O energetickém vodíku nové generace

Představíme „vodík“, další generaci energie, která je uhlíkově neutrální. Vodík se dělí na tři typy: „zelený vodík“, „modrý vodík“ a „šedý vodík“, z nichž každý má jiný způsob výroby. Vysvětlíme také každý způsob výroby, fyzikální vlastnosti jako prvky, způsoby skladování/přepravy a způsoby použití. A také uvedu, proč je dominantním zdrojem energie příští generace.

Elektrolýza vody k výrobě zeleného vodíku

Při používání vodíku je stejně důležité „produkovat vodík“. Nejjednodušší způsob je „elektrolýza vody“. Možná jsi dělal na základní škole přírodní vědy. Kádinku naplňte vodou a elektrody ve vodě. Když je baterie připojena k elektrodám a je napájena, probíhají ve vodě a v každé elektrodě následující reakce.
Na katodě se H+ a elektrony spojují za vzniku plynného vodíku, zatímco anoda produkuje kyslík. Přesto je tento přístup vhodný pro školní vědecké experimenty, ale pro průmyslovou výrobu vodíku je třeba připravit účinné mechanismy vhodné pro velkovýrobu. To je „elektrolýza polymerní elektrolytickou membránou (PEM)“.
Při této metodě je mezi anodu a katodu vložena polymerní semipermeabilní membrána, která umožňuje průchod vodíkových iontů. Když se do anody zařízení nalije voda, vodíkové ionty vzniklé elektrolýzou se přes polopropustnou membránu přesunou ke katodě, kde se z nich stane molekulární vodík. Na druhé straně kyslíkové ionty nemohou procházet polopropustnou membránou a stávají se molekulami kyslíku na anodě.
Také při alkalické elektrolýze vody vytváříte vodík a kyslík oddělením anody a katody přes separátor, kterým mohou procházet pouze hydroxidové ionty. Kromě toho existují průmyslové metody, jako je vysokoteplotní parní elektrolýza.
Prováděním těchto procesů ve velkém měřítku lze získat velká množství vodíku. Při tomto procesu se také produkuje značné množství kyslíku (polovina objemu vyrobeného vodíku), takže by neměl žádný nepříznivý dopad na životní prostředí, pokud by se dostal do atmosféry. Elektrolýza však vyžaduje hodně elektřiny, takže bezuhlíkový vodík lze vyrábět, pokud se vyrábí z elektřiny, která nepoužívá fosilní paliva, jako jsou větrné turbíny a solární panely.
„Zelený vodík“ můžete získat elektrolýzou vody pomocí čisté energie.

Existuje také vodíkový generátor pro velkovýrobu tohoto zeleného vodíku. Použitím PEM v sekci elektrolyzéru lze kontinuálně vyrábět vodík.

Modrý vodík vyrobený z fosilních paliv

Jaké jsou tedy další způsoby výroby vodíku? Vodík existuje ve fosilních palivech, jako je zemní plyn a uhlí, jako látky jiné než voda. Vezměme si například metan (CH4), hlavní složku zemního plynu. Jsou zde čtyři atomy vodíku. Vyjmutím tohoto vodíku můžete získat vodík.
Jedním z nich je proces zvaný „reformování parního metanu“, který využívá páru. Chemický vzorec této metody je následující.
Jak vidíte, oxid uhelnatý a vodík lze extrahovat z jediné molekuly metanu.
Tímto způsobem lze vodík vyrábět procesy, jako je „parní reformování“ a „pyrolýza“ zemního plynu a uhlí. „Modrý vodík“ označuje vodík vyrobený tímto způsobem.
V tomto případě však jako vedlejší produkty vznikají oxid uhelnatý a oxid uhličitý. Musíte je tedy recyklovat, než se dostanou do atmosféry. Vedlejším produktem oxidu uhličitého, pokud není regenerován, se stává plynný vodík, známý jako „šedý vodík“.

Jaký druh prvku je vodík?

Vodík má atomové číslo 1 a je prvním prvkem v periodické tabulce.
Počet atomů je největší ve vesmíru, tvoří asi 90 % všech prvků ve vesmíru. Nejmenší atom skládající se z protonu a elektronu je atom vodíku.
Vodík má dva izotopy s neutrony připojenými k jádru. Jedno „deuterium“ s neutronovou vazbou a dvě „tritium“ s neutronovou vazbou. Jsou to také materiály pro výrobu energie z jaderné syntézy.
Uvnitř hvězdy, jako je Slunce, probíhá jaderná fúze z vodíku na helium, které je zdrojem energie pro hvězdu, aby mohla zářit.
Vodík však jako plyn na Zemi existuje jen zřídka. Vodík tvoří sloučeniny s dalšími prvky, jako je voda, metan, čpavek a etanol. Vzhledem k tomu, že vodík je lehký prvek, s rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost pohybu molekul vodíku a uniká z gravitace Země do vesmíru.

Jak používat vodík? Použití při spalování

Jak se tedy využívá „vodík“, který přitáhl celosvětovou pozornost jako zdroj energie nové generace? Používá se dvěma hlavními způsoby: „spalovací“ a „palivový článek“. Začněme s použitím „spálit“.
Používají se dva hlavní typy spalování.
První je jako raketové palivo. Japonská raketa H-IIA využívá jako palivo plynný vodík „kapalný vodík“ a „kapalný kyslík“, který je také v kryogenním stavu. Tyto dva jsou spojeny a tepelná energie, která se v té době vytváří, urychluje vstřikování generovaných molekul vody, které létají do vesmíru. Protože se však jedná o technicky obtížný motor, kromě Japonska toto palivo úspěšně zkombinovaly pouze Spojené státy, Evropa, Rusko, Čína a Indie.
Druhým je výroba elektřiny. Výroba energie v plynové turbíně také využívá metodu slučování vodíku a kyslíku k výrobě energie. Jinými slovy, je to metoda, která se zabývá tepelnou energií produkovanou vodíkem. V tepelných elektrárnách vzniká teplem ze spalování uhlí, ropy a zemního plynu pára, která pohání turbíny. Pokud se jako zdroj tepla použije vodík, bude elektrárna uhlíkově neutrální.

Jak používat vodík? Používá se jako palivový článek

Další způsob využití vodíku je jako palivový článek, který přeměňuje vodík přímo na elektřinu. Zejména Toyota přitáhla pozornost v Japonsku tím, že v rámci svých protiopatření proti globálnímu oteplování nabízí vozidla poháněná vodíkem místo elektrických vozidel (EV) jako alternativu k benzinovým vozidlům.
Konkrétně postupujeme obráceně, když zavádíme způsob výroby „zeleného vodíku“. Chemický vzorec je následující.
Vodík může při výrobě elektřiny vyrábět vodu (horkou vodu nebo páru) a lze jej hodnotit, protože nezatěžuje životní prostředí. Na druhou stranu má tento způsob relativně nízkou účinnost výroby energie 30-40 % a vyžaduje platinu jako katalyzátor, což vyžaduje zvýšené náklady.
V současné době používáme palivové články s polymerním elektrolytem (PEFC) a palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC). Zejména vozidla s palivovými články používají PEFC, takže lze očekávat jeho rozšíření v budoucnu.

Je skladování a přeprava vodíku bezpečná?

Nyní si myslíme, že rozumíte tomu, jak se plynný vodík vyrábí a používá. Jak tedy tento vodík skladujete? Jak to dostanete tam, kde to potřebujete? A co bezpečnost v té době? vysvětlíme.
Ve skutečnosti je vodík také velmi nebezpečný prvek. Na začátku 20. století jsme používali vodík jako plyn pro plovoucí balóny, balony a vzducholodě na obloze, protože byl velmi lehký. Dne 6. května 1937 však v New Jersey v USA došlo k „exploze vzducholodě Hindenburg“.
Od nehody se všeobecně uznává, že plynný vodík je nebezpečný. Zvláště když vzplane, prudce exploduje s kyslíkem. Proto je nezbytné „chovat mimo dosah kyslíku“ nebo „chovat mimo dosah tepla“.
Po provedení těchto opatření jsme vymysleli způsob dopravy.
Vodík je plyn při pokojové teplotě, takže i když je to stále plyn, je velmi objemný. První metodou je použití vysokého tlaku a stlačení jako válec při výrobě sycených nápojů. Připravte si speciální vysokotlakou nádrž a uložte ji za podmínek vysokého tlaku, jako je 45 MPa.
Toyota, která vyvíjí vozidla s palivovými články (FCV), vyvíjí pryskyřičnou vysokotlakou vodíkovou nádrž, která odolá tlaku 70 MPa.
Další metodou je ochlazení na -253 °C pro výrobu kapalného vodíku a jeho skladování a přeprava ve speciálních tepelně izolovaných nádržích. Stejně jako LNG (zkapalněný zemní plyn) při dovozu zemního plynu ze zahraničí dochází při přepravě ke zkapalnění vodíku, čímž se jeho objem sníží na 1/800 jeho plynného skupenství. V roce 2020 jsme dokončili první nosič kapalného vodíku na světě. Tento přístup však není vhodný pro vozidla s palivovými články, protože ke chlazení vyžaduje hodně energie.
Existuje způsob skladování a přepravy v nádržích, jako je tento, ale vyvíjíme i jiné způsoby skladování vodíku.
Způsob skladování spočívá v použití slitin pro skladování vodíku. Vodík má tu vlastnost, že proniká kovy a znehodnocuje je. Toto je vývojový tip, který byl vyvinut ve Spojených státech v 60. letech 20. století. JJ Reilly a kol. Experimenty ukázaly, že vodík lze skladovat a uvolňovat pomocí slitiny hořčíku a vanadu.
Poté úspěšně vyvinul látku, jako je palladium, které dokáže absorbovat vodík 935násobek svého vlastního objemu.
Výhodou použití této slitiny je, že může zabránit nehodám způsobeným únikem vodíku (hlavně nehodám způsobeným výbuchem). Proto jej lze bezpečně skladovat a přepravovat. Pokud si však nedáte pozor a necháte jej ve špatném prostředí, mohou slitiny pro skladování vodíku časem uvolňovat plynný vodík. I malá jiskra může způsobit výbuch, takže buďte opatrní.
Má také nevýhodu, že opakovaná absorpce a desorpce vodíku vede ke křehnutí a snižuje rychlost absorpce vodíku.
Druhým je použití potrubí. Podmínkou je, že musí být nestlačený a nízkotlaký, aby nedocházelo ke zkřehnutí potrubí, ale výhodou je, že lze použít stávající plynové potrubí. Společnost Tokyo Gas provedla stavební práce na VLAJCE Harumi a pomocí městských plynovodů dodávala vodík do palivových článků.

Budoucí společnost vytvořená vodíkovou energií

Nakonec se podívejme, jakou roli může hrát vodík ve společnosti.
Ještě důležitější je, že chceme podporovat bezuhlíkovou společnost, používáme vodík k výrobě elektřiny namísto tepelné energie.
Namísto velkých tepelných elektráren některé domácnosti zavedly systémy jako ENE-FARM, které využívají vodík získaný reformováním zemního plynu k výrobě potřebné elektřiny. Otázkou však zůstává, co s vedlejšími produkty reformačního procesu.

V budoucnu, pokud se zvýší samotný oběh vodíku, například zvýšením počtu čerpacích stanic vodíku, bude možné využívat elektřinu bez emisí oxidu uhličitého. Elektřina samozřejmě produkuje zelený vodík, takže využívá elektřinu generovanou slunečním zářením nebo větrem. Síla použitá pro elektrolýzu by měla být výkonem k potlačení množství generované energie nebo k nabití dobíjecí baterie, když je přebytek energie z přírodní energie. Jinými slovy, vodík je ve stejné poloze jako dobíjecí baterie. Pokud k tomu dojde, bude nakonec možné snížit výrobu tepelné energie. Den, kdy z aut mizí spalovací motor, se rychle blíží.

Vodík lze získat i jinou cestou. Ve skutečnosti je vodík stále vedlejším produktem při výrobě louhu sodného. Mimo jiné jde o vedlejší produkt při výrobě koksu při výrobě železa. Pokud dáte tento vodík do distribuce, budete moci získat více zdrojů. Takto vyrobený vodíkový plyn dodávají i vodíkové stanice.

Podívejme se dále do budoucnosti. Množství ztracené energie je také problémem způsobu přenosu, který k napájení používá dráty. Proto v budoucnu využijeme vodík dodávaný potrubím, stejně jako nádrže na kyselinu uhličitou používané při výrobě sycených nápojů, a pořídíme si domů vodíkovou nádrž na výrobu elektřiny pro každou domácnost. Mobilní zařízení na vodíkové baterie se stávají běžnou záležitostí. Bude zajímavé vidět takovou budoucnost.