Növbəti nəsil enerji hidrogen haqqında

Biz “hidrogen”, karbon neytral olan enerjinin növbəti nəslini təqdim edəcəyik. Hidrogen üç növə bölünür: "yaşıl hidrogen", "mavi hidrogen" və "boz hidrogen", hər birinin fərqli istehsal üsulu var. Biz həmçinin hər bir istehsal üsulunu, elementlər kimi fiziki xüsusiyyətləri, saxlama/daşıma üsullarını və istifadə üsullarını izah edəcəyik. Mən də onun nə üçün növbəti nəsil dominant enerji mənbəyi olduğunu təqdim edəcəyəm.

Yaşıl hidrogen əldə etmək üçün suyun elektrolizi

Hidrogendən istifadə edərkən hər halda "hidrogen istehsal etmək" vacibdir. Ən asan yol "suyu elektroliz etmək"dir. Ola bilsin ki, siz ibtidai siniflərdə elm oxumusunuz. Mənbəni su və elektrodları su ilə doldurun. Batareya elektrodlara qoşulduqda və enerji verildikdə suda və hər bir elektrodda aşağıdakı reaksiyalar baş verir.
Katodda H+ və elektronlar birləşərək hidrogen qazı, anod isə oksigen istehsal edir. Yenə də bu yanaşma məktəb elmi təcrübələri üçün yaxşıdır, lakin hidrogeni sənaye üsulu ilə istehsal etmək üçün geniş miqyaslı istehsala uyğun səmərəli mexanizmlər hazırlanmalıdır. Bu, "polimer elektrolit membranının (PEM) elektrolizi" dir.
Bu üsulda hidrogen ionlarının keçməsinə imkan verən polimer yarıkeçirici membran anod və katod arasında sıxışdırılır. Cihazın anoduna su töküldükdə, elektroliz nəticəsində yaranan hidrogen ionları yarımkeçirici membrandan keçərək katoda doğru hərəkət edir və burada molekulyar hidrogenə çevrilirlər. Digər tərəfdən, oksigen ionları yarımkeçirici membrandan keçə bilmir və anodda oksigen molekullarına çevrilir.
Həmçinin qələvi su elektrolizində siz anod və katodu yalnız hidroksid ionlarının keçə biləcəyi ayırıcı vasitəsilə ayıraraq hidrogen və oksigen yaradırsınız. Bundan əlavə, yüksək temperaturda buxar elektrolizi kimi sənaye üsulları var.
Bu prosesləri geniş miqyasda yerinə yetirməklə, böyük miqdarda hidrogen əldə etmək olar. Proses zamanı əhəmiyyətli miqdarda oksigen də istehsal olunur (istehsal olunan hidrogenin yarısı qədər), belə ki, atmosferə buraxıldığı təqdirdə ətraf mühitə heç bir mənfi təsir göstərməyəcəkdir. Bununla belə, elektroliz çoxlu elektrik enerjisi tələb edir, ona görə də karbonsuz hidrogen külək turbinləri və günəş panelləri kimi qalıq yanacaqlardan istifadə etməyən elektrik enerjisi ilə istehsal olunarsa istehsal oluna bilər.
Təmiz enerjidən istifadə edərək suyu elektroliz etməklə “yaşıl hidrogen” əldə edə bilərsiniz.

Bu yaşıl hidrogenin genişmiqyaslı istehsalı üçün hidrogen generatoru da var. Elektrolizator bölməsində PEM-dən istifadə etməklə, davamlı olaraq hidrogen istehsal oluna bilər.

Qalıq yanacaqlardan əldə edilən mavi hidrogen

Beləliklə, hidrogen əldə etməyin başqa yolları hansılardır? Hidrogen təbii qaz və kömür kimi qalıq yanacaqlarda sudan başqa maddələr kimi mövcuddur. Məsələn, təbii qazın əsas komponenti olan metanı (CH4) nəzərdən keçirək. Burada dörd hidrogen atomu var. Bu hidrogeni çıxararaq hidrogen əldə edə bilərsiniz.
Bunlardan biri buxardan istifadə edən “buxar metanının islahatı” adlı bir prosesdir. Bu metodun kimyəvi formulu aşağıdakı kimidir.
Gördüyünüz kimi, tək bir metan molekulundan dəm qazı və hidrogen çıxarıla bilər.
Bu yolla hidrogen təbii qazın və kömürün “buxar islahatı” və “pirolizi” kimi proseslər vasitəsilə istehsal oluna bilər. "Mavi hidrogen" bu şəkildə istehsal olunan hidrogenə aiddir.
Bununla belə, bu halda yan məhsul kimi karbonmonoksit və karbon dioksid əmələ gəlir. Beləliklə, atmosferə buraxılmadan əvvəl onları təkrar emal etməlisiniz. Yan məhsul karbon qazı, bərpa edilmədikdə, "boz hidrogen" kimi tanınan hidrogen qazına çevrilir.

Hidrogen hansı elementdir?

Hidrogenin atom nömrəsi 1-dir və dövri cədvəldə ilk elementdir.
Atomların sayı kainatda ən böyükdür və kainatdakı bütün elementlərin təxminən 90%-ni təşkil edir. Proton və elektrondan ibarət ən kiçik atom hidrogen atomudur.
Hidrogenin nüvəyə bağlı neytronları olan iki izotopu var. Bir neytron bağlı "deyterium" və iki neytron bağlı "tritium". Bunlar həm də füzyon enerjisi istehsalı üçün materiallardır.
Günəş kimi bir ulduzun içərisində hidrogendən heliuma nüvə sintezi baş verir ki, bu da ulduzun parlaması üçün enerji mənbəyidir.
Bununla belə, hidrogen nadir hallarda yer üzündə qaz şəklində mövcuddur. Hidrogen su, metan, ammonyak və etanol kimi digər elementlərlə birləşmələr əmələ gətirir. Hidrogen yüngül element olduğundan, temperatur yüksəldikcə hidrogen molekullarının hərəkət sürəti artır və yerin cazibə qüvvəsindən kosmosa qaçır.

Hidrogendən necə istifadə etməli? Yanma yolu ilə istifadə edin

Bəs, yeni nəsil enerji mənbəyi kimi bütün dünyada diqqəti cəlb edən “hidrogen” necə istifadə olunur? İki əsas şəkildə istifadə olunur: "yanma" və "yanacaq hüceyrəsi". "Yanmaq" sözünün istifadəsi ilə başlayaq.
İstifadə olunan iki əsas yanma növü var.
Birincisi raket yanacağı kimidir. Yaponiyanın H-IIA raketi yanacaq kimi kriogen vəziyyətdə olan hidrogen qazı "maye hidrogen" və "maye oksigen"dən istifadə edir. Bu ikisi birləşir və o zaman yaranan istilik enerjisi yaranan su molekullarının kosmosa uçmasını sürətləndirir. Lakin texniki cəhətdən çətin mühərrik olduğu üçün Yaponiya istisna olmaqla, yalnız ABŞ, Avropa, Rusiya, Çin və Hindistan bu yanacağı uğurla birləşdirib.
İkincisi, enerji istehsalıdır. Qaz turbinli elektrik enerjisi istehsalı həmçinin enerji yaratmaq üçün hidrogen və oksigeni birləşdirmək üsulundan istifadə edir. Başqa sözlə, bu, hidrogenin yaratdığı istilik enerjisinə baxan bir üsuldur. İstilik elektrik stansiyalarında kömürün, neftin və təbii qazın yanması nəticəsində turbinləri hərəkətə gətirən buxar əmələ gəlir. Hidrogen istilik mənbəyi kimi istifadə edilərsə, elektrik stansiyası karbon neytral olacaq.

Hidrogendən necə istifadə etməli? Yanacaq Hüceyrəsi kimi istifadə olunur

Hidrogendən istifadə etməyin başqa bir yolu da hidrogeni birbaşa elektrikə çevirən yanacaq elementidir. Xüsusilə, Toyota qlobal istiləşmə ilə mübarizə tədbirləri çərçivəsində benzinlə işləyən avtomobillərə alternativ olaraq elektrikli avtomobillər (EV) əvəzinə hidrogen yanacağı ilə işləyən avtomobilləri tanıtmaqla Yaponiyada diqqət çəkdi.
Konkret olaraq, biz “yaşıl hidrogen” istehsal üsulunu tətbiq edərkən əks proseduru həyata keçiririk. Kimyəvi formula aşağıdakı kimidir.
Hidrogen elektrik enerjisi istehsal edərkən su (isti su və ya buxar) yarada bilər və ətraf mühitə yük yaratmadığı üçün qiymətləndirilə bilər. Digər tərəfdən, bu üsul 30-40% enerji istehsalının nisbətən aşağı səmərəliliyinə malikdir və katalizator kimi platin tələb edir, beləliklə, artan xərclər tələb olunur.
Hazırda biz polimer elektrolit yanacaq hüceyrələrindən (PEFC) və fosfor turşusu yanacaq hüceyrələrindən (PAFC) istifadə edirik. Xüsusilə, yanacaq hüceyrəli nəqliyyat vasitələri PEFC-dən istifadə edir, buna görə də gələcəkdə yayılması gözlənilir.

Hidrogenin saxlanması və daşınması təhlükəsizdirmi?

İndiyə qədər hidrogen qazının necə hazırlandığını və istifadə olunduğunu başa düşdüyünüzə inanırıq. Bəs siz bu hidrogeni necə saxlayırsınız? Ehtiyacınız olan yerdə onu necə əldə edirsiniz? Bəs o vaxt təhlükəsizlik? Biz izah edəcəyik.
Əslində hidrogen də çox təhlükəli elementdir. 20-ci əsrin əvvəllərində biz hidrogendən qaz kimi istifadə edirdik, çünki hava çox yüngül idi. Lakin 6 may 1937-ci ildə ABŞ-ın Nyu-Cersi ştatında “Hindenburq dirijablının partlaması” baş verdi.
Qəzadan bəri hidrogen qazının təhlükəli olduğu geniş şəkildə qəbul edildi. Xüsusilə alov aldıqda oksigenlə şiddətlə partlayacaq. Buna görə də "oksigendən uzaq durun" və ya "istidən uzaq tutun" vacibdir.
Bu tədbirləri gördükdən sonra bir göndərmə üsulu ilə gəldik.
Hidrogen otaq temperaturunda qazdır, buna görə də qaz olmasına baxmayaraq, çox həcmlidir. Birinci üsul qazlı içkilər hazırlayarkən yüksək təzyiq və silindr kimi sıxmaqdır. Xüsusi yüksək təzyiqli çən hazırlayın və onu 45Mpa kimi yüksək təzyiqli şəraitdə saxlayın.
Yanacaq hüceyrəli avtomobilləri (FCV) inkişaf etdirən Toyota, 70 MPa təzyiqə tab gətirə bilən qatranlı yüksək təzyiqli hidrogen çəni hazırlayır.
Başqa bir üsul maye hidrogeni -253°C-yə qədər soyudub, xüsusi istilik izolyasiyalı çənlərdə saxlayıb daşımaqdır. Təbii qaz xaricdən idxal edilərkən LNG (mayeləşdirilmiş təbii qaz) kimi, hidrogen də nəql zamanı mayeləşdirilir və onun həcmini qaz halının 1/800-ə qədər azaldır. 2020-ci ildə biz dünyanın ilk maye hidrogen daşıyıcısını tamamladıq. Bununla belə, bu yanaşma yanacaq hüceyrəsi ilə işləyən avtomobillər üçün uyğun deyil, çünki sərinləmək üçün çoxlu enerji tələb olunur.
Bu cür çənlərdə saxlama və göndərmə üsulu var, lakin biz hidrogen saxlamağın başqa üsullarını da inkişaf etdiririk.
Saxlama üsulu hidrogen saxlama ərintilərindən istifadə etməkdir. Hidrogen metallara nüfuz etmək və onları pisləşdirmək xüsusiyyətinə malikdir. Bu, 1960-cı illərdə ABŞ-da işlənib hazırlanmış bir inkişaf məsləhətidir. JJ Reilly və başqaları. Təcrübələr göstərdi ki, hidrogeni maqnezium və vanadium ərintisi ilə saxlamaq və buraxmaq olar.
Bundan sonra o, hidrogeni öz həcmindən 935 dəfə çox qəbul edə bilən palladium kimi bir maddəni uğurla inkişaf etdirdi.
Bu ərintidən istifadənin üstünlüyü ondan ibarətdir ki, o, hidrogen sızması qəzalarının (əsasən partlayış qəzaları) qarşısını ala bilər. Buna görə də təhlükəsiz şəkildə saxlanıla və daşına bilər. Ancaq diqqətli olmasanız və onu yanlış mühitdə buraxsanız, hidrogen saxlama ərintiləri zamanla hidrogen qazını buraxa bilər. Yaxşı, hətta kiçik bir qığılcım da partlayış qəzasına səbəb ola bilər, buna görə diqqətli olun.
Onun dezavantajı da var ki, təkrarlanan hidrogen udma və desorbsiya kövrəkləşməyə gətirib çıxarır və hidrogenin udulma sürətini azaldır.
Digəri borulardan istifadə etməkdir. Boruların kövrəkləşməsinin qarşısını almaq üçün sıxılmamış və aşağı təzyiqli olması şərti var, lakin üstünlük mövcud qaz borularından istifadə edilə bilər. Tokyo Gas, yanacaq elementlərini hidrogenlə təmin etmək üçün şəhər qaz boru kəmərlərindən istifadə edərək, Harumi FLAG üzərində tikinti işləri apardı.

Hidrogen Enerjisi tərəfindən yaradılan Gələcək Cəmiyyət

Nəhayət, hidrogenin cəmiyyətdə oynaya biləcəyi rolu nəzərdən keçirək.
Daha da əhəmiyyətlisi, karbonsuz bir cəmiyyəti təşviq etmək istəyirik, hidrogendən istilik enerjisi kimi deyil, elektrik enerjisi istehsal etmək üçün istifadə edirik.
Böyük istilik elektrik stansiyalarının əvəzinə bəzi ev təsərrüfatları tələb olunan elektrik enerjisini istehsal etmək üçün təbii qazın islahatı nəticəsində əldə edilən hidrogendən istifadə edən ENE-FARM kimi sistemlər tətbiq etmişdir. Bununla belə, islahat prosesinin əlavə məhsulları ilə nə etmək sualı olaraq qalır.

Gələcəkdə hidrogenin özünün dövriyyəsi artarsa, məsələn, hidrogen yanacaqdoldurma məntəqələrinin sayı artarsa, karbon qazı buraxmadan elektrik enerjisindən istifadə etmək mümkün olacaq. Təbii ki, elektrik yaşıl hidrogen istehsal edir, buna görə də günəş işığından və ya küləkdən əldə edilən elektrik enerjisindən istifadə edir. Elektroliz üçün istifadə olunan güc təbii enerjidən artıq enerji olduqda enerji istehsalının miqdarını azaltmaq və ya təkrar doldurulan batareyanı doldurmaq üçün güc olmalıdır. Başqa sözlə, hidrogen təkrar doldurulan batareya ilə eyni vəziyyətdədir. Bu baş verərsə, son nəticədə istilik enerjisi istehsalını azaltmaq mümkün olacaq. Daxili yanma mühərrikinin avtomobillərdən itdiyi gün sürətlə yaxınlaşır.

Hidrogen başqa bir yolla da əldə edilə bilər. Əslində, hidrogen hələ də kaustik soda istehsalının əlavə məhsuludur. Digər şeylər arasında, dəmirqayırmada koks istehsalının əlavə məhsuludur. Bu hidrogeni paylanmaya qoysanız, bir çox mənbə əldə edə bilərsiniz. Bu yolla hasil edilən hidrogen qazı da hidrogen stansiyaları tərəfindən təmin edilir.

Gələcəyə daha çox nəzər salaq. İtirilən enerjinin miqdarı da enerji təchizatı üçün naqillərdən istifadə edən ötürmə üsulu ilə bağlı problemdir. Ona görə də gələcəkdə qazlı içkilərin hazırlanmasında istifadə olunan karbon turşusu çənləri kimi boru kəmərləri ilə gətirilən hidrogeni də istifadə edib, evdə hidrogen çəni alacağıq ki, hər evə elektrik enerjisi hasil edək. Hidrogen batareyaları ilə işləyən mobil cihazlar adi hala çevrilir. Belə bir gələcəyi görmək maraqlı olacaq.