Presentaremos o "hidróxeno", a próxima xeración de enerxía que é neutra en carbono. O hidróxeno divídese en tres tipos: "hidróxeno verde", "hidróxeno azul" e "hidróxeno gris", cada un dos cales ten un método de produción diferente. Tamén explicaremos cada método de fabricación, as propiedades físicas como elementos, os métodos de almacenamento/transporte e os métodos de uso. E tamén presentarei por que é a fonte de enerxía dominante da próxima xeración.
Electrólise da auga para producir hidróxeno verde
Ao usar hidróxeno, é importante "producir hidróxeno" de todos os xeitos. O xeito máis doado é "electrolizar auga". Quizais o fixeches na clase de ciencias da escola primaria. Enche o vaso de precipitados con auga e os eléctrodos na auga. Cando unha batería se conecta aos eléctrodos e se activa, prodúcense as seguintes reaccións na auga e en cada eléctrodo.
No cátodo, o H+ e os electróns combínanse para producir gas hidróxeno, mentres que o ánodo produce osíxeno. Aínda así, este método está ben para experimentos científicos escolares, pero para producir hidróxeno industrialmente, débense preparar mecanismos eficientes axeitados para a produción a grande escala. Trátase da "electrólise de membrana electrolítica polimérica (PEM).
Neste método, unha membrana semipermeable de polímero que permite o paso de ións de hidróxeno intercálase entre un ánodo e un cátodo. Cando se verte auga no ánodo do dispositivo, os ións de hidróxeno producidos pola electrólise móvense a través dunha membrana semipermeable ata o cátodo, onde se converten en hidróxeno molecular. Por outra banda, os ións de osíxeno non poden atravesar a membrana semipermeable e converterse en moléculas de osíxeno no ánodo.
Tamén na electrólise alcalina da auga, créase hidróxeno e osíxeno separando o ánodo e o cátodo mediante un separador a través do cal só poden pasar os ións de hidróxido. Ademais, existen métodos industriais como a electrólise de vapor de alta temperatura.
Ao realizar estes procesos a grande escala, pódense obter grandes cantidades de hidróxeno. No proceso, tamén se produce unha cantidade significativa de osíxeno (a metade do volume de hidróxeno producido), polo que non tería ningún impacto ambiental adverso se se liberase á atmosfera. Non obstante, a electrólise require moita electricidade, polo que se pode producir hidróxeno libre de carbono se se produce con electricidade que non emprega combustibles fósiles, como aeroxeradores e paneis solares.
Podes obter "hidróxeno verde" electrolizando auga usando enerxía limpa.
Tamén existe un xerador de hidróxeno para a produción a grande escala deste hidróxeno verde. Ao usar PEM na sección do electrolizador, pódese producir hidróxeno de forma continua.
Hidróxeno azul feito a partir de combustibles fósiles
Entón, cales son outras formas de producir hidróxeno? O hidróxeno existe en combustibles fósiles como o gas natural e o carbón como substancias distintas da auga. Por exemplo, considere o metano (CH4), o compoñente principal do gas natural. Aquí hai catro átomos de hidróxeno. Podes obter hidróxeno quitando este hidróxeno.
Un destes é un proceso chamado "reformado de metano con vapor" que emprega vapor. A fórmula química deste método é a seguinte.
Como podes ver, o monóxido de carbono e o hidróxeno pódense extraer dunha única molécula de metano.
Deste xeito, o hidróxeno pódese producir mediante procesos como a «reforma con vapor» e a «pirólise» do gas natural e do carbón. O termo «hidróxeno azul» refírese ao hidróxeno producido deste xeito.
Neste caso, porén, prodúcense monóxido e dióxido de carbono como subprodutos. Polo tanto, hai que reciclalos antes de que se liberen á atmosfera. O dióxido de carbono resultante, se non se recupera, convértese en gas hidróxeno, coñecido como "hidróxeno gris".
Que tipo de elemento é o hidróxeno?
O hidróxeno ten número atómico 1 e é o primeiro elemento da táboa periódica.
O número de átomos é o maior do universo, representando arredor do 90 % de todos os elementos do universo. O átomo máis pequeno que consta dun protón e un electrón é o átomo de hidróxeno.
O hidróxeno ten dous isótopos con neutróns unidos ao núcleo. Un "deuterio" con enlaces de neutróns e dous "tritio" con enlaces de neutróns. Estes tamén son materiais para a xeración de enerxía de fusión.
Dentro dunha estrela como o Sol, ten lugar a fusión nuclear de hidróxeno a helio, que é a fonte de enerxía para que a estrela brille.
Non obstante, o hidróxeno raramente existe como gas na Terra. O hidróxeno forma compostos con outros elementos como a auga, o metano, o amoníaco e o etanol. Dado que o hidróxeno é un elemento lixeiro, a medida que aumenta a temperatura, a velocidade de movemento das moléculas de hidróxeno aumenta e escapa da gravidade da Terra ao espazo exterior.
Como usar o hidróxeno? Uso por combustión
Entón, como se usa o "hidróxeno", que atraeu a atención mundial como fonte de enerxía de próxima xeración? Úsase de dúas maneiras principais: "combustión" e "pila de combustible". Comecemos co uso da "queima".
Empréganse dous tipos principais de combustión.
O primeiro é como combustible para foguetes. O foguete H-IIA do Xapón usa gas hidróxeno "hidróxeno líquido" e "osíxeno líquido", que tamén está en estado crioxénico, como combustible. Estes dous combínanse e a enerxía térmica xerada nese momento acelera a inxección das moléculas de auga xeradas, que voan ao espazo. Non obstante, debido a que é un motor tecnicamente difícil, agás o Xapón, só Estados Unidos, Europa, Rusia, China e a India combinaron con éxito este combustible.
A segunda é a xeración de enerxía. A xeración de enerxía mediante turbinas de gas tamén emprega o método de combinar hidróxeno e osíxeno para xerar enerxía. Noutras palabras, é un método que analiza a enerxía térmica producida polo hidróxeno. Nas centrais térmicas, a calor da queima de carbón, petróleo e gas natural produce vapor que acciona as turbinas. Se se emprega hidróxeno como fonte de calor, a central eléctrica será neutra en carbono.
Como usar o hidróxeno? Usado como pila de combustible
Outra forma de empregar o hidróxeno é como unha pila de combustible, que converte o hidróxeno directamente en electricidade. En particular, Toyota chamou a atención no Xapón ao promocionar os vehículos alimentados por hidróxeno en lugar dos vehículos eléctricos (VE) como alternativa aos vehículos de gasolina como parte das súas medidas contra o quecemento global.
En concreto, facemos o procedemento inverso cando introducimos o método de fabricación de "hidróxeno verde". A fórmula química é a seguinte.
O hidróxeno pode xerar auga (auga quente ou vapor) ao mesmo tempo que xera electricidade, e pódese avaliar porque non supón unha carga para o medio ambiente. Por outra banda, este método ten unha eficiencia de xeración de enerxía relativamente baixa, do 30 ao 40 %, e require platino como catalizador, o que supón un aumento dos custos.
Actualmente, empregamos pilas de combustible de electrólitos poliméricos (PEFC) e pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). En particular, os vehículos con pilas de combustible usan PEFC, polo que se pode esperar que se estenda no futuro.
É seguro o almacenamento e o transporte de hidróxeno?
A estas alturas, cremos que xa entendes como se fabrica e usa o gas hidróxeno. Entón, como se almacena este hidróxeno? Como se consegue onde se necesita? Que pasa coa seguridade nese momento? Explicámoscho.
De feito, o hidróxeno tamén é un elemento moi perigoso. A principios do século XX, usábamos hidróxeno como gas para facer flotar globos, globos aerostáticos e dirixibles no ceo porque era moi lixeiro. Non obstante, o 6 de maio de 1937, en Nova Jersey, EUA, produciuse a "explosión do dirixible Hindenburg".
Desde o accidente, recoñecécese amplamente que o gas hidróxeno é perigoso. Especialmente cando prende lume, explota violentamente co osíxeno. Polo tanto, é fundamental "manter lonxe do osíxeno" ou "manter lonxe da calor".
Despois de tomar estas medidas, ideamos un método de envío.
O hidróxeno é un gas a temperatura ambiente, polo que aínda que sexa un gas, é moi voluminoso. O primeiro método é aplicar alta presión e comprimilo como un cilindro ao facer bebidas carbonatadas. Prepare un tanque especial de alta presión e almacéneo en condicións de alta presión, como 45 MPa.
Toyota, que desenvolve vehículos de pilas de combustible (FCV), está a desenvolver un tanque de hidróxeno de resina a alta presión que pode soportar unha presión de 70 MPa.
Outro método é arrefrialo a -253 °C para producir hidróxeno líquido e almacenalo e transportalo en tanques especiais con illamento térmico. Do mesmo xeito que o GNL (gas natural licuado), cando se importa gas natural do estranxeiro, o hidróxeno licúase durante o transporte, reducindo o seu volume a 1/800 do seu estado gasoso. En 2020, completamos o primeiro transportador de hidróxeno líquido do mundo. Non obstante, este enfoque non é axeitado para vehículos de pilas de combustible porque require moita enerxía para arrefrialo.
Existe un método de almacenamento e transporte en tanques coma este, pero tamén estamos a desenvolver outros métodos de almacenamento de hidróxeno.
O método de almacenamento consiste en usar aliaxes de almacenamento de hidróxeno. O hidróxeno ten a propiedade de penetrar nos metais e deterioralos. Este é un consello de desenvolvemento que se desenvolveu nos Estados Unidos na década de 1960. JJ Reilly et al. Os experimentos demostraron que o hidróxeno pode almacenarse e liberarse usando unha aliaxe de magnesio e vanadio.
Despois diso, desenvolveu con éxito unha substancia, como o paladio, que pode absorber hidróxeno 935 veces o seu propio volume.
A vantaxe de usar esta aliaxe é que pode evitar accidentes por fugas de hidróxeno (principalmente accidentes de explosión). Polo tanto, pódese almacenar e transportar con seguridade. Non obstante, se non se ten coidado e se deixa nun ambiente inadecuado, as aliaxes de almacenamento de hidróxeno poden liberar gas hidróxeno co tempo. Ben, mesmo unha pequena faísca pode causar un accidente de explosión, así que teña coidado.
Tamén ten a desvantaxe de que a absorción e desorción repetidas de hidróxeno provocan a fragilización e reducen a taxa de absorción de hidróxeno.
A outra é usar tubaxes. Existe a condición de que non deben estar comprimidas e de baixa presión para evitar a fragilización das tubaxes, pero a vantaxe é que se poden usar as tubaxes de gas existentes. Tokyo Gas levou a cabo traballos de construción no FLAG de Harumi, utilizando gasodutos urbanos para subministrar hidróxeno ás pilas de combustible.
Sociedade futura creada pola enerxía do hidróxeno
Finalmente, consideremos o papel que o hidróxeno pode desempeñar na sociedade.
Máis importante aínda, queremos promover unha sociedade libre de carbono e empregamos hidróxeno para xerar electricidade en lugar de como enerxía térmica.
En lugar de grandes centrais térmicas, algúns fogares introduciron sistemas como ENE-FARM, que empregan hidróxeno obtido reformando gas natural para xerar a electricidade necesaria. Non obstante, a cuestión de que facer cos subprodutos do proceso de reforma segue sen resolverse.
No futuro, se a circulación do propio hidróxeno aumenta, como o aumento do número de estacións de repostaxe de hidróxeno, será posible usar electricidade sen emitir dióxido de carbono. A electricidade produce hidróxeno verde, por suposto, polo que usa electricidade xerada a partir da luz solar ou do vento. A enerxía utilizada para a electrólise debería ser a enerxía para suprimir a cantidade de xeración de enerxía ou para cargar a batería recargable cando haxa excedente de enerxía natural. Noutras palabras, o hidróxeno está na mesma posición que a batería recargable. Se isto ocorre, eventualmente será posible reducir a xeración de enerxía térmica. O día en que o motor de combustión interna desapareza dos automóbiles achégase rapidamente.
O hidróxeno tamén se pode obter por outra vía. De feito, o hidróxeno segue sendo un subproduto da produción de sosa cáustica. Entre outras cousas, é un subproduto da produción de coque na fabricación de ferro. Se se introduce este hidróxeno na distribución, pódese obter varias fontes. O gas hidróxeno producido deste xeito tamén o subministran as estacións de subministración de hidróxeno.
Vexamos máis alá no futuro. A cantidade de enerxía perdida tamén é un problema co método de transmisión que usa cables para subministrar enerxía. Polo tanto, no futuro, usaremos o hidróxeno subministrado por tubaxes, igual que os tanques de ácido carbónico que se usan para facer bebidas carbonatadas, e compraremos un tanque de hidróxeno na casa para xerar electricidade para cada fogar. Os dispositivos móbiles que funcionan con baterías de hidróxeno están a converterse en algo común. Será interesante ver ese futuro.
Data de publicación: 08-06-2023
