Mir wäerten "Waasserstoff" virstellen, déi nächst Generatioun vun Energie, déi CO2-neutral ass. Waasserstoff gëtt an dräi Zorten opgedeelt: "grénge Waasserstoff", "bloe Waasserstoff" a "groe Waasserstoff", déi all eng aner Produktiounsmethod hunn. Mir wäerten och all Fabrikatiounsmethod, physikalesch Eegeschaften als Elementer, Lagerungs-/Transportmethoden a Benotzungsmethoden erklären. An ech wäert och virstellen, firwat et déi dominant Energiequell vun der nächster Generatioun ass.
Elektrolyse vu Waasser fir grénge Waasserstoff ze produzéieren
Wann Dir Waasserstoff benotzt, ass et wichteg, souwisou "Waasserstoff ze produzéieren". Dee einfachste Wee ass "Waasser ze elektrolyséieren". Vläicht hutt Dir dat an der Grondschoul gemaach. Fëllt de Becher mat Waasser an d'Elektroden a Waasser. Wann eng Batterie un d'Elektroden ugeschloss a gelueden gëtt, geschéien déi folgend Reaktiounen am Waasser an an all Elektrod.
Un der Kathod verbannen sech H+ an Elektronen fir Waasserstoffgas ze produzéieren, während d'Anode Sauerstoff produzéiert. Trotzdeem ass dës Approche gutt fir Wëssenschaftsexperimenter an der Schoul, awer fir Waasserstoff industriell ze produzéieren, mussen effizient Mechanismen virbereet ginn, déi fir eng grouss Produktioun gëeegent sinn. Dat ass "Polymerelektrolytmembran (PEM) Elektrolyse".
Bei dëser Method gëtt eng semipermeabel Polymermembran, déi de Passage vu Waasserstoffionen erlaabt, tëscht enger Anode an enger Kathode agebaut. Wann Waasser an d'Anode vum Apparat gegoss gëtt, beweege sech d'Waasserstoffionen, déi duerch Elektrolyse produzéiert ginn, duerch eng semipermeabel Membran an d'Kathode, wou se zu molekulare Waasserstoff ginn. Op der anerer Säit kënnen Sauerstoffionen net duerch déi semipermeabel Membran passéieren a Sauerstoffmoleküle un der Anode ginn.
Och bei der alkalischer Waasserelektrolyse erstellt een Waasserstoff a Sauerstoff andeems een d'Anod an d'Kathode duerch en Trennungsmëttel trennt, duerch deen nëmmen Hydroxidionen duerchlafe kënnen. Zousätzlech gëtt et industriell Methoden wéi d'Héichtemperatur-Dampelektrolyse.
Duerch d'Ausféierung vun dëse Prozesser a grousser Skala kënne grouss Quantitéite Waasserstoff gewonnen ginn. Dobäi gëtt och eng bedeitend Quantitéit u Sauerstoff produzéiert (d'Halschent vum Volume vum produzéierte Waasserstoff), sou datt en keng negativ Auswierkungen op d'Ëmwelt hätt, wann en an d'Atmosphär fräigesat géif ginn. D'Elektrolyse brauch awer vill Stroum, dofir kann kuelestofffräie Waasserstoff produzéiert ginn, wann e mat Stroum produzéiert gëtt, deen net mat fossile Brennstoffer wéi Wandturbinnen a Solarpanneauen benotzt gëtt.
Dir kënnt "grénge Waasserstoff" kréien andeems Dir Waasser mat propperer Energie elektrolyséiert.
Et gëtt och e Waasserstoffgenerator fir eng grouss Produktioun vun dësem grénge Waasserstoff. Duerch d'Benotzung vu PEM an der Elektrolysersektioun kann Waasserstoff kontinuéierlech produzéiert ginn.
Bloe Waasserstoff aus fossile Brennstoffer hiergestallt
Also, wat gëtt et aner Méiglechkeeten, fir Waasserstoff ze produzéieren? Waasserstoff gëtt et a fossile Brennstoffer wéi Äerdgas a Kuel als aner Substanzen wéi Waasser. Zum Beispill, betruecht Methan (CH4), den Haaptbestanddeel vum Äerdgas. Et gi véier Waasserstoffatome hei. Dir kënnt Waasserstoff kréien andeems Dir dëse Waasserstoff eraushëlt.
Ee vun dësen ass e Prozess mam Numm "Dampmethanreforméierung", deen Damp benotzt. Déi chemesch Formel vun dëser Method ass wéi follegt.
Wéi Dir gesitt, kënne Kuelemonoxid a Waasserstoff aus engem eenzege Methanmolekül extrahéiert ginn.
Op dës Manéier kann Waasserstoff duerch Prozesser wéi "Dampreforming" a "Pyrolyse" vun Äerdgas a Kuel produzéiert ginn. "Bloen Waasserstoff" bezitt sech op Waasserstoff, deen op dës Manéier produzéiert gëtt.
An dësem Fall ginn awer Kuelemonoxid a Kuelendioxid als Nieweprodukter produzéiert. Dofir musse se recycléiert ginn, ier se an d'Atmosphär fräigesat ginn. De Nieweprodukt Kuelendioxid gëtt, wann en net erëmgewonne gëtt, zu Waasserstoffgas, bekannt als "groe Waasserstoff".
Wat fir eng Zort Element ass Waasserstoff?
Waasserstoff huet d'Atomzuel 1 an ass dat éischt Element am Periodesystem.
D'Zuel vun den Atomer ass déi gréisst am Universum a mécht ongeféier 90% vun allen Elementer am Universum aus. Dat klengst Atom, dat aus engem Proton an engem Elektron besteet, ass de Waasserstoffatom.
Waasserstoff huet zwou Isotopen mat Neutronen, déi um Kär gebonnen sinn. Eent mat Neutronen gebonnent "Deuterium" an zwee mat Neutronen gebonnen "Tritium". Dëst sinn och Materialien fir d'Generatioun vu Fusiounsenergie.
An engem Stär wéi der Sonn fënnt d'Kärfusioun vu Waasserstoff zu Helium statt, wat d'Energiequell fir de Stär ass fir ze blénken.
Wéi och ëmmer, existéiert Waasserstoff selten als Gas op der Äerd. Waasserstoff bildt Verbindungen mat aneren Elementer wéi Waasser, Methan, Ammoniak an Ethanol. Well Waasserstoff e liicht Element ass, klëmmt d'Beweegungsgeschwindegkeet vun de Waasserstoffmoleküle mat der Erhéijung vun der Temperatur, an entkomme virun der Schwéierkraaft vun der Äerd an de Weltraum.
Wéi benotzt een Waasserstoff? Benotzung duerch Verbrennung
Wéi gëtt dann „Waasserstoff“, deen als Energiequell vun der nächster Generatioun weltwäit Opmierksamkeet op sech gezunn huet, benotzt? E gëtt op zwou Haaptweisen agesat: „Verbrennung“ a „Brennstoffzellen“. Fänke mer mat der Notzung vu „Brennung“ un.
Et ginn zwou Haaptzorte vu Verbrennung benotzt.
Déi éischt ass als Rakéitebrennstoff. Déi japanesch H-IIA-Rakéit benotzt Waasserstoffgas "flëssege Waasserstoff" a "flëssege Sauerstoff", deen och an engem kryogenen Zoustand ass, als Brennstoff. Dës zwee gi kombinéiert, an d'Hëtztenergie, déi dobäi generéiert gëtt, beschleunegt d'Injektioun vun de generéierte Waassermolekülen, déi an de Weltraum fléien. Well et awer en technesch schwieregen Motor ass, hunn, ausser Japan, nëmmen d'USA, Europa, Russland, China an Indien dëse Brennstoff erfollegräich kombinéiert.
Déi zweet ass d'Energieerzeugung. D'Energieerzeugung duerch Gasturbinen benotzt och d'Method fir Waasserstoff a Sauerstoff ze kombinéieren fir Energie ze generéieren. An anere Wierder, et ass eng Method déi sech mat der thermescher Energie beschäftegt, déi duerch Waasserstoff produzéiert gëtt. An Thermalkraaftwierker produzéiert d'Hëtzt vum Verbrenne vu Kuel, Ueleg an Äerdgas Damp, deen Turbinnen undreiwt. Wann Waasserstoff als Hëtztquell benotzt gëtt, ass d'Kraaftwierk CO2-neutral.
Wéi benotzt een Waasserstoff? Als Brennstoffzell benotzt
Eng aner Méiglechkeet fir Waasserstoff ze benotzen ass als Brennstoffzell, déi Waasserstoff direkt an Elektrizitéit ëmwandelt. Besonnesch Toyota huet a Japan Opmierksamkeet op sech gezunn, andeems et Waasserstoffgefierer amplaz vun Elektroautoen (EVs) als Alternativ zu Benzinautoen als Deel vu senge Géigemoossname géint d'global Erwiermung presentéiert huet.
Genauer gesot, maache mir déi ëmgedréint Prozedur, wa mir d'Produktiounsmethod vum "grénge Waasserstoff" aféieren. Déi chemesch Formel ass wéi follegt.
Waasserstoff kann Waasser (waarmt Waasser oder Damp) generéieren, während en Elektrizitéit generéiert, an et kann evaluéiert ginn, well et keng Belaaschtung fir d'Ëmwelt duerstellt. Op der anerer Säit huet dës Method eng relativ niddreg Energieerzeugungseffizienz vun 30-40% a brauch Platin als Katalysator, wat méi héich Käschte mat sech bréngt.
Aktuell benotze mir Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) a Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC). Besonnesch Brennstoffzellenautoen benotzen PEFC, dofir kann een erwaarden, datt sech dëst an Zukunft weider verbreet.
Ass Waasserstofflagerung an -transport sécher?
Mir mengen, Dir verstitt elo schonn, wéi Waasserstoffgas hiergestallt a benotzt gëtt. Wéi späichert een dëse Waasserstoff also? Wéi kritt een en dohi wou een en brauch? Wéi ass et mat der Sécherheet zu deem Zäitpunkt? Mir erklären et Iech.
Tatsächlech ass Waasserstoff och e ganz geféierlecht Element. Ufanks vum 20. Joerhonnert hu mir Waasserstoff als Gas benotzt fir Ballonen, Loftballonen a Loftschëffer um Himmel ze schwiewen, well e ganz liicht war. Allerdéngs ass de 6. Mee 1937 zu New Jersey, USA, d'"Hindenburg-Loftschëff-Explosioun" geschitt.
Zënter dem Accident ass et allgemeng unerkannt, datt Waasserstoffgas geféierlech ass. Besonnesch wann et Feier ufänkt, explodéiert et hefteg mat Sauerstoff. Dofir ass "vu Sauerstoff ewech halen" oder "vu Hëtzt ewech halen" essentiell.
Nodeems mir dës Moossname getraff hunn, hu mir eng Liwwermethod entwéckelt.
Waasserstoff ass e Gas bei Raumtemperatur, dofir ass et, och wann et nach ëmmer e Gas ass, ganz voluminös. Déi éischt Method ass, héijen Drock unzewenden an ze kompriméieren wéi eng Zylinder, wann een kuelesäurehalteg Gedrénks mécht. Bereet en speziellen Héichdrocktank vir a späichert en ënner Héichdrockbedingungen, wéi 45Mpa.
Toyota, déi Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV) entwéckelt, entwéckelt en Héichdrock-Waasserstofftank aus Harz, deen engem Drock vu 70 MPa standhält.
Eng aner Method ass et, op -253°C ofzekillen, fir flëssege Waasserstoff ze produzéieren, an en a speziellen hëtzeisoléierte Panzer ze späicheren an ze transportéieren. Wéi LNG (flëssegt Äerdgas), gëtt Waasserstoff beim Import vun Äerdgas aus dem Ausland beim Transport flësseg gemaach, wouduerch säi Volumen op 1/800 vu sengem gasfërmegen Zoustand reduzéiert gëtt. Am Joer 2020 hu mir den éischte flëssege Waasserstoffträger vun der Welt fäerdeg gestallt. Dës Approche ass awer net fir Brennstoffzellenfahrzeugen gëeegent, well se vill Energie brauch fir ofzekillen.
Et gëtt eng Method fir Waasserstoff an esou Panzer ze späicheren an ze transportéieren, awer mir entwéckelen och aner Methode fir Waasserstoff ze späicheren.
D'Späichermethod besteet doran, Waasserstofflegierungen ze benotzen. Waasserstoff huet d'Eegeschaft, Metaller anzedringen an ze zerstéieren. Dëst ass en Entwécklungstipp, deen an den 1960er Joren an den USA entwéckelt gouf. JJ Reilly et al. Experimenter hunn gewisen, datt Waasserstoff mat enger Legierung aus Magnesium a Vanadium gespäichert a fräigesat ka ginn.
Duerno huet hien erfollegräich eng Substanz entwéckelt, wéi zum Beispill Palladium, déi Waasserstoff am 935-facht vu sengem eegene Volumen absorbéiere kann.
De Virdeel vun dëser Legierung ass, datt se Waasserstoffleckage-Accidenter (haaptsächlech Explosiounsaccidenter) verhënnere kann. Dofir kann se sécher gelagert a transportéiert ginn. Wann Dir awer net virsiichteg sidd an se an der falscher Ëmwelt léisst, kënnen Waasserstoffspäicherlegierungen mat der Zäit Waasserstoffgas fräisetzen. Gutt, och e klenge Funken kann en Explosiounsaccident verursaachen, also passt op.
Et huet och den Nodeel, datt widderholl Waasserstoffabsorptioun an Desorptioun zu Versprëchung féieren an d'Waasserstoffabsorptiounsquote reduzéieren.
Déi aner ass d'Benotzung vu Päifen. Et gëtt eng Bedingung, datt et net kompriméiert a mat nidderegem Drock muss sinn, fir datt d'Päifen net sprécheg ginn, awer de Virdeel ass, datt existent Gasleitungen kënne benotzt ginn. Tokyo Gas huet Bauaarbechten um Harumi FLAG duerchgefouert, andeems se städtesch Gasleitungen benotzt hunn, fir Waasserstoff a Brennstoffzellen ze liwweren.
Zukunftsgesellschaft duerch Waasserstoffenergie erstallt
Schlussendlech, kucke mer eis d'Roll un, déi Waasserstoff an der Gesellschaft spille kann.
Méi wichteg ass, datt mir eng CO2-fräi Gesellschaft fërderen wëllen, mir benotze Waasserstoff fir Stroum ze generéieren amplaz als Hëtzenergie.
Amplaz vu groussen Thermalkraaftwierker hunn e puer Haushalter Systemer wéi ENE-FARM agefouert, déi Waasserstoff, deen duerch d'Reforméierung vun Äerdgas gewonnen gëtt, benotzen, fir déi néideg Elektrizitéit ze generéieren. D'Fro bleift awer, wat mat de Nieweprodukter vum Reforméierungsprozess ze maachen ass.
An Zukunft, wann d'Zirkulatioun vum Waasserstoff selwer eropgeet, wéi zum Beispill d'Zuel vun de Waasserstofftankstatiounen, wäert et méiglech sinn, Stroum ze benotzen, ouni Kuelendioxid auszestoen. Stroum produzéiert natierlech grénge Waasserstoff, dofir gëtt Stroum aus Sonneliicht oder Wand benotzt. D'Energie, déi fir d'Elektrolyse benotzt gëtt, soll d'Energie sinn, fir d'Energieproduktioun z'ënnerdrécken oder d'Batterie opzelueden, wann et Iwwerschossstroum aus natierlecher Energie gëtt. An anere Wierder, de Waasserstoff ass an der selwechter Positioun wéi d'Batterie. Wann dat geschitt, wäert et schlussendlech méiglech sinn, d'thermesch Energieproduktioun ze reduzéieren. Den Dag, wou de Verbrennungsmotor aus den Autoen verschwënnt, kënnt séier méi no.
Waasserstoff kann och iwwer eng aner Method gewonnen ginn. Tatsächlech ass Waasserstoff nach ëmmer e Nieweprodukt vun der Produktioun vu kaustischem Natron. Ënner anerem ass et e Nieweprodukt vun der Koksproduktioun an der Eisenproduktioun. Wann Dir dëse Waasserstoff an d'Verdeelung bréngt, kënnt Dir verschidde Quelle kréien. Waasserstoffgas, deen op dës Manéier produzéiert gëtt, gëtt och vu Waasserstoffstatiounen geliwwert.
Kucke mer emol méi wäit an d'Zukunft. D'Quantitéit un Energie, déi verluer geet, ass och e Problem mat der Iwwerdroungsmethod, déi Drot benotzt fir Stroum ze liwweren. Dofir wäerte mir an Zukunft de Waasserstoff, deen iwwer Pipelines geliwwert gëtt, benotzen, genee wéi d'Kuelesäuretanken, déi fir d'Produktioun vu Kuelesaiergedrénks benotzt ginn, a mir wäerten doheem en Waasserstofftank kafen, fir Stroum fir all Stot ze generéieren. Mobil Apparater, déi mat Waasserstoffbatterien lafen, ginn ëmmer méi heefeg. Et wäert interessant sinn, sou eng Zukunft ze gesinn.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 08. Juni 2023
