Predstavíme „vodík“, ďalšiu generáciu energie, ktorá je uhlíkovo neutrálna. Vodík sa delí na tri typy: „zelený vodík“, „modrý vodík“ a „sivý vodík“, z ktorých každý má iný spôsob výroby. Vysvetlíme tiež každý spôsob výroby, fyzikálne vlastnosti prvkov, spôsoby skladovania/dopravy a spôsoby použitia. A tiež uvediem, prečo je dominantným zdrojom energie ďalšej generácie.
Elektrolýza vody na výrobu zeleného vodíka
Pri používaní vodíka je dôležité aj tak „produkovať vodík“. Najjednoduchším spôsobom je „elektrolýza vody“. Možno ste robili na základnej škole prírodovedné predmety. Naplňte kadičku vodou a elektródy vo vode. Keď je batéria pripojená k elektródam a je napájaná, vo vode av každej elektróde nastanú nasledujúce reakcie.
Na katóde sa H+ a elektróny spájajú a vytvárajú plynný vodík, zatiaľ čo anóda produkuje kyslík. Napriek tomu je tento prístup v poriadku pre školské vedecké experimenty, ale na priemyselnú výrobu vodíka je potrebné pripraviť účinné mechanizmy vhodné na výrobu vo veľkom meradle. Ide o „elektrolýzu polymérovej elektrolytickej membrány (PEM)“.
Pri tejto metóde je polymérová polopriepustná membrána, ktorá umožňuje prechod vodíkových iónov, vložená medzi anódu a katódu. Keď sa voda naleje do anódy zariadenia, vodíkové ióny vyrobené elektrolýzou sa pohybujú cez polopriepustnú membránu ku katóde, kde sa stávajú molekulárnym vodíkom. Na druhej strane kyslíkové ióny nemôžu prechádzať cez polopriepustnú membránu a stávajú sa molekulami kyslíka na anóde.
Aj pri alkalickej elektrolýze vody vytvárate vodík a kyslík oddelením anódy a katódy cez separátor, cez ktorý môžu prechádzať iba hydroxidové ióny. Okrem toho existujú priemyselné metódy, ako je vysokoteplotná elektrolýza pary.
Vykonávaním týchto procesov vo veľkom meradle je možné získať veľké množstvá vodíka. Pri tomto procese vzniká aj značné množstvo kyslíka (polovica objemu vyrobeného vodíka), takže jeho uvoľnenie do atmosféry by nemalo nepriaznivý vplyv na životné prostredie. Elektrolýza si však vyžaduje veľa elektriny, takže bezuhlíkový vodík možno vyrábať, ak sa vyrába z elektriny, ktorá nevyužíva fosílne palivá, ako sú veterné turbíny a solárne panely.
„Zelený vodík“ môžete získať elektrolýzou vody pomocou čistej energie.
Existuje aj vodíkový generátor na veľkovýrobu tohto zeleného vodíka. Použitím PEM v sekcii elektrolyzéra je možné kontinuálne vyrábať vodík.
Modrý vodík vyrobený z fosílnych palív
Aké sú teda ďalšie spôsoby výroby vodíka? Vodík existuje vo fosílnych palivách, ako je zemný plyn a uhlie, ako látky iné ako voda. Zoberme si napríklad metán (CH4), hlavnú zložku zemného plynu. Sú tu štyri atómy vodíka. Vodík môžete získať odstránením tohto vodíka.
Jedným z nich je proces nazývaný „reformovanie parného metánu“, ktorý využíva paru. Chemický vzorec tejto metódy je nasledujúci.
Ako vidíte, oxid uhoľnatý a vodík možno extrahovať z jednej molekuly metánu.
Takto možno vodík vyrábať procesmi, ako je „parné reformovanie“ a „pyrolýza“ zemného plynu a uhlia. „Modrý vodík“ označuje vodík vyrobený týmto spôsobom.
V tomto prípade však ako vedľajšie produkty vznikajú oxid uhoľnatý a oxid uhličitý. Pred vypustením do atmosféry ich teda musíte recyklovať. Ak sa vedľajší produkt oxid uhličitý nezíska, stáva sa plynným vodíkom, známym ako „sivý vodík“.
Aký druh prvku je vodík?
Vodík má atómové číslo 1 a je prvým prvkom v periodickej tabuľke.
Počet atómov je najväčší vo vesmíre a predstavuje asi 90 % všetkých prvkov vo vesmíre. Najmenší atóm pozostávajúci z protónu a elektrónu je atóm vodíka.
Vodík má dva izotopy s neutrónmi pripojenými k jadru. Jedno „deutérium“ s neutrónovou väzbou a dve „trícium“ s neutrónovou väzbou. Sú to tiež materiály na výrobu energie z jadrovej syntézy.
Vo vnútri hviezdy, ako je slnko, prebieha jadrová fúzia z vodíka na hélium, ktoré je zdrojom energie pre hviezdu, aby žiarila.
Vodík však ako plyn na Zemi existuje len zriedka. Vodík tvorí zlúčeniny s inými prvkami, ako je voda, metán, amoniak a etanol. Pretože vodík je ľahký prvok, so stúpajúcou teplotou sa rýchlosť pohybu molekúl vodíka zvyšuje a uniká z gravitácie Zeme do vesmíru.
Ako používať vodík? Použitie pri spaľovaní
Ako sa potom využíva „vodík“, ktorý pritiahol celosvetovú pozornosť ako zdroj energie novej generácie? Používa sa dvoma hlavnými spôsobmi: „spaľovanie“ a „palivový článok“. Začnime s použitím „horieť“.
Používajú sa dva hlavné typy spaľovania.
Prvý je ako raketové palivo. Japonská raketa H-IIA využíva ako palivo plynný vodík „kvapalný vodík“ a „kvapalný kyslík“, ktorý je tiež v kryogénnom stave. Tieto dva sú spojené a tepelná energia, ktorá sa v tom čase vytvorí, urýchľuje vstrekovanie vytvorených molekúl vody, ktoré lietajú do vesmíru. Pretože však ide o technicky náročný motor, okrem Japonska toto palivo úspešne skombinovali iba Spojené štáty, Európa, Rusko, Čína a India.
Druhým je výroba energie. Výroba energie v plynovej turbíne tiež využíva metódu kombinovania vodíka a kyslíka na výrobu energie. Inými slovami, je to metóda, ktorá sa zameriava na tepelnú energiu produkovanú vodíkom. V tepelných elektrárňach teplo zo spaľovania uhlia, ropy a zemného plynu produkuje paru, ktorá poháňa turbíny. Ak sa ako zdroj tepla použije vodík, elektráreň bude uhlíkovo neutrálna.
Ako používať vodík? Používa sa ako palivový článok
Ďalší spôsob využitia vodíka je ako palivový článok, ktorý premieňa vodík priamo na elektrinu. Najmä Toyota upútala pozornosť v Japonsku tým, že ponúkala vozidlá poháňané vodíkom namiesto elektrických vozidiel (EV) ako alternatívu k benzínovým vozidlám v rámci svojich opatrení proti globálnemu otepľovaniu.
Konkrétne pri zavádzaní spôsobu výroby „zeleného vodíka“ robíme opačný postup. Chemický vzorec je nasledujúci.
Vodík môže pri výrobe elektriny vytvárať vodu (horúcu vodu alebo paru) a dá sa hodnotiť, pretože nezaťažuje životné prostredie. Na druhej strane má tento spôsob relatívne nízku účinnosť výroby energie 30 až 40 % a vyžaduje platinu ako katalyzátor, čo si vyžaduje zvýšené náklady.
V súčasnosti používame palivové články s polymérnym elektrolytom (PEFC) a palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC). Najmä vozidlá s palivovými článkami používajú PEFC, takže sa dá očakávať, že sa v budúcnosti rozšíri.
Je skladovanie a preprava vodíka bezpečná?
Myslíme si, že už chápete, ako sa plynný vodík vyrába a používa. Ako teda skladujete tento vodík? Ako ho dostanete tam, kde ho potrebujete? Ako je to s bezpečnosťou v tom čase? vysvetlíme.
V skutočnosti je vodík tiež veľmi nebezpečným prvkom. Na začiatku 20. storočia sme používali vodík ako plyn na vznášanie balónov, balónov a vzducholodí na oblohe, pretože bol veľmi ľahký. Avšak 6. mája 1937 v New Jersey v USA došlo k „výbuchu vzducholode Hindenburg“.
Od nehody sa všeobecne uznáva, že plynný vodík je nebezpečný. Najmä keď sa vznieti, s kyslíkom prudko vybuchne. Preto je nevyhnutné „držať ďalej od kyslíka“ alebo „držať ďalej od tepla“.
Po vykonaní týchto opatrení sme vymysleli spôsob dopravy.
Vodík je plyn pri izbovej teplote, takže aj keď je to stále plyn, je veľmi objemný. Prvým spôsobom je použiť vysoký tlak a stlačiť ako valec pri výrobe sýtených nápojov. Pripravte si špeciálnu vysokotlakovú nádrž a uskladnite ju pri vysokotlakových podmienkach, ako je 45 MPa.
Toyota, ktorá vyvíja vozidlá s palivovými článkami (FCV), vyvíja živicovú vysokotlakovú vodíkovú nádrž, ktorá dokáže odolať tlaku 70 MPa.
Ďalšou metódou je ochladenie na -253 °C na výrobu kvapalného vodíka a jeho skladovanie a preprava v špeciálnych tepelne izolovaných nádržiach. Podobne ako LNG (skvapalnený zemný plyn) pri dovoze zemného plynu zo zahraničia sa vodík pri preprave skvapalňuje, čím sa jeho objem zníži na 1/800 jeho plynného skupenstva. V roku 2020 sme dokončili prvý nosič kvapalného vodíka na svete. Tento prístup však nie je vhodný pre vozidlá s palivovými článkami, pretože vyžaduje veľa energie na chladenie.
Existuje spôsob skladovania a prepravy v nádržiach, ako je tento, ale vyvíjame aj iné spôsoby skladovania vodíka.
Spôsob skladovania je použitie zliatin na skladovanie vodíka. Vodík má vlastnosť prenikať kovmi a znehodnocovať ich. Toto je vývojový tip, ktorý bol vyvinutý v Spojených štátoch v 60. rokoch 20. storočia. JJ Reilly a kol. Experimenty ukázali, že vodík je možné skladovať a uvoľňovať pomocou zliatiny horčíka a vanádu.
Potom úspešne vyvinul látku, ako je paládium, ktoré dokáže absorbovať vodík 935-násobok svojho vlastného objemu.
Výhodou použitia tejto zliatiny je, že môže zabrániť nehodám s únikom vodíka (hlavne výbuchom). Preto sa dá bezpečne skladovať a prepravovať. Ak si však nedáte pozor a necháte ho v nesprávnom prostredí, zliatiny na uskladnenie vodíka môžu časom uvoľňovať plynný vodík. Aj malá iskra môže spôsobiť výbuch, takže buďte opatrní.
Má tiež nevýhodu, že opakovaná absorpcia a desorpcia vodíka vedie k krehnutiu a znižuje rýchlosť absorpcie vodíka.
Ďalším je použitie rúrok. Podmienkou je, že musí byť nestlačený a nízkotlakový, aby sa zabránilo krehnutiu potrubia, ale výhodou je, že je možné použiť existujúce plynové potrubia. Spoločnosť Tokyo Gas vykonala stavebné práce na vlajke Harumi, pričom využívala mestské plynovody na dodávanie vodíka do palivových článkov.
Budúca spoločnosť vytvorená Hydrogen Energy
Nakoniec sa zamyslime nad tým, akú úlohu môže zohrávať vodík v spoločnosti.
Ešte dôležitejšie je, že chceme podporovať bezuhlíkovú spoločnosť, na výrobu elektriny namiesto tepelnej energie používame vodík.
Namiesto veľkých tepelných elektrární zaviedli niektoré domácnosti systémy ako ENE-FARM, ktoré využívajú vodík získaný reformovaním zemného plynu na výrobu potrebnej elektriny. Otázkou však zostáva, čo s vedľajšími produktmi reformného procesu.
V budúcnosti, ak sa zvýši samotný obeh vodíka, ako napríklad zvýšenie počtu čerpacích staníc vodíka, bude možné využívať elektrickú energiu bez emisií oxidu uhličitého. Elektrina samozrejme produkuje zelený vodík, takže využíva elektrinu vyrobenú zo slnečného žiarenia alebo vetra. Energia použitá na elektrolýzu by mala byť silou na potlačenie množstva generovanej energie alebo na nabitie dobíjacej batérie, keď je prebytok energie z prírodnej energie. Inými slovami, vodík je v rovnakej polohe ako nabíjateľná batéria. Ak sa tak stane, nakoniec bude možné znížiť výrobu tepelnej energie. Deň, keď z áut zmizne spaľovací motor, sa nezadržateľne blíži.
Vodík možno získať aj inou cestou. V skutočnosti je vodík stále vedľajším produktom pri výrobe lúhu sodného. Okrem iného je vedľajším produktom výroby koksu pri výrobe železa. Ak dáte tento vodík do distribúcie, budete môcť získať viacero zdrojov. Takto vyrobený vodíkový plyn dodávajú aj vodíkové stanice.
Pozrime sa ďalej do budúcnosti. Množstvo stratenej energie je tiež problémom spôsobu prenosu, ktorý na napájanie používa káble. Preto v budúcnosti využijeme vodík dodávaný potrubím, rovnako ako nádrže na kyselinu uhličitú používané pri výrobe sýtených nápojov, a kúpime si domov vodíkovú nádrž na výrobu elektriny pre každú domácnosť. Mobilné zariadenia, ktoré fungujú na vodíkové batérie, sa stávajú samozrejmosťou. Bude zaujímavé vidieť takúto budúcnosť.
Čas odoslania: 8. júna 2023
