Kuhusu hidrojeni ya nishati ya kizazi kijacho

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

Electrolysis ya Maji ya Kuzalisha Hydrojeni ya Kijani

Wakati wa kutumia hidrojeni, ni muhimu "kuzalisha hidrojeni" hata hivyo. Njia rahisi ni "electrolyze maji". Labda ulifanya katika sayansi ya shule ya daraja. Jaza kopo na maji na elektroni ndani ya maji. Wakati betri imeunganishwa na electrodes na nishati, athari zifuatazo hutokea katika maji na katika kila electrode.
Katika cathode, H+ na elektroni huchanganyika kutoa gesi ya hidrojeni, wakati anode hutoa oksijeni. Bado, mbinu hii ni nzuri kwa majaribio ya sayansi ya shule, lakini ili kuzalisha hidrojeni kiviwanda, mbinu bora zinazofaa kwa uzalishaji mkubwa lazima ziandaliwe. Hiyo ni "electrolysis ya polymer electrolyte membrane (PEM)".
Kwa njia hii, membrane ya polima inayoweza kupenyeza ambayo inaruhusu kifungu cha ioni za hidrojeni huwekwa kati ya anode na cathode. Maji yanapomiminwa kwenye anodi ya kifaa, ayoni za hidrojeni zinazozalishwa na elektrolisisi husogea kupitia utando unaopitisha maji hadi kwenye kathodi, ambapo huwa hidrojeni ya molekuli. Kwa upande mwingine, ioni za oksijeni haziwezi kupita kwenye utando unaoweza kupitisha na kuwa molekuli za oksijeni kwenye anode.
Pia katika elektrolisisi ya maji ya alkali, unaunda hidrojeni na oksijeni kwa kutenganisha anode na cathode kupitia kitenganishi ambacho ioni za hidroksidi pekee zinaweza kupita. Kwa kuongeza, kuna mbinu za viwanda kama vile electrolysis ya mvuke ya juu ya joto.
Kwa kufanya taratibu hizi kwa kiwango kikubwa, kiasi kikubwa cha hidrojeni kinaweza kupatikana. Katika mchakato huo, kiasi kikubwa cha oksijeni pia hutolewa (nusu ya kiasi cha hidrojeni inayozalishwa), ili isiwe na athari mbaya ya mazingira ikiwa itatolewa kwenye anga. Hata hivyo, elektrolisisi huhitaji umeme mwingi, hivyo hidrojeni isiyo na kaboni inaweza kuzalishwa ikiwa itatolewa kwa umeme usiotumia nishati ya kisukuku, kama vile mitambo ya upepo na paneli za jua.
Unaweza kupata "hidrojeni ya kijani" kwa kusafisha maji kwa kutumia nishati safi.

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

Hydrojeni ya Bluu Imetengenezwa kwa Mafuta ya Kisukuku

Kwa hivyo, ni njia gani zingine za kutengeneza hidrojeni? Hidrojeni inapatikana katika nishati ya kisukuku kama vile gesi asilia na makaa ya mawe kama vitu vingine kando na maji. Kwa mfano, fikiria methane (CH4), sehemu kuu ya gesi asilia. Kuna atomi nne za hidrojeni hapa. Unaweza kupata hidrojeni kwa kuchukua hidrojeni hii nje.
Mojawapo ya haya ni mchakato unaoitwa "kurekebisha methane ya mvuke" ambayo hutumia mvuke. Njia ya kemikali ya njia hii ni kama ifuatavyo.
Kama unaweza kuona, monoksidi kaboni na hidrojeni zinaweza kutolewa kutoka kwa molekuli moja ya methane.
Kwa njia hii, hidrojeni inaweza kuzalishwa kupitia michakato kama vile "marekebisho ya mvuke" na "pyrolysis" ya gesi asilia na makaa ya mawe. "Hidrojeni ya bluu" inahusu hidrojeni inayozalishwa kwa njia hii.
Katika kesi hii, hata hivyo, monoksidi kaboni na dioksidi kaboni hutolewa kama bidhaa. Kwa hivyo inabidi uzirudishe tena kabla hazijatolewa kwenye angahewa. Dioksidi kaboni, ikiwa haijapatikana, inakuwa gesi ya hidrojeni, inayojulikana kama "hidrojeni ya kijivu".

Hidrojeni ni Kipengele cha Aina Gani?

Hidrojeni ina nambari ya atomiki ya 1 na ni kipengele cha kwanza kwenye jedwali la upimaji.
Idadi ya atomi ni kubwa zaidi katika ulimwengu, inachukua karibu 90% ya vipengele vyote katika ulimwengu. Atomu ndogo kabisa inayojumuisha protoni na elektroni ni atomi ya hidrojeni.
Haidrojeni ina isotopu mbili zilizo na neutroni zilizounganishwa kwenye kiini. "deuterium" moja iliyounganishwa na neutroni na "tritium" mbili za neutroni. Hizi pia ni nyenzo za uzalishaji wa nguvu za fusion.
Ndani ya nyota kama jua, muunganisho wa nyuklia kutoka hidrojeni hadi heliamu unafanyika, ambayo ni chanzo cha nishati kwa nyota kuangaza.
Walakini, haidrojeni haipo kama gesi Duniani. Hydrojeni huunda misombo na vitu vingine kama vile maji, methane, amonia na ethanol. Kwa kuwa hidrojeni ni kipengele cha nuru, joto linapoongezeka, kasi ya harakati ya molekuli za hidrojeni huongezeka, na hutoka kwenye mvuto wa dunia hadi anga ya nje.

Jinsi ya kutumia haidrojeni? Tumia kwa Mwako

Halafu, "hidrojeni", ambayo imevutia umakini wa ulimwengu wote kama chanzo cha nishati ya kizazi kijacho, inatumiwaje? Inatumika kwa njia mbili kuu: "mwako" na "seli ya mafuta". Wacha tuanze na matumizi ya "kuchoma".
Kuna aina mbili kuu za mwako zinazotumiwa.
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 sindano ya molekuli za maji zinazozalishwa, kuruka kwenye nafasi. Hata hivyo, kwa sababu ni injini ngumu kitaalam, isipokuwa kwa Japan, ni Marekani, Ulaya, Urusi, China na India pekee ndizo zimefanikiwa kuchanganya mafuta haya.
Ya pili ni uzalishaji wa umeme. Uzalishaji wa nguvu wa turbine ya gesi pia hutumia njia ya kuchanganya hidrojeni na oksijeni kutoa nishati. Kwa maneno mengine, ni njia inayoangalia nishati ya joto inayozalishwa na hidrojeni. Katika mitambo ya nishati ya joto, joto kutoka kwa makaa ya mawe, mafuta na gesi asilia hutoa mvuke unaoendesha turbines. Ikiwa hidrojeni itatumika kama chanzo cha joto, mtambo wa nishati hautakuwa na kaboni.

Jinsi ya kutumia haidrojeni? 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 kuyasifu magari yanayotumia nishati ya hidrojeni badala ya magari ya umeme (EVs) kama njia mbadala ya magari ya petroli kama sehemu ya hatua zake za kukabiliana na ongezeko la joto duniani.
Hasa, tunafanya utaratibu wa kinyume tunapoanzisha mbinu ya utengenezaji wa "hidrojeni ya kijani". Muundo wa kemikali ni kama ifuatavyo.
Haidrojeni inaweza kuzalisha maji (maji 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 kuongezeka kwa gharama.
Kwa sasa, tunatumia seli za mafuta za elektroliti za polima (PEFC) na seli za mafuta za asidi ya fosforasi (PAFC). Hasa, magari ya seli za mafuta hutumia PEFC, kwa hivyo inaweza kutarajiwa kuenea katika siku zijazo.

Je, Hifadhi ya Hidrojeni na Usafiri ni Salama?

Kufikia sasa, tunadhani unaelewa jinsi gesi ya hidrojeni inavyotengenezwa na kutumika. Kwa hivyo unahifadhije hidrojeni hii? Je, unaipataje pale unapoihitaji? Vipi kuhusu usalama wakati huo? Tutaeleza.
Kwa kweli, hidrojeni pia ni kipengele hatari sana. Mwanzoni mwa karne ya 20, tulitumia hidrojeni kama gesi kuelea puto, puto, na vyombo vya anga angani kwa sababu kulikuwa na mwanga mwingi. Hata hivyo, Mei 6, 1937, huko New Jersey, Marekani, “mlipuko wa meli ya Hindenburg” ulitokea.
Tangu ajali hiyo, imejulikana sana kuwa gesi ya hidrojeni ni hatari. Hasa inaposhika moto, italipuka kwa nguvu na oksijeni. Kwa hiyo, “kujiweka mbali na oksijeni” au “kujiepusha na joto” ni muhimu.
Baada ya kuchukua hatua hizi, tulikuja na njia ya usafirishaji.
Hydrojeni ni gesi kwenye joto la kawaida, kwa hivyo ingawa bado ni gesi, ni nyingi sana. Njia ya kwanza ni kuweka shinikizo la juu na kukandamiza kama silinda wakati wa kutengeneza vinywaji vya kaboni. Andaa tanki maalum la shinikizo la juu na uihifadhi chini ya hali ya shinikizo la juu kama vile 45Mpa.
Toyota, ambayo hutengeneza magari ya seli za mafuta (FCV), inatengeneza tanki ya hidrojeni yenye shinikizo la juu ambayo inaweza kuhimili shinikizo la MPa 70.
Njia nyingine ni kupoa hadi -253°C ili kutengeneza hidrojeni kioevu, na kuihifadhi na kuisafirisha kwenye matangi maalum yasiyopitisha joto. Kama vile LNG (gesi asilia iliyoyeyuka) gesi asilia inapoagizwa kutoka nje ya nchi, hidrojeni hutiwa kimiminika wakati wa usafirishaji, na hivyo kupunguza ujazo wake hadi 1/800 ya hali yake ya gesi. Mnamo 2020, tulikamilisha kibeba hidrojeni kioevu cha kwanza ulimwenguni. Hata hivyo, mbinu hii haifai kwa magari ya seli za mafuta kwa sababu inahitaji nishati nyingi ili kupoa.
Kuna njia ya kuhifadhi na kusafirisha katika mizinga kama hii, lakini pia tunatengeneza njia zingine za kuhifadhi hidrojeni.
Njia ya kuhifadhi ni kutumia aloi za hifadhi ya hidrojeni. Hydrojeni ina mali ya kupenya metali na kuharibika. Hiki ni kidokezo cha maendeleo ambacho kilitengenezwa 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 palladium, ambayo inaweza kunyonya hidrojeni mara 935 ya ujazo wake.
Faida ya kutumia aloi hii ni kwamba inaweza kuzuia ajali za uvujaji wa hidrojeni (hasa ajali za mlipuko). Kwa hiyo, inaweza kuhifadhiwa kwa usalama na kusafirishwa. Hata hivyo, usipokuwa mwangalifu na kuiacha katika mazingira yasiyofaa, aloi za hifadhi ya hidrojeni zinaweza kutoa gesi ya hidrojeni baada ya muda. Kweli, hata cheche ndogo inaweza kusababisha ajali ya mlipuko, kwa hivyo kuwa mwangalifu.
Pia ina ubaya kwamba ufyonzwaji unaorudiwa wa hidrojeni na unyonyaji husababisha kunyanyua na kupunguza kiwango cha kunyonya hidrojeni.
Nyingine ni kutumia mabomba. Kuna hali kwamba lazima iwe isiyo na shinikizo na shinikizo la chini ili kuzuia embrittlement ya mabomba, lakini faida ni kwamba mabomba ya gesi zilizopo yanaweza kutumika. Tokyo Gas ilifanya kazi ya ujenzi kwenye BENDERA ya Harumi, kwa kutumia mabomba ya gesi ya jiji kusambaza hidrojeni kwenye seli za mafuta.

Jumuiya ya Baadaye Imeundwa na Nishati ya Hydrojeni

Hatimaye, hebu tuchunguze jukumu la hidrojeni katika jamii.
Muhimu zaidi tunataka kukuza jamii isiyo na kaboni, tunatumia hidrojeni kuzalisha umeme badala ya nishati ya joto.
Badala ya mitambo mikubwa ya nishati ya joto, baadhi ya kaya zimeanzisha mifumo kama ENE-FARM, ambayo hutumia hidrojeni inayopatikana kwa kurekebisha gesi asilia ili kuzalisha umeme unaohitajika. Hata hivyo, swali la nini cha kufanya na mazao ya ziada ya mchakato wa mageuzi bado.

Katika siku zijazo, ikiwa mzunguko wa hidrojeni yenyewe huongezeka, kama vile kuongeza idadi ya vituo vya kuongeza mafuta ya hidrojeni, itawezekana kutumia umeme bila kutoa dioksidi kaboni. Umeme huzalisha hidrojeni ya kijani, bila shaka, kwa hiyo hutumia umeme unaotokana na jua au upepo. Nguvu inayotumika kwa ajili ya elektrolisisi inapaswa kuwa nguvu ya kukandamiza kiasi cha uzalishaji wa nishati 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. Ikiwa hii itatokea, hatimaye itawezekana kupunguza uzalishaji wa nguvu za mafuta. Siku ambayo injini ya mwako wa ndani hupotea kutoka kwa magari inakaribia haraka.

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

Hebu tuangalie zaidi katika siku zijazo. Kiasi cha nishati inayopotea pia ni suala la njia ya usambazaji ambayo hutumia waya kusambaza nguvu. Kwa hivyo, katika siku zijazo, tutatumia hidrojeni inayotolewa na mabomba, kama vile tanki za asidi ya kaboniki zinazotumiwa kutengeneza vinywaji vya kaboni, na kununua tanki ya hidrojeni nyumbani kuzalisha umeme kwa kila kaya. Vifaa vya rununu vinavyotumia betri za hidrojeni vinakuwa vya kawaida. Itakuwa ya kuvutia kuona wakati ujao kama huo.