Мо "гидроген"-ро муаррифӣ хоҳем кард, ки насли ояндаи энергияест, ки аз карбон бетараф аст. Гидроген ба се намуд тақсим мешавад: "гидрогени сабз", "гидрогени кабуд" ва "гидрогени хокистарӣ", ки ҳар кадоми онҳо усули истеҳсолии гуногун доранд. Мо инчунин ҳар як усули истеҳсол, хосиятҳои физикӣ ҳамчун унсурҳо, усулҳои нигоҳдорӣ/интиқол ва усулҳои истифодаро шарҳ медиҳем. Ва ман инчунин муаррифӣ мекунам, ки чаро он манбаи бартаридоштаи энергияи насли оянда аст.
Электролизи об барои истеҳсоли гидрогени сабз
Ҳангоми истифодаи гидроген, ба ҳар ҳол "истеҳсоли гидроген" муҳим аст. Роҳи осонтарин "электролиз кардани об" аст. Шояд шумо дар фанни табиатшиносии мактаби ибтидоӣ ин корро карда бошед. Стаканро бо об ва электродҳо дар об пур кунед. Вақте ки батарея ба электродҳо пайваст ва барқ гирифта мешавад, дар об ва дар ҳар як электрод реаксияҳои зерин ба амал меоянд.
Дар катод, H+ ва электронҳо якҷоя шуда, гази гидрогенро ба вуҷуд меоранд, дар ҳоле ки анод оксигенро ба вуҷуд меорад. Бо вуҷуди ин, ин равиш барои таҷрибаҳои илмии мактабӣ хуб аст, аммо барои истеҳсоли гидроген дар саноат, механизмҳои самараноки мувофиқ барои истеҳсоли миқёси калон бояд омода карда шаванд. Ин "электролизи мембранаи полимерии электролит (PEM)" аст.
Дар ин усул, мембранаи нимгузарандаи полимерӣ, ки гузариши ионҳои гидрогенро имкон медиҳад, байни анод ва катод ҷойгир карда мешавад. Вақте ки об ба аноди дастгоҳ рехта мешавад, ионҳои гидроген, ки тавассути электролиз ҳосил мешаванд, тавассути мембранаи нимгузаранда ба катод ҳаракат мекунанд ва дар он ҷо ба гидрогени молекулавӣ табдил меёбанд. Аз тарафи дигар, ионҳои оксиген наметавонанд аз мембранаи нимгузаранда гузаранд ва дар анод ба молекулаҳои оксиген табдил ёбанд.
Ҳамчунин, дар электролизи оби ишқорӣ, шумо гидроген ва оксигенро бо роҳи ҷудо кардани анод ва катод тавассути сепараторе, ки аз он танҳо ионҳои гидроксид метавонанд гузаранд, ба вуҷуд меоред. Илова бар ин, усулҳои саноатӣ ба монанди электролизи буғии ҳарорати баланд мавҷуданд.
Бо анҷом додани ин равандҳо дар миқёси васеъ, миқдори зиёди гидроген ба даст оварда мешавад. Дар ин раванд, миқдори назарраси оксиген низ истеҳсол мешавад (нисфи ҳаҷми гидрогени истеҳсолшуда), то ки дар сурати партофтани он ба атмосфера таъсири манфии экологӣ нарасонад. Аммо, электролиз ба нерӯи барқи зиёд ниёз дорад, аз ин рӯ, гидрогени бекарбонро метавон истеҳсол кард, агар он бо нерӯи барқе истеҳсол шавад, ки аз сӯзишвории истихроҷшаванда, ба монанди турбинаҳои бодӣ ва панелҳои офтобӣ истифода намебарад.
Шумо метавонед "гидрогени сабз"-ро бо электролизи об бо истифода аз энергияи тоза ба даст оред.
Инчунин як генератори гидроген барои истеҳсоли миқёси калони ин гидрогени сабз мавҷуд аст. Бо истифода аз PEM дар қисмати электролизер, гидрогенро пайваста истеҳсол кардан мумкин аст.
Гидрогени кабуд аз сӯзишвориҳои истихроҷшаванда истеҳсол мешавад
Пас, роҳҳои дигари истеҳсоли гидроген кадомҳоянд? Гидроген дар сӯзишвориҳои истихроҷшаванда, ба монанди гази табиӣ ва ангишт, ҳамчун моддаҳои ғайр аз об, мавҷуд аст. Масалан, метан (CH4)-ро, ки ҷузъи асосии гази табииро ташкил медиҳад, баррасӣ кунед. Дар ин ҷо чор атоми гидроген мавҷуд аст. Шумо метавонед гидрогенро бо хориҷ кардани ин гидроген ба даст оред.
Яке аз инҳо равандест бо номи "ислоҳоти метани буғӣ" ки дар он буғ истифода мешавад. Формулаи кимиёвии ин усул чунин аст.
Тавре ки шумо мебинед, оксиди карбон ва гидрогенро аз як молекулаи метан ҷудо кардан мумкин аст.
Бо ин роҳ, гидрогенро тавассути равандҳо ба монанди "ислоҳоти буғӣ" ва "пиролиз"-и гази табиӣ ва ангишт истеҳсол кардан мумкин аст. "Гидрогени кабуд" ба гидрогени бо ин роҳ истеҳсолшуда ишора мекунад.
Аммо, дар ин ҳолат, оксиди карбон ва гази карбон ҳамчун маҳсулоти иловагӣ ба вуҷуд меоянд. Аз ин рӯ, шумо бояд онҳоро пеш аз партофтан ба атмосфера коркард кунед. Гази карбонии иловагӣ, агар барқарор нашавад, ба гази гидроген табдил меёбад, ки бо номи "гидрогени хокистарранг" маълум аст.
Гидроген чӣ гуна элемент аст?
Гидроген рақами атомии 1 дорад ва аввалин унсур дар ҷадвали даврӣ мебошад.
Шумораи атомҳо дар коинот аз ҳама бештар буда, тақрибан 90%-и ҳамаи унсурҳои коинотро ташкил медиҳад. Хурдтарин атоме, ки аз протон ва электрон иборат аст, атоми гидроген аст.
Гидроген ду изотоп бо нейтронҳои ба ядро пайвастшуда дорад. Як "дейтерий"-и бо нейтрон пайвастшуда ва ду "тритий"-и бо нейтрон пайвастшуда. Инҳо инчунин маводҳо барои истеҳсоли нерӯи синтез мебошанд.
Дар дохили ситорае мисли Офтоб, синтези ҳастаӣ аз гидроген ба гелий ба амал меояд, ки манбаи энергия барои дурахши ситора аст.
Аммо, гидроген дар Замин кам ҳамчун газ вуҷуд дорад. Гидроген бо дигар унсурҳо, ба монанди об, метан, аммиак ва этанол, пайвастагиҳо ба вуҷуд меорад. Азбаски гидроген унсури сабук аст, бо баланд шудани ҳарорат суръати ҳаракати молекулаҳои гидроген меафзояд ва аз қувваи ҷозибаи Замин ба кайҳон берун мешавад.
Чӣ тавр гидрогенро истифода бурдан мумкин аст? Истифода бо сӯзишворӣ
Пас, чӣ гуна "гидроген", ки таваҷҷӯҳи тамоми ҷаҳонро ҳамчун манбаи энергияи насли оянда ҷалб кардааст, истифода мешавад? Он бо ду роҳи асосӣ истифода мешавад: "сӯзишворӣ" ва "ҳуҷайраи сӯзишворӣ". Биёед бо истифодаи "сӯхтан" оғоз кунем.
Ду намуди асосии сӯхтор истифода мешаванд.
Аввалин ҳамчун сӯзишвории мушакӣ аст. Мушаки H-IIA-и Ҷопон аз гази гидрогенӣ "гидрогени моеъ" ва "оксигени моеъ" истифода мебарад, ки он низ дар ҳолати криогенӣ қарор дорад. Ин ду якҷоя карда шудаанд ва энергияи гармии дар он вақт ҳосилшуда воридшавии молекулаҳои оби тавлидшударо, ки ба кайҳон парвоз мекунанд, суръат мебахшад. Аммо, азбаски он аз ҷиҳати техникӣ душвор аст, ба истиснои Ҷопон, танҳо Иёлоти Муттаҳида, Аврупо, Русия, Чин ва Ҳиндустон ин сӯзишвориро бомуваффақият якҷоя кардаанд.
Дуюмӣ истеҳсоли нерӯи барқ аст. Истеҳсоли нерӯи барқи турбинаҳои газӣ инчунин усули якҷоя кардани гидроген ва оксигенро барои тавлиди энергия истифода мебарад. Ба ибораи дигар, ин усулест, ки ба энергияи гармии аз ҷониби гидроген истеҳсолшуда нигаронида шудааст. Дар нерӯгоҳҳои барқи гармӣ, гармӣ аз сӯхтани ангишт, нафт ва гази табиӣ буғеро ба вуҷуд меорад, ки турбинаҳоро ба ҳаракат медарорад. Агар гидроген ҳамчун манбаи гармӣ истифода шавад, нерӯгоҳ бетарафи карбон хоҳад буд.
Чӣ тавр гидрогенро истифода бурдан мумкин аст? Ҳамчун ҳуҷайраи сӯзишворӣ истифода мешавад
Роҳи дигари истифодаи гидроген ҳамчун элементи сӯзишворӣ аст, ки гидрогенро мустақиман ба нерӯи барқ табдил медиҳад. Аз ҷумла, Toyota бо таблиғи мошинҳои бо сӯзишвории гидроген ба ҷои мошинҳои барқӣ (EV) ҳамчун алтернатива ба мошинҳои бензинӣ ҳамчун як қисми чораҳои муқовимат бо гармшавии глобалӣ таваҷҷуҳро дар Ҷопон ҷалб кардааст.
Хусусан, мо ҳангоми ҷорӣ кардани усули истеҳсоли «гидрогени сабз» тартиби баръаксро иҷро мекунем. Формулаи химиявӣ чунин аст.
Ҳангоми истеҳсоли нерӯи барқ, гидроген метавонад об (оби гарм ё буғ) тавлид кунад ва онро метавон арзёбӣ кард, зеро он ба муҳити зист бори гарон намеорад. Аз тарафи дигар, ин усул самаранокии нисбатан пасти истеҳсоли нерӯи барқро дорад, ки 30-40% аст ва ҳамчун катализатор платинаро талаб мекунад, ки аз ин рӯ хароҷоти зиёдро талаб мекунад.
Айни замон, мо аз элементҳои сӯзишвории электролитии полимерӣ (PEFC) ва элементҳои сӯзишвории кислотаи фосфорӣ (PAFC) истифода мебарем. Аз ҷумла, мошинҳои дорои элементҳои сӯзишворӣ аз PEFC истифода мебаранд, аз ин рӯ, интизор меравад, ки он дар оянда паҳн шавад.
Оё нигоҳдорӣ ва интиқоли гидроген бехатар аст?
Акнун, мо фикр мекунем, ки шумо медонед, ки чӣ тавр гази гидроген истеҳсол ва истифода мешавад. Пас, чӣ тавр шумо ин гидрогенро нигоҳ медоред? Чӣ тавр шумо онро дар ҷои лозима мегиред? Дар он вақт дар бораи амният чӣ гуфтан мумкин аст? Мо шарҳ медиҳем.
Дар асл, гидроген низ унсури хеле хатарнок аст. Дар аввали асри 20 мо гидрогенро ҳамчун газ барои шино кардани пуфакҳо, пуфакҳо ва ҳавопаймоҳо дар осмон истифода мебурдем, зеро он хеле сабук буд. Аммо, 6 майи соли 1937 дар Ню Ҷерсӣ, ИМА, "таркиши ҳавопаймои Ҳинденбург" рух дод.
Аз замони садама, ба таври васеъ эътироф шудааст, ки гази гидроген хатарнок аст. Хусусан вақте ки он оташ мегирад, он бо оксиген сахт таркиш мекунад. Аз ин рӯ, "аз оксиген дурӣ ҷӯед" ё "аз гармӣ дурӣ ҷӯед" муҳим аст.
Пас аз андешидани ин тадбирҳо, мо усули интиқолро пайдо кардем.
Гидроген дар ҳарорати хонагӣ газ аст, аз ин рӯ, ҳарчанд он ҳоло ҳам газ аст, он хеле калон аст. Усули аввал ин аст, ки ҳангоми тайёр кардани нӯшокиҳои газдор фишори баландро истифода баред ва мисли силиндр фишурда кунед. Як зарфи махсуси фишори баландро омода кунед ва онро дар шароити фишори баланд, ба монанди 45 МПа, нигоҳ доред.
Ширкати Toyota, ки мошинҳои дорои сӯзишвории батареяӣ (FCV)-ро таҳия мекунад, як зарфи гидрогении фишори баландро бо қатрон таҳия мекунад, ки метавонад ба фишори 70 МПа тоб оварад.
Усули дигар ин хунук кардан то -253°C барои ҳосил кардани гидрогени моеъ ва нигоҳдорӣ ва интиқоли он дар зарфҳои махсуси гармидиҳӣ мебошад. Мисли LNG (гази моеъшудаи табиӣ) ҳангоми воридоти гази табиӣ аз хориҷа, гидроген ҳангоми интиқол моеъ мешавад ва ҳаҷми онро то 1/800 қисми ҳолати газии худ кам мекунад. Дар соли 2020, мо аввалин интиқолдиҳандаи гидрогени моеъро дар ҷаҳон ба анҷом расондем. Аммо, ин равиш барои мошинҳои дорои батареяҳои сӯзишворӣ мувофиқ нест, зеро барои хунук кардан энергияи зиёд лозим аст.
Усули нигоҳдорӣ ва интиқол дар зарфҳо ба монанди ин вуҷуд дорад, аммо мо инчунин усулҳои дигари нигоҳдории гидрогенро таҳия карда истодаем.
Усули нигоҳдорӣ истифодаи хӯлаҳои нигоҳдории гидроген мебошад. Гидроген дорои хосияти ворид шудан ба металлҳо ва вайрон кардани онҳо мебошад. Ин як маслиҳати рушд аст, ки дар Иёлоти Муттаҳида дар солҳои 1960 таҳия шудааст. Ҷ.Ҷ. Рейли ва ҳамкоронаш. Таҷрибаҳо нишон доданд, ки гидрогенро бо истифода аз хӯлаи магний ва ванадий нигоҳ доштан ва раҳо кардан мумкин аст.
Пас аз ин, ӯ бомуваффақият моддаеро, ба монанди палладий, ки метавонад гидрогенро 935 маротиба зиёдтар аз ҳаҷми худ фурӯ барад, таҳия кард.
Бартарии истифодаи ин хӯла дар он аст, ки он метавонад аз садамаҳои ихроҷи гидроген (асосан садамаҳои таркиш) пешгирӣ кунад. Аз ин рӯ, онро бехатар нигоҳ доштан ва интиқол додан мумкин аст. Аммо, агар шумо эҳтиёткор набошед ва онро дар муҳити нодуруст гузоред, хӯлаҳои нигоҳдории гидроген метавонанд бо мурури замон гази гидрогенро хориҷ кунанд. Хуб, ҳатто як шарораи хурд метавонад боиси садамаи таркиш гардад, аз ин рӯ эҳтиёт бошед.
Инчунин, он нуқсоне дорад, ки азхудкунии такрории гидроген ва десорбсия боиси шикастагӣ ва коҳиши суръати азхудкунии гидроген мегардад.
Дигаре истифодаи қубурҳо аст. Шарте вуҷуд дорад, ки он бояд фишурда нашуда ва фишори паст дошта бошад, то аз шикастани қубурҳо пешгирӣ карда шавад, аммо бартарии он дар он аст, ки қубурҳои мавҷудаи газро истифода бурдан мумкин аст. Ширкати Tokyo Gas корҳои сохтмониро дар Harumi FLAG анҷом дод ва бо истифода аз қубурҳои гази шаҳрӣ барои таъмини гидроген ба ҳуҷайраҳои сӯзишворӣ истифода бурд.
Ҷомеаи оянда, ки аз ҷониби энергияи гидроген сохта шудааст
Ниҳоят, биёед нақши гидрогенро дар ҷомеа баррасӣ кунем.
Муҳимтар аз ҳама, мо мехоҳем ҷомеаи бе карбонро тарғиб кунем, мо гидрогенро барои истеҳсоли нерӯи барқ ба ҷои энергияи гармӣ истифода мебарем.
Ба ҷои нерӯгоҳҳои калони гармидиҳӣ, баъзе хонаводаҳо системаҳоеро ба монанди ENE-FARM ҷорӣ кардаанд, ки гидрогени ҳосилшударо тавассути ислоҳоти гази табиӣ барои тавлиди нерӯи барқи зарурӣ истифода мебаранд. Аммо, саволи он ки бо маҳсулоти иловагии раванди ислоҳот чӣ кор кардан лозим аст, боқӣ мемонад.
Дар оянда, агар гардиши худи гидроген афзоиш ёбад, масалан, шумораи истгоҳҳои пуркунии сӯзишвории гидроген зиёд шавад, истифодаи нерӯи барқ бе партоби гази карбон имконпазир хоҳад буд. Албатта, нерӯи барқ гидрогени сабзро ба вуҷуд меорад, аз ин рӯ он нерӯи барқеро, ки аз нури офтоб ё шамол тавлид мешавад, истифода мебарад. Қуввае, ки барои электролиз истифода мешавад, бояд қувваи кам кардани миқдори истеҳсоли нерӯи барқ ё пур кардани батареяи барқгиранда ҳангоми мавҷуд будани нерӯи барқи зиёдатӣ аз энергияи табиӣ бошад. Ба ибораи дигар, гидроген дар ҳамон мавқеъ бо батареяи барқгиранда қарор дорад. Агар ин рӯй диҳад, дар ниҳоят имконпазир хоҳад буд, ки истеҳсоли нерӯи гармӣ кам карда шавад. Рӯзе, ки муҳаррики дарунсӯз аз мошинҳо нопадид мешавад, зуд наздик мешавад.
Гидрогенро инчунин тавассути роҳи дигар ба даст овардан мумкин аст. Дар асл, гидроген то ҳол маҳсули иловагии истеҳсоли содаи каустикӣ мебошад. Дар баробари дигар чизҳо, он маҳсули иловагии истеҳсоли кокс дар оҳансозӣ мебошад. Агар шумо ин гидрогенро дар тақсимот ҷойгир кунед, шумо метавонед манбаъҳои гуногунро ба даст оред. Гази гидроген, ки бо ин роҳ истеҳсол мешавад, инчунин аз ҷониби истгоҳҳои гидроген таъмин карда мешавад.
Биёед ба оянда назар андозем. Миқдори энергияи аз даст рафта низ бо усули интиқол, ки барои таъмини барқ аз симҳо истифода мебарад, мушкил аст. Аз ин рӯ, дар оянда мо гидрогенеро, ки тавассути қубурҳо интиқол дода мешавад, мисли зарфҳои кислотаи карбон, ки ҳангоми тайёр кардани нӯшокиҳои газдор истифода мешаванд, истифода хоҳем бурд ва дар хона зарфи гидроген мехарем, то барои ҳар як хонавода нерӯи барқ истеҳсол кунад. Дастгоҳҳои мобилӣ, ки бо батареяҳои гидроген кор мекунанд, маъмул гашта истодаанд. Дидани чунин оянда ҷолиб хоҳад буд.
Вақти нашр: 08 июни соли 2023
