka andra sätt finns det att framställa 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 ”ångmetanreformering” som använder ånga. Den kemiska formeln för denna metod är följande.
Som du kan se kan kolmonoxid och väte utvinnas från en enda metanmolekyl.
På detta sätt kan vätgas produceras genom processer som ”ångreformering” och ”pyrolys” av naturgas och kol. ”Blå vätgas” avser vätgas som produceras på detta sätt.
I det här fallet produceras dock kolmonoxid och koldioxid som biprodukter. Så man måste återvinna dem innan de släpps ut i atmosfären. Biprodukten koldioxid, om den inte återvinns, blir vätgas, så kallad "grå vätgas".

Vilken typ av grundämne är väte?

Väte har atomnumret 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 bundna till kärnan. En neutronbunden "deuterium" och två neutronbundna "tritium". Dessa är också material för fusionskraftproduktion.
Inuti en stjärna som solen sker kärnfusion från väte till helium, vilket är energikällan för stjärnan att lysa.
Väte förekommer dock sällan som gas på jorden. Väte bildar föreningar med andra element som vatten, metan, ammoniak och etanol. Eftersom väte är ett lätt element ökar vätemolekylernas rörelsehastighet när temperaturen stiger, och de undkommer jordens gravitation till yttre rymden.

Hur man använder väte? Användning genom förbränning

Hur används då ”väte”, som har uppmärksammats världen över som nästa generations energikälla? Det används på två huvudsakliga sätt: ”förbränning” och ”bränslecell”. Låt oss börja med användningen av ”förbränning”.
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 kryogent tillstånd som bränsle. Dessa två kombineras, och den genererade värmeenergin accelererar injektionen av de genererade vattenmolekylerna som flyger ut i rymden. Men eftersom det är en tekniskt svår motor har, förutom Japan, bara USA, Europa, Ryssland, Kina och Indien framgångsrikt kombinerat detta bränsle.
Det andra är kraftproduktion. Gasturbinkraftproduktion använder också metoden att kombinera väte och syre för att generera energi. Med andra ord är det en metod som tittar på den termiska energi 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 man använder väte? Används som bränslecell

Ett annat sätt att använda vätgas är som bränslecell, som omvandlar vätgas direkt till elektricitet. Toyota har särskilt uppmärksammats i Japan genom att marknadsföra vätgasdrivna fordon istället för elbilar som ett alternativ till bensindrivna fordon, som en del av sina åtgärder mot den globala uppvärmningen.
Mer specifikt gör vi det omvända tillvägagångssättet när vi introducerar tillverkningsmetoden för "grön vätgas". Den kemiska formeln är följande.
Vätgas kan generera vatten (varmt vatten eller ånga) samtidigt som det genererar elektricitet, och det kan utvärderas eftersom det inte belastar miljön. Å andra sidan har denna metod en relativt låg kraftproduktionseffektivitet på 30–40 % och kräver platina som katalysator, vilket medför ökade kostnader.
För närvarande använder vi polymerelektrolytbränsleceller (PEFC) och fosforsyrabränsleceller (PAFC). Framför allt bränslecellsfordon använder PEFC, så det kan förväntas spridas i framtiden.

Är lagring och transport av vätgas säkert?

Vid det här laget tror vi att du förstår hur vätgas tillverkas och används. Så hur lagrar man denna vätgas? Hur får man den dit man behöver den? Hur är det med säkerheten då? 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 få ballonger, ballonger och luftskepp att sväva i himlen eftersom det var väldigt lätt. Men den 6 maj 1937 inträffade "luftskeppet Hindenburg-explosionen" i New Jersey, USA.
Sedan olyckan har det varit allmänt erkänt att vätgas är farligt. Särskilt när det fattar eld kommer det att explodera våldsamt med syre. Därför är det viktigt att "hålla borta från syre" eller "hålla borta från värme".
Efter att ha vidtagit dessa åtgärder kom vi fram till en leveransmetod.
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 45 MPa.
Toyota, som utvecklar bränslecellsfordon (FCV), utvecklar en högtryckstank av vätgas i harts som tål ett tryck på 70 MPa.
En annan metod är att kyla ner till -253 °C för att tillverka flytande väte, och lagra och transportera det i speciella värmeisolerade tankar. Precis som LNG (flytande naturgas) när naturgas importeras från utlandet, flytandes väte under transport, vilket minskar dess volym till 1/800 av dess gasformiga tillstånd. År 2020 färdigställde vi världens första flytande vätebärare. Denna metod är dock inte lämplig för bränslecellsfordon eftersom det krävs mycket energi för att kylas.
Det finns en metod för att lagra och transportera i tankar som denna, men vi utvecklar även 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, såsom palladium, som kan absorbera väte 935 gånger sin egen volym.
Fördelen med att använda denna legering är att den kan förhindra vätgasläckage (främst explosioner). Därför kan den lagras och transporteras säkert. Men om du inte är försiktig och lämnar den i fel miljö kan vätgaslagringslegeringar frigöra vätgas med tiden. Även en liten gnista kan orsaka en explosion, så var försiktig.
Det har också nackdelen att upprepad väteabsorption och desorption leder till försprödning och minskar väteabsorptionshastigheten.
Det andra är att använda rör. Det finns ett villkor att det måste vara icke-komprimerat och lågt tryck för att förhindra att rören blir spröda, men fördelen är att befintliga gasrör kan användas. Tokyo Gas utförde byggnadsarbete på Harumi FLAG, med hjälp av stadsgasledningar för att leverera vätgas till bränsleceller.

Framtida samhälle skapat av vätgasenergi

Låt oss slutligen överväga vilken roll vätgas kan spela i samhället.
Ännu viktigare är att vi vill främja ett koldioxidfritt samhälle, vi använder vätgas för att generera elektricitet istället för som värmeenergi.
Istället för stora värmekraftverk har vissa hushåll infört system som ENE-FARM, som använder vätgas som erhålls genom reformering av naturgas för att generera den elektricitet som behövs. Frågan om vad man ska göra med biprodukterna från reformeringsprocessen kvarstår dock.

I framtiden, om cirkulationen av vätgas i sig ökar, till exempel genom att öka antalet vätgastankstationer, kommer det att vara möjligt att använda elektricitet utan att släppa ut koldioxid. Elektricitet producerar naturligtvis grön vätgas, så den använder elektricitet genererad från solljus eller vind. Den kraft som används för elektrolys bör vara kraften för att undertrycka mängden elproduktion eller för att ladda det laddningsbara batteriet när det finns överskottskraft från naturlig energi. Med andra ord är vätgasen i samma position som det laddningsbara batteriet. Om detta händer kommer det så småningom att vara möjligt att minska värmeproduktionen. Dagen då förbränningsmotorn försvinner från bilar närmar sig snabbt.

Väte kan också erhållas på ett annat sätt. Väte är faktiskt fortfarande en biprodukt från produktionen av kaustiksoda. Bland annat är det en biprodukt från koksproduktion vid järnframställning. Om man använder denna väte i distributionen kan man få tillgång till flera källor. Vätgas som produceras på detta sätt levereras också av vätgasstationer.

Låt oss titta längre in i framtiden. Mängden energi som förloras är också ett problem med överföringsmetoden som använder kablar för att leverera ström. Därför kommer vi i framtiden att använda vätgas som levereras via rörledningar, precis som kolsyratankarna som används för att tillverka kolsyrade drycker, och köpa en vätgastank hemma för att generera elektricitet till varje hushåll. Mobila enheter som drivs med vätgasbatterier blir allt vanligare. Det ska bli intressant att se en sådan framtid.