Биз көмүртек нейтралдуу энергиянын кийинки муунун "суутек" менен тааныштырабыз. Суутек үч түргө бөлүнөт: “жашыл суутек”, “көк суутек” жана “боз суутек”, алардын ар биринин өндүрүш ыкмасы ар башка. Биз ошондой эле ар бир өндүрүш ыкмасын, элементтер катары физикалык касиеттерин, сактоо/ташуу ыкмаларын жана колдонуу ыкмаларын түшүндүрөбүз. Мен ошондой эле эмне үчүн кийинки муундун негизги энергия булагы экенин тааныштырам.
Жашыл водородду алуу үчүн сууну электролиздөө
Суутекти колдонууда баары бир "водородду өндүрүү" маанилүү. Эң оңой жолу - "сууну электролиздөө". Балким, сен класстык мектепте илим менен алектенгенсиң. Стаканга суу жана электроддорду суу менен толтуруңуз. Батареяны электроддорго туташтырганда жана кубат бергенде сууда жана ар бир электроддо төмөнкүдөй реакциялар жүрөт.
Катоддо Н+ жана электрондор биригип, суутек газын, анод болсо кычкылтек чыгарат. Ошентсе да, бул ыкма мектеп илимий эксперименттер үчүн жакшы, бирок өнөр жайлык суутек өндүрүү үчүн, ири өндүрүш үчүн жарактуу натыйжалуу механизмдерин даярдоо керек. Бул "полимердик электролит мембранасы (PEM) электролиз".
Бул ыкмада суутек иондорунун өтүшүнө мүмкүндүк берген полимердик жарым өткөргүч мембрана анод менен катоддун ортосуна тыгылат. Аппараттын анодуна суу куюлганда электролиздин натыйжасында пайда болгон суутек иондору жарым өткөргүч мембрана аркылуу катодго жылып, молекулалык суутекке айланат. Экинчи жагынан, кычкылтек иондору жарым өткөргүч мембранадан өтө албайт жана аноддо кычкылтек молекуласына айлана албайт.
Ошондой эле щелочтуу суу электролизинде анод менен катодду бир гана гидроксид иондору өтө турган сепаратор аркылуу бөлүп, суутек менен кычкылтек түзөсүз. Мындан тышкары, жогорку температурадагы буу электролиз сыяктуу өнөр жай ыкмалары бар.
Бул процесстерди чоң масштабда аткаруу менен чоң көлөмдөгү суутек алууга болот. Бул процессте кычкылтектин олуттуу көлөмү да (өндүрүлгөн суутектин жарым көлөмү) өндүрүлөт, андыктан ал атмосферага чыгып кетсе экологияга терс таасирин тийгизбейт. Бирок электролиз көп электр энергиясын талап кылат, андыктан көмүртексиз суутек шамал турбиналары жана күн панелдери сыяктуу казылып алынган отундарды колдонбогон электр энергиясы менен өндүрүлсө болот.
Таза энергияны колдонуу менен сууну электролиздөө аркылуу “жашыл суутекти” ала аласыз.
Ошондой эле бул жашыл водородду ири өлчөмдө өндүрүү үчүн суутек генератору бар. Электролизатор бөлүмүндө PEMди колдонуу менен суутек үзгүлтүксүз өндүрүлүшү мүмкүн.
Фоссилдик отундан жасалган көк суутек
Демек, суутек жасоонун дагы кандай жолдору бар? Суутек табигый газ жана көмүр сыяктуу казылып алынган отундарда суудан башка заттар катары бар. Мисалы, жаратылыш газынын негизги компоненти болгон метанды (CH4) карап көрөлү. Бул жерде төрт суутек атому бар. Бул суутекти алып чыгып, суутек ала аласыз.
Алардын бири буу колдонгон "буу метанды реформалоо" деп аталган процесс. Бул ыкманын химиялык формуласы төмөнкүдөй.
Көрүнүп тургандай, көмүртек кычкылы менен суутекти бир эле метан молекуласынан алууга болот.
Ошентип, суутек жаратылыш газынын жана көмүрдүн "буу реформалоо" жана "пиролиз" сыяктуу процесстер аркылуу өндүрүлүшү мүмкүн. "Көк суутек" ушундай жол менен өндүрүлгөн суутекти билдирет.
Бул учурда, бирок, көмүртек кычкылы жана көмүр кычкыл газы кошумча продукт катары өндүрүлөт. Андыктан алар атмосферага чыга электе кайра иштетүүгө туура келет. Кошумча продукты көмүр кычкыл газы, эгерде калыбына келтирилбесе, "боз суутек" деп аталган суутек газына айланат.
Суутек кандай элемент?
Суутектин атомдук саны 1 жана мезгилдик таблицадагы биринчи элемент.
Атомдордун саны ааламдагы эң чоңу, ал ааламдагы бардык элементтердин 90%ке жакынын түзөт. Протон менен электрондон турган эң кичинекей атом суутек атому.
Суутектин ядросуна нейтрондору бар эки изотопу бар. Бир нейтрон менен байланышкан "дейтерий" жана эки нейтрон менен байланышкан "тритий". Булар ошондой эле синтездик энергияны өндүрүү үчүн материалдар.
Күн сыяктуу жылдыздын ичинде суутектен гелийге ядролук синтез жүрүп жатат, бул жылдыздын жаркырап чыгышы үчүн энергия булагы.
Бирок, суутек жер бетинде сейрек газ түрүндө бар. Суутек суу, метан, аммиак жана этанол сыяктуу башка элементтер менен кошулмаларды түзөт. Суутек жеңил элемент болгондуктан, температура жогорулаган сайын суутек молекулаларынын кыймыл ылдамдыгы жогорулап, жердин тартылуу күчүнөн космоско качат.
Суутек кантип колдонсо болот? Күйүү жолу менен колдонуу
Анда жаңы муундагы энергия булагы катары бүткүл дүйнөлүк көңүлдү бурган “водород” кантип колдонулат? Бул эки негизги жол менен колдонулат: "күйүү" жана "күйүүчү клетка". Келгиле, "күйүп" колдонуу менен баштайлы.
колдонулган күйүү эки негизги түрү бар.
Биринчиси ракета отун катары. Япониянын H-IIA ракетасы отун катары криогендик абалда болгон суутек газын "суюк суутек" жана "суюк кычкылтек" колдонот. Бул экөө биригип, ошол учурда пайда болгон жылуулук энергиясы пайда болгон суу молекулаларынын космоско учушун ылдамдатат. Бирок, бул техникалык жактан татаал кыймылдаткыч болгондуктан, Япониядан башка, АКШ, Европа, Орусия, Кытай жана Индия гана бул күйүүчү майды ийгиликтүү айкалыштырган.
Экинчиси - электр энергиясын өндүрүү. Газ турбиналык электр энергиясын өндүрүү, ошондой эле энергияны өндүрүү үчүн суутек менен кычкылтекти бириктирүү ыкмасын колдонот. Башка сөз менен айтканда, бул суутек чыгарган жылуулук энергиясын караган бир ыкма. Жылуулук электр станцияларында көмүр, мунай жана жаратылыш газын күйгүзгөндөн чыккан жылуулуктан турбиналарды кыймылдаткан буу пайда болот. Эгерде суутек жылуулук булагы катары колдонулса, электр станциясы көмүртек нейтралдуу болот.
Суутек кантип колдонсо болот? Күйүүчү май клеткасы катары колдонулат
Суутекти колдонуунун дагы бир жолу - суутекти түздөн-түз электр энергиясына айландыруучу отун клеткасы. Айрыкча, Тойота Японияда глобалдык жылуулукка каршы чаралардын бир бөлүгү катары бензин менен иштеген унааларга альтернатива катары электр унааларынын (EV) ордуна суутек менен иштеген унааларды сунуштоо менен көңүлдөрдү бурду.
Тактап айтканда, биз "жашыл суутек" өндүрүш ыкмасын киргизүүдө тескери процедураны жасап жатабыз. Химиялык формула төмөнкүдөй.
Суутек электр энергиясын өндүрүүдө сууну (ысык суу же буу) пайда кыла алат жана айлана-чөйрөгө оорчулук келтирбегендиктен аны баалоого болот. Башка жагынан алганда, бул ыкма 30-40% салыштырмалуу төмөн электр энергиясын өндүрүү натыйжалуулугун бар, жана катализатор катары платинаны талап кылат, ошентип, көбөйгөн чыгымдарды талап кылат.
Учурда биз полимердик электролит күйүүчү клеткаларды (PEFC) жана фосфор кислотасынын күйүүчү клеткаларын (PAFC) колдонуп жатабыз. Атап айтканда, күйүүчү май клеткалары унаалар PEFC колдонушат, ошондуктан келечекте анын жайылышы күтүлүүдө.
Суутек сактоо жана ташуу коопсузбу?
Азырынча суутек газы кандайча жасалып, колдонуларын түшүндүңүз деп ойлойбуз. Анда бул суутекти кантип сактайсыз? Аны керектүү жерден кантип аласың? Ошол кездеги коопсуздук жөнүндө эмне айтууга болот? Биз түшүндүрөбүз.
Чынында, суутек да өтө коркунучтуу элемент. 20-кылымдын башында абада аба шарларын, шарларды жана дирижабльдерди сүзүү үчүн суутекти газ катары колдончубуз, анткени ал абдан жеңил болгон. Бирок, 1937-жылы 6-майда АКШнын Нью-Жерси штатында «Гинденбург» дирижаблисинин жарылуусу болгон.
Кырсык болгондон бери суутек газы кооптуу экени кеңири таанылган. Айрыкча ал күйгөндө кычкылтек менен катуу жарылат. Ошондуктан, "кычкылтектен алыс болгула" же "ысыктан алыс болгула".
Бул чараларды көргөндөн кийин биз жеткирүү ыкмасын ойлоп таптык.
Суутек бөлмө температурасында газ, ошондуктан ал дагы эле газ болсо да, ал абдан көлөмдүү. Биринчи ыкма газдалган суусундуктарды жасоодо чоң басым жасап, баллон сыяктуу кысуу. Атайын жогорку басымдагы резервуарды даярдап, аны 45Mpa сыяктуу жогорку басымдын шарттарында сактаңыз.
Күйүүчү май клеткаларын (FCV) иштеп чыгуучу Toyota компаниясы 70 МПа басымга туруштук бере ала турган чайырдан жасалган жогорку басымдагы суутек багын иштеп чыгууда.
Дагы бир ыкма -253°Сге чейин муздап суюк суутекти алуу жана аны атайын жылуулук өткөрүүчү резервуарларда сактоо жана ташуу. Табигый газды чет өлкөдөн ташып келүүдө LNG (суюлтулган жаратылыш газы) сыяктуу, суутек ташуу учурунда суюлтулуп, анын көлөмүн газ абалынын 1/800 бөлүгүнө чейин азайтат. 2020-жылы биз дүйнөдөгү биринчи суюк суутек ташуучуну бүтүрдүк. Бирок, бул ыкма күйүүчү майлуу унаалар үчүн ылайыктуу эмес, анткени ал муздатуу үчүн көп энергияны талап кылат.
Бул сыяктуу резервуарларда сактоо жана жөнөтүү ыкмасы бар, бирок биз суутек сактоонун башка ыкмаларын да иштеп чыгуудабыз.
Сактоо ыкмасы суутек сактоочу эритмелерди колдонуу болуп саналат. Суутек металлдарга кирип, аларды начарлатуучу касиетке ээ. Бул 1960-жылдары Кошмо Штаттарда иштелип чыккан өнүгүү кеңеши. JJ Reilly et al. Тажрыйбалар водородду магний жана ванадий эритмеси аркылуу сактоого жана чыгарууга болорун көрсөттү.
Андан кийин ал палладий сыяктуу суутекти өзүнөн 935 эсе көп сиңире алган затты ийгиликтүү иштеп чыккан.
Бул эритмесин колдонуунун артыкчылыгы суутектин агып кетүүсүнүн алдын алат (негизинен жарылуу кырсыктары). Ошондуктан, аны коопсуз сактоого жана ташууга болот. Бирок, этият болбосоңуз жана аны туура эмес чөйрөдө калтырсаңыз, суутек сактоочу эритмелер убакыттын өтүшү менен суутек газын бөлүп чыгарышы мүмкүн. Мейли, кичинекей учкун да жарылуу кырсыгына алып келиши мүмкүн, андыктан сак болуңуз.
Ал ошондой эле суутектин кайра-кайра жутулушу жана десорбциясы морттукка алып келип, суутектин сиңүү ылдамдыгын төмөндөтүүчү кемчилиги бар.
Экинчиси - түтүктөрдү колдонуу. Түтүктөрдүн морт болушуна жол бербөө үчүн ал кысылбаган жана төмөн басым болушу керек деген шарт бар, бирок артыкчылыгы - учурдагы газ түтүктөрүн колдонууга болот. Tokyo Gas отун клеткаларын суутек менен камсыз кылуу үчүн шаардык газ түтүктөрүн колдонуп, Harumi FLAG боюнча курулуш иштерин жүргүздү.
Суутек энергиясы тарабынан түзүлгөн келечектеги коом
Акырында, суутектин коомдогу ролун карап көрөлү.
Андан да маанилүүсү, биз көмүртексиз коомду өнүктүрүүнү каалайбыз, суутекти жылуулук энергиясы катары эмес, электр энергиясын өндүрүү үчүн колдонобуз.
Ири ТЭЦтин ордуна кээ бир үй-бүлөлөр зарыл болгон электр энергиясын иштеп чыгуу үчүн жаратылыш газын реформалоо жолу менен алынган суутекти пайдаланган ENE-FARM сыяктуу системаларды киргизишти. Бирок, реформалоо процессинин кошумча продуктуларын эмне кылуу керек деген суроо али бойдон калууда.
Келечекте суутектин өзүнүн циркуляциясы көбөйсө, мисалы, суутек май куюучу станциялардын санын көбөйтсө, көмүр кычкыл газын чыгарбай электр энергиясын колдонууга болот. Электр энергиясы, албетте, жашыл суутекти өндүрөт, ошондуктан күн нурунан же шамалдан пайда болгон электр энергиясын колдонот. Электролиз үчүн колдонулуучу кубаттуулук табигый энергиядан ашыкча кубат болгондо электр энергиясын өндүрүүнүн көлөмүн басаңдатуу же кайра заряддалуучу батареяны заряддоо үчүн күч болушу керек. Башкача айтканда, суутек кайра заряддалуучу батарея менен бирдей абалда. Мындай боло турган болсо, акыры жылуулук энергиясын өндүрүүнү кыскартууга болот. Автомобилдердин ичинен күйүүчү кыймылдаткычы жок боло турган күн жакындап келе жатат.
Суутек башка жол менен да алынышы мүмкүн. Чынында, водород дагы эле каустикалык сода өндүрүшүнүн кошумча продуктусу болуп саналат. Башка нерселер менен катар бул темир өндүрүүдө кокс өндүрүшүнүн кошумча продуктусу. Эгерде сиз бул суутекти бөлүштүрүүгө киргизсеңиз, анда бир нече булактарды ала аласыз. Ушундай жол менен өндүрүлгөн суутек газы суутек станцияларынан да берилет.
Келечекке дагы карайлы. Жоголгон энергиянын көлөмү, ошондой эле электр энергиясын берүү үчүн зымдарды колдонгон берүү ыкмасы менен байланышкан маселе. Ошондуктан келечекте газдалган суусундуктарды жасоодо колдонулган көмүр кычкылынын цистерналарындай эле түтүк аркылуу келген суутекти пайдаланып, ар бир үй-бүлөгө электр энергиясын өндүрүү үчүн суутектүү резервуарды үйдөн сатып алабыз. Суутек батареялары менен иштеген мобилдик аппараттар көнүмүшкө айланып баратат. Мындай келечекти көрүү кызыктуу болот.
Посттун убактысы: 08-июнь-2023
