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 har en forskellig produktionsmetode. Vi vil også forklare hver fremstillingsmetode, fysiske egenskaber som elementer, opbevarings-/transportmetoder og brugsmetoder. Og jeg vil også introducere, hvorfor det er næste generations dominerende energikilde.
Elektrolyse af vand for at producere grønt brint
Når man bruger brint, er det vigtigt at "producere brint" alligevel. Den nemmeste måde er at "elektrolysere vand". Måske gjorde du det i folkeskolens naturvidenskab. Fyld bægeret med vand og elektroderne i vand. Når et batteri tilsluttes elektroderne og strømforsynes, opstår følgende reaktioner i vandet og i hver elektrode.
Ved katoden kombineres H+ og elektroner for at producere brintgas, mens anoden producerer oxygen. Alligevel er denne tilgang fin til skolevidenskabelige eksperimenter, men for at producere brint industrielt skal der udarbejdes effektive mekanismer, der er egnede til storskalaproduktion. Det er "polymer elektrolytmembran (PEM) elektrolyse".
I denne metode er en polymer semipermeabel membran, der tillader passage af hydrogenioner, klemt mellem en anode og en katode. Når vand hældes ind i enhedens anode, bevæger brintioner produceret ved elektrolyse sig gennem en semipermeabel membran til katoden, hvor de bliver til molekylært brint. På den anden side kan oxygenioner ikke passere gennem den semipermeable membran og blive til oxygenmolekyler ved anoden.
Også ved alkalisk vandelektrolyse skaber man brint og oxygen ved at adskille anoden og katoden gennem en separator, som kun hydroxidioner kan passere igennem. Derudover er der industrielle metoder som højtemperatur dampelektrolyse.
Ved at udføre disse processer i stor skala kan der opnås store mængder brint. I processen produceres også en betydelig mængde ilt (halvdelen af den producerede mængde brint), så det ikke ville have nogen negativ miljøpåvirkning, hvis det frigives til atmosfæren. Elektrolyse kræver dog meget elektricitet, så der kan produceres kulfrit brint, hvis det 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 storstilet produktion af denne grønne brint. Ved at bruge PEM i elektrolysesektionen kan brint produceres kontinuerligt.
Blå brint lavet af fossile brændstoffer
Så hvad er andre måder at fremstille brint på? Brint findes i fossile brændstoffer som naturgas og kul som andre stoffer end vand. Overvej for eksempel metan (CH4), hovedkomponenten i naturgas. Der er fire brintatomer her. Du kan få brint ved at tage denne brint ud.
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 den måde kan brint fremstilles gennem processer som "dampreformering" og "pyrolyse" af naturgas og kul. "Blå brint" refererer til brint fremstillet på denne måde.
I dette tilfælde produceres kulilte og kuldioxid som biprodukter. Så du skal genbruge dem, før de slippes ud i atmosfæren. Biproduktet kuldioxid, hvis det ikke genvindes, bliver til brintgas, kendt som "grå brint".
Hvilken slags grundstof er hydrogen?
Brint har et atomnummer på 1 og er det første grundstof 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 bestående af en proton og en elektron er brintatomet.
Brint har to isotoper med neutroner knyttet til kernen. Et neutronbundet "deuterium" og to neutronbundet "tritium". Disse er også materialer til fusionskraftproduktion.
Inde i en stjerne som solen foregår der kernefusion fra brint til helium, som er energikilden til, at stjernen kan skinne.
Imidlertid eksisterer brint sjældent som en gas på Jorden. Brint danner forbindelser med andre grundstoffer som vand, metan, ammoniak og ethanol. Da brint er et let grundstof, øges bevægelseshastigheden af brintmolekyler, når temperaturen stiger, og undslipper fra jordens tyngdekraft til det ydre rum.
Hvordan bruger man brint? Anvendelse ved forbrænding
Så hvordan bruges "brint", som har tiltrukket sig verdensomspændende opmærksomhed som næste generations energikilde? Det bruges på to hovedmåder: "forbrænding" og "brændselscelle". Lad os starte med brugen af "brænde".
Der anvendes to hovedtyper af forbrænding.
Den første er som raketbrændstof. Japans H-IIA raket bruger brintgas "flydende brint" og "flydende oxygen", som også er i en kryogen tilstand som brændstof. Disse to kombineres, og den varmeenergi, der genereres på det tidspunkt, accelererer injektionen af de dannede vandmolekyler, der flyver ud i rummet. Men fordi det er en teknisk vanskelig motor, bortset fra Japan, er det kun USA, Europa, Rusland, Kina og Indien, der med succes har kombineret dette brændstof.
Den anden er elproduktion. Gasturbinekraftproduktion bruger også metoden til at kombinere brint og oxygen til at generere energi. Det er med andre ord en metode, der ser på den termiske energi produceret 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 kulstofneutralt.
Hvordan bruger man brint? Brugt som brændselscelle
En anden måde at bruge brint på er som brændselscelle, som omdanner brint direkte til elektricitet. Toyota har især tiltrukket sig opmærksomhed i Japan ved at udråbe brintdrevne køretøjer i stedet for elektriske køretøjer (EV'er) som et alternativ til benzinbiler som en del af sine modforanstaltninger til global opvarmning.
Konkret gør vi den omvendte procedure, når vi introducerer fremstillingsmetoden "grøn brint". Den kemiske formel er som følger.
Brint kan generere vand (varmt vand eller damp), mens det genererer elektricitet, og det kan vurderes, fordi det ikke belaster miljøet. På den anden side har denne metode en relativt lav elproduktionseffektivitet på 30-40% og kræver platin som katalysator, hvilket kræver øgede omkostninger.
I øjeblikket bruger vi polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC) og phosphorsyrebrændselsceller (PAFC). Især brændselscellekøretøjer bruger PEFC, så det kan forventes at sprede sig i fremtiden.
Er hydrogenopbevaring og -transport sikker?
Nu tror vi, du forstår, hvordan brintgas fremstilles og bruges. Så hvordan opbevarer du denne brint? Hvordan får du det, hvor du har brug for det? Hvad med sikkerheden på det tidspunkt? Vi vil forklare.
Faktisk er brint også et meget farligt grundstof. I begyndelsen af det 20. århundrede brugte vi brint som gas til at svæve balloner, balloner og luftskibe på himlen, fordi det var meget let. Men den 6. maj 1937 i New Jersey, USA, skete "luftskibets Hindenburg-eksplosion".
Siden ulykken har det været almindeligt anerkendt, at brintgas er farligt. Især når det går i brand, vil det eksplodere voldsomt med ilt. Derfor er "hold væk fra ilt" eller "hold væk fra varme" afgørende.
Efter at have taget disse foranstaltninger fandt vi frem til en forsendelsesmetode.
Brint er en gas ved stuetemperatur, så selvom det stadig er en gas, er den meget omfangsrig. Den første metode er at påføre højt tryk og komprimere som en cylinder, når man laver kulsyreholdige drikke. Forbered en speciel højtryksbeholder og opbevar den under højtryksforhold såsom 45Mpa.
Toyota, der udvikler brændselscellebiler (FCV), er ved at udvikle en harpiks højtryksbrinttank, der kan modstå et tryk på 70 MPa.
En anden metode er at køle ned til -253°C for at lave flydende brint og opbevare og transportere det i specielle varmeisolerede tanke. Ligesom LNG (flydende naturgas), når naturgas importeres fra udlandet, bliver brint flydende under transport, hvilket reducerer dets volumen til 1/800 af dets gasformige tilstand. I 2020 færdiggjorde vi verdens første flydende brintbærer. Denne fremgangsmåde er dog ikke egnet til brændselscellekøretøjer, fordi det kræver meget energi at afkøle.
Der er en metode til opbevaring og forsendelse i tanke som denne, men vi udvikler også andre metoder til brintlagring.
Opbevaringsmetoden 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 brintlækageulykker (hovedsageligt 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. Nå, selv en lille gnist kan forårsage en eksplosionsulykke, så vær forsigtig.
Det har også den ulempe, at gentagen hydrogenabsorption og -desorption fører til skørhed og reducerer hydrogenabsorptionshastigheden.
Den anden er at bruge rør. Der er en betingelse om, at det skal være ukomprimeret og lavt tryk for at forhindre skørhed af rørene, men fordelen er, at eksisterende gasrør kan anvendes. Tokyo Gas udførte konstruktionsarbejde på Harumi FLAG, ved at bruge bygasrørledninger til at levere brint til brændselsceller.
Fremtidens samfund Skabt af Hydrogen Energy
Lad os endelig overveje, hvilken rolle brint kan spille i samfundet.
Endnu vigtigere ønsker vi at fremme et kulstoffrit samfund, vi bruger brint til at generere elektricitet i stedet for som varmeenergi.
I stedet for store termiske kraftværker har nogle husstande indført systemer som ENE-FARM, der bruger brint opnået ved at reformere naturgas til at generere den nødvendige elektricitet. Spørgsmålet om, hvad man skal gøre med biprodukterne fra reformprocessen, er imidlertid tilbage.
I fremtiden, hvis selve cirkulationen af brint stiger, såsom at øge antallet af brinttankstationer, vil det være muligt at bruge elektricitet uden at udlede kuldioxid. Elektricitet producerer selvfølgelig grøn brint, så den bruger elektricitet genereret fra sollys eller vind. Den strøm, der bruges til elektrolyse, bør være kraften til at undertrykke mængden af strømproduktion eller til at oplade det genopladelige batteri, når der er overskud af strøm fra naturlig energi. Brinten er med andre ord i samme position som det genopladelige batteri. Hvis dette sker, vil det i sidste ende være muligt at reducere termisk elproduktion. Dagen, hvor forbrændingsmotoren forsvinder fra bilerne, nærmer sig med hastige skridt.
Brint kan også opnås ad en anden vej. Faktisk er brint stadig et biprodukt af produktionen af kaustisk soda. Det er blandt andet et biprodukt fra koksproduktion ved jernfremstilling. Hvis du sætter denne brint i distributionen, vil du være i stand til at få flere kilder. Brintgas produceret på denne måde leveres også fra brintstationer.
Lad os se længere ind i fremtiden. Mængden af tabt energi er også et problem med transmissionsmetoden, der bruger ledninger til at levere strøm. Derfor vil vi i fremtiden bruge den brint, der leveres af rørledninger, ligesom de kulsyretanke, der bruges til at lave kulsyreholdige drikkevarer, og købe en brinttank derhjemme til at generere elektricitet til hver husstand. Mobile enheder, der kører på brintbatterier, er ved at blive almindelige. Det bliver interessant at se sådan en fremtid.
Indlægstid: Jun-08-2023
