אודות מימן אנרגטי מהדור הבא

נציג את "מימן", הדור הבא של אנרגיה ניטרלית מבחינת פחמן. מימן מחולק לשלושה סוגים: "מימן ירוק", "מימן כחול" ו"מימן אפור", שלכל אחד מהם שיטת ייצור שונה. נסביר גם כל שיטת ייצור, תכונות פיזיקליות כיסודות, שיטות אחסון/הובלה ושיטות שימוש. וגם אציג מדוע זהו מקור האנרגיה הדומיננטי של הדור הבא.

אלקטרוליזה של מים לייצור מימן ירוק

כשמשתמשים במימן, חשוב "לייצר מימן" בכל מקרה. הדרך הקלה ביותר היא "לאלקטרוליז מים". אולי עשיתם זאת במדעים בבית הספר היסודי. מלאו את הכוס במים ואת האלקטרודות במים. כאשר סוללה מחוברת לאלקטרודות ומפעילה אותן, התגובות הבאות מתרחשות במים ובכל אלקטרודה.
בקתודה, H+ ואלקטרונים משתלבים יחד כדי לייצר גז מימן, בעוד שהאנודה מייצרת חמצן. גישה זו עדיין מתאימה לניסויים מדעיים בבתי ספר, אך כדי לייצר מימן באופן תעשייתי, יש להכין מנגנונים יעילים המתאימים לייצור בקנה מידה גדול. זוהי "אלקטרוליזה של ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM)".
בשיטה זו, קרום פולימרי חדיר למחצה המאפשר מעבר של יוני מימן מונח בין אנודה לקתודה. כאשר מים נשפכים לתוך האנודה של המכשיר, יוני מימן המיוצרים על ידי אלקטרוליזה עוברים דרך קרום חדיר למחצה לקתודה, שם הם הופכים למימן מולקולרי. מצד שני, יוני חמצן אינם יכולים לעבור דרך הקרום החדיר למחצה ולהפוך למולקולות חמצן באנודה.
גם באלקטרוליזה של מים אלקליים, יוצרים מימן וחמצן על ידי הפרדת האנודה והקתודה דרך מפריד שדרכו יכולים לעבור רק יוני הידרוקסיד. בנוסף, ישנן שיטות תעשייתיות כמו אלקטרוליזה של קיטור בטמפרטורה גבוהה.
על ידי ביצוע תהליכים אלה בקנה מידה גדול, ניתן להשיג כמויות גדולות של מימן. בתהליך, מופקת גם כמות משמעותית של חמצן (מחצית מנפח המימן המיוצר), כך שלא תהיה לו השפעה סביבתית שלילית אם ישתחרר לאטמוספרה. עם זאת, אלקטרוליזה דורשת הרבה חשמל, ולכן ניתן לייצר מימן נטול פחמן אם הוא מופק בחשמל שאינו משתמש בדלקים מאובנים, כגון טורבינות רוח ופאנלים סולאריים.
ניתן להשיג "מימן ירוק" על ידי אלקטרוליזה של מים באמצעות אנרגיה נקייה.

ישנו גם גנרטור מימן לייצור בקנה מידה גדול של מימן ירוק זה. באמצעות PEM במקטע האלקטרוליזר, ניתן לייצר מימן באופן רציף.

מימן כחול עשוי מדלקים מאובנים

אז, מהן דרכים נוספות לייצר מימן? מימן קיים בדלקים מאובנים כמו גז טבעי ופחם כחומרים שאינם מים. לדוגמה, קחו בחשבון את מתאן (CH4), המרכיב העיקרי של גז טבעי. ישנם כאן ארבעה אטומי מימן. ניתן לקבל מימן על ידי הוצאת המימן הזה.
אחד מהם הוא תהליך הנקרא "רפורמינג של מתאן בקיטור" המשתמש בקיטור. הנוסחה הכימית של שיטה זו היא כדלקמן.
כפי שניתן לראות, ניתן להפיק פחמן חד-חמצני ומימן ממולקולת מתאן אחת.
בדרך זו, ניתן לייצר מימן באמצעות תהליכים כגון "רפורמינג בקיטור" ו"פירוליזה" של גז טבעי ופחם. "מימן כחול" מתייחס למימן המיוצר בדרך זו.
במקרה זה, לעומת זאת, פחמן חד-חמצני ופחמן דו-חמצני נוצרים כתוצרי לוואי. לכן יש למחזר אותם לפני שהם משתחררים לאטמוספרה. תוצר הלוואי של פחמן דו-חמצני, אם לא ממוחזר, הופך לגז מימן, המכונה "מימן אפור".

איזה סוג של יסוד הוא מימן?

למימן יש מספר אטומי של 1 והוא היסוד הראשון בטבלה המחזורית.
מספר האטומים הוא הגדול ביותר ביקום, והוא מהווה כ-90% מכלל היסודות ביקום. האטום הקטן ביותר המורכב מפרוטון ואלקטרון הוא אטום המימן.
למימן שני איזוטופים עם נויטרונים המחוברים לגרעין. אחד הקשור לניוטרונים "דאוטריום" ושניים הקשורים לניוטרונים "טריטיום". אלו גם חומרים לייצור אנרגיה מהיתוך.
בתוך כוכב כמו השמש, מתרחש היתוך גרעיני ממימן להליום, שהוא מקור האנרגיה של הכוכב כדי לזרוח.
עם זאת, מימן כמעט ולא קיים כגז על פני כדור הארץ. מימן יוצר תרכובות עם יסודות אחרים כמו מים, מתאן, אמוניה ואתנול. מכיוון שמימן הוא יסוד קל, ככל שהטמפרטורה עולה, מהירות התנועה של מולקולות המימן עולה, והן בורחות מכוח המשיכה של כדור הארץ לחלל החיצון.

כיצד להשתמש במימן? שימוש באמצעות בעירה

אז, כיצד משמש ה"מימן", שמשך תשומת לב עולמית כמקור אנרגיה מהדור הבא? הוא משמש בשתי דרכים עיקריות: "בעירה" ו"תא דלק". נתחיל בשימוש ב"שריפה".
ישנם שני סוגים עיקריים של בעירה המשמשים.
הראשון הוא כדלק רקטי. טיל H-IIA של יפן משתמש בגז מימן "מימן נוזלי" ו"חמצן נוזלי" שגם הוא במצב קריוגני כדלק. שני אלה משולבים, ואנרגיית החום הנוצרת באותו זמן מאיצה את הזרקת מולקולות המים הנוצרות, והן טסות לחלל. עם זאת, מכיוון שמדובר במנוע מורכב מבחינה טכנית, מלבד יפן, רק ארצות הברית, אירופה, רוסיה, סין והודו שילבו בהצלחה דלק זה.
השני הוא ייצור חשמל. ייצור חשמל באמצעות טורבינות גז משתמש גם הוא בשיטה של ​​שילוב מימן וחמצן כדי לייצר אנרגיה. במילים אחרות, זוהי שיטה שבוחנת את האנרגיה התרמית המופקת על ידי מימן. בתחנות כוח תרמיות, החום משריפת פחם, נפט וגז טבעי מייצר קיטור המניע טורבינות. אם מימן משמש כמקור חום, תחנת הכוח תהיה ניטרלית פליטת פחמן.

כיצד להשתמש במימן? משמש כתא דלק

דרך נוספת להשתמש במימן היא כתא דלק, אשר ממיר מימן ישירות לחשמל. בפרט, טויוטה משכה תשומת לב ביפן על ידי הצגת כלי רכב המונעים במימן במקום כלי רכב חשמליים (EVs) כחלופה לרכבי בנזין כחלק מפעולותיה נגד ההתחממות הגלובלית.
באופן ספציפי, אנו מבצעים את ההליך ההפוך כאשר אנו מציגים את שיטת הייצור של "מימן ירוק". הנוסחה הכימית היא כדלקמן.
מימן יכול לייצר מים (מים חמים או קיטור) תוך כדי ייצור חשמל, וניתן להעריך זאת משום שאינו מטיל עומס על הסביבה. מצד שני, לשיטה זו יעילות ייצור חשמל נמוכה יחסית של 30-40%, והיא דורשת פלטינה כזרז, ולכן עלויותיה מוגברות.
כיום, אנו משתמשים בתאי דלק אלקטרוליטים פולימריים (PEFC) ובתאי דלק חומצה זרחתית (PAFC). בפרט, כלי רכב המבוססים על תאי דלק משתמשים ב-PEFC, כך שניתן לצפות להתפשטותו בעתיד.

האם אחסון והובלת מימן בטוחים?

אנחנו חושבים שאתם מבינים עכשיו איך מייצרים ומשתמשים בגז מימן. אז איך מאחסנים את המימן הזה? איך מביאים אותו לאן שצריך אותו? מה לגבי אבטחה באותו זמן? נסביר.
למעשה, מימן הוא גם יסוד מסוכן מאוד. בתחילת המאה ה-20, השתמשנו במימן כגז כדי להרחיף בלונים, כדורים פורחים וספינות אוויר בשמיים מכיוון שהיה קל מאוד. עם זאת, ב-6 במאי 1937, בניו ג'רזי, ארה"ב, התרחש "פיצוץ ספינת האוויר הינדנבורג".
מאז התאונה, הוכר באופן נרחב כי גז מימן מסוכן. במיוחד כאשר הוא עולה באש, הוא יתפוצץ באלימות יחד עם חמצן. לכן, "הרחק מחמצן" או "הרחק מחום" חיוני.
לאחר שנקטנו בצעדים אלה, הגענו לשיטת משלוח.
מימן הוא גז בטמפרטורת החדר, כך שלמרות שהוא עדיין גז, הוא מאוד מגושם. השיטה הראשונה היא להפעיל לחץ גבוה ולדחוס אותו כמו גליל בעת הכנת משקאות מוגזים. הכינו מיכל מיוחד ללחץ גבוה ואחסנו אותו בתנאי לחץ גבוהים כמו 45 מגה פסקל.
טויוטה, המפתחת כלי רכב עם תאי דלק (FCV), מפתחת מיכל מימן בלחץ גבוה משרף שיכול לעמוד בלחץ של 70 מגה פסקל.
שיטה נוספת היא קירור ל-253- מעלות צלזיוס כדי לייצר מימן נוזלי, ולאחסן ולהעביר אותו במיכלים מיוחדים מבודדים בחום. בדומה ל-LNG (גז טבעי נוזלי), כאשר גז טבעי מיובא מחו"ל, מימן הופך נוזלי במהלך ההובלה, מה שמפחית את נפחו ל-1/800 ממצבו הגזי. בשנת 2020 השלמנו את נושא המימן הנוזלי הראשון בעולם. עם זאת, גישה זו אינה מתאימה לרכבים המופעלים באמצעות תאי דלק מכיוון שהיא דורשת אנרגיה רבה לקירור.
ישנה שיטה לאחסון ומשלוח במיכלים כאלה, אך אנו מפתחים גם שיטות אחרות לאחסון מימן.
שיטת האחסון היא שימוש בסגסוגות לאגירת מימן. למימן יש את התכונה של חדירת מתכות ופגיעה בהן. זוהי טיפ פיתוח שפותח בארצות הברית בשנות ה-60. ג'יי ג'יי ריילי ואחרים. ניסויים הראו שניתן לאחסן ולשחרר מימן באמצעות סגסוגת של מגנזיום ונדיום.
לאחר מכן, הוא פיתח בהצלחה חומר, כמו פלדיום, שיכול לספוג מימן פי 935 מנפחו.
היתרון בשימוש בסגסוגת זו הוא שהיא יכולה למנוע תאונות של דליפת מימן (בעיקר תאונות פיצוץ). לכן, ניתן לאחסן ולהעביר אותה בבטחה. עם זאת, אם לא נזהרים ומשאירים אותה בסביבה הלא נכונה, סגסוגות אחסון מימן יכולות לשחרר גז מימן לאורך זמן. ובכן, אפילו ניצוץ קטן יכול לגרום לתאונת פיצוץ, לכן יש להיזהר.
יש לו גם את החיסרון שספיגה ודסורציה חוזרות ונשנות של מימן מובילות לשבריריות ומפחיתות את קצב ספיגת המימן.
השני הוא להשתמש בצינורות. יש תנאי שהוא חייב להיות לא דחוס ובלחץ נמוך כדי למנוע שבירות של הצינורות, אבל היתרון הוא שניתן להשתמש בצינורות גז קיימים. חברת Tokyo Gas ביצעה עבודות בנייה על Harumi FLAG, תוך שימוש בצינורות גז עירוניים כדי לספק מימן לתאי דלק.

חברת העתיד נוצרה על ידי אנרגיית מימן

לבסוף, בואו נבחן את התפקיד שיכול למלא מימן בחברה.
וחשוב מכך, אנו רוצים לקדם חברה נטולת פחמן, אנו משתמשים במימן לייצור חשמל במקום כאנרגיית חום.
במקום תחנות כוח תרמיות גדולות, חלק ממשקי הבית הציגו מערכות כמו ENE-FARM, המשתמשות במימן המתקבל מרפורמציה של גז טבעי כדי לייצר את החשמל הנדרש. עם זאת, השאלה מה לעשות עם תוצרי הלוואי של תהליך הרפורמציה נותרת בעינה.

בעתיד, אם זרימת המימן עצמה תגדל, כמו הגדלת מספר תחנות התדלוק של מימן, ניתן יהיה להשתמש בחשמל מבלי לפלוט פחמן דו-חמצני. חשמל מייצר מימן ירוק, כמובן, ולכן הוא משתמש בחשמל המופק מאור שמש או רוח. הכוח המשמש לאלקטרוליזה צריך להיות הכוח לדיכוי כמות ייצור החשמל או לטעינת הסוללה הנטענת כאשר יש עודף חשמל מאנרגיה טבעית. במילים אחרות, המימן נמצא באותו מיקום כמו הסוללה הנטענת. אם זה יקרה, בסופו של דבר ניתן יהיה להפחית את ייצור החשמל התרמי. היום שבו מנוע הבעירה הפנימית ייעלם ממכוניות מתקרב במהירות.

ניתן להשיג מימן גם בדרך אחרת. למעשה, מימן הוא עדיין תוצר לוואי של ייצור סודה קאוסטית. בין היתר, זהו תוצר לוואי של ייצור קוק בתעשיית הברזל. אם תכניסו את המימן הזה לחלוקה, תוכלו לקבל מקורות מרובים. גז מימן המיוצר בדרך זו מסופק גם על ידי תחנות מימן.

בואו נסתכל לעומק אל העתיד. כמות האנרגיה שאובדת היא גם בעיה בשיטת ההולכה המשתמשת בחוטים לאספקת חשמל. לכן, בעתיד נשתמש במימן המסופק בצינורות, בדיוק כמו מיכלי חומצה פחמתית המשמשים לייצור משקאות מוגזים, ונקנה מיכל מימן בבית כדי לייצר חשמל לכל משק בית. מכשירים ניידים הפועלים על סוללות מימן הופכים לנפוצים. יהיה מעניין לראות עתיד כזה.