Ynglŷn â hydrogen ynni'r genhedlaeth nesaf

Byddwn yn cyflwyno “hydrogen”, y genhedlaeth nesaf o ynni sy’n garbon niwtral. Mae hydrogen wedi’i rannu’n dair math: “hydrogen gwyrdd”, “hydrogen glas” a “hydrogen llwyd”, ac mae gan bob un ohonynt ddull cynhyrchu gwahanol. Byddwn hefyd yn egluro pob dull gweithgynhyrchu, priodweddau ffisegol fel elfennau, dulliau storio/cludo, a dulliau defnyddio. A byddaf hefyd yn cyflwyno pam mai dyma’r ffynhonnell ynni fwyaf amlwg yn y genhedlaeth nesaf.

Electrolysis Dŵr i Gynhyrchu Hydrogen Gwyrdd

Wrth ddefnyddio hydrogen, mae'n bwysig "cynhyrchu hydrogen" beth bynnag. Y ffordd hawsaf yw "electroleiddio dŵr". Efallai eich bod wedi gwneud hynny yng ngwyddoniaeth yr ysgol gynradd. Llenwch y bicer â dŵr a'r electrodau mewn dŵr. Pan gysylltir batri â'r electrodau a'i egni, mae'r adweithiau canlynol yn digwydd yn y dŵr ac ym mhob electrod.
Wrth y catod, mae H+ ac electronau'n cyfuno i gynhyrchu nwy hydrogen, tra bod yr anod yn cynhyrchu ocsigen. Serch 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. Dyna yw "electrolysis pilen electrolyt polymer (PEM)".
Yn y dull hwn, mae pilen lled-athraidd polymer sy'n caniatáu i ïonau hydrogen basio wedi'i gosod rhwng anod a chatod. Pan fydd dŵr yn cael ei dywallt i anod y ddyfais, mae ïonau hydrogen a gynhyrchir gan electrolysis yn symud trwy bilen lled-athraidd i'r catod, lle maent yn dod yn hydrogen moleciwlaidd. Ar y llaw arall, ni all ïonau ocsigen basio trwy'r bilen lled-athraidd a dod yn foleciwlau ocsigen wrth yr anod.
Hefyd mewn electrolysis dŵr alcalïaidd, rydych chi'n creu hydrogen ac ocsigen trwy wahanu'r anod a'r catod trwy wahanydd lle gall ïonau hydrocsid yn unig basio. Yn ogystal, mae dulliau diwydiannol fel electrolysis stêm tymheredd uchel.
Drwy gyflawni'r prosesau hyn ar raddfa fawr, gellir cael symiau mawr o hydrogen. Yn y broses, cynhyrchir llawer iawn o ocsigen hefyd (hanner cyfaint yr hydrogen a gynhyrchir), fel na fyddai ganddo unrhyw effaith amgylcheddol andwyol pe bai'n cael ei ryddhau i'r atmosffer. Fodd bynnag, mae angen llawer o drydan ar electrolysis, felly gellir cynhyrchu hydrogen di-garbon os caiff ei gynhyrchu gyda thrydan nad yw'n defnyddio tanwyddau ffosil, fel tyrbinau gwynt a phaneli solar.
Gallwch gael “hydrogen gwyrdd” trwy electrolytio dŵr gan ddefnyddio ynni glân.

Mae generadur hydrogen hefyd ar gyfer cynhyrchu'r hydrogen gwyrdd hwn ar raddfa fawr. Drwy 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 o'r enw "diwygio methan stêm" sy'n defnyddio stêm. Dyma fformiwla gemegol y dull hwn.
Fel y gallwch weld, gellir echdynnu carbon monocsid a hydrogen o un moleciwl methan.
Yn y modd hwn, gellir cynhyrchu hydrogen drwy brosesau fel “ailffurfio stêm” a “pyrolysis” 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. Os na chaiff y sgil-gynnyrch carbon deuocsid ei adfer, mae'n dod yn nwy hydrogen, a elwir yn "hydrogen llwyd".

Pa Fath o Elfen Yw Hydrogen?

Mae gan hydrogen rif atomig o 1 ac ef yw'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 “dewteriwm” wedi’i fondio â niwtronau a dau “tritiwm” wedi’u fondio â niwtronau. 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 ynni i'r seren ddisgleirio.
Fodd bynnag, anaml y mae hydrogen yn bodoli fel nwy ar y Ddaear. Mae hydrogen yn ffurfio cyfansoddion gydag 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 rhag disgyrchiant y ddaear i'r gofod allanol.

Sut i Ddefnyddio Hydrogen? Defnyddio trwy Hylosgi

Yna, sut mae “hydrogen”, sydd wedi denu sylw byd-eang fel ffynhonnell ynni’r genhedlaeth nesaf, yn cael ei ddefnyddio? Fe’i defnyddir mewn dau brif ffordd: “hylosgi” a “chell danwydd”. Gadewch i ni ddechrau gyda’r defnydd o “llosgi”.
Mae dau brif fath o hylosgi yn cael eu defnyddio.
Y cyntaf yw fel tanwydd roced. Mae roced H-IIA Japan yn defnyddio nwy hydrogen “hydrogen hylif” ac “ocsigen hylif” 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 beiriant technegol 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 ynni thermol a gynhyrchir gan hydrogen. Mewn gorsafoedd 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 yr orsaf bŵer yn garbon niwtral.

Sut i Ddefnyddio Hydrogen? Wedi'i Ddefnyddio fel Cell Tanwydd

Ffordd arall o ddefnyddio hydrogen yw fel cell danwydd, sy'n trosi hydrogen yn uniongyrchol yn drydan. Yn benodol, mae Toyota wedi denu sylw yn Japan trwy hyrwyddo cerbydau sy'n cael eu tanwyddio gan hydrogen yn lle cerbydau trydan (EVs) fel dewis arall yn lle cerbydau gasoline fel rhan o'i fesurau gwrthweithio cynhesu byd-eang.
Yn benodol, rydym yn gwneud y weithdrefn groes pan fyddwn yn cyflwyno'r dull gweithgynhyrchu o "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, gan olygu bod angen costau uwch.
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 Chludo 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 ar y pryd? Byddwn ni'n egluro.
Mewn gwirionedd, mae hydrogen hefyd yn elfen beryglus iawn. Ar ddechrau'r 20fed ganrif, fe wnaethon ni ddefnyddio hydrogen fel nwy i arnofio balŵns, 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 llong awyr Hindenburg".
Ers y ddamwain, mae wedi cael ei gydnabod yn eang bod nwy hydrogen yn beryglus. Yn enwedig pan fydd yn mynd ar dân, bydd yn ffrwydro'n dreisgar gydag ocsigen. Felly, mae "cadwch draw oddi wrth ocsigen" neu "cadwch draw oddi wrth wres" yn hanfodol.
Ar ôl cymryd y mesurau hyn, fe wnaethon ni lunio dull cludo.
Mae hydrogen yn nwy ar dymheredd ystafell, felly er ei fod yn dal i fod yn nwy, mae'n swmpus iawn. Y dull cyntaf yw rhoi pwysau uchel a chywasgu fel silindr wrth wneud diodydd carbonedig. Paratowch danc pwysau uchel arbennig a'i storio o dan amodau pwysau uchel fel 45Mpa.
Mae Toyota, sy'n datblygu cerbydau celloedd tanwydd (FCV), yn datblygu tanc hydrogen pwysedd uchel resin a all wrthsefyll pwysedd o 70 MPa.
Dull arall yw oeri i -253°C i wneud hydrogen hylif, a'i storio a'i gludo mewn tanciau arbennig sydd wedi'u hinswleiddio â gwres. Fel LNG (nwy naturiol hylifedig) pan gaiff nwy naturiol ei fewnforio o dramor, caiff hydrogen ei hylifo yn ystod cludiant, gan leihau ei gyfaint i 1/800 o'i gyflwr nwyol. Yn 2020, cwblhawyd cludwr hydrogen hylif cyntaf y byd. Fodd bynnag, nid yw'r dull hwn yn addas ar gyfer cerbydau celloedd tanwydd oherwydd ei fod angen llawer o ynni i oeri.
Mae dull 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 y priodwedd o dreiddio metelau a'u dirywio. Dyma awgrym datblygu a ddatblygwyd yn yr Unol Daleithiau yn y 1960au. JJ Reilly et al. Mae arbrofion wedi dangos y gellir storio a rhyddhau hydrogen gan ddefnyddio aloi o fagnesiwm a fanadiwm.
Ar ôl hynny, llwyddodd i ddatblygu sylwedd, fel paladiwm, 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 chi'n 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 a dadamsugno hydrogen dro ar ôl tro yn arwain at frauhau ac yn lleihau'r gyfradd amsugno hydrogen.
Y llall yw defnyddio pibellau. Mae amod bod rhaid iddo fod yn ddi-gywasgiad ac o dan bwysau isel i atal y pibellau rhag mynd yn frau, ond y fantais yw y gellir defnyddio pibellau nwy presennol. Gwnaeth Tokyo Gas waith adeiladu ar FLAG Harumi, gan ddefnyddio piblinellau nwy'r ddinas i gyflenwi hydrogen i gelloedd tanwydd.

Cymdeithas y Dyfodol wedi'i Chreu gan Ynni Hydrogen

Yn olaf, gadewch inni ystyried y rôl y gall hydrogen ei chwarae yn y gymdeithas.
Yn bwysicach fyth, rydym am hyrwyddo cymdeithas ddi-garbon, rydym yn defnyddio hydrogen i gynhyrchu trydan yn hytrach nag fel ynni gwres.
Yn lle gorsafoedd pŵer thermol mawr, mae rhai aelwydydd wedi cyflwyno systemau fel ENE-FARM, sy'n defnyddio hydrogen a geir trwy ailffurfio nwy naturiol i gynhyrchu'r trydan sydd ei angen. Fodd bynnag, mae'r cwestiwn o beth i'w wneud â sgil-gynhyrchion y broses ailffurfio yn parhau.

Yn y dyfodol, os bydd cylchrediad hydrogen ei hun yn cynyddu, fel 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'r gwynt. Dylai'r pŵer a ddefnyddir ar gyfer electrolysis fod y pŵer i atal faint o bŵer a gynhyrchir neu i wefru'r batri aildrydanadwy pan fo pŵer dros ben o ynni naturiol. Mewn geiriau eraill, mae'r hydrogen yn yr un sefyllfa â'r batri aildrydanadwy. Os bydd hyn yn digwydd, bydd yn bosibl lleihau cynhyrchu pŵer thermol yn y pen draw. Mae'r diwrnod pan fydd yr injan hylosgi fewnol yn diflannu o geir yn agosáu'n gyflym.

Gellir cael hydrogen drwy 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 wrth wneud haearn. Os byddwch chi'n rhoi'r hydrogen hwn yn y dosbarthiad, byddwch chi'n gallu cael sawl ffynhonnell. Mae nwy hydrogen a gynhyrchir yn y ffordd hon hefyd yn cael ei gyflenwi gan orsafoedd hydrogen.

Gadewch i ni edrych ymhellach i'r dyfodol. Mae faint o ynni sy'n cael ei golli hefyd yn broblem gyda'r dull trosglwyddo sy'n defnyddio gwifrau i gyflenwi pŵer. Felly, yn y dyfodol, byddwn yn defnyddio'r hydrogen a ddanfonir gan biblinellau, yn union fel y tanciau asid carbonig a ddefnyddir wrth wneud diodydd carbonedig, ac yn prynu tanc hydrogen gartref i gynhyrchu trydan i bob aelwyd. Mae dyfeisiau symudol sy'n rhedeg ar fatris hydrogen yn dod yn gyffredin. Bydd yn ddiddorol gweld dyfodol o'r fath.