Sobre o hidróxeno de enerxía de próxima xeración

Introduciremos o "hidróxeno", a próxima xeración de enerxía 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 introducirei por que é a fonte de enerxía dominante da próxima xeración.

Electrólise da auga para producir hidróxeno verde

Cando se usa hidróxeno, é importante "producir hidróxeno" de todos os xeitos. O xeito máis sinxelo é "electrolizar a auga". Quizais fixeches ciencias na escola primaria. Enche o vaso de precipitados con auga e os electrodos en auga. Cando unha batería está conectada aos eléctrodos e energizada, na auga e en cada electrodo ocorren as seguintes reaccións.
No cátodo, H+ e os electróns combínanse para producir gas hidróxeno, mentres que o ánodo produce osíxeno. Aínda así, este enfoque está ben para experimentos científicos escolares, pero para producir hidróxeno industrialmente, hai que preparar mecanismos eficientes axeitados para a produción a grande escala. Isto é a "electrólise de membrana de electrolitos de polímero (PEM)".
Neste método, unha membrana semipermeable de polímero que permite o paso de ións de hidróxeno está intercalada entre un ánodo e un cátodo. Cando se vierte 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 convértense en moléculas de osíxeno no ánodo.
Tamén na electrólise de auga alcalina, crea hidróxeno e osíxeno separando o ánodo e o cátodo a través dun separador polo que só poden pasar ións hidróxido. Ademais, existen métodos industriais como a electrólise de vapor a alta temperatura.
Ao realizar estes procesos a gran escala pódense obter grandes cantidades de hidróxeno. No proceso, tamén se produce unha cantidade importante 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 sen carbono se se produce con electricidade que non utiliza combustibles fósiles, como os aeroxeradores e as placas solares.
Podes obter "hidróxeno verde" electrolizando a auga usando enerxía limpa.

Tamén hai un xerador de hidróxeno para a produción a gran escala deste hidróxeno verde. Usando PEM na sección do electrolizador, pódese producir hidróxeno continuamente.

Hidróxeno azul feito a partir de combustibles fósiles

Entón, cales son outras formas de producir hidróxeno? O hidróxeno existe nos combustibles fósiles como o gas natural e o carbón como substancias distintas á auga. Por exemplo, considere o metano (CH4), o principal compoñente do gas natural. Aquí hai catro átomos de hidróxeno. Podes obter hidróxeno sacando este hidróxeno.
Un deles é un proceso chamado "reformado de metano con vapor" que utiliza vapor. A fórmula química deste método é a seguinte.
Como podes ver, o monóxido de carbono e o hidróxeno pódense extraer dunha soa molécula de metano.
Deste xeito, pódese producir hidróxeno mediante procesos como o "reformado con vapor" e a "pirólise" de gas natural e carbón. O "hidróxeno azul" refírese ao hidróxeno producido deste xeito.
Neste caso, porén, o monóxido de carbono e o dióxido de carbono prodúcense como subprodutos. Polo tanto, hai que reciclalos antes de que sexan liberados á atmosfera. O dióxido de carbono subproduto, se non se recupera, convértese en gas hidróxeno, coñecido como "hidróxeno gris".

Que tipo de elemento é o hidróxeno?

O hidróxeno ten un número atómico 1 e é o primeiro elemento da táboa periódica.
O número de átomos é o maior do universo, representando preto do 90% de todos os elementos do universo. O átomo máis pequeno formado por un protón e un electrón é o átomo de hidróxeno.
O hidróxeno ten dous isótopos con neutróns unidos ao núcleo. Un "deuterio" unido a neutróns e dous "tritio". Estes tamén son materiais para a xeración de enerxía de fusión.
Dentro dunha estrela como o sol, estase a producir a fusión nuclear do hidróxeno ao 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 auga, metano, amoníaco e 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 terrestre ao espazo exterior.

Como usar o hidróxeno? Uso por combustión

Entón, como se utiliza o "hidróxeno", que atraeu a atención mundial como fonte de enerxía de próxima xeración? Utilízase de dúas formas principais: "combustión" e "célula de combustible". Comecemos co uso de "queimar".
Utilízanse dous tipos principais de combustión.
O primeiro é como combustible para foguetes. O foguete H-IIA de Xapón usa gas hidróxeno "hidróxeno líquido" e "osíxeno líquido" que tamén está en estado crioxénico como combustible. Estes dous combínanse, e a enerxía calorífica xerada nese momento acelera a inxección das moléculas de auga xeradas, voando ao espazo. Non obstante, como é un motor tecnicamente difícil, excepto Xapón, só os Estados Unidos, Europa, Rusia, China e a India combinaron con éxito este combustible.
O segundo é a xeración de enerxía. A xeración de enerxía con turbinas de gas tamén usa o método de combinación de 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 utiliza hidróxeno como fonte de calor, a central eléctrica será neutra en carbono.

Como usar o hidróxeno? Usado como pila de combustible

Outra forma de utilizar o hidróxeno é como pila de combustible, que converte o hidróxeno directamente en electricidade. En particular, Toyota chamou a atención en Xapón promocionando os vehículos que funcionan con hidróxeno en lugar dos eléctricos (EV) como unha alternativa aos vehículos de gasolina como parte das súas contramedidas para o quecemento global.
En concreto, estamos a facer o procedemento inverso cando introducimos o método de fabricación do "hidróxeno verde". A fórmula química é a seguinte.
O hidróxeno pode xerar auga (auga quente ou vapor) mentres 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 30-40%, e require platino como catalizador, polo que require un aumento dos custos.
Actualmente, estamos usando pilas de combustible de electrólitos de polímero (PEFC) e pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). En particular, os vehículos de pila de combustible usan PEFC, polo que cabe esperar que se estenda no futuro.

É seguro o almacenamento e o transporte de hidróxeno?

A estas alturas, cremos que entendes como se fabrica e usa o hidróxeno. Entón, como almacenas este hidróxeno? Como o consegues onde o necesitas? Que pasa coa seguridade nese momento? Imos explicar.
De feito, o hidróxeno tamén é un elemento moi perigoso. A principios do século XX, usabamos o hidróxeno como gas para flotar globos, globos e aeronaves no ceo porque era moi lixeiro. Non obstante, o 6 de maio de 1937, en Nova Jersey, Estados Unidos, produciuse a "explosión do dirigible Hindenburg".
Desde o accidente, foi amplamente recoñecido que o gas hidróxeno é perigoso. Especialmente cando se incendia, explotará violentamente co osíxeno. Polo tanto, "manter lonxe do osíxeno" ou "manter lonxe da calor" é esencial.
Despois de tomar estas medidas, creamos un método de envío.
O hidróxeno é un gas a temperatura ambiente, polo que aínda que aínda é un gas, é moi voluminoso. O primeiro método é aplicar alta presión e comprimir como un cilindro ao facer bebidas carbonatadas. Prepare un tanque especial de alta presión e almacénao en condicións de alta presión, como 45Mpa.
Toyota, que desenvolve vehículos de pila de combustible (FCV), está a desenvolver un tanque de hidróxeno de resina de alta presión que pode soportar unha presión de 70 MPa.
Outro método é arrefriar a -253 °C para facer hidróxeno líquido e almacenalo e transportalo en tanques especiais illados térmicamente. 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 adecuado para vehículos de pila de combustible porque require moita enerxía para arrefriar.
Existe un método de almacenamento e envío en tanques coma este, pero tamén estamos a desenvolver outros métodos de almacenamento de hidróxeno.
O método de almacenamento é utilizar 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 pódese almacenar e liberar 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 de fuga de hidróxeno (principalmente accidentes de explosión). Polo tanto, pódese almacenar e transportar con seguridade. Non obstante, se non tes coidado e o deixas nun ambiente incorrecto, as aliaxes de almacenamento de hidróxeno poden liberar gas hidróxeno ao longo do tempo. Ben, incluso unha pequena chispa pode causar un accidente de explosión, así que teña coidado.
Tamén ten a desvantaxe de que a absorción e desorción repetidas de hidróxeno conducen á fragilidade e reducen a taxa de absorción de hidróxeno.
O outro é utilizar tubos. Existe a condición de que non se comprima e de baixa presión para evitar a fragilidade dos tubos, pero a vantaxe é que se poden utilizar as tubaxes de gas existentes. Tokyo Gas realizou traballos de construción da BANDEIRA de Harumi, utilizando gasodutos da cidade para subministrar hidróxeno ás pilas de combustible.

Sociedade futura creada pola enerxía do hidróxeno

Por último, consideremos o papel que pode xogar o hidróxeno na sociedade.
Máis importante aínda, queremos promover unha sociedade sen carbono, usamos o hidróxeno para xerar electricidade en lugar de como enerxía térmica.
En lugar das grandes centrais térmicas, algúns fogares introduciron sistemas como ENE-FARM, que utilizan o hidróxeno obtido mediante a reforma do gas natural para xerar a electricidade necesaria. Non obstante, permanece a cuestión de que facer cos subprodutos do proceso de reforma.

No futuro, se aumenta a circulación do hidróxeno en si, como aumentar o número de estacións de reabastecemento de hidróxeno, será posible utilizar electricidade sen emitir dióxido de carbono. A electricidade produce hidróxeno verde, por suposto, polo que utiliza electricidade xerada pola luz solar ou o vento. A enerxía utilizada para a electrólise debe ser a potencia para suprimir a cantidade de xeración de enerxía ou para cargar a batería recargable cando hai enerxía excedente de enerxía natural. Noutras palabras, o hidróxeno está na mesma posición que a batería recargable. Se isto ocorre, finalmente será posible reducir a xeración de enerxía térmica. Achégase o día no que o motor de combustión interna desaparece dos coches.

Tamén se pode obter hidróxeno por outra vía. De feito, o hidróxeno aínda é un subproduto da produción de sosa cáustica. Entre outras cousas, é un subproduto da produción de coque na fabricación de ferro. Se colocas este hidróxeno na distribución, poderás obter varias fontes. O gas hidróxeno producido deste xeito tamén é subministrado por estacións de hidróxeno.

Miremos máis para o futuro. A cantidade de enerxía perdida tamén é un problema co método de transmisión que usa fíos para subministrar enerxía. Polo tanto, no futuro, utilizaremos o hidróxeno que se entregan polas canalizacións, do mesmo xeito que os tanques de ácido carbónico utilizados na elaboración de 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 ser habituais. Será interesante ver un futuro así.