Біз көміртегі бейтарап энергияның келесі буыны «сутегімен» таныстырамыз. Сутегі үш түрге бөлінеді: «жасыл сутегі», «көк сутегі» және «сұр сутегі», олардың әрқайсысының өндіріс әдісі әртүрлі. Сондай-ақ, біз әрбір өндіріс әдісін, элементтер ретіндегі физикалық қасиеттерін, сақтау/тасымалдау әдістерін және пайдалану әдістерін түсіндіреміз. Сондай-ақ, оның неліктен келесі буынның басым энергия көзі екенін де таныстырамын.
Жасыл сутегі алу үшін судың электролизі
Сутекті пайдаланған кезде, кез келген жағдайда «сутекті өндіру» маңызды. Ең оңай жолы - «суды электролиздеу». Мүмкін сіз бастауыш мектеп жаратылыстану пәнінен оқыған шығарсыз. Стаканды сумен және судағы электродтармен толтырыңыз. Батарея электродтарға қосылып, қуаттандырылған кезде, суда және әрбір электродта келесі реакциялар жүреді.
Катодта H+ және электрондар бірігіп, сутегі газын түзеді, ал анод оттегін түзеді. Дегенмен, бұл тәсіл мектеп ғылыми тәжірибелері үшін өте қолайлы, бірақ сутекті өнеркәсіптік түрде өндіру үшін ірі көлемді өндіріске жарамды тиімді механизмдерді дайындау қажет. Бұл «полимерлі электролит мембранасының (ПЭМ) электролизі».
Бұл әдісте сутегі иондарының өтуіне мүмкіндік беретін полимерлі жартылай өткізгіш мембрана анод пен катодтың арасына орналастырылады. Құрылғының анодына су құйылған кезде, электролиз нәтижесінде пайда болған сутегі иондары жартылай өткізгіш мембрана арқылы катодқа қарай жылжиды, онда олар молекулалық сутегіге айналады. Екінші жағынан, оттегі иондары жартылай өткізгіш мембранадан өтіп, анодта оттегі молекулаларына айнала алмайды.
Сондай-ақ, сілтілі су электролизінде анод пен катодты тек гидроксид иондары өте алатын сепаратор арқылы бөлу арқылы сутегі мен оттегі түзіледі. Сонымен қатар, жоғары температуралы бу электролизі сияқты өнеркәсіптік әдістер бар.
Бұл процестерді кең көлемде орындау арқылы көп мөлшерде сутегі алуға болады. Процесс барысында оттегінің айтарлықтай мөлшері де өндіріледі (өндірілген сутегі көлемінің жартысы), сондықтан атмосфераға шығарылған жағдайда қоршаған ортаға зиянды әсер етпейді. Дегенмен, электролиз көп электр энергиясын қажет етеді, сондықтан көміртегісіз сутегі жел турбиналары мен күн батареялары сияқты қазба отынын пайдаланбайтын электр энергиясымен өндірілсе, өндірілуі мүмкін.
Таза энергияны пайдаланып суды электролиздеу арқылы «жасыл сутегін» алуға болады.
Сондай-ақ, осы жасыл сутекті ірі көлемде өндіруге арналған сутегі генераторы бар. Электролизер бөлімінде ПЭМ пайдалану арқылы сутегіні үздіксіз өндіруге болады.
Қазба отындарынан алынған көк сутегі
Сонымен, сутегін алудың басқа жолдары қандай? Сутегі табиғи газ және көмір сияқты қазба отындарда судан басқа заттар ретінде кездеседі. Мысалы, табиғи газдың негізгі компоненті метанды (CH4) қарастырайық. Мұнда төрт сутегі атомы бар. Сіз бұл сутегіні алып тастау арқылы сутегін ала аласыз.
Солардың бірі - буды пайдаланатын «бу метанын реформалау» деп аталатын процесс. Бұл әдістің химиялық формуласы келесідей.
Көріп отырғаныңыздай, көміртегі тотығы мен сутекті бір метан молекуласынан алуға болады.
Осылайша, сутегін «бумен риформинг» және табиғи газ бен көмірді «пиролиздеу» сияқты процестер арқылы алуға болады. «Көк сутегі» осылайша өндірілген сутегіні білдіреді.
Алайда, бұл жағдайда көміртегі тотығы мен көмірқышқыл газы қосалқы өнімдер ретінде түзіледі. Сондықтан оларды атмосфераға шығармас бұрын қайта өңдеу керек. Қосалқы өнім көмірқышқыл газы, егер қалпына келмесе, «сұр сутегі» деп аталатын сутегі газына айналады.
Сутегі қандай элемент?
Сутегінің атомдық нөмірі 1 және ол периодтық кестедегі бірінші элемент.
Атомдар саны ғаламдағы ең үлкен болып табылады, ол ғаламдағы барлық элементтердің шамамен 90%-ын құрайды. Протон мен электроннан тұратын ең кіші атом - сутегі атомы.
Сутегінің ядросына нейтрондары қосылған екі изотопы бар. Бір нейтронмен байланысқан «дейтерий» және екі нейтронмен байланысқан «тритий». Бұлар сонымен қатар термоядролық энергия өндіруге арналған материалдар.
Күн сияқты жұлдыздың ішінде сутегіден гелийге ядролық синтез жүріп жатыр, бұл жұлдыздың жарқырауының энергия көзі.
Дегенмен, сутегі Жерде 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 артады және Жердің тартылыс күшінен ғарышқа кетеді.
Сутегін қалай пайдалануға болады? Жану арқылы пайдалану
Сонымен, келесі буын энергия көзі ретінде бүкіл әлемнің назарын аударған «сутегі» қалай қолданылады? Ол екі негізгі жолмен қолданылады: «жану» және «отын элементі». «Жану» сөзін қолданудан бастайық.
Жанудың екі негізгі түрі қолданылады.
Біріншісі - зымыран отыны ретінде. Жапонияның H-IIA зымыраны отын ретінде «сұйық сутегі» газы мен криогенді күйдегі «сұйық оттегін» пайдаланады. Бұл екеуі біріктірілген, және сол кезде пайда болған жылу энергиясы ғарышқа ұшып, пайда болған су молекулаларының инъекциясын жеделдетеді. Дегенмен, бұл техникалық тұрғыдан қиын қозғалтқыш болғандықтан, Жапониядан басқа, тек Америка Құрама Штаттары, Еуропа, Ресей, Қытай және Үндістан ғана бұл отынды сәтті біріктірді.
Екіншісі - электр энергиясын өндіру. Газ турбиналық электр энергиясын өндіруде энергия алу үшін сутегі мен оттегін біріктіру әдісі де қолданылады. Басқаша айтқанда, бұл сутегі өндіретін жылу энергиясын қарастыратын әдіс. Жылу электр станцияларында көмір, мұнай және табиғи газды жағудан пайда болатын жылу турбиналарды қозғалтатын бу шығарады. Егер сутегі жылу көзі ретінде пайдаланылса, электр станциясы көміртегі бейтарап болады.
Сутегін қалай пайдалануға болады? Отын элементі ретінде қолданылады
Сутекті пайдаланудың тағы бір тәсілі - отын элементі ретінде, ол сутекті тікелей электр энергиясына айналдырады. Атап айтқанда, Toyota компаниясы жаһандық жылынумен күрес шараларының бөлігі ретінде бензинмен жүретін көліктерге балама ретінде электр көліктерінің (ЭК) орнына сутегімен жүретін көліктерді жарнамалау арқылы Жапонияда назар аударды.
Нақтырақ айтқанда, біз «жасыл сутегі» өндіріс әдісін енгізген кезде кері процедураны орындаймыз. Химиялық формуласы келесідей.
Сутегі электр энергиясын өндіру кезінде су (ыстық су немесе бу) өндіре алады және оны бағалауға болады, себебі ол қоршаған ортаға ауыртпалық түсірмейді. Екінші жағынан, бұл әдістің энергия өндіру тиімділігі салыстырмалы түрде төмен, 30-40% және катализатор ретінде платинаны қажет етеді, сондықтан шығындардың артуын талап етеді.
Қазіргі уақытта біз полимерлі электролиттік отын элементтерін (PEFC) және фосфор қышқылы отын элементтерін (PAFC) пайдаланып жатырмыз. Атап айтқанда, отын элементімен жұмыс істейтін көліктер PEFC пайдаланады, сондықтан оның болашақта кеңінен таралуы күтілуде.
Сутегін сақтау және тасымалдау қауіпсіз бе?
Қазір сіз сутегі газының қалай жасалатынын және қолданылатынын түсіндіңіз деп ойлаймыз. Сонымен, бұл сутекті қалай сақтайсыз? Оны қажет жерге қалай аласыз? Сол кездегі қауіпсіздік туралы не айтасыз? Түсіндіреміз.
Шын мәнінде, сутегі де өте қауіпті элемент. 20 ғасырдың басында біз сутегіні аспанда шарларды, әуе шарларын және дирижабльдерді көтеру үшін газ ретінде пайдаландық, себебі ол өте жеңіл болды. Алайда, 1937 жылы 6 мамырда АҚШ-тың Нью-Джерси штатында «Гинденбург дирижаблі жарылды» болды.
Апаттан бері сутегі газының қауіпті екені кеңінен мойындалды. Әсіресе, ол жанған кезде, ол оттегімен қатты жарылып кетеді. Сондықтан «оттегіден аулақ болыңыз» немесе «жылудан аулақ болыңыз» деген қағиданы ұстану өте маңызды.
Осы шараларды қабылдағаннан кейін біз жеткізу әдісін ойлап таптық.
Сутегі бөлме температурасындағы газ болып табылады, сондықтан ол әлі де газ болса да, өте көлемді. Бірінші әдіс - газдалған сусындар жасаған кезде жоғары қысымды қолдану және цилиндр сияқты қысу. Арнайы жоғары қысымды бак дайындап, оны 45 МПа сияқты жоғары қысымды жағдайда сақтаңыз.
Отын ұяшығымен жүретін көліктерді (FCV) жасап шығаратын Toyota компаниясы 70 МПа қысымға төтеп бере алатын шайырлы жоғары қысымды сутегі багын жасап шығаруда.
Тағы бір әдіс - сұйық сутегін алу үшін -253°C дейін салқындату және оны арнайы жылу оқшаулағыш резервуарларда сақтау және тасымалдау. Шетелден табиғи газ импортталған кезде сұйытылған табиғи газ (СТГ) сияқты, сутегі тасымалдау кезінде сұйылтылып, оның көлемі газ тәрізді күйінің 1/800 бөлігіне дейін азаяды. 2020 жылы біз әлемдегі алғашқы сұйық сутегі тасымалдаушысын аяқтадық. Дегенмен, бұл тәсіл отын ұяшығымен жұмыс істейтін көліктерге жарамсыз, себебі оны салқындату үшін көп энергия қажет.
Осындай резервуарларда сақтау және тасымалдау әдісі бар, бірақ біз сутекті сақтаудың басқа әдістерін де әзірлеп жатырмыз.
Сақтау әдісі - сутегі қорытпаларын пайдалану. Сутегі металдарға еніп, оларды бұзу қасиетіне ие. Бұл 1960 жылдары Америка Құрама Штаттарында жасалған әзірлеме кеңесі. Дж.Дж. Рейли және т.б. Тәжірибелер сутегіні магний мен ванадий қорытпасын пайдаланып сақтауға және босатуға болатынын көрсетті.
Осыдан кейін ол өз көлемінен 935 есе көп сутекті сіңіре алатын палладий сияқты затты сәтті жасап шығарды.
Бұл қорытпаны қолданудың артықшылығы - ол сутегінің ағып кетуінен болатын апаттардың (негізінен жарылыс апаттарының) алдын ала алады. Сондықтан оны қауіпсіз сақтауға және тасымалдауға болады. Дегенмен, егер сіз абай болмасаңыз және оны дұрыс емес ортада қалдырсаңыз, сутегі сақтау қорытпалары уақыт өте келе сутегі газын бөліп шығаруы мүмкін. Тіпті кішкентай ұшқын да жарылыс апатына әкелуі мүмкін, сондықтан абай болыңыз.
Сонымен қатар, оның кемшілігі бар, яғни сутегінің қайталап сіңуі мен десорбциясы морттыққа әкеледі және сутегінің сіңу жылдамдығын төмендетеді.
Екіншісі - құбырларды пайдалану. Құбырлардың сынғыштығын болдырмау үшін олар сығылмаған және төмен қысымды болуы керек деген шарт бар, бірақ артықшылығы - қолданыстағы газ құбырларын пайдалануға болады. Tokyo Gas компаниясы Harumi FLAG құрылыс жұмыстарын жүргізіп, отын элементтеріне сутегін жеткізу үшін қалалық газ құбырларын пайдаланды.
Сутегі энергиясымен құрылған болашақ қоғам
Соңында, сутегінің қоғамдағы рөлін қарастырайық.
Ең бастысы, біз көміртегісіз қоғамды насихаттағымыз келеді, біз сутекті жылу энергиясы ретінде емес, электр энергиясын өндіру үшін пайдаланамыз.
Ірі жылу электр станцияларының орнына кейбір үй шаруашылықтары қажетті электр энергиясын өндіру үшін табиғи газды риформинг арқылы алынған сутекті пайдаланатын ENE-FARM сияқты жүйелерді енгізді. Дегенмен, риформинг процесінің қосалқы өнімдерімен не істеу керек деген сұрақ әлі де туындап отыр.
Болашақта сутегінің айналымы артса, мысалы, сутегімен жанармай құю станцияларының санын көбейтсе, көмірқышқыл газын шығармай электр энергиясын пайдалануға болады. Әрине, электр энергиясы жасыл сутегін өндіреді, сондықтан ол күн сәулесінен немесе желден өндірілетін электр энергиясын пайдаланады. Электролиз үшін пайдаланылатын қуат энергия өндіру көлемін басу немесе табиғи энергиядан артық қуат болған кезде қайта зарядталатын батареяны зарядтау қуаты болуы керек. Басқаша айтқанда, сутегі қайта зарядталатын батареямен бірдей күйде болады. Егер бұл орын алса, ақырында жылу энергиясын өндіруді азайтуға болады. Іштен жану қозғалтқышы көліктерден жоғалып кететін күн жақындап келеді.
Сутекті басқа жолмен де алуға болады. Шын мәнінде, сутегі әлі де каустикалық сода өндірісінің қосымша өнімі болып табылады. Басқа нәрселермен қатар, ол темір өңдеуде кокс өндірісінің қосымша өнімі болып табылады. Егер сіз бұл сутекті таратуға қойсаңыз, сіз бірнеше көзді ала аласыз. Осылайша өндірілген сутегі газын сутегі станциялары да жеткізеді.
Болашаққа тереңірек көз жүгіртейік. Жоғалған энергия мөлшері электр қуатын беру үшін сымдарды пайдаланатын беру әдісімен де байланысты. Сондықтан, болашақта біз газдалған сусындар жасауда қолданылатын көмірқышқыл газы бактары сияқты құбырлар арқылы жеткізілетін сутекті пайдаланамыз және әрбір үйге электр қуатын өндіру үшін үйде сутегі багын сатып аламыз. Сутегі батареяларымен жұмыс істейтін мобильді құрылғылар кең таралуда. Мұндай болашақты көру қызықты болады.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 8 маусым
