Byddwn yn cyflwyno “hydrogen”, y genhedlaeth nesaf o ynni sy'n garbon niwtral. Rhennir hydrogen yn dri math: “hydrogen gwyrdd”, “hydrogen glas” a “hydrogen llwyd”, ac mae gan bob un ohonynt ddull cynhyrchu gwahanol. Byddwn hefyd yn esbonio pob dull gweithgynhyrchu, priodweddau ffisegol fel elfennau, dulliau storio/cludo, a dulliau defnyddio. A byddaf hefyd yn cyflwyno pam mai hon yw prif ffynhonnell ynni'r genhedlaeth nesaf.
Electrolysis Dŵr i Gynhyrchu Hydrogen Gwyrdd
Wrth ddefnyddio hydrogen, mae'n bwysig "cynhyrchu hydrogen" beth bynnag. Y ffordd hawsaf yw "electrolyze dŵr". Efallai y gwnaethoch chi mewn gwyddoniaeth ysgol radd. Llenwch y bicer â dŵr ac electrodau mewn dŵr. Pan fydd batri wedi'i gysylltu â'r electrodau a'i egni, mae'r adweithiau canlynol yn digwydd yn y dŵr ac ym mhob electrod.
Yn y catod, mae H+ ac electronau yn cyfuno i gynhyrchu nwy hydrogen, tra bod yr anod yn cynhyrchu ocsigen. Er hynny, mae'r dull hwn yn iawn ar gyfer arbrofion gwyddoniaeth ysgol, ond i gynhyrchu hydrogen yn ddiwydiannol, rhaid paratoi mecanweithiau effeithlon sy'n addas ar gyfer cynhyrchu ar raddfa fawr. Hynny yw “electrolysis polymer electrolyte pilen (PEM)”.
Yn y dull hwn, mae pilen lled-athraidd bolymer sy'n caniatáu i ïonau hydrogen deithiol yn cael ei rhyngosod rhwng anod a catod. Pan fydd dŵr yn cael ei arllwys i anod y ddyfais, mae ïonau hydrogen a gynhyrchir gan electrolysis yn symud trwy bilen lled-hydraidd i'r catod, lle maent yn dod yn hydrogen moleciwlaidd. Ar y llaw arall, ni all ïonau ocsigen basio drwy'r bilen lled-hydraidd a dod yn foleciwlau ocsigen yn yr anod.
Hefyd mewn electrolysis dŵr alcalïaidd, rydych chi'n creu hydrogen ac ocsigen trwy wahanu'r anod a'r catod trwy wahanydd y gall dim ond ïonau hydrocsid basio trwyddo. Yn ogystal, mae yna ddulliau diwydiannol megis electrolysis stêm tymheredd uchel.
Trwy berfformio'r prosesau hyn ar raddfa fawr, gellir cael symiau mawr o hydrogen. Yn y broses, mae swm sylweddol o ocsigen hefyd yn cael ei gynhyrchu (hanner cyfaint yr hydrogen a gynhyrchir), fel na fyddai'n cael unrhyw effaith amgylcheddol andwyol pe bai'n cael ei ryddhau i'r atmosffer. Fodd bynnag, mae angen llawer o drydan ar gyfer electrolysis, felly gellir cynhyrchu hydrogen di-garbon os caiff ei gynhyrchu â thrydan nad yw'n defnyddio tanwyddau ffosil, megis tyrbinau gwynt a phaneli solar.
Gallwch chi gael “hydrogen gwyrdd” trwy electroleiddio dŵr gan ddefnyddio ynni glân.
Mae yna hefyd generadur hydrogen ar gyfer cynhyrchu'r hydrogen gwyrdd hwn ar raddfa fawr. Trwy ddefnyddio PEM yn yr adran electrolyzer, gellir cynhyrchu hydrogen yn barhaus.
Hydrogen Glas Wedi'i Wneud o Danwyddau Ffosil
Felly, beth yw ffyrdd eraill o wneud hydrogen? Mae hydrogen yn bodoli mewn tanwyddau ffosil fel nwy naturiol a glo fel sylweddau heblaw dŵr. Er enghraifft, ystyriwch fethan (CH4), prif gydran nwy naturiol. Mae pedwar atom hydrogen yma. Gallwch gael hydrogen trwy dynnu'r hydrogen hwn allan.
Un o'r rhain yw proses a elwir yn “ddiwygio methan stêm” sy'n defnyddio stêm. Mae fformiwla gemegol y dull hwn fel a ganlyn.
Fel y gwelwch, gellir echdynnu carbon monocsid a hydrogen o un moleciwl methan.
Yn y modd hwn, gellir cynhyrchu hydrogen trwy brosesau fel “diwygio stêm” a “phyrolysis” nwy naturiol a glo. Mae “hydrogen glas” yn cyfeirio at hydrogen a gynhyrchir yn y modd hwn.
Yn yr achos hwn, fodd bynnag, cynhyrchir carbon monocsid a charbon deuocsid fel sgil-gynhyrchion. Felly mae'n rhaid i chi eu hailgylchu cyn iddynt gael eu rhyddhau i'r atmosffer. Mae’r sgil-gynnyrch carbon deuocsid, os na chaiff ei adennill, yn dod yn nwy hydrogen, a elwir yn “hydrogen llwyd”.
Pa Fath o Elfen Yw Hydrogen?
Mae gan hydrogen rif atomig o 1 a dyma'r elfen gyntaf ar y tabl cyfnodol.
Nifer yr atomau yw'r mwyaf yn y bydysawd, gan gyfrif am tua 90% o'r holl elfennau yn y bydysawd. Yr atom lleiaf sy'n cynnwys proton ac electron yw'r atom hydrogen.
Mae gan hydrogen ddau isotop gyda niwtronau ynghlwm wrth y niwclews. Un “deuterium” â bond niwtron a dau “tritiwm” â bond niwtron. Mae'r rhain hefyd yn ddeunyddiau ar gyfer cynhyrchu pŵer ymasiad.
Y tu mewn i seren fel yr haul, mae ymasiad niwclear o hydrogen i heliwm yn digwydd, sef y ffynhonnell egni i'r seren ddisgleirio.
Fodd bynnag, anaml y mae hydrogen yn bodoli fel nwy ar y Ddaear. Mae hydrogen yn ffurfio cyfansoddion ag elfennau eraill fel dŵr, methan, amonia ac ethanol. Gan fod hydrogen yn elfen ysgafn, wrth i'r tymheredd godi, mae cyflymder symud moleciwlau hydrogen yn cynyddu, ac yn dianc o ddisgyrchiant y ddaear i'r gofod allanol.
Sut i Ddefnyddio Hydrogen? Defnydd trwy Hylosgi
Yna, sut mae “hydrogen”, sydd wedi denu sylw byd-eang fel ffynhonnell ynni cenhedlaeth nesaf, yn cael ei ddefnyddio? Fe'i defnyddir mewn dwy brif ffordd: “hylosgi” a “gell tanwydd”. Gadewch i ni ddechrau gyda'r defnydd o "llosgi".
Defnyddir dau brif fath o hylosgi.
Mae'r cyntaf fel tanwydd roced. Mae roced H-IIA Japan yn defnyddio nwy hydrogen “hydrogen hylif” ac “ocsigen hylifol” sydd hefyd mewn cyflwr cryogenig fel tanwydd. Mae'r ddau hyn yn cael eu cyfuno, ac mae'r ynni gwres a gynhyrchir ar y pryd yn cyflymu chwistrelliad y moleciwlau dŵr a gynhyrchir, gan hedfan i'r gofod. Fodd bynnag, oherwydd ei fod yn injan dechnegol anodd, ac eithrio Japan, dim ond yr Unol Daleithiau, Ewrop, Rwsia, Tsieina ac India sydd wedi cyfuno'r tanwydd hwn yn llwyddiannus.
Yr ail yw cynhyrchu pŵer. Mae cynhyrchu pŵer tyrbin nwy hefyd yn defnyddio'r dull o gyfuno hydrogen ac ocsigen i gynhyrchu ynni. Mewn geiriau eraill, mae'n ddull sy'n edrych ar yr egni thermol a gynhyrchir gan hydrogen. Mewn gweithfeydd pŵer thermol, mae'r gwres o losgi glo, olew a nwy naturiol yn cynhyrchu stêm sy'n gyrru tyrbinau. Os defnyddir hydrogen fel ffynhonnell wres, bydd y gwaith pŵer yn garbon niwtral.
Sut i Ddefnyddio Hydrogen? Defnyddir fel Cell Tanwydd
Ffordd arall o ddefnyddio hydrogen yw fel cell danwydd, sy'n trosi hydrogen yn uniongyrchol i drydan. Yn benodol, mae Toyota wedi tynnu sylw yn Japan trwy ddefnyddio cerbydau tanwydd hydrogen yn lle cerbydau trydan (EVs) fel dewis arall yn lle cerbydau gasoline fel rhan o'i wrthfesurau cynhesu byd-eang.
Yn benodol, rydym yn gwneud y weithdrefn wrthdroi pan fyddwn yn cyflwyno dull gweithgynhyrchu “hydrogen gwyrdd”. Mae'r fformiwla gemegol fel a ganlyn.
Gall hydrogen gynhyrchu dŵr (dŵr poeth neu stêm) wrth gynhyrchu trydan, a gellir ei werthuso oherwydd nad yw'n gosod baich ar yr amgylchedd. Ar y llaw arall, mae gan y dull hwn effeithlonrwydd cynhyrchu pŵer cymharol isel o 30-40%, ac mae angen platinwm fel catalydd, felly mae angen costau cynyddol.
Ar hyn o bryd, rydym yn defnyddio celloedd tanwydd electrolyt polymer (PEFC) a chelloedd tanwydd asid ffosfforig (PAFC). Yn benodol, mae cerbydau celloedd tanwydd yn defnyddio PEFC, felly gellir disgwyl iddo ledaenu yn y dyfodol.
A yw Storio a Chludiant Hydrogen yn Ddiogel?
Erbyn hyn, rydyn ni'n meddwl eich bod chi'n deall sut mae nwy hydrogen yn cael ei wneud a'i ddefnyddio. Felly sut ydych chi'n storio'r hydrogen hwn? Sut ydych chi'n ei gael lle mae ei angen arnoch chi? Beth am ddiogelwch bryd hynny? Byddwn yn esbonio.
Mewn gwirionedd, mae hydrogen hefyd yn elfen beryglus iawn. Ar ddechrau'r 20fed ganrif, fe ddefnyddion ni hydrogen fel nwy i arnofio balwnau, balŵns, a llongau awyr yn yr awyr oherwydd ei fod yn ysgafn iawn. Fodd bynnag, ar Fai 6, 1937, yn New Jersey, UDA, digwyddodd “ffrwydrad awyren Hindenburg”.
Ers y ddamwain, cydnabyddir yn eang bod nwy hydrogen yn beryglus. Yn enwedig pan fydd yn mynd ar dân, bydd yn ffrwydro'n dreisgar ag ocsigen. Felly, mae “cadwch draw oddi wrth ocsigen” neu “cadwch draw oddi wrth wres” yn hanfodol.
Ar ôl cymryd y mesurau hyn, fe wnaethom lunio dull cludo.
Mae hydrogen yn nwy ar dymheredd ystafell, felly er ei fod yn dal yn nwy, mae'n swmpus iawn. Y dull cyntaf yw defnyddio pwysedd uchel a chywasgu fel silindr wrth wneud diodydd carbonedig. Paratowch danc pwysedd uchel arbennig a'i storio o dan amodau pwysedd uchel fel 45Mpa.
Mae Toyota, sy'n datblygu cerbydau celloedd tanwydd (FCV), yn datblygu tanc hydrogen pwysedd uchel â resin a all wrthsefyll pwysau 70 MPa.
Dull arall yw oeri i -253 ° C i wneud hydrogen hylif, a'i storio a'i gludo mewn tanciau arbennig wedi'u hinswleiddio â gwres. Fel LNG (nwy naturiol hylifedig) pan fydd nwy naturiol yn cael ei fewnforio o dramor, mae hydrogen yn cael ei hylifo wrth ei gludo, gan leihau ei gyfaint i 1/800 o'i gyflwr nwyol. Yn 2020, fe wnaethom gwblhau cludwr hydrogen hylif cyntaf y byd. Fodd bynnag, nid yw'r dull hwn yn addas ar gyfer cerbydau celloedd tanwydd oherwydd mae angen llawer o egni i oeri.
Mae yna ddull o storio a chludo mewn tanciau fel hyn, ond rydym hefyd yn datblygu dulliau eraill o storio hydrogen.
Y dull storio yw defnyddio aloion storio hydrogen. Mae gan hydrogen yr eiddo o dreiddio metelau a'u dirywio. Mae hwn yn gyngor datblygu a ddatblygwyd yn yr Unol Daleithiau yn y 1960au. Roedd JJ Reilly et al. Mae arbrofion wedi dangos y gellir storio a rhyddhau hydrogen gan ddefnyddio aloi o fagnesiwm a fanadiwm.
Ar ôl hynny, datblygodd sylwedd yn llwyddiannus, fel palladium, a all amsugno hydrogen 935 gwaith ei gyfaint ei hun.
Mantais defnyddio'r aloi hwn yw y gall atal damweiniau gollyngiadau hydrogen (damweiniau ffrwydrad yn bennaf). Felly, gellir ei storio a'i gludo'n ddiogel. Fodd bynnag, os nad ydych yn ofalus ac yn ei adael yn yr amgylchedd anghywir, gall aloion storio hydrogen ryddhau nwy hydrogen dros amser. Wel, gall hyd yn oed gwreichionen fach achosi damwain ffrwydrad, felly byddwch yn ofalus.
Mae ganddo hefyd yr anfantais bod amsugno hydrogen dro ar ôl tro a dadsugniad yn arwain at embrittlement a lleihau'r gyfradd amsugno hydrogen.
Y llall yw defnyddio pibellau. Mae amod bod yn rhaid iddo fod yn ddi-gywasgedig a phwysau isel i atal embrittlement y pibellau, ond y fantais yw y gellir defnyddio pibellau nwy presennol. Cynhaliodd Tokyo Gas waith adeiladu ar FLAG Harumi, gan ddefnyddio piblinellau nwy dinas i gyflenwi hydrogen i gelloedd tanwydd.
Cymdeithas y Dyfodol Crëwyd gan Hydrogen Energy
Yn olaf, gadewch i ni ystyried y rôl y gall hydrogen ei chwarae mewn cymdeithas.
Yn bwysicach fyth, rydym am hyrwyddo cymdeithas ddi-garbon, rydym yn defnyddio hydrogen i gynhyrchu trydan yn hytrach nag fel ynni gwres.
Yn lle gweithfeydd pŵer thermol mawr, mae rhai cartrefi wedi cyflwyno systemau fel ENE-FARM, sy'n defnyddio hydrogen a geir trwy ddiwygio nwy naturiol i gynhyrchu'r trydan angenrheidiol. Fodd bynnag, erys y cwestiwn beth i'w wneud ag sgil-gynhyrchion y broses ddiwygio.
Yn y dyfodol, os bydd cylchrediad hydrogen ei hun yn cynyddu, megis cynyddu nifer y gorsafoedd ail-lenwi hydrogen, bydd yn bosibl defnyddio trydan heb allyrru carbon deuocsid. Mae trydan yn cynhyrchu hydrogen gwyrdd, wrth gwrs, felly mae'n defnyddio trydan a gynhyrchir o olau'r haul neu wynt. Dylai'r pŵer a ddefnyddir ar gyfer electrolysis fod yn bŵer i atal faint o bŵer a gynhyrchir neu i godi tâl ar y batri y gellir ei ailwefru pan fydd pŵer dros ben o ynni naturiol. Mewn geiriau eraill, mae'r hydrogen yn yr un sefyllfa â'r batri y gellir ei ailwefru. Os bydd hyn yn digwydd, yn y pen draw bydd yn bosibl lleihau cynhyrchu pŵer thermol. Mae'r diwrnod pan fydd yr injan hylosgi mewnol yn diflannu o geir yn prysur agosáu.
Gellir cael hydrogen trwy lwybr arall hefyd. Mewn gwirionedd, mae hydrogen yn dal i fod yn sgil-gynnyrch cynhyrchu soda costig. Ymhlith pethau eraill, mae'n sgil-gynnyrch cynhyrchu golosg mewn gwneud haearn. Os rhowch yr hydrogen hwn yn y dosbarthiad, byddwch yn gallu cael ffynonellau lluosog. Mae nwy hydrogen a gynhyrchir yn y modd hwn hefyd yn cael ei gyflenwi gan orsafoedd hydrogen.
Gadewch i ni edrych ymhellach i'r dyfodol. Mae faint o ynni a gollir hefyd yn broblem gyda'r dull trawsyrru sy'n defnyddio gwifrau i gyflenwi pŵer. Felly, yn y dyfodol, byddwn yn defnyddio’r hydrogen a ddarperir gan biblinellau, yn union fel y tanciau asid carbonig a ddefnyddir i wneud diodydd carbonedig, ac yn prynu tanc hydrogen gartref i gynhyrchu trydan ar gyfer pob cartref. Mae dyfeisiau symudol sy'n rhedeg ar fatris hydrogen yn dod yn gyffredin. Bydd yn ddiddorol gweld dyfodol o'r fath.
Amser postio: Mehefin-08-2023
