ახალი თაობის ენერგიის წყალბადის შესახებ

ჩვენ გაგაცნობთ „წყალბადს“, ენერგიის ახალ თაობას, რომელიც ნახშირბად-ნეიტრალურია. წყალბადი იყოფა სამ ტიპად: „მწვანე წყალბადი“, „ლურჯი წყალბადი“ და „ნაცრისფერი წყალბადი“, რომელთაგან თითოეულს განსხვავებული წარმოების მეთოდი აქვს. ასევე ავხსნით წარმოების თითოეულ მეთოდს, ელემენტებად ფიზიკურ თვისებებს, შენახვის/ტრანსპორტირების მეთოდებს და გამოყენების მეთოდებს. ასევე ავხსნი, თუ რატომ არის ის ახალი თაობის დომინანტური ენერგიის წყარო.

წყლის ელექტროლიზი მწვანე წყალბადის წარმოებისთვის

წყალბადის გამოყენებისას, მნიშვნელოვანია „წყალბადის წარმოება“. ყველაზე მარტივი გზაა „წყლის ელექტროლიზი“. შესაძლოა, ეს დაწყებით სკოლაში საბუნებისმეტყველო მეცნიერებების გაკვეთილზე გააკეთეთ. ჭიქა წყლით შეავსეთ და ელექტროდები წყალში ჩადეთ. როდესაც ელექტროდებს აკუმულატორი უერთდება და ენერგიით მიეწოდება, წყალში და თითოეულ ელექტროდში შემდეგი რეაქციები ხდება.
კათოდზე H+ და ელექტრონები ერთიანდებიან წყალბადის აირის წარმოსაქმნელად, ანოდი კი ჟანგბადს გამოიმუშავებს. მიუხედავად ამისა, ეს მიდგომა კარგია სკოლის სამეცნიერო ექსპერიმენტებისთვის, მაგრამ წყალბადის ინდუსტრიულად წარმოებისთვის აუცილებელია მასშტაბური წარმოებისთვის შესაფერისი ეფექტური მექანიზმების მომზადება. ეს არის „პოლიმერული ელექტროლიტური მემბრანის (PEM) ელექტროლიზი“.
ამ მეთოდის დროს, ანოდსა და კათოდს შორის მოთავსებულია პოლიმერული ნახევრადგამტარი მემბრანა, რომელიც წყალბადის იონებს გავლის საშუალებას აძლევს. როდესაც მოწყობილობას ანოდში წყალი შეედინება, ელექტროლიზის შედეგად წარმოქმნილი წყალბადის იონები ნახევრადგამტარი მემბრანის გავლით კათოდში გადადიან, სადაც ისინი მოლეკულურ წყალბადად იქცევიან. მეორეს მხრივ, ჟანგბადის იონებს არ შეუძლიათ ნახევრადგამტარი მემბრანის გავლა და ანოდზე ჟანგბადის მოლეკულებად იქცევიან.
ასევე, ტუტე წყლის ელექტროლიზის დროს, წყალბადი და ჟანგბადი წარმოიქმნება ანოდისა და კათოდის გამოყოფით გამყოფის მეშვეობით, რომლის გავლითაც მხოლოდ ჰიდროქსიდის იონები შეიძლება გაიარონ. გარდა ამისა, არსებობს სამრეწველო მეთოდები, როგორიცაა მაღალი ტემპერატურის ორთქლის ელექტროლიზი.
ამ პროცესების ფართომასშტაბიანი შესრულებით შესაძლებელია წყალბადის დიდი რაოდენობით მიღება. ამ პროცესში ასევე წარმოიქმნება ჟანგბადის მნიშვნელოვანი რაოდენობა (წარმოებული წყალბადის მოცულობის ნახევარი), ამიტომ ატმოსფეროში გამოყოფის შემთხვევაში მას არ ექნება უარყოფითი ზეგავლენა გარემოზე. თუმცა, ელექტროლიზი მოითხოვს დიდი რაოდენობით ელექტროენერგიას, ამიტომ ნახშირბადისგან თავისუფალი წყალბადის წარმოება შესაძლებელია, თუ ის წარმოიქმნება ისეთი ელექტროენერგიით, რომელიც არ იყენებს წიაღისეულ საწვავს, როგორიცაა ქარის ტურბინები და მზის პანელები.
„მწვანე წყალბადის“ მიღება შეგიძლიათ წყლის ელექტროლიზით სუფთა ენერგიის გამოყენებით.

ასევე არსებობს წყალბადის გენერატორი ამ მწვანე წყალბადის მასშტაბური წარმოებისთვის. ელექტროლიზატორის განყოფილებაში PEM-ის გამოყენებით, წყალბადის უწყვეტად წარმოება შესაძლებელია.

ლურჯი წყალბადი, დამზადებული წიაღისეული საწვავისგან

მაშ ასე, წყალბადის მიღების სხვა რა გზები არსებობს? წყალბადი წყლის გარდა სხვა ნივთიერებების სახითაც არსებობს ნამარხი საწვავში, როგორიცაა ბუნებრივი აირი და ქვანახშირი. მაგალითად, განვიხილოთ მეთანი (CH4), ბუნებრივი აირის მთავარი კომპონენტი. აქ წყალბადის ოთხი ატომია. წყალბადის მიღება ამ წყალბადის ამოღებით შეგიძლიათ.
ერთ-ერთი ასეთი პროცესია „ორთქლის მეთანის რეფორმირება“, რომელიც ორთქლს იყენებს. ამ მეთოდის ქიმიური ფორმულა შემდეგია.
როგორც ხედავთ, ნახშირბადის მონოქსიდის და წყალბადის ამოღება შესაძლებელია ერთი მეთანის მოლეკულიდან.
ამ გზით, წყალბადის წარმოება შესაძლებელია ისეთი პროცესებით, როგორიცაა ბუნებრივი აირისა და ნახშირის „ორთქლის რეფორმირება“ და „პიროლიზი“. „ლურჯი წყალბადი“ ამ გზით წარმოებულ წყალბადს ეხება.
ამ შემთხვევაში კი, ნახშირორჟანგი და ნახშირორჟანგი წარმოიქმნება თანმდევი პროდუქტების სახით. ამიტომ, ატმოსფეროში გამოყოფამდე ისინი უნდა გადამუშავდეს. თუ თანმდევი პროდუქტი ნახშირორჟანგი არ აღდგება, ის წყალბადის აირად იქცევა, რომელიც ცნობილია როგორც „ნაცრისფერი წყალბადი“.

რა სახის ელემენტია წყალბადი?

წყალბადს აქვს ატომური ნომერი 1 და ის პერიოდული ცხრილის პირველი ელემენტია.
ატომების რაოდენობა სამყაროში უდიდესია და სამყაროში არსებული ყველა ელემენტის დაახლოებით 90%-ს შეადგენს. პროტონისა და ელექტრონისგან შემდგარი ყველაზე პატარა ატომი წყალბადის ატომია.
წყალბადს აქვს ორი იზოტოპი, რომელთა ნეიტრონებიც ბირთვთანაა დაკავშირებული. ერთი ნეიტრონულ-ბმიანი „დეიტერიუმი“ და ორი ნეიტრონულ-ბმიანი „ტრიტიუმი“. ესენიც თერმობირთვული ენერგიის გენერირების მასალებია.
მზის მსგავსი ვარსკვლავის შიგნით ხდება წყალბადის ჰელიუმად გარდაქმნა, რაც ვარსკვლავის კაშკაშა ენერგიის წყაროა.
თუმცა, წყალბადი დედამიწაზე აირის სახით იშვიათად არსებობს. წყალბადი ნაერთებს წარმოქმნის სხვა ელემენტებთან, როგორიცაა წყალი, მეთანი, ამიაკი და ეთანოლი. რადგან წყალბადი მსუბუქი ელემენტია, ტემპერატურის მატებასთან ერთად წყალბადის მოლეკულების გადაადგილების სიჩქარე იზრდება და ისინი დედამიწის გრავიტაციისგან კოსმოსში გადადიან.

როგორ გამოვიყენოთ წყალბადი? გამოყენება წვის გზით

მაშ, როგორ გამოიყენება „წყალბადი“, რომელმაც მსოფლიო ყურადღება მიიპყრო, როგორც ახალი თაობის ენერგიის წყარომ? ის ორი ძირითადი გზით გამოიყენება: „წვა“ და „საწვავის ელემენტი“. დავიწყოთ „დაწვის“ გამოყენებით.
გამოიყენება წვის ორი ძირითადი ტიპი.
პირველი რაკეტის საწვავია. იაპონიის H-IIA რაკეტა საწვავად იყენებს წყალბადის აირს „თხევად წყალბადს“ და „თხევად ჟანგბადს“, რომელიც ასევე კრიოგენულ მდგომარეობაშია. ეს ორი გაერთიანებულია და ამ დროს წარმოქმნილი სითბური ენერგია აჩქარებს წარმოქმნილი წყლის მოლეკულების ინექციას, რომლებიც კოსმოსში გაფრინდებიან. თუმცა, რადგან ეს ტექნიკურად რთული ძრავაა, იაპონიის გარდა, მხოლოდ შეერთებულმა შტატებმა, ევროპამ, რუსეთმა, ჩინეთმა და ინდოეთმა შეძლეს ამ საწვავის წარმატებით გაერთიანება.
მეორე არის ელექტროენერგიის გამომუშავება. გაზის ტურბინის ენერგიის გამომუშავება ასევე იყენებს წყალბადისა და ჟანგბადის შერწყმის მეთოდს ენერგიის გამოსამუშავებლად. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს არის მეთოდი, რომელიც წყალბადის მიერ გამომუშავებულ თერმულ ენერგიას განიხილავს. თბოელექტროსადგურებში ნახშირის, ნავთობისა და ბუნებრივი აირის წვის შედეგად მიღებული სითბო წარმოქმნის ორთქლს, რომელიც ტურბინებს ამოძრავებს. თუ სითბოს წყაროდ წყალბადი გამოიყენება, ელექტროსადგური ნახშირბად-ნეიტრალური იქნება.

როგორ გამოვიყენოთ წყალბადი? გამოიყენება როგორც საწვავის უჯრედი

წყალბადის გამოყენების კიდევ ერთი გზაა საწვავის უჯრედის სახით გამოყენება, რომელიც წყალბადს პირდაპირ ელექტროენერგიად გარდაქმნის. კერძოდ, Toyota-მ იაპონიაში ყურადღება მიიპყრო იმით, რომ გლობალური დათბობის საწინააღმდეგო ზომების ფარგლებში, ელექტრომობილების (EV) ნაცვლად, წყალბადზე მომუშავე ავტომობილებს ბენზინის ავტომობილების ალტერნატივად წარმოაჩენდა.
კერძოდ, „მწვანე წყალბადის“ წარმოების მეთოდის შემოღებისას საპირისპირო პროცედურას ვატარებთ. ქიმიური ფორმულა შემდეგია.
წყალბადს შეუძლია ელექტროენერგიის გენერირების პარალელურად წყლის (ცხელი წყლის ან ორთქლის) წარმოქმნა და მისი შეფასება შესაძლებელია, რადგან ის გარემოზე ზეწოლას არ ახდენს. მეორეს მხრივ, ამ მეთოდს აქვს შედარებით დაბალი, 30-40%-იანი ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა და კატალიზატორად პლატინას მოითხოვს, რაც ზრდის ხარჯებს.
ამჟამად, ჩვენ ვიყენებთ პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედებს (PEFC) და ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედებს (PAFC). კერძოდ, საწვავის ელემენტების მქონე ავტომობილები იყენებენ PEFC-ს, ამიტომ მომავალში მისი გავრცელება მოსალოდნელია.

უსაფრთხოა თუ არა წყალბადის შენახვა და ტრანსპორტირება?

ამ დროისთვის, ვფიქრობთ, უკვე გესმით, თუ როგორ მზადდება და გამოიყენება წყალბადის აირი. მაშ, როგორ შეინახოთ ეს წყალბადი? როგორ მიაწოდოთ ის საჭირო ადგილას? რაც შეეხება უსაფრთხოებას ამ დროს? ჩვენ აგიხსნით.
სინამდვილეში, წყალბადი ასევე ძალიან საშიში ელემენტია. მე-20 საუკუნის დასაწყისში წყალბადს, როგორც აირს, ცაში ბუშტების, ბუშტებისა და საჰაერო ხომალდების გასაშვებად ვიყენებდით, რადგან ის ძალიან მსუბუქი იყო. თუმცა, 1937 წლის 6 მაისს, აშშ-ს ქალაქ ნიუ-ჯერსიში, „საჰაერო ხომალდ ჰინდენბურგის აფეთქება“ მოხდა.
ავარიის შემდეგ ფართოდ იქნა აღიარებული, რომ წყალბადის აირი საშიშია. განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ის აალდება, ის ძლიერად აფეთქდება ჟანგბადთან ერთად. ამიტომ, აუცილებელია „მოარიდეთ ჟანგბადს“ ან „მოარიდეთ სითბოს“.
ამ ზომების მიღების შემდეგ, ჩვენ შევიმუშავეთ მიწოდების მეთოდი.
ოთახის ტემპერატურაზე წყალბადი აირისებრი მდგომარეობაა, ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ის მაინც აირისებრი მდგომარეობაა, ის ძალიან მოცულობითია. პირველი მეთოდი გაზიანი სასმელების დამზადებისას მაღალი წნევის გამოყენება და ცილინდრის მსგავსად შეკუმშვაა. მოამზადეთ სპეციალური მაღალი წნევის ავზი და შეინახეთ მაღალი წნევის პირობებში, მაგალითად, 45 მპა.
„ტოიოტა“, რომელიც საწვავის ელემენტებზე მომუშავე ავტომობილებს (FCV) ავითარებს, ფისოვან მაღალი წნევის წყალბადის ავზს ავითარებს, რომელსაც 70 მპა წნევას გაუძლებს.
კიდევ ერთი მეთოდია თხევადი წყალბადის მისაღებად -253°C-მდე გაგრილება და მისი სპეციალურ თბოიზოლირებულ ავზებში შენახვა და ტრანსპორტირება. ისევე, როგორც LNG-ის (თხევადი ბუნებრივი აირი) შემთხვევაში, როდესაც ბუნებრივი აირი საზღვარგარეთიდან იმპორტირდება, წყალბადი ტრანსპორტირების დროს თხევადდება, რაც მის მოცულობას აირადი მდგომარეობის 1/800-მდე ამცირებს. 2020 წელს ჩვენ დავასრულეთ მსოფლიოში პირველი თხევადი წყალბადის გადამზიდავი. თუმცა, ეს მიდგომა არ არის შესაფერისი საწვავის ელემენტებზე მომუშავე მანქანებისთვის, რადგან მის გასაგრილებლად დიდი რაოდენობით ენერგიაა საჭირო.
არსებობს ასეთ ავზებში შენახვისა და გადაზიდვის მეთოდი, თუმცა ჩვენ ასევე ვავითარებთ წყალბადის შენახვის სხვა მეთოდებსაც.
შენახვის მეთოდი წყალბადის შენადნობების გამოყენებაა. წყალბადს აქვს ლითონებში შეღწევის და მათი დაშლის თვისება. ეს არის განვითარების რჩევა, რომელიც შემუშავდა შეერთებულ შტატებში 1960-იან წლებში. ჯ. ჯ. რაილი და სხვ. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ წყალბადის შენახვა და გამოყოფა შესაძლებელია მაგნიუმისა და ვანადიუმის შენადნობის გამოყენებით.
ამის შემდეგ მან წარმატებით შეიმუშავა ნივთიერება, როგორიცაა პალადიუმი, რომელსაც შეუძლია საკუთარი მოცულობის 935-ჯერ მეტი წყალბადის შთანთქმა.
ამ შენადნობის გამოყენების უპირატესობა ის არის, რომ მას შეუძლია წყალბადის გაჟონვის თავიდან აცილება (ძირითადად აფეთქების შემთხვევები). ამიტომ, მისი უსაფრთხოდ შენახვა და ტრანსპორტირება შესაძლებელია. თუმცა, თუ ფრთხილად არ იქნებით და არასწორ გარემოში დატოვებთ, წყალბადის შესანახი შენადნობები დროთა განმავლობაში შეიძლება წყალბადის აირის გამოყოფა. მცირე ნაპერწკალმაც კი შეიძლება აფეთქების მიზეზი გახდეს, ამიტომ ფრთხილად იყავით.
მას ასევე აქვს ის ნაკლი, რომ წყალბადის განმეორებითი შთანთქმა და დეზორბცია იწვევს მსხვრევადობას და ამცირებს წყალბადის შთანთქმის სიჩქარეს.
მეორე ვარიანტია მილების გამოყენება. არსებობს პირობა, რომ მილები უნდა იყოს არაშეკუმშული და დაბალი წნევის, რათა თავიდან იქნას აცილებული მილების მსხვრევა, თუმცა უპირატესობა ის არის, რომ შესაძლებელია არსებული გაზსადენების გამოყენება. Tokyo Gas-მა Harumi FLAG-ზე სამშენებლო სამუშაოები ჩაატარა, ქალაქის გაზსადენების გამოყენებით საწვავის უჯრედების წყალბადის მიწოდება.

წყალბადის ენერგიით შექმნილი მომავლის საზოგადოება

და ბოლოს, მოდით განვიხილოთ წყალბადის როლი საზოგადოებაში.
უფრო მნიშვნელოვანია, რომ ჩვენ გვსურს ნახშირბადისგან თავისუფალი საზოგადოების ხელშეწყობა, რადგან წყალბადს ელექტროენერგიის წარმოებისთვის ვიყენებთ და არა თბოენერგიის სახით.
დიდი თბოელექტროსადგურების ნაცვლად, ზოგიერთმა ოჯახმა დანერგა ისეთი სისტემები, როგორიცაა ENE-FARM, რომლებიც საჭირო ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად იყენებენ ბუნებრივი აირის რეფორმირებით მიღებულ წყალბადს. თუმცა, კითხვა, თუ რა უნდა გავაკეთოთ რეფორმირების პროცესის თანმდევი პროდუქტებით, კვლავ ღიად რჩება.

მომავალში, თუ წყალბადის ცირკულაცია გაიზრდება, მაგალითად, წყალბადის საწვავი სადგურების რაოდენობის გაზრდა, ელექტროენერგიის გამოყენება ნახშირორჟანგის გამოყოფის გარეშე იქნება შესაძლებელი. ელექტროენერგია, რა თქმა უნდა, მწვანე წყალბადს გამოიმუშავებს, ამიტომ ის მზის ან ქარის მიერ გამომუშავებულ ელექტროენერგიას იყენებს. ელექტროლიზისთვის გამოყენებული ენერგია უნდა იყოს ისეთი, როგორიც ენერგიის გამომუშავების რაოდენობის შესამცირებლად ან დატენვადი აკუმულატორის დასატენად, როდესაც ბუნებრივი ენერგიიდან ჭარბი ენერგიაა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, წყალბადი იმავე მდგომარეობაშია, როგორც დატენვადი აკუმულატორი. თუ ეს მოხდება, საბოლოოდ შესაძლებელი გახდება თბოენერგიის გამომუშავების შემცირება. დღე, როდესაც ავტომობილებიდან შიდა წვის ძრავა გაქრება, სწრაფად ახლოვდება.

წყალბადის მიღება სხვა გზითაც შეიძლება. სინამდვილეში, წყალბადი კვლავ კაუსტიკური სოდის წარმოების თანმდევი პროდუქტია. სხვა საკითხებთან ერთად, ის რკინის წარმოებაში კოქსის წარმოების თანმდევი პროდუქტია. თუ ამ წყალბადს განაწილების სისტემაში ჩავრთავთ, მრავალი წყაროს მიღებას შეძლებთ. ამ გზით წარმოებული წყალბადის აირი ასევე წყალბადის სადგურებიდან მომარაგდება.

მოდით, მომავალში უფრო შორს გავიხედოთ. დაკარგული ენერგიის რაოდენობა ასევე პრობლემაა გადაცემის მეთოდთან, რომელიც ელექტროენერგიის მიწოდებისთვის სადენებს იყენებს. ამიტომ, მომავალში, ჩვენ გამოვიყენებთ მილსადენებით მოწოდებულ წყალბადს, ისევე როგორც ნახშირმჟავას ავზებს, რომლებიც გაზიანი სასმელების დასამზადებლად გამოიყენება, და სახლში წყალბადის ავზს ვიყიდით ყველა ოჯახისთვის ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად. წყალბადის ბატარეებზე მომუშავე მობილური მოწყობილობები სულ უფრო გავრცელებული ხდება. საინტერესო იქნება ასეთი მომავლის დანახვა.