Kuhusu hidrojeni ya nishati ya kizazi kijacho

Tutaanzisha "hidrojeni", kizazi kijacho cha nishati ambacho hakina kaboni. Hidrojeni imegawanywa katika aina tatu: "hidrojeni ya kijani", "hidrojeni ya bluu" na "hidrojeni ya kijivu", ambayo kila moja ina njia tofauti ya uzalishaji. Pia tutaelezea kila njia ya utengenezaji, sifa za kimwili kama vipengele, mbinu za kuhifadhi/usafirishaji, na mbinu za matumizi. Na pia nitaanzisha kwa nini ni chanzo kikuu cha nishati cha kizazi kijacho.

Usafishaji wa Elektroli wa Maji Ili Kuzalisha Hidrojeni Kijani

Unapotumia hidrojeni, ni muhimu "kutoa hidrojeni" hata hivyo. Njia rahisi zaidi ni "kutengeneza maji kwa njia ya elektrolizi". Labda ulifanya hivyo katika sayansi ya shule ya msingi. Jaza kopo na maji na elektrodi ndani ya maji. Wakati betri imeunganishwa na elektrodi na kupewa nguvu, athari zifuatazo hutokea ndani ya maji na katika kila elektrodi.
Kwenye kathodi, H+ na elektroni huchanganyikana ili kutoa gesi ya hidrojeni, huku anodi ikitoa oksijeni. Hata hivyo, mbinu hii ni nzuri kwa majaribio ya sayansi ya shule, lakini ili kutoa hidrojeni viwandani, mifumo bora inayofaa kwa uzalishaji mkubwa lazima iandaliwe. Hiyo ni "umeme wa elektroliti ya polimeri (PEM)".
Katika njia hii, utando unaopitisha maji kidogo wa polima unaoruhusu kupita kwa ioni za hidrojeni huwekwa kati ya anodi na kathodi. Maji yanapomiminwa kwenye anodi ya kifaa, ioni za hidrojeni zinazozalishwa na elektrolisisi husogea kupitia utando unaopitisha maji kidogo hadi kwenye kathodi, ambapo huwa hidrojeni ya molekuli. Kwa upande mwingine, ioni za oksijeni haziwezi kupita kwenye utando unaopitisha maji kidogo na kuwa molekuli za oksijeni kwenye anodi.
Pia katika elektrolisisi ya maji ya alkali, unaunda hidrojeni na oksijeni kwa kutenganisha anodi na kathodi kupitia kitenganishi ambacho ioni za hidroksidi pekee ndizo zinaweza kupita. Zaidi ya hayo, kuna mbinu za viwandani kama vile elektrolisisi ya mvuke ya halijoto ya juu.
Kwa kufanya michakato hii kwa kiwango kikubwa, kiasi kikubwa cha hidrojeni kinaweza kupatikana. Katika mchakato huo, kiasi kikubwa cha oksijeni pia huzalishwa (nusu ya kiasi cha hidrojeni kinachozalishwa), ili isiwe na athari mbaya kwa mazingira ikitolewa angani. Hata hivyo, elektrolisisi inahitaji umeme mwingi, kwa hivyo hidrojeni isiyo na kaboni inaweza kuzalishwa ikiwa huzalishwa kwa umeme ambao hautumii mafuta ya visukuku, kama vile turbine za upepo na paneli za jua.
Unaweza kupata "hidrojeni kijani" kwa kulainisha maji kwa kutumia nishati safi.

Pia kuna jenereta ya hidrojeni kwa ajili ya uzalishaji mkubwa wa hidrojeni hii ya kijani. Kwa kutumia PEM katika sehemu ya elektroliza, hidrojeni inaweza kuzalishwa mfululizo.

Hidrojeni ya Bluu Iliyotengenezwa kwa Mafuta ya Visukuku

Kwa hivyo, ni njia gani zingine za kutengeneza hidrojeni? Hidrojeni inapatikana katika mafuta ya visukuku kama vile gesi asilia na makaa ya mawe kama vitu vingine isipokuwa maji. Kwa mfano, fikiria methane (CH4), sehemu kuu ya gesi asilia. Kuna atomi nne za hidrojeni hapa. Unaweza kupata hidrojeni kwa kuondoa hidrojeni hii.
Mojawapo ya haya ni mchakato unaoitwa "kurekebisha methane ya mvuke" unaotumia mvuke. Fomula ya kemikali ya njia hii ni kama ifuatavyo.
Kama unavyoona, monoksidi kaboni na hidrojeni vinaweza kutolewa kutoka kwa molekuli moja ya methane.
Kwa njia hii, hidrojeni inaweza kuzalishwa kupitia michakato kama vile "kurekebisha mvuke" na "pirolisisi" ya gesi asilia na makaa ya mawe. "Hidrojeni ya bluu" inarejelea hidrojeni inayozalishwa kwa njia hii.
Hata hivyo, katika hali hii, monoksidi kaboni na dioksidi kaboni huzalishwa kama bidhaa mbadala. Kwa hivyo lazima uzitumie tena kabla hazijatolewa angani. Dioksidi kaboni iliyobaki, ikiwa haitapatikana tena, inakuwa gesi ya hidrojeni, inayojulikana kama "hidrojeni kijivu".

Hidrojeni ni kipengele cha aina gani?

Hidrojeni ina nambari ya atomiki ya 1 na ni elementi ya kwanza kwenye jedwali la upimaji.
Idadi ya atomi ndiyo kubwa zaidi katika ulimwengu, ikichangia takriban 90% ya elementi zote katika ulimwengu. Atomu ndogo zaidi inayojumuisha protoni na elektroni ni atomi ya hidrojeni.
Hidrojeni ina isotopu mbili zenye neutroni zilizounganishwa na kiini. "Deuterium" moja iliyounganishwa na neutroni na "tritium" mbili zilizounganishwa na neutroni. Hizi pia ni nyenzo za kuzalisha umeme kwa njia ya muunganiko.
Ndani ya nyota kama jua, muunganiko wa nyuklia kutoka hidrojeni hadi heliamu unafanyika, ambayo ni chanzo cha nishati kwa nyota kung'aa.
Hata hivyo, hidrojeni haipatikani kama gesi Duniani mara chache. Hidrojeni huunda mchanganyiko na elementi zingine kama vile maji, methane, amonia na ethanoli. Kwa kuwa hidrojeni ni elementi nyepesi, kadri halijoto inavyoongezeka, kasi ya mwendo wa molekuli za hidrojeni huongezeka, na hutoka kutoka kwa uvutano wa dunia hadi anga za juu.

Jinsi ya Kutumia Hidrojeni? Tumia kwa Kutumia Mwako

Basi, "hidrojeni", ambayo imevutia umakini wa kimataifa kama chanzo cha nishati cha kizazi kijacho, inatumikaje? Inatumika kwa njia mbili kuu: "mwako" na "seli ya mafuta". Tuanze na matumizi ya "kuchoma".
Kuna aina mbili kuu za mwako zinazotumika.
Ya kwanza ni kama mafuta ya roketi. Roketi ya H-IIA ya Japani hutumia gesi ya hidrojeni "hidrojeni kioevu" na "oksijeni kioevu" ambayo pia iko katika hali ya cryogenic kama mafuta. Hizi mbili zimeunganishwa, na nishati ya joto inayozalishwa wakati huo huharakisha uingizwaji wa molekuli za maji zinazozalishwa, zikiruka angani. Hata hivyo, kwa sababu ni injini ngumu kitaalamu, isipokuwa Japani, ni Marekani, Ulaya, Urusi, China na India pekee ambazo zimefanikiwa kuchanganya mafuta haya.
Ya pili ni uzalishaji wa umeme. Uzalishaji wa umeme wa turbine ya gesi pia hutumia njia ya kuchanganya hidrojeni na oksijeni ili kutoa nishati. Kwa maneno mengine, ni njia inayoangalia nishati ya joto inayozalishwa na hidrojeni. Katika mitambo ya umeme ya joto, joto linalotokana na kuchoma makaa ya mawe, mafuta na gesi asilia hutoa mvuke unaoendesha turbine. Ikiwa hidrojeni itatumika kama chanzo cha joto, kiwanda cha umeme hakitakuwa na kaboni.

Jinsi ya Kutumia Hidrojeni? Inatumika Kama Kiini cha Mafuta

Njia nyingine ya kutumia hidrojeni ni kama seli ya mafuta, ambayo hubadilisha hidrojeni moja kwa moja kuwa umeme. Hasa, Toyota imevutia umakini nchini Japani kwa kupigia debe magari yanayotumia hidrojeni badala ya magari ya umeme (EV) kama njia mbadala ya magari ya petroli kama sehemu ya hatua zake za kukabiliana na ongezeko la joto duniani.
Hasa, tunafanya utaratibu kinyume tunapoanzisha mbinu ya utengenezaji wa "hidrojeni kijani". Fomula ya kemikali ni kama ifuatavyo.
Hidrojeni inaweza kutoa maji (maji ya moto au mvuke) wakati wa kuzalisha umeme, na inaweza kutathminiwa kwa sababu haileti mzigo kwa mazingira. Kwa upande mwingine, njia hii ina ufanisi mdogo wa uzalishaji wa umeme wa 30-40%, na inahitaji platinamu kama kichocheo, hivyo kuhitaji gharama zilizoongezeka.
Kwa sasa, tunatumia seli za mafuta za elektroliti za polima (PEFC) na seli za mafuta za asidi fosforasi (PAFC). Hasa, magari ya seli za mafuta hutumia PEFC, kwa hivyo inaweza kutarajiwa kuenea katika siku zijazo.

Je, Uhifadhi na Usafirishaji wa Hidrojeni Ni Salama?

Kufikia sasa, tunadhani unaelewa jinsi gesi ya hidrojeni inavyotengenezwa na kutumika. Kwa hivyo unahifadhije hidrojeni hii? Unaipataje unapoihitaji? Vipi kuhusu usalama wakati huo? Tutaelezea.
Kwa kweli, hidrojeni pia ni kipengele hatari sana. Mwanzoni mwa karne ya 20, tulitumia hidrojeni kama gesi kuelea puto, puto, na meli za angani angani kwa sababu ilikuwa nyepesi sana. Hata hivyo, mnamo Mei 6, 1937, huko New Jersey, Marekani, "mlipuko wa meli ya angani ya Hindenburg" ulitokea.
Tangu ajali hiyo, imejulikana sana kwamba gesi ya hidrojeni ni hatari. Hasa inaposhika moto, italipuka kwa nguvu pamoja na oksijeni. Kwa hivyo, "jiepushe na oksijeni" au "jiepushe na joto" ni muhimu.
Baada ya kuchukua hatua hizi, tulipata njia ya usafirishaji.
Hidrojeni ni gesi kwenye joto la kawaida, kwa hivyo ingawa bado ni gesi, ni kubwa sana. Njia ya kwanza ni kutumia shinikizo kubwa na kubana kama silinda wakati wa kutengeneza vinywaji vyenye kaboni. Andaa tanki maalum la shinikizo kubwa na uihifadhi chini ya hali ya shinikizo kubwa kama vile 45Mpa.
Toyota, ambayo hutengeneza magari ya seli za mafuta (FCV), inatengeneza tanki la hidrojeni lenye shinikizo kubwa la resini ambalo linaweza kuhimili shinikizo la MPa 70.
Njia nyingine ni kupoza hadi -253°C ili kutengeneza hidrojeni kioevu, na kuihifadhi na kuisafirisha katika matangi maalum ya joto. Kama vile LNG (gesi asilia iliyoyeyushwa) wakati gesi asilia inapoagizwa kutoka nje ya nchi, hidrojeni huyeyushwa wakati wa usafirishaji, na kupunguza ujazo wake hadi 1/800 ya hali yake ya gesi. Mnamo 2020, tulikamilisha kibebaji cha kwanza cha hidrojeni kioevu duniani. Hata hivyo, mbinu hii haifai kwa magari ya seli za mafuta kwa sababu inahitaji nishati nyingi ili kupoa.
Kuna njia ya kuhifadhi na kusafirisha kwenye matangi kama haya, lakini pia tunatengeneza njia zingine za kuhifadhi hidrojeni.
Njia ya kuhifadhi ni kutumia aloi za kuhifadhi hidrojeni. Hidrojeni ina sifa ya kupenya metali na kuziharibu. Hii ni ncha ya maendeleo ambayo ilitengenezwa nchini Marekani katika miaka ya 1960. JJ Reilly et al. Majaribio yameonyesha kuwa hidrojeni inaweza kuhifadhiwa na kutolewa kwa kutumia aloi ya magnesiamu na vanadium.
Baada ya hapo, alifanikiwa kutengeneza dutu, kama vile paladiamu, ambayo inaweza kunyonya hidrojeni mara 935 ya ujazo wake.
Faida ya kutumia aloi hii ni kwamba inaweza kuzuia ajali za kuvuja kwa hidrojeni (hasa ajali za mlipuko). Kwa hivyo, inaweza kuhifadhiwa na kusafirishwa kwa usalama. Hata hivyo, usipokuwa mwangalifu na kuiacha katika mazingira yasiyofaa, aloi za kuhifadhi hidrojeni zinaweza kutoa gesi ya hidrojeni baada ya muda. Naam, hata cheche ndogo inaweza kusababisha ajali ya mlipuko, kwa hivyo kuwa mwangalifu.
Pia ina hasara kwamba unyonyaji na ufyonzaji wa hidrojeni mara kwa mara husababisha kuganda na kupunguza kiwango cha unyonyaji wa hidrojeni.
Nyingine ni kutumia mabomba. Kuna sharti kwamba lazima yasibanwe na yawe na shinikizo la chini ili kuzuia michirizi ya mabomba, lakini faida ni kwamba mabomba ya gesi yaliyopo yanaweza kutumika. Tokyo Gas ilifanya kazi ya ujenzi kwenye Harumi FLAG, ikitumia mabomba ya gesi ya jiji kusambaza hidrojeni kwenye seli za mafuta.

Jumuiya ya Wakati Ujao Iliyoundwa na Nishati ya Hidrojeni

Hatimaye, hebu tuangalie jukumu ambalo hidrojeni inaweza kuchukua katika jamii.
Muhimu zaidi tunataka kukuza jamii isiyo na kaboni, tunatumia hidrojeni kuzalisha umeme badala ya kama nishati ya joto.
Badala ya mitambo mikubwa ya umeme wa joto, baadhi ya kaya zimeanzisha mifumo kama vile ENE-FARM, ambayo hutumia hidrojeni inayopatikana kwa kurekebisha gesi asilia ili kutoa umeme unaohitajika. Hata hivyo, swali la nini cha kufanya na matokeo ya mchakato wa kurekebisha linabaki.

Katika siku zijazo, ikiwa mzunguko wa hidrojeni yenyewe utaongezeka, kama vile kuongeza idadi ya vituo vya kujaza hidrojeni, itawezekana kutumia umeme bila kutoa kaboni dioksidi. Umeme hutoa hidrojeni kijani, bila shaka, kwa hivyo hutumia umeme unaotokana na mwanga wa jua au upepo. Nguvu inayotumika kwa ajili ya elektroli inapaswa kuwa nguvu ya kukandamiza kiasi cha uzalishaji wa umeme au kuchaji betri inayoweza kuchajiwa tena wakati kuna nguvu ya ziada kutoka kwa nishati asilia. Kwa maneno mengine, hidrojeni iko katika nafasi sawa na betri inayoweza kuchajiwa tena. Ikiwa hii itatokea, hatimaye itawezekana kupunguza uzalishaji wa umeme wa joto. Siku ambayo injini ya mwako wa ndani itatoweka kutoka kwa magari inakaribia haraka.

Hidrojeni pia inaweza kupatikana kupitia njia nyingine. Kwa kweli, hidrojeni bado ni bidhaa ya ziada ya uzalishaji wa soda ya kuoka. Miongoni mwa mambo mengine, ni bidhaa ya ziada ya uzalishaji wa koke katika utengenezaji wa chuma. Ukiweka hidrojeni hii katika usambazaji, utaweza kupata vyanzo vingi. Gesi ya hidrojeni inayozalishwa kwa njia hii pia hutolewa na vituo vya hidrojeni.

Tuangalie zaidi katika siku zijazo. Kiasi cha nishati inayopotea pia ni tatizo katika njia ya upitishaji inayotumia waya kusambaza umeme. Kwa hivyo, katika siku zijazo, tutatumia hidrojeni inayotolewa na mabomba, kama vile matangi ya asidi ya kaboni yanayotumika kutengeneza vinywaji vyenye kaboni, na kununua tanki la hidrojeni nyumbani ili kuzalisha umeme kwa kila kaya. Vifaa vya mkononi vinavyotumia betri za hidrojeni vinazidi kuwa kawaida. Itakuwa ya kuvutia kuona mustakabali kama huo.