შემდეგი თაობის ენერგიის წყალბადის შესახებ

ჩვენ შემოგთავაზებთ "წყალბადს", ენერგიის მომდევნო თაობას, რომელიც ნახშირბადის ნეიტრალურია. წყალბადი იყოფა სამ ტიპად: "მწვანე წყალბადი", "ლურჯი წყალბადი" და "ნაცრისფერი წყალბადი", რომელთაგან თითოეულს განსხვავებული წარმოების მეთოდი აქვს. ჩვენ ასევე განვმარტავთ წარმოების თითოეულ მეთოდს, ფიზიკურ თვისებებს, როგორც ელემენტებს, შენახვის/ტრანსპორტის მეთოდებს და გამოყენების მეთოდებს. მე ასევე გავაცნობ, თუ რატომ არის ის მომავალი თაობის დომინანტური ენერგიის წყარო.

წყლის ელექტროლიზი მწვანე წყალბადის წარმოებისთვის

წყალბადის გამოყენებისას მნიშვნელოვანია „წყალბადის წარმოება“ მაინც. უმარტივესი გზაა "წყლის ელექტროლიზება". იქნებ სწავლობდი საკლასო მეცნიერებაში. შეავსეთ ჭიქა წყალი და ელექტროდები წყალში. როდესაც ბატარეა უკავშირდება ელექტროდებს და ენერგიულია, შემდეგი რეაქციები ხდება წყალში და თითოეულ ელექტროდში.
კათოდზე H+ და ელექტრონები გაერთიანდებიან წყალბადის გაზის წარმოქმნით, ხოლო ანოდი წარმოქმნის ჟანგბადს. მიუხედავად ამისა, ეს მიდგომა კარგია სასკოლო სამეცნიერო ექსპერიმენტებისთვის, მაგრამ წყალბადის სამრეწველო წარმოებისთვის უნდა მომზადდეს ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის შესაფერისი ეფექტური მექანიზმები. ეს არის "პოლიმერული ელექტროლიტური მემბრანის (PEM) ელექტროლიზი".
ამ მეთოდით, პოლიმერული ნახევრად გამტარი მემბრანა, რომელიც წყალბადის იონების გავლის საშუალებას იძლევა, მოთავსებულია ანოდსა და კათოდს შორის. მოწყობილობის ანოდში წყლის ჩასხმისას, ელექტროლიზის შედეგად წარმოქმნილი წყალბადის იონები ნახევრად გამტარი მემბრანის მეშვეობით გადადიან კათოდში, სადაც ისინი იქცევა მოლეკულურ წყალბადად. მეორეს მხრივ, ჟანგბადის იონები ვერ გაივლიან ნახევრად გამტარ მემბრანას და გახდებიან ჟანგბადის მოლეკულები ანოდში.
ასევე ტუტე წყლის ელექტროლიზისას, თქვენ ქმნით წყალბადს და ჟანგბადს ანოდისა და კათოდის გამოყოფით გამყოფის მეშვეობით, რომლის მეშვეობითაც მხოლოდ ჰიდროქსიდის იონები შეიძლება გაიარონ. გარდა ამისა, არსებობს სამრეწველო მეთოდები, როგორიცაა მაღალი ტემპერატურის ორთქლის ელექტროლიზი.
ამ პროცესების ფართომასშტაბიანი განხორციელებით შესაძლებელია წყალბადის დიდი რაოდენობით მიღება. ამ პროცესში ასევე წარმოიქმნება ჟანგბადის მნიშვნელოვანი რაოდენობა (წარმოებული წყალბადის მოცულობის ნახევარი), ასე რომ, გარემოზე ატმოსფეროში გაშვების შემთხვევაში მას არავითარი უარყოფითი ზემოქმედება არ ექნება. თუმცა, ელექტროლიზი მოითხოვს დიდ ელექტროენერგიას, ამიტომ უნახშირბადო წყალბადის წარმოება შესაძლებელია, თუ იგი წარმოიქმნება ელექტროენერგიით, რომელიც არ იყენებს წიაღისეულ საწვავს, როგორიცაა ქარის ტურბინები და მზის პანელები.
თქვენ შეგიძლიათ მიიღოთ "მწვანე წყალბადი" წყლის ელექტროლიზით სუფთა ენერგიის გამოყენებით.

ასევე არსებობს წყალბადის გენერატორი ამ მწვანე წყალბადის ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის. ელექტროლიზატორის განყოფილებაში PEM-ის გამოყენებით წყალბადის წარმოება შესაძლებელია მუდმივად.

ლურჯი წყალბადი დამზადებულია წიაღისეული საწვავისგან

მაშ, რა სხვა გზები არსებობს წყალბადის შესაქმნელად? წყალბადი არსებობს წიაღისეულ საწვავში, როგორიცაა ბუნებრივი აირი და ნახშირი, როგორც სხვა ნივთიერებები წყლის გარდა. მაგალითად, განვიხილოთ მეთანი (CH4), ბუნებრივი აირის მთავარი კომპონენტი. აქ ოთხი წყალბადის ატომია. წყალბადის მიღება შეგიძლიათ ამ წყალბადის ამოღებით.
ერთ-ერთი მათგანია პროცესი, რომელსაც ეწოდება "ორთქლის მეთანის რეფორმირება", რომელიც იყენებს ორთქლს. ამ მეთოდის ქიმიური ფორმულა შემდეგია.
როგორც ხედავთ, ნახშირბადის მონოქსიდი და წყალბადი შეიძლება ამოღებულ იქნეს ერთი მეთანის მოლეკულიდან.
ამ გზით წყალბადის წარმოება შესაძლებელია ისეთი პროცესებით, როგორიცაა ბუნებრივი აირისა და ნახშირის „ორთქლის რეფორმირება“ და „პიროლიზი“. "ლურჯი წყალბადი" ეხება ამ გზით წარმოქმნილ წყალბადს.
თუმცა, ამ შემთხვევაში, ნახშირორჟანგი და ნახშირორჟანგი იწარმოება როგორც ქვეპროდუქტები. ასე რომ, თქვენ უნდა გადაამუშავოთ ისინი ატმოსფეროში გაშვებამდე. ნახშირორჟანგის ქვეპროდუქტი, თუ არ იქნა აღდგენილი, ხდება წყალბადის აირი, რომელიც ცნობილია როგორც "ნაცრისფერი წყალბადი".

რა სახის ელემენტია წყალბადი?

წყალბადს აქვს ატომური ნომერი 1 და არის პერიოდული ცხრილის პირველი ელემენტი.
ატომების რაოდენობა ყველაზე დიდია სამყაროში, რომელიც შეადგენს სამყაროს ყველა ელემენტის დაახლოებით 90%-ს. ყველაზე პატარა ატომი, რომელიც შედგება პროტონისა და ელექტრონისგან, არის წყალბადის ატომი.
წყალბადს აქვს ორი იზოტოპი ბირთვზე მიმაგრებული ნეიტრონებით. ერთი ნეიტრონით შეკრული „დეიტერიუმი“ და ორი ნეიტრონული „ტრიტიუმი“. ეს ასევე არის მასალები შერწყმის ენერგიის წარმოებისთვის.
მზის მსგავსი ვარსკვლავის შიგნით ხდება ბირთვული შერწყმა წყალბადიდან ჰელიუმამდე, რომელიც ვარსკვლავის ნათების ენერგიის წყაროა.
თუმცა წყალბადი დედამიწაზე გაზის სახით იშვიათად არსებობს. წყალბადი ქმნის ნაერთებს სხვა ელემენტებთან, როგორიცაა წყალი, მეთანი, ამიაკი და ეთანოლი. ვინაიდან წყალბადი მსუბუქი ელემენტია, ტემპერატურის მატებასთან ერთად წყალბადის მოლეკულების მოძრაობის სიჩქარე იზრდება და დედამიწის გრავიტაციიდან გადის კოსმოსში.

როგორ გამოვიყენოთ წყალბადი? გამოყენება წვის გზით

მაშინ, როგორ გამოიყენება „წყალბადი“, რომელმაც მსოფლიო ყურადღება მიიპყრო, როგორც ენერგიის შემდეგი თაობის წყარო? იგი გამოიყენება ორი ძირითადი გზით: "წვის" და "საწვავის უჯრედი". დავიწყოთ „დაწვის“ გამოყენებით.
გამოიყენება წვის ორი ძირითადი ტიპი.
პირველი არის როგორც სარაკეტო საწვავი. იაპონიის H-IIA რაკეტა საწვავად იყენებს წყალბადის აირს „თხევად წყალბადს“ და „თხევად ჟანგბადს“, რომელიც ასევე კრიოგენურ მდგომარეობაშია. ეს ორი გაერთიანებულია და ამ დროს წარმოქმნილი სითბური ენერგია აჩქარებს წარმოქმნილი წყლის მოლეკულების ინექციას, რომელიც გაფრინდება კოსმოსში. თუმცა, რადგან ეს ტექნიკურად რთული ძრავაა, გარდა იაპონიისა, მხოლოდ შეერთებულმა შტატებმა, ევროპას, რუსეთს, ჩინეთსა და ინდოეთს წარმატებით შეუთავსეს ეს საწვავი.
მეორე არის ელექტროენერგიის გამომუშავება. გაზის ტურბინის ელექტროენერგიის გამომუშავება ასევე იყენებს წყალბადისა და ჟანგბადის შერწყმის მეთოდს ენერგიის გამომუშავებისთვის. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს არის მეთოდი, რომელიც უყურებს წყალბადის მიერ წარმოქმნილ თერმულ ენერგიას. თბოელექტროსადგურებში ქვანახშირის, ნავთობისა და ბუნებრივი აირის წვის სითბო წარმოქმნის ორთქლს, რომელიც ამოძრავებს ტურბინებს. თუ წყალბადი გამოიყენება სითბოს წყაროდ, ელექტროსადგური იქნება ნახშირბადის ნეიტრალური.

როგორ გამოვიყენოთ წყალბადი? გამოიყენება როგორც საწვავის უჯრედი

წყალბადის გამოყენების კიდევ ერთი გზაა საწვავის უჯრედი, რომელიც წყალბადს პირდაპირ ელექტროენერგიად გარდაქმნის. კერძოდ, Toyota-მ მიიპყრო ყურადღება იაპონიაში, გლობალური დათბობის საწინააღმდეგო ზომების ფარგლებში, ელექტრო მანქანების ნაცვლად წყალბადის საწვავზე მომუშავე მანქანების რეკლამით, როგორც ბენზინის მანქანების ალტერნატივას.
კერძოდ, ჩვენ ვაკეთებთ საპირისპირო პროცედურას, როდესაც შემოგვაქვს „მწვანე წყალბადის“ წარმოების მეთოდი. ქიმიური ფორმულა ასეთია.
წყალბადს შეუძლია გამოიმუშაოს წყალი (ცხელი წყალი ან ორთქლი) ელექტროენერგიის გამომუშავებისას და შეიძლება შეფასდეს, რადგან არ აკისრებს ტვირთს გარემოზე. მეორეს მხრივ, ამ მეთოდს აქვს შედარებით დაბალი ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 30-40%, და მოითხოვს პლატინს, როგორც კატალიზატორს, რითაც მოითხოვს გაზრდილ ხარჯებს.
ამჟამად ჩვენ ვიყენებთ პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედებს (PEFC) და ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედებს (PAFC). კერძოდ, საწვავის უჯრედების მანქანები იყენებენ PEFC-ს, ამიტომ მოსალოდნელია მისი გავრცელება მომავალში.

წყალბადის შენახვა და ტრანსპორტირება უსაფრთხოა?

ამ დროისთვის, ვფიქრობთ, გესმით, როგორ მზადდება და როგორ გამოიყენება წყალბადის გაზი. მაშ, როგორ ინახავთ ამ წყალბადს? როგორ იღებთ იქ, სადაც გჭირდებათ? რაც შეეხება იმ დროს უსაფრთხოებას? ჩვენ აგიხსნით.
სინამდვილეში, წყალბადი ასევე ძალიან საშიში ელემენტია. მე-20 საუკუნის დასაწყისში ჩვენ ვიყენებდით წყალბადს, როგორც გაზს ცაში ბურთების, ბუშტებისა და საჰაერო ხომალდების გადასაადგილებლად, რადგან ის ძალიან მსუბუქი იყო. თუმცა, 1937 წლის 6 მაისს ნიუ ჯერსიში, აშშ, მოხდა "ჰინდენბურგის საჰაერო ხომალდის აფეთქება".
ავარიის შემდეგ საყოველთაოდ აღიარეს, რომ წყალბადის გაზი საშიშია. განსაკუთრებით, როცა ცეცხლს იკიდებს, ჟანგბადით ძლიერად იფეთქებს. აქედან გამომდინარე, აუცილებელია "ჟანგბადისგან შორს ყოფნა" ან "სითბოსგან შორს ყოფნა".
ამ ზომების მიღების შემდეგ, ჩვენ მივიღეთ გადაზიდვის მეთოდი.
წყალბადი არის გაზი ოთახის ტემპერატურაზე, ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ის მაინც აირია, ის ძალიან მოცულობითია. პირველი მეთოდი გაზიანი სასმელების მიღებისას მაღალი წნევის და ცილინდრივით შეკუმშვაა. მოამზადეთ სპეციალური მაღალი წნევის ავზი და შეინახეთ მაღალი წნევის პირობებში, როგორიცაა 45Mpa.
Toyota, რომელიც ავითარებს საწვავის უჯრედების მანქანებს (FCV), ავითარებს ფისოვანი მაღალი წნევის წყალბადის ავზს, რომელსაც შეუძლია გაუძლოს 70 MPa წნევას.
კიდევ ერთი მეთოდია -253°C-მდე გაცივება თხევადი წყალბადის მისაღებად და მისი შენახვა და ტრანსპორტირება სპეციალურ თბოიზოლირებულ ავზებში. LNG-ის (თხევადი ბუნებრივი აირის) მსგავსად, როდესაც ბუნებრივი აირი უცხოეთიდან შემოდის, წყალბადი თხევადდება ტრანსპორტირებისას, რაც ამცირებს მის მოცულობას მისი აირისებური მდგომარეობის 1/800-მდე. 2020 წელს ჩვენ დავასრულეთ მსოფლიოში პირველი თხევადი წყალბადის გადამზიდავი. თუმცა, ეს მიდგომა არ არის შესაფერისი საწვავის უჯრედების მანქანებისთვის, რადგან გასაცივებლად დიდ ენერგიას მოითხოვს.
არსებობს ასეთი ტანკებში შენახვისა და გადაზიდვის მეთოდი, მაგრამ ჩვენ ასევე ვამუშავებთ წყალბადის შენახვის სხვა მეთოდებს.
შენახვის მეთოდია წყალბადის შესანახი შენადნობების გამოყენება. წყალბადს აქვს ლითონებში შეღწევის და მათი გაფუჭების თვისება. ეს არის განვითარების რჩევა, რომელიც შეიქმნა შეერთებულ შტატებში 1960-იან წლებში. JJ Reilly და სხვ. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ წყალბადის შენახვა და გამოშვება შესაძლებელია მაგნიუმის და ვანადიუმის შენადნობის გამოყენებით.
ამის შემდეგ მან წარმატებით შექმნა ნივთიერება, როგორიცაა პალადიუმი, რომელსაც შეუძლია წყალბადის შთანთქმა 935-ჯერ მეტი თავის მოცულობით.
ამ შენადნობის გამოყენების უპირატესობა ის არის, რომ მას შეუძლია თავიდან აიცილოს წყალბადის გაჟონვის შემთხვევები (ძირითადად აფეთქების შემთხვევები). ამიტომ, მისი უსაფრთხოდ შენახვა და ტრანსპორტირება შესაძლებელია. თუმცა, თუ ფრთხილად არ იქნებით და არასწორ გარემოში დატოვებთ, წყალბადის შესანახ შენადნობებს შეუძლიათ წყალბადის გაზის გამოყოფა დროთა განმავლობაში. ისე, პატარა ნაპერწკალმაც კი შეიძლება გამოიწვიოს აფეთქების ავარია, ასე რომ ფრთხილად იყავით.
მას ასევე აქვს მინუსი, რომ წყალბადის განმეორებითი შეწოვა და დეზორბცია იწვევს მყიფეობას და ამცირებს წყალბადის შთანთქმის სიჩქარეს.
მეორე არის მილების გამოყენება. არსებობს პირობა, რომ ის უნდა იყოს არა შეკუმშული და დაბალი წნევით, რათა არ მოხდეს მილების მტვრევა, მაგრამ უპირატესობა ის არის, რომ შესაძლებელია არსებული გაზსადენების გამოყენება. Tokyo Gas-მა ჩაატარა სამშენებლო სამუშაოები Harumi FLAG-ზე, გამოიყენა ქალაქის გაზსადენები საწვავის უჯრედებისთვის წყალბადის მიწოდებისთვის.

წყალბადის ენერგიის მიერ შექმნილი მომავალი საზოგადოება

და ბოლოს, განვიხილოთ რა როლი შეუძლია წყალბადს შეასრულოს საზოგადოებაში.
რაც მთავარია, ჩვენ გვინდა ხელი შევუწყოთ ნახშირბადისგან თავისუფალი საზოგადოების პოპულარიზაციას, ჩვენ ვიყენებთ წყალბადს ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად და არა სითბოს ენერგიის სახით.
დიდი თბოელექტროსადგურების ნაცვლად, ზოგიერთმა ოჯახმა დანერგა ისეთი სისტემები, როგორიცაა ENE-FARM, რომელიც იყენებს წყალბადს, რომელიც მიიღება ბუნებრივი აირის რეფორმირების შედეგად, საჭირო ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის. თუმცა, კვლავ რჩება კითხვა, რა ვუყოთ რეფორმის პროცესის ქვეპროდუქტებს.

მომავალში, თუ თავად წყალბადის მიმოქცევა გაიზრდება, მაგალითად, წყალბადის საწვავის სადგურების რაოდენობის გაზრდა, შესაძლებელი იქნება ელექტროენერგიის გამოყენება ნახშირორჟანგის გამოყოფის გარეშე. რა თქმა უნდა, ელექტროენერგია აწარმოებს მწვანე წყალბადს, ამიტომ იგი იყენებს მზის ან ქარისგან გამომუშავებულ ელექტროენერგიას. ელექტროლიზისთვის გამოყენებული სიმძლავრე უნდა იყოს სიმძლავრე, რომელიც თრგუნავს ენერგიის გამომუშავების რაოდენობას ან დამუხტავს ბატარეას, როდესაც ზედმეტი ენერგიაა ბუნებრივი ენერგიისგან. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, წყალბადი იმავე მდგომარეობაშია, როგორც დატენვის ბატარეა. თუ ეს მოხდება, საბოლოოდ შესაძლებელი იქნება თბოენერგიის გამომუშავების შემცირება. სწრაფად ახლოვდება დღე, როდესაც შიგაწვის ძრავა ქრება მანქანებიდან.

წყალბადის მიღება შესაძლებელია სხვა გზითაც. სინამდვილეში, წყალბადი კვლავ არის კაუსტიკური სოდას წარმოების გვერდითი პროდუქტი. სხვა საკითხებთან ერთად, ეს არის კოქსის წარმოების გვერდითი პროდუქტი რკინის წარმოებაში. თუ ამ წყალბადს დააყენებთ განაწილებაში, თქვენ შეძლებთ მიიღოთ მრავალი წყარო. ამ გზით წარმოებული წყალბადის გაზი ასევე მიეწოდება წყალბადის სადგურებს.

მოდით, უფრო შორს გავიხედოთ მომავალში. დაკარგული ენერგიის რაოდენობა ასევე პრობლემაა გადაცემის მეთოდთან, რომელიც იყენებს მავთულს ელექტროენერგიის მიწოდებისთვის. ამიტომ, მომავალში, ჩვენ გამოვიყენებთ მილსადენებით მიწოდებულ წყალბადს, ისევე როგორც ნახშირმჟავას ავზებს, რომლებიც გამოიყენება გაზიანი სასმელების დასამზადებლად, და ვყიდულობთ წყალბადის ავზს სახლში, რათა გამოიმუშაოს ელექტროენერგია ყველა ოჯახისთვის. მობილური მოწყობილობები, რომლებიც მუშაობენ წყალბადის ბატარეებზე, ჩვეულებრივი ხდება. საინტერესო იქნება ასეთი მომავლის ხილვა.