Հաջորդ սերնդի էներգետիկ ջրածնի մասին

Մենք կներկայացնենք «ջրածինը»՝ էներգիայի հաջորդ սերունդը, որը ածխածնային չեզոք է: Ջրածինը բաժանվում է երեք տեսակի՝ «կանաչ ջրածին», «կապույտ ջրածին» և «մոխրագույն ջրածին», որոնցից յուրաքանչյուրն ունի արտադրության տարբեր եղանակներ։ Մենք նաև կբացատրենք արտադրության յուրաքանչյուր մեթոդ, ֆիզիկական հատկություններ որպես տարրեր, պահեստավորման/փոխադրման մեթոդներ և օգտագործման եղանակներ: Եվ ես նաև կներկայացնեմ, թե ինչու է այն հաջորդ սերնդի էներգիայի գերիշխող աղբյուրը:

Ջրի էլեկտրոլիզը կանաչ ջրածին արտադրելու համար

Ջրածին օգտագործելիս, այնուամենայնիվ, կարևոր է «ջրածին արտադրել»: Ամենահեշտ ճանապարհը «ջուրը էլեկտրոլիզացնելն» է։ Միգուցե դու սովորել ես դասարանի բնագիտությունում: Բաժակը լցնել ջրով և էլեկտրոդներով ջրի մեջ: Երբ մարտկոցը միացված է էլեկտրոդներին և սնուցվում է, ջրի մեջ և յուրաքանչյուր էլեկտրոդում տեղի են ունենում հետևյալ ռեակցիաները.
Կաթոդում H+-ը և էլեկտրոնները միանում են՝ առաջացնելով ջրածնային գազ, մինչդեռ անոդը՝ թթվածին։ Այնուամենայնիվ, այս մոտեցումը լավ է դպրոցական գիտափորձերի համար, սակայն արդյունաբերական ճանապարհով ջրածին արտադրելու համար պետք է պատրաստվեն լայնածավալ արտադրության համար հարմար արդյունավետ մեխանիզմներ: Դա «պոլիմերային էլեկտրոլիտային թաղանթի (PEM) էլեկտրոլիզն է»:
Այս մեթոդով պոլիմերային կիսաթափանցիկ թաղանթը, որը թույլ է տալիս ջրածնի իոնների անցումը, տեղադրվում է անոդի և կաթոդի միջև: Երբ ջուրը լցվում է սարքի անոդի մեջ, էլեկտրոլիզի արդյունքում առաջացած ջրածնի իոնները կիսաթափանցելի թաղանթով շարժվում են դեպի կաթոդ, որտեղ դրանք դառնում են մոլեկուլային ջրածին։ Մյուս կողմից, թթվածնի իոնները չեն կարող անցնել կիսաթափանցիկ թաղանթով և դառնալ թթվածնի մոլեկուլներ անոդում։
Նաև ալկալային ջրի էլեկտրոլիզի ժամանակ դուք ստեղծում եք ջրածին և թթվածին` բաժանելով անոդն ու կաթոդը բաժանարարի միջոցով, որով կարող են անցնել միայն հիդրօքսիդի իոնները: Բացի այդ, կան արդյունաբերական մեթոդներ, ինչպիսիք են բարձր ջերմաստիճանի գոլորշու էլեկտրոլիզը:
Այս պրոցեսները մեծ մասշտաբով իրականացնելով՝ կարելի է մեծ քանակությամբ ջրածին ստանալ։ Ընթացքում արտադրվում է նաև զգալի քանակությամբ թթվածին (արտադրված ջրածնի ծավալի կեսը), այնպես որ այն շրջակա միջավայրի վրա բացասական ազդեցություն չի ունենա, եթե արտանետվի մթնոլորտ: Այնուամենայնիվ, էլեկտրոլիզը պահանջում է շատ էլեկտրաէներգիա, ուստի առանց ածխածնի ջրածին կարող է արտադրվել, եթե այն արտադրվում է էլեկտրաէներգիայի միջոցով, որը չի օգտագործում հանածո վառելիքներ, ինչպիսիք են հողմային տուրբինները և արևային մարտկոցները:
Դուք կարող եք ստանալ «կանաչ ջրածին»՝ էլեկտրոլիզելով ջուրը՝ օգտագործելով մաքուր էներգիա:

Կա նաև ջրածնի գեներատոր այս կանաչ ջրածնի լայնածավալ արտադրության համար: Էլեկտրոլիզատորի հատվածում PEM օգտագործելով՝ ջրածինը կարող է շարունակաբար արտադրվել:

Կապույտ ջրածին Պատրաստված է հանածո վառելիքից

Այսպիսով, ի՞նչ այլ եղանակներ կան ջրածնի արտադրության համար: Ջրածինը գոյություն ունի հանածո վառելիքներում, ինչպիսիք են բնական գազը և ածուխը, որպես այլ նյութեր, բացի ջրից: Օրինակ՝ դիտարկենք մեթանը (CH4)՝ բնական գազի հիմնական բաղադրիչը։ Այստեղ կան չորս ջրածնի ատոմներ։ Դուք կարող եք ջրածին ստանալ՝ հանելով այս ջրածինը:
Դրանցից մեկը «գոլորշու մեթանի բարեփոխում» կոչվող գործընթացն է, որն օգտագործում է գոլորշի: Այս մեթոդի քիմիական բանաձևը հետևյալն է.
Ինչպես տեսնում եք, ածխածնի օքսիդը և ջրածինը կարող են արդյունահանվել մեկ մեթանի մոլեկուլից:
Այս կերպ ջրածինը կարող է արտադրվել այնպիսի գործընթացների միջոցով, ինչպիսիք են բնական գազի և ածխի «գոլորշու բարեփոխումը» և «պիրոլիզը»: «Կապույտ ջրածինը» վերաբերում է այս կերպ արտադրված ջրածին:
Այս դեպքում, սակայն, ածխածնի օքսիդը և ածխաթթու գազը արտադրվում են որպես կողմնակի արտադրանք: Այսպիսով, դուք պետք է վերամշակեք դրանք, նախքան մթնոլորտ դուրս գալը: Ենթամթերքի ածխածնի երկօքսիդը, եթե չվերականգնվի, դառնում է ջրածնային գազ, որը հայտնի է որպես «գորշ ջրածին»:

Ինչպիսի՞ տարր է ջրածինը:

Ջրածինը ունի 1 ատոմային թիվ և պարբերական աղյուսակի առաջին տարրն է։
Ատոմների թիվն ամենամեծն է տիեզերքում, որը կազմում է տիեզերքի բոլոր տարրերի մոտ 90%-ը։ Պրոտոնից և էլեկտրոնից բաղկացած ամենափոքր ատոմը ջրածնի ատոմն է։
Ջրածինը ունի երկու իզոտոպ՝ միջուկին կցված նեյտրոններով։ Մեկ նեյտրոնային կապով «դեյտերիում» և երկու նեյտրոնային կապով «տրիցիում»: Սրանք նաև նյութեր են սերտաճման էներգիայի արտադրության համար:
Արեգակի նման աստղի ներսում տեղի է ունենում միջուկային միաձուլում ջրածնից հելիում, որը աստղի փայլելու էներգիայի աղբյուրն է:
Այնուամենայնիվ, ջրածինը որպես գազ հազվադեպ է լինում Երկրի վրա: Ջրածինը միացություններ է առաջացնում այլ տարրերի հետ, ինչպիսիք են ջուրը, մեթանը, ամոնիակը և էթանոլը: Քանի որ ջրածինը թեթև տարր է, քանի որ ջերմաստիճանը բարձրանում է, ջրածնի մոլեկուլների շարժման արագությունը մեծանում է և երկրի ձգողականությունից դուրս է գալիս արտաքին տարածություն:

Ինչպե՞ս օգտագործել ջրածինը: Օգտագործեք այրման միջոցով

Ապա, ինչպե՞ս է օգտագործվում «ջրածինը», որը համաշխարհային ուշադրություն է գրավել որպես էներգիայի հաջորդ սերնդի աղբյուր: Այն օգտագործվում է երկու հիմնական եղանակով՝ «այրման» և «վառելիքի բջիջ»: Սկսենք «այրել» գործածությունից:
Օգտագործված այրման երկու հիմնական տեսակ կա.
Առաջինը՝ որպես հրթիռային վառելիք։ Ճապոնական H-IIA հրթիռը որպես վառելիք օգտագործում է ջրածնային գազ «հեղուկ ջրածին» և «հեղուկ թթվածին», որը նույնպես կրիոգեն վիճակում է: Այս երկուսը համակցված են, և այդ ժամանակ առաջացած ջերմային էներգիան արագացնում է գոյացած ջրի մոլեկուլների ներարկումը՝ թռչելով տիեզերք։ Այնուամենայնիվ, քանի որ այն տեխնիկապես բարդ շարժիչ է, բացառությամբ Ճապոնիայի, միայն ԱՄՆ-ը, Եվրոպան, Ռուսաստանը, Չինաստանը և Հնդկաստանը հաջողությամբ համատեղել են այս վառելիքը:
Երկրորդը էլեկտրաէներգիայի արտադրությունն է: Գազի տուրբինային էներգիայի արտադրությունը օգտագործում է նաև ջրածնի և թթվածնի համակցման մեթոդը էներգիա ստանալու համար: Այլ կերպ ասած, դա մեթոդ է, որը դիտարկում է ջրածնի արտադրած ջերմային էներգիան: Ջերմային էլեկտրակայաններում ածուխի, նավթի և բնական գազի այրման ջերմությունը առաջացնում է գոլորշի, որը շարժում է տուրբինները: Եթե ​​ջրածինը օգտագործվի որպես ջերմության աղբյուր, ապա էլեկտրակայանը ածխածնային չեզոք կլինի:

Ինչպե՞ս օգտագործել ջրածինը: Օգտագործվում է որպես վառելիքի բջիջ

Ջրածինը օգտագործելու մեկ այլ եղանակ է որպես վառելիքի բջիջ, որը ջրածինը վերածում է անմիջապես էլեկտրականության: Մասնավորապես, Toyota-ն ուշադրություն է հրավիրել Ճապոնիայում՝ որպես գլոբալ տաքացման հակազդման միջոցառումների մաս, էլեկտրական մեքենաների (EVs) փոխարեն ջրածնային վառելիքով աշխատող մեքենաները գովազդելով՝ որպես բենզինային մեքենաների այլընտրանք:
Մասնավորապես, մենք անում ենք հակառակ ընթացակարգը, երբ ներմուծում ենք «կանաչ ջրածնի» արտադրության մեթոդը։ Քիմիական բանաձևը հետևյալն է.
Ջրածինը կարող է առաջացնել ջուր (տաք ջուր կամ գոլորշի) էլեկտրաէներգիա արտադրելիս, և այն կարելի է գնահատել, քանի որ այն բեռ չի դնում շրջակա միջավայրի վրա: Մյուս կողմից, այս մեթոդն ունի էներգիայի արտադրության համեմատաբար ցածր արդյունավետություն՝ 30-40%, և որպես կատալիզատոր պահանջում է պլատին, այդպիսով պահանջելով ծախսերի ավելացում:
Ներկայումս մենք օգտագործում ենք պոլիմերային էլեկտրոլիտային վառելիքի բջիջներ (PEFC) և ֆոսֆորաթթվի վառելիքի բջիջներ (PAFC): Մասնավորապես, վառելիքի մարտկոցներով մեքենաներն օգտագործում են PEFC, ուստի կարելի է ակնկալել, որ այն կտարածվի ապագայում:

Արդյո՞ք ջրածնի պահեստավորումը և փոխադրումը անվտանգ է:

Մինչ այժմ, կարծում ենք, դուք հասկանում եք, թե ինչպես է ստացվում և օգտագործվում ջրածնային գազը: Այսպիսով, ինչպե՞ս եք պահում այս ջրածինը: Ինչպե՞ս եք այն ստանում այնտեղ, որտեղ ձեզ անհրաժեշտ է: Ի՞նչ կասեք այդ ժամանակվա անվտանգության մասին։ Մենք կբացատրենք.
Իրականում ջրածինը նույնպես շատ վտանգավոր տարր է։ 20-րդ դարի սկզբին մենք ջրածինը որպես գազ օգտագործում էինք երկնքում օդապարիկներ, օդապարիկներ և օդանավեր լողացնելու համար, քանի որ այն շատ թեթև էր: Սակայն 1937 թվականի մայիսի 6-ին Նյու Ջերսիում (ԱՄՆ) տեղի ունեցավ «հինդենբուրգ» օդանավի պայթյունը։
Վթարից հետո լայնորեն ընդունվել է, որ ջրածնային գազը վտանգավոր է։ Հատկապես, երբ այն բռնկվի, այն ուժգին կպայթի թթվածնով։ Հետևաբար, «հեռու պահել թթվածնից» կամ «հեռու պահել ջերմությունից» կարևոր է։
Այս միջոցները ձեռնարկելուց հետո մենք գտանք առաքման եղանակը:
Ջրածինը գազ է սենյակային ջերմաստիճանում, ուստի, թեև այն դեռ գազ է, այն շատ ծավալուն է: Առաջին մեթոդը գազավորված ըմպելիքներ պատրաստելիս բարձր ճնշում գործադրելն ու գլանաձեւ սեղմելն է։ Պատրաստեք հատուկ բարձր ճնշման բաք և պահեք այն բարձր ճնշման պայմաններում, ինչպիսին է 45Mpa:
Toyota-ն, որը զարգացնում է վառելիքի բջիջներով մեքենաներ (FCV), մշակում է խեժի բարձր ճնշման ջրածնի բաք, որը կարող է դիմակայել 70 ՄՊա ճնշմանը:
Մեկ այլ մեթոդ է սառչել մինչև -253°C՝ հեղուկ ջրածին ստանալու համար և պահել և տեղափոխել այն հատուկ ջերմամեկուսացված տանկերում: Ինչպես LNG-ը (հեղուկացված բնական գազ), երբ բնական գազը ներմուծվում է արտերկրից, ջրածինը հեղուկացվում է փոխադրման ժամանակ՝ նվազեցնելով դրա ծավալը մինչև գազային վիճակի 1/800-ը։ 2020 թվականին մենք ավարտեցինք աշխարհում առաջին հեղուկ ջրածնի կրիչը։ Այնուամենայնիվ, այս մոտեցումը հարմար չէ վառելիքի բջիջներով մեքենաների համար, քանի որ այն սառչելու համար շատ էներգիա է պահանջում:
Նման տանկերում պահեստավորման և առաքման մեթոդ կա, բայց մենք մշակում ենք նաև ջրածնի պահպանման այլ մեթոդներ:
Պահպանման մեթոդը ջրածնի պահեստավորման համաձուլվածքների օգտագործումն է: Ջրածինը մետաղներ թափանցելու և դրանք քայքայելու հատկություն ունի։ Սա զարգացման հուշում է, որը մշակվել է Միացյալ Նահանգներում 1960-ականներին: JJ Reilly et al. Փորձերը ցույց են տվել, որ ջրածինը կարելի է պահել և ազատել մագնեզիումի և վանադիումի համաձուլվածքի միջոցով։
Դրանից հետո նա հաջողությամբ ստեղծեց այնպիսի նյութ, ինչպիսին է պալադիումը, որը կարող է կլանել ջրածինը իր ծավալից 935 անգամ:
Այս համաձուլվածքի օգտագործման առավելությունն այն է, որ այն կարող է կանխել ջրածնի արտահոսքի վթարները (հիմնականում պայթյունի վթարները): Հետեւաբար, այն կարելի է ապահով պահել և տեղափոխել: Այնուամենայնիվ, եթե դուք զգույշ չլինեք և այն թողեք սխալ միջավայրում, ջրածնի պահպանման համաձուլվածքները կարող են ժամանակի ընթացքում ջրածնի գազ արտազատել: Դե, նույնիսկ փոքր կայծը կարող է պայթյունի վթարի պատճառ դառնալ, այնպես որ զգույշ եղեք:
Այն ունի նաև թերություն, որ ջրածնի կրկնվող կլանումը և կլանումը հանգեցնում են փխրունության և նվազեցնում ջրածնի կլանման արագությունը:
Մյուսը խողովակների օգտագործումն է: Պայման կա, որ այն պետք է լինի չսեղմված և ցածր ճնշում՝ խողովակների փխրունությունը կանխելու համար, սակայն առավելությունն այն է, որ հնարավոր է օգտագործել առկա գազատարները։ Tokyo Gas-ը շինարարական աշխատանքներ է իրականացրել Harumi FLAG-ի վրա՝ օգտագործելով քաղաքային գազատարները՝ վառելիքի բջիջներին ջրածին մատակարարելու համար:

Ապագա հասարակություն, որը ստեղծվել է ջրածնի էներգիայի կողմից

Վերջապես, եկեք դիտարկենք ջրածնի դերը հասարակության մեջ:
Ավելի կարևոր է, որ մենք ցանկանում ենք խթանել ածխածնի ազատ հասարակությունը, մենք օգտագործում ենք ջրածինը էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար, այլ ոչ թե որպես ջերմային էներգիա:
Խոշոր ջերմաէլեկտրակայանների փոխարեն որոշ տնային տնտեսություններ ներդրել են այնպիսի համակարգեր, ինչպիսին է ENE-FARM-ը, որն օգտագործում է ջրածինը, որը ստացվում է բնական գազի բարեփոխման արդյունքում՝ անհրաժեշտ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Այնուամենայնիվ, հարցը, թե ինչ անել բարեփոխումների գործընթացի կողմնակի արտադրանքների հետ, մնում է:

Ապագայում, եթե ինքնին ջրածնի շրջանառությունն ավելանա, օրինակ՝ ջրածնի լիցքավորման կայանների քանակի ավելացում, հնարավոր կլինի էլեկտրաէներգիա օգտագործել առանց ածխաթթու գազի արտանետման։ Էլեկտրաէներգիան, իհարկե, արտադրում է կանաչ ջրածին, ուստի այն օգտագործում է արևի լույսից կամ քամուց առաջացած էլեկտրականությունը: Էլեկտրոլիզի համար օգտագործվող հզորությունը պետք է լինի էներգիայի արտադրության քանակությունը ճնշելու կամ վերալիցքավորվող մարտկոցը լիցքավորելու հզորությունը, երբ կա բնական էներգիայի ավելցուկ: Այլ կերպ ասած, ջրածինը գտնվում է նույն դիրքում, ինչ վերալիցքավորվող մարտկոցը: Եթե ​​դա տեղի ունենա, ի վերջո հնարավոր կլինի նվազեցնել ջերմային էներգիայի արտադրությունը: Շատ արագ մոտենում է այն օրը, երբ մեքենաներից անհետանում է ներքին այրման շարժիչը։

Ջրածինը կարելի է ստանալ նաև այլ ճանապարհով։ Փաստորեն, ջրածինը դեռևս կաուստիկ սոդայի արտադրության կողմնակի արտադրանք է: Ի թիվս այլ բաների, այն կոքսի արտադրության կողմնակի արտադրանք է երկաթագործության մեջ: Եթե ​​այս ջրածինը դնեք բաշխման մեջ, դուք կկարողանաք բազմաթիվ աղբյուրներ ստանալ: Այս եղանակով արտադրվող ջրածնային գազը մատակարարվում է նաև ջրածնային կայաններից։

Եկեք ավելի հեռուն նայենք ապագային: Կորցրած էներգիայի քանակությունը նույնպես խնդիր է փոխանցման մեթոդի հետ, որն օգտագործում է լարերը՝ էներգիա մատակարարելու համար: Հետևաբար, ապագայում մենք կօգտագործենք խողովակաշարերի միջոցով մատակարարվող ջրածինը, ինչպես գազավորված ըմպելիքների պատրաստման համար օգտագործվող ածխաթթվի տանկերը, և տանը ջրածնի բաք կգնենք յուրաքանչյուր տան համար էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Ջրածնային մարտկոցներով աշխատող շարժական սարքերը սովորական են դառնում: Հետաքրքիր կլինի տեսնել նման ապագա։