Om næste generations energibrint

Vi vil introducere "brint", den næste generation af energi, der er CO2-neutral. Brint er opdelt i tre typer: "grøn brint", "blå brint" og "grå brint", som hver især har en forskellig produktionsmetode. Vi vil også forklare hver fremstillingsmetode, fysiske egenskaber som grundstoffer, lagrings-/transportmetoder og anvendelsesmetoder. Og jeg vil også introducere, hvorfor det er den næste generations dominerende energikilde.

Elektrolyse af vand til produktion af grøn brint

Når man bruger brint, er det vigtigt at "producere brint" alligevel. Den nemmeste måde er at "elektrolysere vand". Måske gjorde du det i naturfag i folkeskolen. Fyld bægerglasset med vand, og elektroderne fyldes i vand. Når et batteri tilsluttes elektroderne og aktiveres, sker følgende reaktioner i vandet og i hver elektrode.
Ved katoden kombineres H+ og elektroner for at producere brintgas, mens anoden producerer ilt. Denne fremgangsmåde er dog fin til skolevidenskabelige eksperimenter, men for at producere brint industrielt skal der udarbejdes effektive mekanismer, der er egnede til storskalaproduktion. Det kaldes "polymerelektrolytmembran (PEM) elektrolyse".
I denne metode placeres en semipermeabel polymermembran, der tillader passage af hydrogenioner, mellem en anode og en katode. Når vand hældes i enhedens anode, bevæger hydrogenioner produceret ved elektrolyse sig gennem en semipermeabel membran til katoden, hvor de bliver til molekylært hydrogen. På den anden side kan iltioner ikke passere gennem den semipermeable membran og blive til iltmolekyler ved anoden.
Også i alkalisk vandelektrolyse skaber man brint og ilt ved at adskille anoden og katoden gennem en separator, hvorigennem kun hydroxidioner kan passere. Derudover findes der industrielle metoder såsom højtemperaturdampelektrolyse.
Ved at udføre disse processer i stor skala kan store mængder brint udvindes. I processen produceres der også en betydelig mængde ilt (halvdelen af ​​den producerede mængde brint), så det ville ikke have nogen negativ miljøpåvirkning, hvis det udledes i atmosfæren. Elektrolyse kræver dog meget elektricitet, så kulstoffri brint kan produceres, hvis den produceres med elektricitet, der ikke bruger fossile brændstoffer, såsom vindmøller og solpaneler.
Du kan få "grøn brint" ved at elektrolysere vand ved hjælp af ren energi.

Der er også en brintgenerator til storskalaproduktion af denne grønne brint. Ved at bruge PEM i elektrolysersektionen kan brint produceres kontinuerligt.

Blå brint lavet af fossile brændstoffer

Så hvad er andre måder at lave brint på? Brint findes i fossile brændstoffer såsom naturgas og kul som andre stoffer end vand. For eksempel, overvej metan (CH4), hovedkomponenten i naturgas. Der er fire brintatomer her. Du kan få brint ved at udskille denne brint.
En af disse er en proces kaldet "dampmetanreformering", der bruger damp. Den kemiske formel for denne metode er som følger.
Som du kan se, kan kulilte og brint udvindes fra et enkelt metanmolekyle.
På denne måde kan brint produceres gennem processer som "dampreformering" og "pyrolyse" af naturgas og kul. "Blå brint" refererer til brint produceret på denne måde.
I dette tilfælde produceres der dog kulilte og kuldioxid som biprodukter. Så man skal genbruge dem, før de udledes til atmosfæren. Hvis biproduktet kuldioxid ikke genvindes, bliver det til brintgas, kendt som "grå brint".

Hvilken slags grundstof er hydrogen?

Hydrogen har atomnummer 1 og er det første element i det periodiske system.
Antallet af atomer er det største i universet og tegner sig for omkring 90% af alle grundstoffer i universet. Det mindste atom, der består af en proton og en elektron, er hydrogenatomet.
Brint har to isotoper med neutroner bundet til kernen. En neutronbundet "deuterium" og to neutronbundne "tritium". Disse er også materialer til produktion af fusionsenergi.
Inde i en stjerne som solen finder der sted kernefusion fra brint til helium, som er energikilden for stjernens evne til at lyse.
Brint findes dog sjældent som gas på Jorden. Brint danner forbindelser med andre grundstoffer såsom vand, metan, ammoniak og ethanol. Da brint er et let grundstof, øges bevægelseshastigheden af ​​brintmolekyler, når temperaturen stiger, og de undslipper fra jordens tyngdekraft til det ydre rum.

Hvordan bruger man brint? Brug ved forbrænding

Hvordan bruges "brint", som har tiltrukket sig verdensomspændende opmærksomhed som en næste generations energikilde, så? Det bruges på to hovedmåder: "forbrænding" og "brændselscelle". Lad os starte med brugen af ​​"brænding".
Der anvendes to hovedtyper af forbrænding.
Den første er som raketbrændstof. Japans H-IIA-raket bruger brintgas "flydende brint" og "flydende ilt", som også er i kryogen tilstand, som brændstof. Disse to kombineres, og den varmeenergi, der genereres på det tidspunkt, accelererer injektionen af ​​de genererede vandmolekyler, der flyver ud i rummet. Men fordi det er en teknisk vanskelig motor, har kun USA, Europa, Rusland, Kina og Indien, bortset fra Japan, med succes kombineret dette brændstof.
Den anden er kraftproduktion. Gasturbinkraftproduktion bruger også metoden til at kombinere brint og ilt for at generere energi. Med andre ord er det en metode, der ser på den termiske energi, der produceres af brint. I termiske kraftværker producerer varmen fra afbrænding af kul, olie og naturgas damp, der driver turbiner. Hvis brint bruges som varmekilde, vil kraftværket være CO2-neutralt.

Hvordan bruger man brint? Brugt som brændselscelle

En anden måde at bruge brint på er som en brændselscelle, der omdanner brint direkte til elektricitet. Især Toyota har vakt opmærksomhed i Japan ved at markedsføre brintdrevne køretøjer i stedet for elbiler som et alternativ til benzinbiler som en del af sine modforanstaltninger mod global opvarmning.
Helt konkret gør vi den omvendte procedure, når vi introducerer fremstillingsmetoden for "grøn brint". Den kemiske formel er som følger.
Brint kan generere vand (varmt vand eller damp) samtidig med at det genererer elektricitet, og det kan evalueres, fordi det ikke belaster miljøet. På den anden side har denne metode en relativt lav energiproduktionseffektivitet på 30-40% og kræver platin som katalysator, hvilket medfører øgede omkostninger.
I øjeblikket bruger vi polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC) og fosforsyrebrændselsceller (PAFC). Især brændselscellekøretøjer bruger PEFC, så det kan forventes at blive mere udbredt i fremtiden.

Er brintlagring og -transport sikker?

Vi tror, ​​du nu forstår, hvordan brintgas fremstilles og bruges. Så hvordan opbevarer man denne brint? Hvordan får man den derhen, hvor man har brug for den? Hvad med sikkerheden på det tidspunkt? Vi vil forklare det.
Faktisk er brint også et meget farligt grundstof. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede brugte vi brint som gas til at få balloner, balloner og luftskibe til at flyve på himlen, fordi det var meget let. Men den 6. maj 1937 fandt "luftskibseksplosionen Hindenburg" sted i New Jersey, USA.
Siden ulykken har det været bredt anerkendt, at brintgas er farlig. Især når den antændes, vil den eksplodere voldsomt med ilt. Derfor er det vigtigt at "holde sig væk fra ilt" eller "holde sig væk fra varme".
Efter at have taget disse forholdsregler, fandt vi en forsendelsesmetode.
Brint er en gas ved stuetemperatur, så selvom det stadig er en gas, er det meget omfangsrigt. Den første metode er at anvende højt tryk og komprimere det som en cylinder, når man laver kulsyreholdige drikke. Forbered en speciel højtrykstank og opbevar den under højtryksforhold såsom 45 MPa.
Toyota, der udvikler brændselscellebiler (FCV), udvikler en højtrykstank af harpiks til brint, der kan modstå et tryk på 70 MPa.
En anden metode er at køle ned til -253°C for at fremstille flydende brint og opbevare og transportere det i specielle varmeisolerede tanke. Ligesom LNG (flydende naturgas), når naturgas importeres fra udlandet, flyder brint under transport, hvilket reducerer dets volumen til 1/800 af dets gasformige tilstand. I 2020 færdiggjorde vi verdens første flydende brintbærer. Denne tilgang er dog ikke egnet til brændselscellebiler, fordi det kræver meget energi at køle det ned.
Der findes en metode til opbevaring og forsendelse i tanke som denne, men vi udvikler også andre metoder til brintlagring.
Lagringsmetoden er at bruge brintlagringslegeringer. Brint har den egenskab at trænge ind i metaller og nedbryde dem. Dette er et udviklingstip, der blev udviklet i USA i 1960'erne. JJ Reilly et al. Eksperimenter har vist, at brint kan lagres og frigives ved hjælp af en legering af magnesium og vanadium.
Derefter udviklede han med succes et stof, såsom palladium, der kan absorbere brint 935 gange sit eget volumen.
Fordelen ved at bruge denne legering er, at den kan forhindre ulykker med brintlækage (primært eksplosionsulykker). Derfor kan den opbevares og transporteres sikkert. Men hvis du ikke er forsigtig og efterlader den i det forkerte miljø, kan brintlagringslegeringer frigive brintgas over tid. Selv en lille gnist kan forårsage en eksplosionsulykke, så vær forsigtig.
Det har også den ulempe, at gentagen hydrogenabsorption og desorption fører til sprødhed og reducerer hydrogenabsorptionshastigheden.
Den anden er at bruge rør. Der er en betingelse om, at det skal være ikke-komprimeret og lavt tryk for at forhindre sprødhed i rørene, men fordelen er, at eksisterende gasrør kan bruges. Tokyo Gas udførte byggearbejde på Harumi FLAG ved hjælp af byens gasrørledninger til at forsyne brint til brændselsceller.

Fremtidens samfund skabt af brintenergi

Lad os til sidst overveje den rolle, brint kan spille i samfundet.
Endnu vigtigere er det, at vi ønsker at fremme et CO2-frit samfund; vi bruger brint til at generere elektricitet i stedet for som varmeenergi.
I stedet for store termiske kraftværker har nogle husholdninger indført systemer som ENE-FARM, der bruger brint udvundet ved reformering af naturgas til at generere den nødvendige elektricitet. Spørgsmålet om, hvad man skal gøre med biprodukterne fra reformeringsprocessen, er dog stadig uafklaret.

I fremtiden, hvis selve cirkulation af brint øges, f.eks. ved at øge antallet af brinttankstationer, vil det være muligt at bruge elektricitet uden at udlede kuldioxid. Elektricitet producerer naturligvis grøn brint, så den bruger elektricitet genereret fra sollys eller vind. Den strøm, der bruges til elektrolyse, bør være den strøm, der skal til for at undertrykke mængden af ​​strømproduktion eller til at oplade det genopladelige batteri, når der er overskudsstrøm fra naturlig energi. Med andre ord er brinten i samme position som det genopladelige batteri. Hvis dette sker, vil det i sidste ende være muligt at reducere den termiske strømproduktion. Den dag, hvor forbrændingsmotoren forsvinder fra biler, nærmer sig hastigt.

Brint kan også udvindes ad en anden vej. Faktisk er brint stadig et biprodukt fra produktionen af ​​kaustisk soda. Det er blandt andet et biprodukt fra koksproduktion i jernfremstilling. Hvis man bruger denne brint i distributionen, vil man kunne få flere kilder. Brintgas produceret på denne måde leveres også af brintstationer.

Lad os se længere ind i fremtiden. Mængden af ​​energitab er også et problem med den transmissionsmetod, der bruger ledninger til at levere strøm. Derfor vil vi i fremtiden bruge brint leveret via rørledninger, ligesom de kulsyretanke, der bruges til at lave kulsyreholdige drikkevarer, og købe en brinttank derhjemme for at generere elektricitet til hver husstand. Mobile enheder, der kører på brintbatterier, bliver almindelige. Det bliver interessant at se en sådan fremtid.