Növbəti nəsil enerji hidrogeni haqqında

Karbon neytral olan növbəti nəsil enerji olan "hidrogen"i təqdim edəcəyik. Hidrogen üç növə bölünür: "yaşıl hidrogen", "mavi hidrogen" və "boz hidrogen", bunların hər biri fərqli istehsal üsuluna malikdir. Həmçinin hər bir istehsal üsulunu, element kimi fiziki xüsusiyyətlərini, saxlama/nəqliyyat üsullarını və istifadə üsullarını izah edəcəyik. Həmçinin onun niyə növbəti nəsil dominant enerji mənbəyi olduğunu da təqdim edəcəyəm.

Yaşıl Hidrogen İstehsalı üçün Suyun Elektrolizi

Hidrogendən istifadə edərkən, hər halda, "hidrogen istehsal etmək" vacibdir. Ən asan yol "suyu elektroliz etməkdir". Bəlkə də ibtidai sinif elmində bunu etmisiniz. Stakanı su və içindəki elektrodlarla 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. Buna baxmayaraq, bu yanaşma məktəb elmi təcrübələri üçün uyğundur, lakin sənayedə hidrogen istehsal etmək üçün genişmiqyaslı istehsal üçün uyğun səmərəli mexanizmlər hazırlanmalıdır. Bu, "polimer elektrolit membranının (PEM) elektrolizidir".
Bu üsulda, hidrogen ionlarının keçməsinə imkan verən polimer yarımkeçirici membran anod və katod arasında yerləşdirilir. Cihazın anoduna su töküldükdə, elektroliz nəticəsində əmələ gələn hidrogen ionları yarımkeçirici membrandan keçərək katoda doğru hərəkət edir və orada molekulyar hidrogenə çevrilir. Digər tərəfdən, oksigen ionları yarımkeçirici membrandan keçə və anodda oksigen molekullarına çevrilə bilmir.
Həmçinin qələvi su elektrolizində, anod və katodu yalnız hidroksid ionlarının keçə biləcəyi bir ayırıcıdan ayıraraq hidrogen və oksigen yaradırsınız. Bundan əlavə, yüksək temperaturlu buxar elektrolizi kimi sənaye üsulları da mövcuddur.
Bu prosesləri geniş miqyasda həyata keçirməklə çoxlu miqdarda hidrogen əldə etmək olar. Bu prosesdə əhəmiyyətli miqdarda oksigen də istehsal olunur (istehsal olunan hidrogenin yarısı qədər), buna görə də atmosferə buraxıldıqda ətraf mühitə heç bir mənfi təsir göstərməyəcək. Lakin elektroliz çoxlu elektrik enerjisi tələb edir, buna görə də külək turbinləri və günəş panelləri kimi qalıq yanacaqlardan istifadə etməyən elektrik enerjisi ilə istehsal olunarsa, karbonsuz hidrogen istehsal edilə bilər.
Təmiz enerjidən istifadə edərək suyun elektroliz edilməsi ilə "yaşıl hidrogen" əldə edə bilərsiniz.

Bu yaşıl hidrogenin genişmiqyaslı istehsalı üçün hidrogen generatoru da mövcuddur. Elektrolizator bölməsində PEM istifadə etməklə hidrogen fasiləsiz istehsal edilə bilər.

Fosil Yanacaqlarından Hazırlanan Mavi Hidrogen

Bəs hidrogen əldə etməyin başqa yolları hansılardır? Hidrogen təbii qaz və kömür kimi qazıntı yanacaqlarında sudan başqa maddələr kimi mövcuddur. Məsələn, təbii qazın əsas komponenti olan metanı (CH4) nəzərdən keçirək. Burada dörd hidrogen atomu var. Bu hidrogeni çıxarmaqla hidrogen əldə edə bilərsiniz.
Bunlardan biri buxardan istifadə edən “buxar metan islahatı” adlanan bir prosesdir. Bu metodun kimyəvi formulu aşağıdakı kimidir.
Gördüyünüz kimi, karbonmonoksit və hidrogen tək bir metan molekulundan çıxarıla bilər.
Bu şəkildə hidrogen təbii qaz və kömürün “buxar islahatları” və “piroliz” kimi proseslər vasitəsilə istehsal edilə bilər. “Mavi hidrogen” bu şəkildə istehsal olunan hidrogeni ifadə edir.
Lakin bu halda, karbonmonoksit və karbon qazı yan məhsullar kimi əmələ gəlir. Buna görə də, atmosferə buraxılmazdan əvvəl onları təkrar emal etməlisiniz. Yan məhsul olan karbon qazı, əgər bərpa olunmazsa, "boz hidrogen" kimi tanınan hidrogen qazına çevrilir.

Hidrogen hansı elementdir?

Hidrogenin atom nömrəsi 1-dir və dövri cədvəldə birinci elementdir.
Atomların sayı kainatdakı ən böyükdür və kainatdakı bütün elementlərin təxminən 90%-ni təşkil edir. Proton və elektrondan ibarət ən kiçik atom hidrogen atomudur.
Hidrogenin nüvəsinə neytronlar birləşdirilmiş iki izotopu var. Bir neytronla əlaqəli "deuterium" və iki neytronla əlaqəli "tritium". Bunlar həmçinin termonüvə enerjisi istehsalı üçün materiallardır.
Günəş kimi bir ulduzun içərisində, ulduzun parlaması üçün enerji mənbəyi olan hidrogendən heliuma nüvə birləşməsi baş verir.
Lakin hidrogen Yer kürəsində nadir hallarda qaz halında mövcuddur. Hidrogen su, metan, ammonyak və etanol kimi digər elementlərlə birləşmələr əmələ gətirir. Hidrogen yüngül element olduğundan, temperatur artdıqca hidrogen molekullarının hərəkət sürəti artır və Yer kürəsinin cazibə qüvvəsindən kosmosa qaçır.

Hidrogendən necə istifadə olunur? Yanma yolu ilə istifadə

Bəs, yeni nəsil enerji mənbəyi kimi dünya miqyasında diqqəti cəlb edən "hidrogen" necə istifadə olunur? O, iki əsas şəkildə istifadə olunur: "yanma" və "yanacaq elementi". Gəlin "yanma" sözünün istifadəsindən başlayaq.
İstifadə olunan iki əsas yanma növü var.
Birincisi raket yanacağı kimidir. Yaponiyanın H-IIA raketi yanacaq kimi hidrogen qazı olan "maye hidrogen" və kriogen vəziyyətdə olan "maye oksigen"dən istifadə edir. Bu ikisi birləşdirilir və həmin vaxt yaranan istilik enerjisi yaranan su molekullarının kosmosa uçmasını sürətləndirir. Lakin texniki cəhətdən çətin bir mühərrik olduğundan, Yaponiya istisna olmaqla, yalnız ABŞ, Avropa, Rusiya, Çin və Hindistan bu yanacağı uğurla birləşdirə biliblər.
İkincisi, elektrik enerjisi istehsalıdır. Qaz turbinli elektrik enerjisi istehsalında həmçinin hidrogen və oksigeni birləşdirərək enerji istehsal etmək metodundan istifadə olunur. Başqa sözlə, bu, hidrogenin istehsal etdiyi istilik enerjisinə baxan bir metoddur. İstilik elektrik stansiyalarında kömür, neft və təbii qazın yandırılmasından yaranan istilik turbinləri hərəkətə gətirən buxar əmələ gətirir. Hidrogen istilik mənbəyi kimi istifadə olunarsa, elektrik stansiyası karbon neytral olacaq.

Hidrogendən necə istifadə olunur? Yanacaq elementi kimi istifadə olunur

Hidrogendən istifadənin başqa bir yolu yanacaq elementi kimi istifadə etməkdir və bu, hidrogeni birbaşa elektrik enerjisinə çevirir. Xüsusilə, Toyota qlobal istiləşmə ilə mübarizə tədbirlərinin bir hissəsi olaraq benzinlə işləyən nəqliyyat vasitələrinə alternativ olaraq elektrikli nəqliyyat vasitələri (EV) əvəzinə hidrogenlə işləyən nəqliyyat vasitələrini təbliğ etməklə Yaponiyada diqqəti cəlb edib.
Xüsusilə, "yaşıl hidrogen" istehsal üsulunu tətbiq edərkən tərs proseduru yerinə yetiririk. Kimyəvi formul 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 metod nisbətən aşağı enerji istehsalı səmərəliliyinə malikdir və katalizator kimi platin tələb edir, buna görə də artan xərclər tələb olunur.
Hazırda polimer elektrolit yanacaq elementlərindən (PEFC) və fosfor turşusu yanacaq elementlərindən (PAFC) istifadə edirik. Xüsusilə, yanacaq elementli nəqliyyat vasitələri PEFC-dən istifadə edir, buna görə də gələcəkdə onun geniş yayılacağı gözlənilir.

Hidrogenin saxlanması və daşınması təhlükəsizdirmi?

Artıq hidrogen qazının necə istehsal olunduğunu və istifadə olunduğunu başa düşdüyünüzü düşünürük. Bəs bu hidrogeni necə saxlayırsınız? Onu ehtiyac duyduğunuz yerə necə çatdırırsınız? Bəs o zaman təhlükəsizlik barədə nə deyə bilərsiniz? İzah edəcəyik.
Əslində, hidrogen də çox təhlükəli bir elementdir. 20-ci əsrin əvvəllərində hidrogen çox yüngül olduğundan səmada şarlar, şarlar və dirijablları uçurmaq üçün qaz kimi istifadə edirdik. 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 edilmişdir. Xüsusilə də alovlandıqda, oksigenlə şiddətlə partlayacaq. Buna görə də, "oksigendən uzaq durun" və ya "istilikdən uzaq durun" vacibdir.
Bu tədbirləri gördükdən sonra bir göndərmə üsulu tapdıq.
Hidrogen otaq temperaturunda qazdır, ona görə də hələ də qaz olsa da, çox böyükdür. Birinci üsul qazlı içkilər hazırlayarkən yüksək təzyiq tətbiq etmək və silindr kimi sıxmaqdır. Xüsusi yüksək təzyiqli bir çən hazırlayın və onu 45Mpa kimi yüksək təzyiq şəraitində saxlayın.
Yanacaq elementli nəqliyyat vasitələri (YHN) hazırlayan Toyota, 70 MPa təzyiqə davam gətirə bilən qatranlı yüksək təzyiqli hidrogen çəni hazırlayır.
Başqa bir üsul maye hidrogen hazırlamaq üçün -253°C-yə qədər soyumaq və onu xüsusi istilik izolyasiyalı çənlərdə saxlamaq və daşımaqdır. Xaricdən təbii qaz idxal edildikdə mayeləşdirilmiş təbii qaz (LNG) kimi, hidrogen də daşınma zamanı mayeləşdirilir və həcmi qaz halının 1/800 hissəsinə qədər azalır. 2020-ci ildə dünyanın ilk maye hidrogen daşıyıcısını hazırladıq. Lakin bu yanaşma yanacaq elementli nəqliyyat vasitələri üçün uyğun deyil, çünki soyumaq üçün çoxlu enerji tələb olunur.
Bu kimi çənlərdə saxlama və göndərmə üsulu mövcuddur, lakin biz hidrogen saxlamanın digər üsullarını da inkişaf etdiririk.
Saxlama üsulu hidrogen saxlama ərintilərindən istifadə etməkdir. Hidrogen metallara nüfuz etmək və onları parçalamaq xüsusiyyətinə malikdir. Bu, 1960-cı illərdə ABŞ-da hazırlanmış bir inkişaf tövsiyəsidir. JJ Reilly və digərləri. Təcrübələr göstərmişdir ki, hidrogen maqnezium və vanadium ərintisindən istifadə edərək saxlanıla və buraxıla bilər.
Bundan sonra o, öz həcmindən 935 dəfə çox hidrogeni uda bilən palladium kimi bir maddəni uğurla inkişaf etdirdi.
Bu ərintidən istifadənin üstünlüyü ondan ibarətdir ki, o, hidrogen sızması qəzalarının (əsasən partlayış qəzalarının) qarşısını ala bilər. Buna görə də, onu təhlükəsiz şəkildə saxlamaq və daşımaq olar. Lakin, ehtiyatlı olmasanız və onu səhv mühitdə saxlasanız, hidrogen saxlama ərintiləri zamanla hidrogen qazı buraxa bilər. Hətta kiçik bir qığılcım belə partlayış qəzasına səbəb ola bilər, ona görə də diqqətli olun.
Həmçinin, təkrarlanan hidrogen udulması və desorbsiyasının kövrəkliyə səbəb olması və hidrogen udma sürətini azaltması kimi mənfi cəhətləri də var.
Digəri isə borulardan istifadə etməkdir. Boruların kövrəkləşməsinin qarşısını almaq üçün sıxılmamış və aşağı təzyiqli olması şərti var, lakin üstünlüyü mövcud qaz borularından istifadə edilə bilməsidir. Tokyo Gas şirkəti yanacaq elementlərinə hidrogen tədarükü üçün şəhər qaz borularından istifadə edərək Harumi FLAG-da tikinti işləri aparıb.

Hidrogen Enerjisi tərəfindən Yaradılan Gələcək Cəmiyyəti

Nəhayət, hidrogenin cəmiyyətdə oynaya biləcəyi rolu nəzərdən keçirək.
Daha da əhəmiyyətlisi, karbonsuz bir cəmiyyəti təşviq etmək istəyirik, hidrogendən istilik enerjisi əvəzinə elektrik enerjisi istehsal etmək üçün istifadə edirik.
Böyük istilik elektrik stansiyaları əvəzinə, bəzi ev təsərrüfatları tələb olunan elektrik enerjisini istehsal etmək üçün təbii qazı islah etməklə əldə edilən hidrogendən istifadə edən ENE-FARM kimi sistemlər tətbiq ediblər. Lakin islah prosesinin əlavə məhsulları ilə nə etməli olduğu sualı hələ də qalır.

Gələcəkdə hidrogenin özünün dövranı artarsa, məsələn, hidrogen yanacaqdoldurma stansiyalarının sayı artırılarsa, karbon qazı buraxmadan elektrik enerjisindən istifadə etmək mümkün olacaq. Əlbəttə ki, elektrik enerjisi yaşıl hidrogen istehsal edir, ona görə də günəş işığından və ya küləkdən istehsal olunan elektrik enerjisindən istifadə edir. Elektroliz üçün istifadə olunan enerji, təbii enerjidən artıq enerji olduqda enerji istehsalının miqdarını azaltmaq və ya doldurulan batareyanı doldurmaq üçün güc olmalıdır. Başqa sözlə, hidrogen doldurulan batareya ilə eyni vəziyyətdədir. Əgər bu baş verərsə, nəticədə istilik enerjisi istehsalını azaltmaq mümkün olacaq. Daxili yanma mühərrikinin avtomobillərdən yox olacağı gün sürətlə yaxınlaşır.

Hidrogen başqa bir yolla da əldə edilə bilər. Əslində, hidrogen hələ də kaustik soda istehsalının əlavə məhsuludur. Digər şeylər arasında, dəmir istehsalında koks istehsalının əlavə məhsuludur. Bu hidrogeni paylanmaya yerləşdirsəniz, birdən çox mənbə əldə edə biləcəksiniz. Bu şəkildə istehsal olunan hidrogen qazı da hidrogen stansiyaları tərəfindən təmin edilir.

Gəlin gələcəyə daha dərindən nəzər salaq. İtirilən enerji miqdarı, həmçinin elektrik enerjisi təmin etmək üçün naqillərdən istifadə edən ötürmə üsulu ilə bağlı problemdir. Buna görə də, gələcəkdə qazlı içkilərin hazırlanmasında istifadə olunan karbon turşusu çənləri kimi, boru kəmərləri ilə çatdırılan hidrogendən istifadə edəcək və hər ev üçün elektrik enerjisi istehsal etmək üçün evdə hidrogen çəni alacağıq. Hidrogen batareyaları ilə işləyən mobil cihazlar adi hala gəlir. Belə bir gələcəyi görmək maraqlı olacaq.