Հաջորդ սերնդի էներգիայի ջրածնի մասին

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

Ջրի էլեկտրոլիզ՝ կանաչ ջրածին ստանալու համար

Ջրածին օգտագործելիս կարևոր է «ջրածին արտադրել»։ Ամենահեշտ ձևը ջուրը «էլեկտրոլիզացնելն» է։ Գուցե դուք դա արել եք տարրական դպրոցում գիտության դասին։ Լցրեք բաժակը ջրով և էլեկտրոդներով ջրի մեջ։ Երբ մարտկոցը միացված է էլեկտրոդներին և լիցքավորվում, ջրի և յուրաքանչյուր էլեկտրոդի մեջ տեղի են ունենում հետևյալ ռեակցիաները։
Կաթոդում H+-ը և էլեկտրոնները միանում են՝ առաջացնելով ջրածին գազ, մինչդեռ անոդը արտադրում է թթվածին: Այնուամենայնիվ, այս մոտեցումը հարմար է դպրոցական գիտական ​​փորձերի համար, բայց արդյունաբերական եղանակով ջրածին արտադրելու համար պետք է պատրաստել մեծածավալ արտադրության համար հարմար արդյունավետ մեխանիզմներ: Դա «պոլիմերային էլեկտրոլիտային թաղանթային (ՊԷՄ) էլեկտրոլիզն» է:
Այս մեթոդում անոդի և կաթոդի միջև տեղադրվում է պոլիմերային կիսաթափանցիկ թաղանթ, որը թույլ է տալիս ջրածնի իոնների անցումը։ Երբ ջուրը լցվում է սարքի անոդի մեջ, էլեկտրոլիզի միջոցով առաջացած ջրածնի իոնները կիսաթափանցիկ թաղանթով անցնում են կաթոդ, որտեղ դրանք դառնում են մոլեկուլային ջրածին։ Մյուս կողմից, թթվածնի իոնները չեն կարող անցնել կիսաթափանցիկ թաղանթով և անոդում վերածվել թթվածնի մոլեկուլների։
Ալկալային ջրային էլեկտրոլիզի դեպքում դուք ստեղծում եք ջրածին և թթվածին՝ անոդն ու կաթոդը բաժանելով բաժանիչի միջոցով, որի միջով կարող են անցնել միայն հիդրօքսիդի իոնները: Բացի այդ, կան արդյունաբերական մեթոդներ, ինչպիսին է բարձր ջերմաստիճանի գոլորշու էլեկտրոլիզը:
Այս գործընթացները մեծ մասշտաբով իրականացնելով՝ կարելի է ստանալ մեծ քանակությամբ ջրածին։ Այդ գործընթացում նաև արտադրվում է զգալի քանակությամբ թթվածին (արտադրված ջրածնի ծավալի կեսը), այնպես որ այն մթնոլորտ արտանետվելու դեպքում բացասական ազդեցություն չի ունենա շրջակա միջավայրի վրա։ Սակայն էլեկտրոլիզը պահանջում է մեծ քանակությամբ էլեկտրաէներգիա, ուստի ածխածնային չպարունակող ջրածին կարելի է արտադրել, եթե այն արտադրվի այնպիսի էլեկտրաէներգիայով, որը չի օգտագործում բրածո վառելիք, ինչպիսիք են քամու տուրբինները և արևային վահանակները։
Դուք կարող եք ստանալ «կանաչ ջրածին»՝ մաքուր էներգիա օգտագործելով ջուրը էլեկտրոլիզացնելով։

Այս կանաչ ջրածնի մեծածավալ արտադրության համար կա նաև ջրածնի գեներատոր: Էլեկտրոլիզատորի բաժնում PEM օգտագործելով՝ կարելի է անընդհատ արտադրել ջրածին:

Կապույտ ջրածին, որը պատրաստված է բրածո վառելիքից

Այսպիսով, ի՞նչ այլ եղանակներ կան ջրածին ստանալու համար: Ջրածինը գոյություն ունի բրածո վառելիքներում, ինչպիսիք են բնական գազը և ածուխը, որպես ջրից բացի այլ նյութեր: Օրինակ, դիտարկենք մեթանը (CH4)՝ բնական գազի հիմնական բաղադրիչը: Այստեղ կան չորս ջրածնի ատոմներ: Դուք կարող եք ջրածին ստանալ՝ այս ջրածինը հանելով:
Դրանցից մեկը գոլորշու միջոցով մեթանի ռեֆորմինգի կոչվող գործընթացն է։ Այս մեթոդի քիմիական բանաձևը հետևյալն է։
Ինչպես տեսնում եք, ածխածնի մոնօքսիդը և ջրածինը կարելի է արդյունահանել մեկ մեթանի մոլեկուլից։
Այս կերպ, ջրածինը կարող է արտադրվել այնպիսի գործընթացների միջոցով, ինչպիսիք են բնական գազի և ածխի «գոլորշու ռեֆորմինգը» և «պիրոլիզը»։ «Կապույտ ջրածինը» վերաբերում է այս եղանակով արտադրված ջրածնին։
Այս դեպքում, սակայն, ածխածնի մոնօքսիդը և ածխաթթու գազը արտադրվում են որպես ենթամթերքներ: Այսպիսով, դուք պետք է վերամշակեք դրանք, նախքան դրանք մթնոլորտ արտանետվելը: Ենթամթերք ածխաթթու գազը, եթե չի վերականգնվում, վերածվում է ջրածնի գազի, որը հայտնի է որպես «մոխրագույն ջրածին»:

Ի՞նչ տեսակի տարր է ջրածինը։

Ջրածինը ունի 1 ատոմային թիվ և պարբերական աղյուսակի առաջին տարրն է։
Ատոմների քանակը տիեզերքում ամենամեծն է՝ կազմելով տիեզերքի բոլոր տարրերի մոտ 90%-ը: Պրոտոնից և էլեկտրոնից բաղկացած ամենափոքր ատոմը ջրածնի ատոմն է:
Ջրածինն ունի երկու իզոտոպ, որոնց նեյտրոնները միացված են միջուկին։ Մեկ նեյտրոնային կապերով «դեյտերիում» և երկու նեյտրոնային կապերով «տրիտիում»։ Սրանք նույնպես նյութեր են ջերմաէլեկտրակայանի արտադրության համար։
Արեգակի նման աստղի ներսում տեղի է ունենում միջուկային միաձուլում՝ ջրածնից հելիումի, որը աստղի լույսի էներգիայի աղբյուրն է։
Սակայն, ջրածինը որպես գազ Երկրի վրա հազվադեպ է գոյություն ունենում։ Ջրածինը միացություններ է առաջացնում այլ տարրերի հետ, ինչպիսիք են ջուրը, մեթանը, ամոնիակը և էթանոլը։ Քանի որ ջրածինը թեթև տարր է, ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց ջրածնի մոլեկուլների շարժման արագությունը մեծանում է և նրանք փախչում են Երկրի ձգողականության ուժից դեպի տիեզերք։

Ինչպե՞ս օգտագործել ջրածինը։ Օգտագործել այրման միջոցով

Ապա, ինչպե՞ս է օգտագործվում «ջրածինը», որը համաշխարհային ուշադրություն է գրավել որպես նոր սերնդի էներգիայի աղբյուր: Այն օգտագործվում է երկու հիմնական եղանակով՝ «այրման» և «վառելիքային բջիջների»: Եկեք սկսենք «այրման» օգտագործումից:
Օգտագործվում են այրման երկու հիմնական տեսակներ.
Առաջինը՝ որպես հրթիռային վառելիք։ Ճապոնական H-IIA հրթիռը որպես վառելիք օգտագործում է ջրածնային գազ՝ «հեղուկ ջրածին» և «հեղուկ թթվածին», որը նույնպես գտնվում է կրիոգեն վիճակում։ Այս երկուսը համակցված են, և այդ պահին առաջացած ջերմային էներգիան արագացնում է առաջացած ջրի մոլեկուլների ներարկումը՝ թռչելով տիեզերք։ Սակայն, քանի որ սա տեխնիկապես դժվար շարժիչ է, բացի Ճապոնիայից, միայն Միացյալ Նահանգները, Եվրոպան, Ռուսաստանը, Չինաստանը և Հնդկաստանը հաջողությամբ համատեղել են այս վառելիքը։
Երկրորդը էլեկտրաէներգիայի արտադրությունն է: Գազային տուրբինային էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը նույնպես օգտագործում է ջրածնի և թթվածնի համակցման մեթոդը՝ էներգիա ստանալու համար: Այլ կերպ ասած, դա մի մեթոդ է, որը դիտարկում է ջրածնի կողմից արտադրվող ջերմային էներգիան: Ջերմաէլեկտրակայաններում ածխի, նավթի և բնական գազի այրումից ստացված ջերմությունը առաջացնում է գոլորշի, որը շարժում է տուրբինները: Եթե ջրածինն օգտագործվում է որպես ջերմության աղբյուր, էլեկտրակայանը կլինի ածխածնային չեզոք:

Ինչպե՞ս օգտագործել ջրածինը։ Օգտագործվում է որպես վառելիքային բջիջ

Ջրածինն օգտագործելու մեկ այլ եղանակ է որպես վառելիքային բջիջ, որը ջրածինն անմիջապես վերածում է էլեկտրաէներգիայի: Մասնավորապես, Toyota-ն ուշադրություն է գրավել Ճապոնիայում՝ գլոբալ տաքացման դեմ պայքարի միջոցառումների շրջանակներում որպես բենզինային մեքենաների այլընտրանք առաջարկելով էլեկտրական մեքենաների (ԷՄ) փոխարեն ջրածնային վառելիքով աշխատող մեքենաներ:
Մասնավորապես, մենք կատարում ենք հակառակ ընթացակարգը, երբ ներդնում ենք «կանաչ ջրածնի» արտադրության մեթոդը։ Քիմիական բանաձևը հետևյալն է։
Ջրածինը կարող է ջուր (տաք ջուր կամ գոլորշի) առաջացնել էլեկտրաէներգիա արտադրելու հետ մեկտեղ, և այն կարող է գնահատվել, քանի որ այն չի բեռ դնում շրջակա միջավայրի վրա: Մյուս կողմից, այս մեթոդն ունի համեմատաբար ցածր՝ 30-40% էլեկտրաէներգիայի արտադրության արդյունավետություն և որպես կատալիզատոր պահանջում է պլատին, հետևաբար պահանջում է ավելի մեծ ծախսեր:
Ներկայումս մենք օգտագործում ենք պոլիմերային էլեկտրոլիտային վառելիքային բջիջներ (PEFC) և ֆոսֆորաթթվային վառելիքային բջիջներ (PAFC): Մասնավորապես, վառելիքային բջիջներով տրանսպորտային միջոցներն օգտագործում են PEFC, ուստի կարելի է ակնկալել, որ այն կտարածվի ապագայում:

Անվտա՞նգ է ջրածնի պահպանումը և տեղափոխումը։

Կարծում ենք՝ արդեն հասկացաք, թե ինչպես է պատրաստվում և օգտագործվում ջրածնային գազը։ Այսպիսով, ինչպե՞ս պահել այս ջրածինը։ Ինչպե՞ս հասցնել այն այնտեղ, որտեղ ձեզ անհրաժեշտ է։ Իսկ ի՞նչ կասեք անվտանգության մասին այդ պահին։ Մենք կբացատրենք։
Իրականում, ջրածինը նույնպես շատ վտանգավոր տարր է: 20-րդ դարի սկզբին մենք ջրածինն օգտագործում էինք որպես գազ՝ օդապարիկներ, օդապարիկներ և օդանավեր երկնքում թռցնելու համար, քանի որ այն շատ թեթև էր: Սակայն 1937 թվականի մայիսի 6-ին ԱՄՆ-ի Նյու Ջերսի քաղաքում տեղի ունեցավ «օդանավի Հինդենբուրգի պայթյունը»:
Վթարից հետո լայնորեն ճանաչվել է, որ ջրածնային գազը վտանգավոր է։ Հատկապես, երբ այն բռնկվում է, այն կարող է ուժեղ պայթել թթվածնի հետ միասին։ Հետևաբար, «պահեք թթվածնից հեռու» կամ «պահեք ջերմությունից հեռու» սկզբունքները կարևոր են։
Այս միջոցառումները ձեռնարկելուց հետո մենք մշակեցինք առաքման մեթոդ։
Ջրածինը սենյակային ջերմաստիճանում գազ է, ուստի չնայած այն դեռևս գազ է, այն շատ ծավալուն է: Առաջին մեթոդը գազավորված ըմպելիքներ պատրաստելիս բարձր ճնշում կիրառելն ու գլանաձև սեղմելն է: Պատրաստեք հատուկ բարձր ճնշման բաք և պահեք այն բարձր ճնշման պայմաններում, օրինակ՝ 45 ՄՊա:
Վառելիքային բջիջներով մեքենաներ (FCV) մշակող Toyota ընկերությունը մշակում է խեժային բարձր ճնշման ջրածնային բաք, որը կարող է դիմանալ 70 ՄՊա ճնշմանը։
Մեկ այլ մեթոդ է հեղուկ ջրածին ստանալու համար մինչև -253°C սառեցնելը, ապա այն պահելն ու տեղափոխելը հատուկ ջերմամեկուսացված բաքերում: Ինչպես հեղուկացված բնական գազի դեպքում (ՀԲԳ), երբ բնական գազը ներմուծվում է արտասահմանից, ջրածինը հեղուկացվում է տեղափոխման ընթացքում՝ նվազեցնելով դրա ծավալը մինչև գազային վիճակի 1/800-ը: 2020 թվականին մենք ավարտեցինք աշխարհի առաջին հեղուկ ջրածնի փոխադրիչը: Սակայն այս մոտեցումը հարմար չէ վառելիքային բջիջներով տրանսպորտային միջոցների համար, քանի որ սառեցման համար անհրաժեշտ է մեծ քանակությամբ էներգիա:
Կա այսպիսի բաքերում պահեստավորման և տեղափոխման մեթոդ, բայց մենք նաև մշակում ենք ջրածնի պահեստավորման այլ մեթոդներ։
Պահպանման մեթոդը ջրածնի պահեստավորման համաձուլվածքների օգտագործումն է: Ջրածինն ունի մետաղների մեջ թափանցելու և դրանք քայքայելու հատկություն: Սա մշակման մի խորհուրդ է, որը մշակվել է Միացյալ Նահանգներում 1960-ականներին: Ջ.Ջ. Ռեյլի և այլք: Փորձերը ցույց են տվել, որ ջրածինը կարող է պահեստավորվել և արտազատվել մագնեզիումի և վանադիումի համաձուլվածքի միջոցով:
Դրանից հետո նա հաջողությամբ մշակեց մի նյութ, ինչպիսին է պալադիումը, որը կարող է կլանել իր ծավալից 935 անգամ ավելի ջրածին։
Այս համաձուլվածքի օգտագործման առավելությունն այն է, որ այն կարող է կանխել ջրածնի արտահոսքի վթարները (հիմնականում պայթյունի վթարները): Հետևաբար, այն կարող է անվտանգ կերպով պահվել և տեղափոխվել: Այնուամենայնիվ, եթե զգույշ չլինեք և թողնեք այն սխալ միջավայրում, ջրածնի պահեստավորման համաձուլվածքները ժամանակի ընթացքում կարող են արտանետել ջրածնի գազ: Նույնիսկ փոքր կայծը կարող է պայթյունի վթար առաջացնել, այնպես որ զգույշ եղեք:
Այն նաև ունի այն թերությունը, որ ջրածնի կրկնակի կլանումը և դեսորբցիան ​​հանգեցնում են փխրունության և նվազեցնում են ջրածնի կլանման արագությունը։
Մյուս տարբերակը խողովակների օգտագործումն է: Կա պայման, որ այն պետք է լինի ոչ սեղմված և ցածր ճնշման՝ խողովակների փխրունությունը կանխելու համար, բայց առավելությունն այն է, որ կարելի է օգտագործել առկա գազատարները: Tokyo Gas-ը շինարարական աշխատանքներ է իրականացրել Harumi FLAG-ի վրա՝ օգտագործելով քաղաքային գազատարներ՝ վառելիքային բջիջներին ջրածին մատակարարելու համար:

Ապագայի հասարակությունը, որը ստեղծվել է ջրածնի էներգիայով

Վերջապես, եկեք քննարկենք ջրածնի դերը հասարակության մեջ։
Ավելի կարևոր է, որ մենք ցանկանում ենք խթանել ածխածնից զերծ հասարակություն, մենք ջրածինն օգտագործում ենք էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար՝ որպես ջերմային էներգիա օգտագործելու փոխարեն։
Մեծ ջերմաէլեկտրակայանների փոխարեն, որոշ տնային տնտեսություններ ներդրել են ENE-FARM-ի նման համակարգեր, որոնք օգտագործում են բնական գազի ռեֆորմացիայի միջոցով ստացված ջրածինը՝ անհրաժեշտ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Այնուամենայնիվ, հարցը, թե ինչ անել ռեֆորմացիայի գործընթացի ենթամթերքների հետ, մնում է անպատասխան:

Ապագայում, եթե ջրածնի շրջանառությունն ինքնին աճի, օրինակ՝ ջրածնի լիցքավորման կայանների թվի ավելացման դեպքում, հնարավոր կլինի օգտագործել էլեկտրաէներգիա՝ առանց ածխաթթու գազի արտանետման: Էլեկտրաէներգիան, իհարկե, արտադրում է կանաչ ջրածին, ուստի այն օգտագործում է արևի լույսից կամ քամուց ստացված էլեկտրաէներգիան: Էլեկտրոլիզի համար օգտագործվող էներգիան պետք է լինի այնպիսին, որ ճնշի էներգիայի արտադրությունը կամ լիցքավորվող մարտկոցը լիցքավորի, երբ բնական էներգիայից ավելցուկային էներգիա կա: Այլ կերպ ասած, ջրածինը նույն դիրքում է, ինչ լիցքավորվող մարտկոցը: Եթե դա տեղի ունենա, ի վերջո հնարավոր կլինի նվազեցնել ջերմային էներգիայի արտադրությունը: Այն օրը, երբ ներքին այրման շարժիչը կանհետանա մեքենաներից, արագ մոտենում է:

Ջրածինը կարելի է ստանալ նաև այլ ճանապարհով: Փաստորեն, ջրածինը դեռևս կծու սոդայի արտադրության ենթամթերք է: Ի թիվս այլ բաների, այն երկաթի արտադրության մեջ կոքսի արտադրության ենթամթերք է: Եթե այս ջրածինը դնեք բաշխման մեջ, կկարողանաք ստանալ բազմաթիվ աղբյուրներ: Այս եղանակով արտադրված ջրածնային գազը նույնպես մատակարարվում է ջրածնային կայանների կողմից:

Եկեք ավելի խորը նայենք ապագային։ Կորած էներգիայի քանակը նույնպես խնդիր է փոխանցման մեթոդի հետ, որն օգտագործում է լարեր՝ էլեկտրաէներգիա մատակարարելու համար։ Հետևաբար, ապագայում մենք կօգտագործենք խողովակաշարերով մատակարարվող ջրածինը, ինչպես գազավորված ըմպելիքներ պատրաստելու համար օգտագործվող ածխաթթվային բալոնները, և տանը կգնենք ջրածնային բալոն՝ յուրաքանչյուր տնային տնտեսության համար էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։ Ջրածնային մարտկոցներով աշխատող բջջային սարքերը դառնում են տարածված։ Հետաքրքիր կլինի տեսնել նման ապագա։