Без "водород" дип аталган углерод-нейтраль энергиянең киләсе буыны белән таныштырачакбыз. Водород өч төргә бүленә: "яшел водород", "зәңгәр водород" һәм "соры водород", аларның һәрберсенең җитештерү ысулы төрле. Шулай ук без һәр җитештерү ысулын, элементлар буларак физик үзлекләрен, саклау/ташу ысулларын һәм куллану ысулларын аңлатырбыз. Һәм мин шулай ук аның ни өчен киләсе буынның доминант энергия чыганагы булуын да таныштырырмын.
Яшел водород алу өчен су электролизы
Водород кулланганда, барыбер "водород җитештерү" мөһим. Иң җиңел ысул - "суны электролизлау". Бәлки, сез башлангыч мәктәп фәнендә шулай эшләгәнсездер. Стаканны су һәм судагы электродлар белән тутырыгыз. Батарея электродларга тоташтырылганда һәм көчәйтелгәндә, суда һәм һәр электродта түбәндәге реакцияләр бара.
Катодта H+ һәм электроннар водород газын барлыкка китерә, ә анод кислород җитештерә. Шулай да, бу ысул мәктәп фәнни экспериментлары өчен яхшы, ләкин сәнәгатьтә водород җитештерү өчен зур күләмле җитештерү өчен яраклы нәтиҗәле механизмнар әзерләргә кирәк. Бу "полимер электролит мембранасы (ПЭМ) электролизы".
Бу ысулда, водород ионнарының үтүен тәэмин итүче полимер ярымүткәргеч мембрана анод һәм катод арасына урнаштырыла. Җайланманың анодына су салынганда, электролиз нәтиҗәсендә барлыкка килгән водород ионнары ярымүткәргеч мембрана аша катодка күчә, анда алар молекуляр водородка әйләнә. Икенче яктан, кислород ионнары ярымүткәргеч мембрана аша үтә алмый һәм анодта кислород молекулаларына әйләнә алмый.
Шулай ук селте су электролизында, анод һәм катодны гидроксид ионнары гына үтә алырлык сепаратор аша аерып, водород һәм кислород барлыкка килә. Моннан тыш, югары температуралы пар электролизы кебек сәнәгать ысуллары да бар.
Бу процессларны зур күләмдә башкару аша күп күләмдә водород алырга мөмкин. Бу процесс барышында шулай ук шактый күләмдә кислород та җитештерелә (җитештерелгән водород күләменең яртысы), шуңа күрә атмосферага чыгарылган очракта ул әйләнә-тирә мохиткә тискәре йогынты ясамаячак. Ләкин электролиз күп электр энергиясе таләп итә, шуңа күрә углеродсыз водород, әгәр ул җил турбиналары һәм кояш панельләре кебек казылма ягулык кулланылмаган электр энергиясе белән җитештерелсә, җитештерелергә мөмкин.
Чиста энергия кулланып, суны электролизлау юлы белән "яшел водород" алырга мөмкин.
Шулай ук бу яшел водородны зур күләмдә җитештерү өчен водород генераторы да бар. Электролизер бүлегендә ПЭМ кулланып, водородны өзлексез җитештереп була.
Казылма ягулыклардан ясалган зәңгәр водород
Димәк, водородны башка нинди ысуллар белән ясап була? Водород табигый газ һәм күмер кебек казылма ягулыкларда судан тыш башка матдәләр буларак та бар. Мәсәлән, табигый газның төп компоненты булган метанны (CH4) карап чыгыйк. Монда дүрт водород атомы бар. Сез бу водородны чыгарып, водород ала аласыз.
Шуларның берсе - пар кулланып "пар метанын реформалаштыру" дип аталган процесс. Бу ысулның химик формуласы түбәндәгечә.
Күргәнегезчә, углерод монооксиды һәм водородны бер метан молекуласыннан аерып алырга мөмкин.
Шулай итеп, водородны "пар реформациясе" һәм табигый газ һәм күмернең "пиролизы" кебек процесслар аша җитештерергә мөмкин. "Зәңгәр водород" шул рәвешле җитештерелгән водородны аңлата.
Ләкин бу очракта углерод монооксиды һәм углерод диоксиды өстәмә продуктлар буларак барлыкка килә. Шуңа күрә аларны атмосферага чыгарганчы кабат эшкәртергә туры килә. Өстәмә продукт булган углерод диоксиды, әгәр дә алынмаса, "соры водород" дип аталган водород газына әйләнә.
Водород нинди элемент?
Водородның атом саны 1 һәм ул периодик системада беренче элемент.
Атомнар саны Галәмдәге иң зурысы, Галәмдәге барлык элементларның якынча 90% ын тәшкил итә. Протон һәм электроннан торган иң кечкенә атом - водород атомы.
Водородның ике изотопы бар, аларда нейтроннар атом төшенә тоташкан. Бер нейтрон белән бәйләнешле "дейтерий" һәм ике нейтрон белән бәйләнешле "тритий". Болар шулай ук термоядролык энергиясе җитештерү өчен материаллар.
Кояш кебек йолдыз эчендә водородтан гелийга кадәр ядро синтезы бара, бу йолдызның балкуы өчен энергия чыганагы.
Шулай да, водород Җирдә газ рәвешендә сирәк очрый. Водород су, метан, аммиак һәм этанол кебек башка элементлар белән кушылмалар барлыкка китерә. Водород җиңел элемент булганлыктан, температура арткан саен, водород молекулаларының хәрәкәт тизлеге арта һәм Җирнең гравитациясеннән космоска чыга.
Водородны ничек кулланырга? Яну юлы белән куллану
Аннары, киләсе буын энергия чыганагы буларак бөтен дөнья игътибарын җәлеп иткән "водород" ничек кулланыла? Ул ике төп ысул белән кулланыла: "яну" һәм "ягулык элементы". Әйдәгез, "яну" терминын кулланудан башлыйк.
Януның ике төп төре кулланыла.
Беренчесе ракета ягулыгы буларак кулланыла. Япониянең H-IIA ракетасы ягулык буларак "сыек водород" газын һәм криоген хәлдә булган "сыек кислород"ны куллана. Бу икесе берләштерелгән, һәм шул вакытта барлыкка килгән җылылык энергиясе барлыкка килгән су молекулаларын кертүне тизләтә, космоска оча. Ләкин, техник яктан катлаулы двигатель булганлыктан, Япониядән кала, бу ягулыкны уңышлы берләштергән илләр - АКШ, Европа, Россия, Кытай һәм Һиндстан.
Икенчесе - электр энергиясе җитештерү. Газ турбинасы электр энергиясе җитештерү шулай ук энергия җитештерү өчен водород һәм кислородны кушу ысулын куллана. Икенче төрле әйткәндә, бу ысул водород тарафыннан җитештерелгән җылылык энергиясен карый. Җылылык электр станцияләрендә күмер, нефть һәм табигый газ яндырудан чыккан җылылык турбиналарны эшләтә торган пар барлыкка китерә. Әгәр водород җылылык чыганагы буларак кулланылса, электр станциясе углерод-нейтраль булачак.
Водородны ничек кулланырга? Ягулык элементы буларак кулланыла
Водородны куллануның тагын бер ысулы - ягулык элементы буларак, ул водородны турыдан-туры электр энергиясенә әйләндерә. Аерым алганда, Toyota Япониядә игътибарны җәлеп итте, чөнки ул глобаль җылынуга каршы көрәш чаралары кысаларында бензинлы машиналарга альтернатива буларак электр машиналары (EV) урынына водород ягулыгы белән эшли торган машиналарны тәкъдим итә.
Аерым алганда, без "яшел водород" җитештерү ысулын керткәндә кире процедураны башкарабыз. Химик формула түбәндәгечә.
Водород электр энергиясе җитештергәндә су (кайнар су яки пар) җитештерә ала, һәм аны бәяләп була, чөнки ул әйләнә-тирә мохиткә йөкләнеш ясамый. Икенче яктан, бу ысулның энергия җитештерү нәтиҗәлелеге чагыштырмача түбән, 30-40% тәшкил итә, һәм катализатор буларак платина кулланыла, шуңа күрә чыгымнар арту таләп ителә.
Хәзерге вакытта без полимер электролит ягулык элементларын (PEFC) һәм фосфор кислотасы ягулык элементларын (PAFC) кулланабыз. Аерым алганда, ягулык элементлы транспорт чаралары PEFC куллана, шуңа күрә киләчәктә аның таралуы көтелә.
Водородны саклау һәм ташу куркынычсызмы?
Хәзер сез водород газының ничек ясалуын һәм кулланылуын аңлыйсыз дип уйлыйбыз. Шулай итеп, бу водородны ничек саклыйсыз? Аны кирәкле урынга ничек аласыз? Ул вакытта куркынычсызлык турында нәрсә әйтеп була? Без аңлатырбыз.
Чынлыкта, водород та бик куркыныч элемент. XX гасыр башында без водородны һавада шарларны, һава шарларын һәм дирижабльләрне очырту өчен газ буларак кулландык, чөнки ул бик җиңел иде. Ләкин 1937 елның 6 маенда АКШның Нью-Джерси штатында "Гинденбург дирижабле шартлады".
Авариядән соң, водород газының куркыныч булуы киң танылды. Аеруча ул янганда, ул кислород белән көчле шартлый. Шуңа күрә "кислородтан ерак торыгыз" яки "җылылыктан ерак торыгыз" дигән кагыйдәләрне үтәү бик мөһим.
Бу чараларны күргәннән соң, без җибәрү ысулын уйлап таптык.
Водород бүлмә температурасында газ, шуңа күрә ул һаман да газ булса да, бик күләмле. Беренче ысул - газлы эчемлекләр ясаганда югары басым ясау һәм цилиндр кебек кысу. Махсус югары басымлы бак әзерләгез һәм аны 45 МПа кебек югары басым шартларында саклагыз.
Ягулык элементлы машиналар (FCV) җитештерүче Toyota компаниясе 70 МПа басымга чыдам югары басымлы водород баллонын эшли.
Тагын бер ысул - сыек водород ясау өчен -253°C кадәр суыту, һәм аны махсус җылылык изоляцияләнгән бакларда саклау һәм ташу. Чит илләрдән табигый газ импортланганда сыекландырылган табигый газ (LNG) кебек үк, водород та ташу вакытында сыекландырыла, аның күләме газ халәтенең 1/800 өлешенә кадәр кими. 2020 елда без дөньяда беренче сыек водород ташучысын эшләтеп бетердек. Ләкин бу ысул ягулык элементлы машиналар өчен яраклы түгел, чөнки аны суыту өчен күп энергия кирәк.
Мондый резервуарларда саклау һәм җибәрү ысулы бар, ләкин без водородны саклауның башка ысулларын да эшлибез.
Саклау ысулы - водород саклаучы эретмәләрне куллану. Водород металларга үтеп кереп, аларны боза ала. Бу - 1960-нчы елларда АКШта эшләнгән үсеш ысулы. Дж.Дж. Рейли һ.б. Тәҗрибәләр күрсәткәнчә, водородны магний һәм ванадий эретмәсе ярдәмендә саклап һәм чыгарып була.
Шуннан соң ул үз күләменнән 935 тапкыр күбрәк водородны сеңдерә ала торган палладий кебек матдәне уңышлы эшләп чыгарды.
Бу корычманы куллануның өстенлеге шунда ки, ул водород агып чыгу очракларын (нигездә, шартлау очракларын) булдырмаска ярдәм итә. Шуңа күрә аны куркынычсыз сакларга һәм ташырга мөмкин. Ләкин, сак булмасагыз һәм аны дөрес булмаган мохиттә калдырсагыз, водород саклау корычмалары вакыт узу белән водород газын бүлеп чыгарырга мөмкин. Хәтта кечкенә очкын да шартлау очрагына китерергә мөмкин, шуңа күрә сак булыгыз.
Шулай ук аның кимчелеге дә бар: водородны кабат-кабат сеңдерү һәм десорбцияләү мортлыкка китерә һәм водородны сеңдерү тизлеген киметә.
Икенчесе - торбалар куллану. Торбаларның сынуын булдырмас өчен, алар кысылмаган һәм түбән басымлы булырга тиеш дигән шарт бар, ләкин өстенлек шунда ки, гамәлдәге газ торбаларын кулланырга мөмкин. Tokyo Gas компаниясе Harumi FLAG төзелеш эшләрен башкарды, ягулык элементларына водород җибәрү өчен шәһәр газ торбаларын кулланды.
Водород энергиясе белән төзелгән киләчәк җәмгыяте
Ниһаять, әйдәгез, водородның җәмгыятьтә нинди роль уйный алуын карап чыгыйк.
Иң мөһиме, без углеродсыз җәмгыятьне алга этәрергә телибез, без водородны җылылык энергиясе буларак түгел, ә электр энергиясе җитештерү өчен кулланабыз.
Зур җылылык электр станцияләре урынына кайбер хуҗалыклар кирәкле электр энергиясен җитештерү өчен табигый газны реформалаштыру юлы белән алынган водородны кулланучы ENE-FARM кебек системаларны керттеләр. Ләкин реформалаштыру процессының өстәмә продуктлары белән нәрсә эшләргә дигән сорау кала.
Киләчәктә, водородның әйләнеше артса, мәсәлән, водородны ягулык белән тутыру станцияләре санын арттырса, углекислый газ чыгармыйча электр энергиясен куллану мөмкин булачак. Әлбәттә, электр энергиясе яшел водород җитештерә, шуңа күрә ул кояш нурларыннан яки җилдән алынган электр энергиясен куллана. Электролиз өчен кулланыла торган энергия энергия җитештерү күләмен бастыру яки табигый энергиядән артык энергия булганда кабат зарядлана торган батареяны зарядлау өчен кулланылырга тиеш. Икенче төрле әйткәндә, водород кабат зарядлана торган батарея белән бер үк урында тора. Әгәр бу булса, ахыр чиктә җылылык энергиясе җитештерүне киметү мөмкин булачак. Эчке яну двигателе машиналардан юкка чыгачак көн тиз якынлаша.
Водородны башка юл белән дә алырга мөмкин. Чынлыкта, водород әле дә каустик сода җитештерүнең өстәмә продукты булып тора. Башка әйберләр белән беррәттән, ул тимер эшкәртүдә кокс җитештерүнең өстәмә продукты. Әгәр сез бу водородны бүленешкә кертсәгез, сез берничә чыганак ала алачаксыз. Бу ысул белән җитештерелгән водород газы шулай ук водород станцияләре тарафыннан тәэмин ителә.
Әйдәгез, киләчәккә тагын да тирәнрәк күз салыйк. Югалган энергия күләме шулай ук электр энергиясен тәэмин итү өчен чыбыклар кулланган тапшыру ысулы белән дә бәйле. Шуңа күрә киләчәктә без газлы эчемлекләр ясауда кулланыла торган углерод кислотасы баклары кебек үк, торбаүткәргечләр аша китерелгән водородны кулланачакбыз һәм һәр йорт өчен электр энергиясе җитештерү өчен өйдә водород багы сатып алачакбыз. Водород батареяларында эшли торган мобиль җайланмалар гадәти күренешкә әйләнә бара. Мондый киләчәкне күрү кызыклы булачак.
Бастырылган вакыты: 2023 елның 8 июне
