Біз көміртегі бейтарап энергияның келесі буынын «сутегін» енгіземіз. Сутегі үш түрге бөлінеді: «жасыл сутегі», «көк сутегі» және «сұр сутегі», олардың әрқайсысының алу әдісі әртүрлі. Біз сондай-ақ әрбір өндіру әдісін, элементтер ретінде физикалық қасиеттерін, сақтау/тасымалдау әдістерін және пайдалану әдістерін түсіндіреміз. Сондай-ақ мен оның неліктен келесі ұрпақтың басым энергия көзі екенін таныстырамын.
Жасыл сутегін алу үшін судың электролизі
Сутекті пайдаланған кезде бәрібір «сутегін өндіру» маңызды. Ең оңай жолы – «суды электролиздеу». Мүмкін сіз мектептегі жаратылыстану пәнін оқыған шығарсыз. Мензурканы сумен және судағы электродтармен толтырыңыз. Батареяны электродтарға қосып, қуат бергенде суда және әрбір электродта келесі реакциялар жүреді.
Катодта Н+ және электрондар қосылып сутегі газын түзеді, ал анод оттегін шығарады. Дегенмен, бұл әдіс мектептегі ғылыми эксперименттер үшін жақсы, бірақ сутегін өнеркәсіптік жолмен алу үшін ауқымды өндіріске қолайлы тиімді механизмдер дайындалуы керек. Бұл «полимер электролит мембранасы (PEM) электролизі».
Бұл әдісте сутегі иондарының өтуіне мүмкіндік беретін полимерлі жартылай өткізгіш мембрана анод пен катодтың арасына қыстырылады. Құрылғының анодына су құйылған кезде, электролиз нәтижесінде пайда болған сутегі иондары жартылай өткізгіш мембрана арқылы катодқа жылжиды, онда олар молекулалық сутегіге айналады. Екінші жағынан, оттегі иондары жартылай өткізгіш мембранадан өте алмайды және анодта оттегі молекулаларына айнала алмайды.
Сондай-ақ сілтілі су электролизінде сіз анод пен катодты тек гидроксид иондары өтетін сепаратор арқылы бөлу арқылы сутегі мен оттегін жасайсыз. Сонымен қатар, жоғары температуралы бу электролизі сияқты өнеркәсіптік әдістер бар.
Бұл процестерді кең көлемде жүргізу арқылы сутегінің көп мөлшерін алуға болады. Бұл процесте оттегінің де айтарлықтай мөлшері (өндірілген сутегі көлемінің жартысы) өндіріледі, сондықтан ол атмосфераға шығарылған жағдайда қоршаған ортаға теріс әсер етпейді. Дегенмен, электролиз көп электр энергиясын қажет етеді, сондықтан көміртегі жоқ сутегі жел турбиналары мен күн панельдері сияқты қазба отын пайдаланбайтын электр қуатымен өндірілсе, алынуы мүмкін.
Таза энергияны пайдаланып суды электролиздеу арқылы «жасыл сутекті» алуға болады.
Сондай-ақ осы жасыл сутекті ауқымды өндіру үшін сутегі генераторы бар. Электролизатор бөлімінде PEM пайдалану арқылы сутегі үздіксіз өндірілуі мүмкін.
Қазба отынынан жасалған көк сутегі
Сонымен, сутегін алудың тағы қандай жолдары бар? Сутегі табиғи газ және көмір сияқты қазбалы отындарда судан басқа заттар ретінде болады. Мысалы, табиғи газдың негізгі құрамдас бөлігі метанды (CH4) алайық. Мұнда төрт сутегі атомы бар. Осы сутекті шығару арқылы сутегін алуға болады.
Солардың бірі буды пайдаланатын «бу метанының риформингі» деп аталатын процесс. Бұл әдістің химиялық формуласы келесідей.
Көріп отырғаныңыздай, көміртегі тотығы мен сутегін бір метан молекуласынан алуға болады.
Осылайша, сутегі табиғи газ мен көмірдің «будың риформингі» және «пиролизі» сияқты процестер арқылы өндірілуі мүмкін. «Көк сутегі» осылай өндірілген сутегіні білдіреді.
Алайда бұл жағдайда жанама өнім ретінде көміртегі тотығы мен көмірқышқыл газы өндіріледі. Сондықтан оларды атмосфераға жібермес бұрын қайта өңдеу керек. Жанама өнім көмірқышқыл газы, егер қалпына келтірілмесе, «сұр сутегі» деп аталатын сутегі газына айналады.
Сутегі қандай элемент?
Сутегінің атомдық нөмірі 1 және периодтық жүйедегі бірінші элемент.
Атомдар саны әлемдегі ең үлкен болып табылады, бұл ғаламдағы барлық элементтердің шамамен 90% құрайды. Протон мен электроннан тұратын ең кіші атом сутегі атомы болып табылады.
Сутектің ядроға нейтрондары қосылған екі изотопы бар. Бір нейтронмен байланысқан «дейтерий» және екі нейтронмен байланысқан «тритий». Бұл сондай-ақ термоядролық электр энергиясын өндіруге арналған материалдар.
Күн сияқты жұлдыздың ішінде сутегіден гелийге дейінгі ядролық синтез жүріп жатыр, бұл жұлдыздың жарқырауы үшін энергия көзі болып табылады.
Алайда сутегі жер бетінде газ түрінде сирек кездеседі. Сутегі су, метан, аммиак және этанол сияқты басқа элементтермен қосылыстар түзеді. Сутегі жеңіл элемент болғандықтан, температура көтерілген сайын сутегі молекулаларының қозғалыс жылдамдығы артып, жердің тартылыс күшінен ғарыш кеңістігіне шығады.
Сутегін қалай қолдануға болады? Жану арқылы пайдалану
Олай болса, жаңа ұрпақтың энергия көзі ретінде әлем назарын аударған «сутегі» қалай пайдаланылады? Ол екі негізгі жолмен қолданылады: «жану» және «отын ұяшығы». «Жануды» қолданудан бастайық.
Қолданылатын жанудың екі негізгі түрі бар.
Біріншісі зымыран отыны ретінде. Жапонияның H-IIA зымыраны отын ретінде криогендік күйде болатын «сұйық сутегі» және «сұйық оттегі» сутегі газын пайдаланады. Бұл екеуі қосылып, сол кезде пайда болған жылу энергиясы пайда болған су молекулаларының ғарышқа ұшатын айдауын жылдамдатады. Дегенмен, бұл техникалық қиын қозғалтқыш болғандықтан, Жапониядан басқа, тек АҚШ, Еуропа, Ресей, Қытай және Үндістан ғана бұл отынды сәтті біріктірді.
Екіншісі – электр энергиясын өндіру. Газ турбиналық электр энергиясын өндіруде энергия алу үшін сутегі мен оттегіні біріктіру әдісі де қолданылады. Басқаша айтқанда, бұл сутегі өндіретін жылу энергиясын қарастыратын әдіс. Жылу электр станцияларында көмірді, мұнайды және табиғи газды жағудың жылуы турбиналарды қозғайтын бу шығарады. Егер сутегі жылу көзі ретінде пайдаланылса, электр станциясы көміртекті бейтарап болады.
Сутегін қалай қолдануға болады? Отын ұяшығы ретінде пайдаланылады
Сутекті пайдаланудың тағы бір тәсілі - сутегін тікелей электр энергиясына айналдыратын отын ұяшығы. Атап айтқанда, Toyota Жапонияда жаһандық жылынуға қарсы шаралардың бір бөлігі ретінде бензинмен жүретін көліктерге балама ретінде электрлі көліктердің (EV) орнына сутегімен жұмыс істейтін көліктерді шығару арқылы назар аударды.
Атап айтқанда, біз «жасыл сутекті» өндіру әдісін енгізген кезде кері процедураны орындаймыз. Химиялық формуласы келесідей.
Сутегі электр энергиясын өндіру кезінде суды (ыстық су немесе бу) жасай алады және қоршаған ортаға ауыртпалық түсірмейтіндіктен оны бағалауға болады. Екінші жағынан, бұл әдіс салыстырмалы түрде төмен энергия өндіру тиімділігіне ие 30-40%, және катализатор ретінде платинаны қажет етеді, осылайша жоғары шығындарды талап етеді.
Қазіргі уақытта біз полимер электролиттік отын элементтерін (PEFC) және фосфор қышқылының отын элементтерін (PAFC) қолданамыз. Атап айтқанда, жанармай ұяшықтары бар көліктер PEFC пайдаланады, сондықтан оның болашақта таралуын күтуге болады.
Сутегін сақтау және тасымалдау қауіпсіз бе?
Қазіргі уақытта сіз сутегі газының қалай жасалатынын және қалай қолданылатынын түсіндіңіз деп ойлаймыз. Сонымен, бұл сутегін қалай сақтайсыз? Оны қажет жерде қалай алуға болады? Сол кездегі қауіпсіздік туралы не деуге болады? Біз түсіндіреміз.
Шын мәнінде, сутегі де өте қауіпті элемент. 20 ғасырдың басында біз сутекті ауада шарларды, шарларды және дирижабльдерді жүзу үшін газ ретінде пайдаландық, өйткені ол өте жеңіл болды. Алайда 1937 жылы 6 мамырда АҚШ-тың Нью-Джерси штатында «Гинденбург дирижаблының жарылысы» болды.
Апат болғаннан бері сутегі газының қауіпті екені кеңінен танылды. Әсіресе, ол жанып кетсе, ол оттегімен қатты жарылады. Сондықтан «оттегіден аулақ болу» немесе «жылудан аулақ болу» маңызды.
Осы шараларды қабылдағаннан кейін біз тасымалдау әдісін ойлап таптық.
Сутегі бөлме температурасындағы газ, сондықтан ол әлі де газ болғанымен, ол өте көлемді. Бірінші әдіс - газдалған сусындарды жасау кезінде жоғары қысымды қолдану және цилиндр тәрізді қысу. Арнайы жоғары қысымды резервуарды дайындаңыз және оны 45Мпа сияқты жоғары қысымды жағдайларда сақтаңыз.
Жанармай жасушаларын (FCV) жасайтын Toyota компаниясы 70 МПа қысымға төтеп бере алатын шайырлы жоғары қысымды сутегі цистернасын жасауда.
Тағы бір әдіс – сұйық сутегін алу үшін -253°С дейін суытып, оны арнайы жылу оқшаулағыш резервуарларда сақтау және тасымалдау. Табиғи газды шетелден импорттау кезінде СТГ (сұйытылған табиғи газ) сияқты, сутегі тасымалдау кезінде сұйылтылып, оның көлемін газ күйінің 1/800 бөлігіне дейін азайтады. 2020 жылы біз әлемдегі алғашқы сұйық сутегі тасымалдаушысын аяқтадық. Дегенмен, бұл тәсіл отын ұяшықтары бар көліктерге жарамайды, себебі ол салқындату үшін көп энергияны қажет етеді.
Мұндай резервуарларда сақтау және жөнелту әдісі бар, бірақ біз сутегі сақтаудың басқа әдістерін де жасап жатырмыз.
Сақтау әдісі сутегі сақтау қорытпаларын пайдалану болып табылады. Сутектің металдарға еніп, оларды нашарлататын қасиеті бар. Бұл 1960-жылдары Құрама Штаттарда әзірленген даму кеңесі. JJ Reilly және т.б. Тәжірибе көрсеткендей, магний мен ванадий қорытпасын пайдаланып сутегін сақтауға және босатуға болады.
Осыдан кейін ол сутегін өз көлемінен 935 есе көп сіңіре алатын палладий сияқты затты сәтті ойлап тапты.
Бұл қорытпаны пайдаланудың артықшылығы - ол сутегі ағып кету аварияларының (негізінен жарылыс апаттары) алдын алады. Сондықтан оны қауіпсіз сақтауға және тасымалдауға болады. Дегенмен, абай болмасаңыз және оны дұрыс емес ортада қалдырсаңыз, сутегі сақтау қорытпалары уақыт өте келе сутегі газын шығаруы мүмкін. Тіпті кішкентай ұшқын жарылыс апатына әкелуі мүмкін, сондықтан абай болыңыз.
Сондай-ақ оның кемшілігі бар, ол сутегінің қайталанатын сіңірілуі мен десорбциясы морттылыққа әкеледі және сутегінің сіңіру жылдамдығын төмендетеді.
Екіншісі - құбырларды пайдалану. Құбырлардың морттануын болдырмау үшін ол сығылмаған және төмен қысымды болуы керек деген шарт бар, бірақ артықшылығы бар газ құбырларын пайдалануға болады. Tokyo Gas отын ұяшықтарын сутегімен қамтамасыз ету үшін қалалық газ құбырларын пайдаланып, Харуми FLAG құрылыс жұмыстарын жүргізді.
Сутегі энергиясы арқылы құрылған болашақ қоғам
Соңында, сутегінің қоғамдағы рөлін қарастырайық.
Ең бастысы, біз көміртегісіз қоғамды алға жылжытқымыз келеді, біз сутекті жылу энергиясы ретінде емес, электр энергиясын өндіру үшін пайдаланамыз.
Кейбір үй шаруашылықтары ірі жылу электр станцияларының орнына қажетті электр энергиясын өндіру үшін табиғи газды реформалау арқылы алынған сутегін пайдаланатын ENE-FARM сияқты жүйелерді енгізді. Дегенмен, реформалау процесінің жанама өнімдерімен не істеу керек деген сұрақ әлі де бар.
Алдағы уақытта сутегінің айналымының өзі ұлғайса, сутегі жанармай құю станцияларының санын көбейтсе, көмірқышқыл газын шығармай электр қуатын пайдалануға болады. Электр энергиясы, әрине, жасыл сутегін шығарады, сондықтан ол күн сәулесінен немесе желден алынған электр энергиясын пайдаланады. Электролиз үшін пайдаланылатын қуат қуат өндіру көлемін басу немесе табиғи энергиядан артық қуат болған кезде қайта зарядталатын батареяны зарядтау үшін қуат болуы керек. Басқаша айтқанда, сутегі қайта зарядталатын батареямен бірдей күйде. Бұл орын алса, ақырында жылу энергиясын өндіруді азайтуға болады. Көліктерден іштен жанатын қозғалтқыш жоғалатын күн де жақындап келеді.
Сутегін басқа жолмен де алуға болады. Шын мәнінде, сутегі әлі күнге дейін каустикалық сода өндірісінің жанама өнімі болып табылады. Басқа нәрселермен қатар, бұл темір өңдеудегі кокс өндірісінің жанама өнімі. Егер сіз осы сутекті таратуға қоссаңыз, сіз бірнеше көздерді ала аласыз. Осылайша өндірілген сутегі газын сутегі станциялары да береді.
Әрі қарай болашаққа қарайық. Жоғалған энергия мөлшері де электр қуатын беру үшін сымдарды пайдаланатын беру әдісіне қатысты мәселе болып табылады. Сондықтан, алдағы уақытта газдалған сусындарды өндіруде қолданылатын көмірқышқылды цистерналар сияқты құбыр арқылы жеткізілетін сутекті пайдаланып, әр үйге электр қуатын өндіру үшін үйден сутегі резервуарын сатып алатын боламыз. Сутегі батареяларымен жұмыс істейтін мобильді құрылғылар әдеттегі жағдайға айналуда. Мұндай болашақты көру қызықты болады.
Жіберу уақыты: 08 маусым 2023 ж
