על מימן אנרגיה מהדור הבא

נציג את "מימן", הדור הבא של אנרגיה שהוא ניטרלי פחמן. המימן מתחלק לשלושה סוגים: "מימן ירוק", "מימן כחול" ו"מימן אפור", שלכל אחד מהם שיטת ייצור שונה. כמו כן, נסביר כל שיטת ייצור, תכונות פיזיקליות כאלמנטים, שיטות אחסון/הובלה ושיטות שימוש. ואני גם אציג מדוע זה מקור האנרגיה הדומיננטי של הדור הבא.

אלקטרוליזה של מים לייצור מימן ירוק

כשמשתמשים במימן, בכל מקרה חשוב "לייצר מימן". הדרך הקלה ביותר היא "אלקטרוליזת מים". אולי עשית מדעים בבית הספר היסודי. מלאו את הכוס במים ואלקטרודות במים. כאשר סוללה מחוברת לאלקטרודות ומופעלת, התגובות הבאות מתרחשות במים ובכל אלקטרודה.
בקתודה, H+ ואלקטרונים מתחברים לייצור גז מימן, בעוד שהאנודה מייצרת חמצן. ובכל זאת, גישה זו מתאימה לניסויים מדעיים בבתי ספר, אבל כדי לייצר מימן באופן תעשייתי, יש להכין מנגנונים יעילים המתאימים לייצור בקנה מידה גדול. כלומר "אלקטרוליזה של קרום אלקטרוליט פולימרי (PEM)".
בשיטה זו, ממברנה חצי חדירה של פולימר המאפשרת מעבר של יוני מימן מוצמדת בין האנודה לקתודה. כאשר מים מוזגים לאנודה של המכשיר, יוני מימן המיוצרים באלקטרוליזה עוברים דרך קרום חדיר למחצה אל הקתודה, שם הם הופכים למימן מולקולרי. מצד שני, יוני חמצן אינם יכולים לעבור דרך הממברנה החדירה למחצה ולהפוך למולקולות חמצן באנודה.
גם באלקטרוליזה של מים אלקליין, אתה יוצר מימן וחמצן על ידי הפרדת האנודה והקתודה דרך מפריד שדרכו רק יוני הידרוקסיד יכולים לעבור. בנוסף, קיימות שיטות תעשייתיות כמו אלקטרוליזה בקיטור בטמפרטורה גבוהה.
על ידי ביצוע תהליכים אלו בקנה מידה גדול, ניתן להשיג כמויות גדולות של מימן. בתהליך נוצרת גם כמות משמעותית של חמצן (מחצית מנפח המימן המיוצר), כך שלא תהיה לו השפעה סביבתית לרעה אם ישוחרר לאטמוספירה. עם זאת, אלקטרוליזה דורשת חשמל רב, ולכן ניתן לייצר מימן נטול פחמן אם הוא מיוצר בחשמל שאינו משתמש בדלקים מאובנים, כגון טורבינות רוח ופאנלים סולאריים.
אתה יכול לקבל "מימן ירוק" על ידי אלקטרוליזה של מים באמצעות אנרגיה נקייה.

ישנו גם מחולל מימן לייצור בקנה מידה גדול של מימן ירוק זה. על ידי שימוש ב-PEM בקטע האלקטרוליזר, ניתן לייצר מימן ברציפות.

מימן כחול עשוי מדלקים מאובנים

אז מהן דרכים אחרות לייצר מימן? מימן קיים בדלקים מאובנים כמו גז טבעי ופחם כחומרים שאינם מים. לדוגמה, שקול מתאן (CH4), המרכיב העיקרי של הגז הטבעי. יש כאן ארבעה אטומי מימן. אתה יכול להשיג מימן על ידי הוצאת מימן זה החוצה.
אחד מהם הוא תהליך שנקרא "רפורמת מתאן בקיטור" המשתמש בקיטור. הנוסחה הכימית של שיטה זו היא כדלקמן.
כפי שאתה יכול לראות, ניתן להפיק פחמן חד חמצני ומימן ממולקולת מתאן אחת.
בדרך זו ניתן לייצר מימן באמצעות תהליכים כמו "רפורמת קיטור" ו"פירוליזה" של גז טבעי ופחם. "מימן כחול" מתייחס למימן המיוצר בדרך זו.
במקרה זה, לעומת זאת, פחמן חד חמצני ופחמן דו חמצני מיוצרים כתוצרי לוואי. אז אתה צריך למחזר אותם לפני שהם משתחררים לאטמוספירה. תוצר הלוואי הפחמן הדו חמצני, אם לא מוחזר, הופך לגז מימן, המכונה "מימן אפור".

איזה סוג יסוד הוא מימן?

למימן יש מספר אטומי של 1 והוא היסוד הראשון בטבלה המחזורית.
מספר האטומים הוא הגדול ביותר ביקום, ומהווה כ-90% מכלל היסודות ביקום. האטום הקטן ביותר המורכב מפרוטון ואלקטרון הוא אטום המימן.
למימן שני איזוטופים עם נויטרונים מחוברים לגרעין. "דויטריום" אחד קשור בניוטרונים ושני "טריטיום" הקשורים לנייטרונים. אלו הם גם חומרים לייצור כוח היתוך.
בתוך כוכב כמו השמש מתרחש היתוך גרעיני ממימן להליום, שהוא מקור האנרגיה לכוכב להאיר.
עם זאת, מימן קיים רק לעתים רחוקות כגז על פני כדור הארץ. מימן יוצר תרכובות עם יסודות אחרים כמו מים, מתאן, אמוניה ואתנול. מאחר שמימן הוא יסוד קל, ככל שהטמפרטורה עולה, מהירות התנועה של מולקולות המימן עולה, ובורחת מכוח המשיכה של כדור הארץ לחלל החיצון.

כיצד להשתמש במימן? שימוש על ידי בעירה

אז איך משתמשים ב"מימן", שמשך תשומת לב עולמית כמקור אנרגיה מהדור הבא? הוא משמש בשתי דרכים עיקריות: "בעירה" ו"תא דלק". נתחיל עם השימוש ב"צריבה".
ישנם שני סוגים עיקריים של בעירה בשימוש.
הראשון הוא כדלק רקטי. רקטת H-IIA של יפן משתמשת בגז מימן "מימן נוזלי" ו"חמצן נוזלי" שנמצא גם הוא במצב קריוגני כדלק. שני אלה משולבים, ואנרגיית החום שנוצרת באותו זמן מאיצה את הזרקת מולקולות המים שנוצרות, שטסות לחלל. עם זאת, מכיוון שמדובר במנוע קשה מבחינה טכנית, מלבד יפן, רק ארצות הברית, אירופה, רוסיה, סין והודו שילבו בהצלחה את הדלק הזה.
השני הוא ייצור חשמל. ייצור חשמל בטורבינת גז משתמש גם בשיטה של ​​שילוב מימן וחמצן להפקת אנרגיה. במילים אחרות, זו שיטה שבוחנת את האנרגיה התרמית שמייצר מימן. בתחנות כוח תרמיות, החום משריפת פחם, נפט וגז טבעי מייצר קיטור המניע טורבינות. אם מימן משמש כמקור חום, תחנת הכוח תהיה ניטרלית פחמן.

כיצד להשתמש במימן? משמש כתא דלק

דרך נוספת להשתמש במימן היא כתא דלק, הממיר מימן ישירות לחשמל. במיוחד, טויוטה משכה את תשומת הלב ביפן על ידי הצגת כלי רכב מונעי מימן במקום רכבים חשמליים (EVs) כחלופה לרכבי בנזין כחלק מאמצעי הנגד שלה להתחממות כדור הארץ.
באופן ספציפי, אנו עושים 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 אותו כי הוא אינו מטיל עומס על הסביבה. מצד שני, לשיטה זו נצילות ייצור חשמל נמוכה יחסית של 30-40%, ודורשת פלטינה כזרז, ובכך מצריכה עלויות מוגברות.
נכון לעכשיו, אנו משתמשים בתאי דלק אלקטרוליטים פולימריים (PEFC) ובתאי דלק של חומצה זרחתית (PAFC). בפרט, רכבי תאי דלק משתמשים ב-PEFC, כך שניתן לצפות שהוא יתפשט בעתיד.

האם אחסון והובלה של מימן בטוחים?

עד עכשיו, אנחנו חושבים שאתה מבין איך גז מימן נוצר ומשתמשים בו. אז איך מאחסנים את המימן הזה? איך משיגים אותו לאן שצריך? מה עם האבטחה באותו זמן? אנחנו נסביר.
למעשה, מימן הוא גם יסוד מסוכן מאוד. בתחילת המאה ה-20, השתמשנו במימן כגז להרחפת בלונים, בלונים וספינות אוויר בשמיים מכיוון שהוא היה קל מאוד. עם זאת, ב-6 במאי 1937, בניו ג'רזי, ארה"ב, התרחש "הפיצוץ של ספינת האוויר הינדנבורג".
מאז התאונה, הוכרה רווחה שגז מימן מסוכן. במיוחד כאשר הוא עולה באש, הוא יתפוצץ בעוצמה עם חמצן. לכן, "להרחיק מחמצן" או "להרחיק מחום" זה חיוני.
לאחר נקיטת אמצעים אלה, הגענו לשיטת משלוח.
מימן הוא גז בטמפרטורת החדר, אז למרות שהוא עדיין גז, הוא מאוד מגושם. השיטה הראשונה היא הפעלת לחץ גבוה ודחיסה כמו גליל בעת הכנת משקאות מוגזים. הכן מיכל מיוחד בלחץ גבוה ואחסן אותו בתנאי לחץ גבוה כגון 45Mpa.
טויוטה, המפתחת רכבי תאי דלק (FCV), מפתחת מיכל מימן בלחץ גבוה שרף שיכול לעמוד בלחץ של 70 MPa.
שיטה נוספת היא לקרר ל-253 מעלות צלזיוס להכנת מימן נוזלי, ולאחסן ולהוביל אותו במיכלים מיוחדים מבודדי חום. כמו LNG (גז טבעי נוזלי) כאשר גז טבעי מיובא מחו"ל, מימן עובר נוזלי במהלך ההובלה, ומפחית את נפחו ל-1/800 ממצבו הגזי. בשנת 2020, השלמנו את נושא המימן הנוזלי הראשון בעולם. עם זאת, גישה זו אינה מתאימה לרכבי תאי דלק מכיוון שהיא דורשת אנרגיה רבה לקירור.
יש שיטת אחסון ושילוח במיכלים כמו זה, אבל אנחנו מפתחים גם שיטות אחרות לאחסון מימן.
שיטת האחסון היא שימוש בסגסוגות אחסון מימן. למימן יש את התכונה לחדור למתכות ולהדרדר אותן. זהו טיפ לפיתוח שפותח בארצות הברית בשנות ה-60. JJ Reilly et al. 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 בכך שהיא יכולה למנוע תאונות דליפת מימן (בעיקר תאונות פיצוץ). לכן, ניתן לאחסן ולהעביר אותו בבטחה. עם זאת, אם אתה לא זהיר ומשאיר אותו בסביבה הלא נכונה, סגסוגות אחסון מימן יכולות לשחרר גז מימן לאורך זמן. ובכן, אפילו ניצוץ קטן יכול לגרום לתאונת פיצוץ, אז היזהר.
יש לו גם חסרון שספיגה חוזרת ונשנית של מימן מובילה להתפרקות ומפחיתה את קצב ספיגת המימן.
השני הוא להשתמש בצינורות. יש תנאי שהוא חייב להיות לא דחוס ובלחץ נמוך כדי למנוע התפרקות של הצינורות, אך היתרון הוא שניתן להשתמש בצינורות גז קיימים. טוקיו גז ביצעה עבודות בנייה ב-Harumi FLAG, תוך שימוש בצינורות גז עירוניים כדי לספק מימן לתאי דלק.

חברה עתידית נוצרה על ידי מימן אנרגית

לבסוף, בואו נבחן את התפקיד המימן יכול למלא בחברה.
חשוב מכך, אנו רוצים לקדם חברה נטולת פחמן, אנו משתמשים במימן להפקת חשמל במקום כאנרגיית חום.
במקום תחנות כוח תרמיות גדולות, כמה משקי בית הציגו מערכות כמו ENE-FARM, המשתמשות במימן המתקבל על ידי רפורמה בגז טבעי כדי לייצר את החשמל הנדרש. עם זאת, נותרה השאלה מה לעשות עם תוצרי הלוואי של תהליך הרפורמה.

בעתיד, אם תגדל מחזור המימן עצמו, כמו הגדלת מספר תחנות התדלוק במימן, ניתן יהיה להשתמש בחשמל ללא פליטת פחמן דו חמצני. חשמל מייצר מימן ירוק, כמובן, ולכן הוא משתמש בחשמל המופק מאור השמש או הרוח. הכוח המשמש לאלקטרוליזה צריך להיות הכוח לדכא את כמות ייצור החשמל או לטעינת הסוללה הנטענת כאשר יש עודפי 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 נעלם ממכוניות מתקרב בצעדי ענק.

ניתן להשיג מימן גם דרך מסלול אחר. למעשה, מימן הוא עדיין תוצר לוואי של ייצור סודה קאוסטית. בין היתר, הוא תוצר לוואי של ייצור קולה בייצור ברזל. אם תשים מימן זה בהפצה, תוכל להשיג מספר מקורות. גז מימן המופק בדרך זו מסופק גם מתחנות מימן.

בואו נסתכל הלאה אל העתיד. כמות האנרגיה שאבדה היא גם בעיה בשיטת השידור המשתמשת בחוטים כדי לספק חשמל. לכן, בעתיד, נשתמש במימן המועבר בצינורות, בדיוק כמו מיכלי החומצה הפחמנית המשמשים לייצור משקאות מוגזים, ונקנה מיכל מימן בבית להפקת חשמל לכל משק בית. מכשירים ניידים הפועלים על סוללות מימן הופכים לדבר שבשגרה. יהיה מעניין לראות עתיד כזה.