Дараагийн үеийн эрчим хүчний устөрөгчийн тухай

Бид нүүрстөрөгчийн саармагжуулсан дараагийн үеийн эрчим хүч болох "устөрөгч"-ийг нэвтрүүлэх болно. Устөрөгчийг "ногоон устөрөгч", "цэнхэр устөрөгч", "саарал устөрөгч" гэсэн гурван төрөлд хуваадаг бөгөөд тус бүр нь өөр өөр үйлдвэрлэлийн аргатай байдаг. Мөн бид үйлдвэрлэх арга, элемент болох физик шинж чанар, хадгалах/тээвэрлэх арга, ашиглах арга тус бүрийг тайлбарлах болно. Энэ нь яагаад дараагийн үеийн зонхилох эрчим хүчний эх үүсвэр болохыг би бас танилцуулах болно.

Усны электролиз нь ногоон устөрөгч үүсгэдэг

Устөрөгчийг ашиглахдаа ямар ч байсан "устөрөгч үйлдвэрлэх" нь чухал юм. Хамгийн хялбар арга бол "усны электролиз" юм. Магадгүй та бага сургуулийн шинжлэх ухааны чиглэлээр суралцсан байх. Шилэн савыг усаар дүүргэж, электродуудыг усанд хийнэ. Батерейг электродтой холбож, хүчдэл өгөхөд ус болон электрод бүрт дараах урвал явагдана.
Катод дээр H+ ба электронууд нийлж устөрөгчийн хий үүсгэдэг бол анод нь хүчилтөрөгч үүсгэдэг. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь сургуулийн шинжлэх ухааны туршилтанд тохиромжтой боловч устөрөгчийг үйлдвэрлэлийн аргаар үйлдвэрлэхийн тулд томоохон хэмжээний үйлдвэрлэлд тохиромжтой үр ашигтай механизмыг бэлтгэх шаардлагатай. Энэ нь "полимер электролитийн мембран (PEM) электролиз" юм.
Энэ аргын хувьд устөрөгчийн ионыг нэвтрүүлэх боломжийг олгодог полимер хагас нэвчүүлэх мембраныг анод ба катодын хооронд хавчуулагдсан байдаг. Төхөөрөмжийн анод руу ус асгахад электролизийн үр дүнд үүссэн устөрөгчийн ионууд хагас нэвчдэг мембранаар дамжин катод руу шилжиж, молекулын устөрөгч болдог. Нөгөөтэйгүүр, хүчилтөрөгчийн ионууд нь хагас нэвчдэг мембранаар дамжиж, анод дахь хүчилтөрөгчийн молекул болж чадахгүй.
Мөн шүлтлэг усны электролизийн үед та зөвхөн гидроксидын ион дамжих тусгаарлагчаар дамжуулан анод ба катодыг салгаснаар устөрөгч, хүчилтөрөгч үүсгэдэг. Үүнээс гадна өндөр температурт уурын электролиз гэх мэт үйлдвэрлэлийн аргууд байдаг.
Эдгээр процессыг их хэмжээгээр хийснээр их хэмжээний устөрөгч авах боломжтой. Энэ процессын явцад их хэмжээний хүчилтөрөгч (үйлдвэрлэсэн устөрөгчийн эзэлхүүний тал хувь) үүсдэг бөгөөд ингэснээр агаар мандалд цацагдсан тохиолдолд байгаль орчинд сөрөг нөлөө үзүүлэхгүй. Гэсэн хэдий ч электролиз нь маш их цахилгаан шаарддаг тул салхин турбин, нарны хавтан зэрэг чулуужсан түлш ашигладаггүй цахилгаанаар үйлдвэрлэсэн тохиолдолд нүүрстөрөгчгүй устөрөгчийг гаргаж авах боломжтой.
Та цэвэр энерги ашиглан усыг электролиз болгосноор "ногоон устөрөгч" авах боломжтой.

Мөн энэ ногоон устөрөгчийг их хэмжээгээр үйлдвэрлэх устөрөгчийн генератор байдаг. Электролизийн хэсэгт PEM-ийг ашигласнаар устөрөгчийг тасралтгүй үйлдвэрлэх боломжтой.

Чулуужсан түлшээр хийсэн цэнхэр устөрөгч

Тэгэхээр устөрөгч хийх өөр ямар арга байдаг вэ? Устөрөгч нь байгалийн хий, нүүрс зэрэг чулуужсан түлшинд уснаас өөр бодис хэлбэрээр байдаг. Жишээлбэл, байгалийн хийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг болох метаныг (CH4) авч үзье. Энд дөрвөн устөрөгчийн атом байдаг. Энэ устөрөгчийг гаргаж авснаар та устөрөгч авч болно.
Үүний нэг нь уурыг ашигладаг "уурын метаныг шинэчлэх" гэж нэрлэгддэг процесс юм. Энэ аргын химийн томъёо нь дараах байдалтай байна.
Таны харж байгаагаар нүүрстөрөгчийн дутуу исэл, устөрөгчийг нэг метан молекулаас гаргаж авах боломжтой.
Ийм байдлаар байгалийн хий, нүүрсний "уурын шинэчлэл", "пиролиз" зэрэг процессоор устөрөгчийг гаргаж авах боломжтой. "Цэнхэр устөрөгч" гэдэг нь ийм аргаар үүссэн устөрөгчийг хэлдэг.
Гэхдээ энэ тохиолдолд нүүрстөрөгчийн дутуу исэл, нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь дайвар бүтээгдэхүүн хэлбэрээр үүсдэг. Тиймээс та тэдгээрийг агаар мандалд гаргахаас өмнө дахин боловсруулах хэрэгтэй. Нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь нөхөн сэргээгдэхгүй бол "саарал устөрөгч" гэж нэрлэгддэг устөрөгчийн хий болж хувирдаг.

Устөрөгч нь ямар төрлийн элемент вэ?

Устөрөгч нь атомын дугаар 1 бөгөөд үелэх системийн эхний элемент юм.
Атомын тоо нь орчлон ертөнцийн хамгийн том нь бөгөөд орчлон ертөнцийн бүх элементийн 90 орчим хувийг эзэлдэг. Протон ба электроноос бүрдэх хамгийн жижиг атом бол устөрөгчийн атом юм.
Устөрөгч нь цөмд наалдсан нейтронтой хоёр изотоптой. Нэг нейтронтой "дейтерий" ба хоёр нейтронтой "тритий". Эдгээр нь мөн хайлуулах эрчим хүч үйлдвэрлэх материал юм.
Нар шиг одны дотор устөрөгчөөс гели рүү цөмийн нэгдэл явагдаж байгаа нь одыг гэрэлтүүлэх эрчим хүчний эх үүсвэр болдог.
Гэсэн хэдий ч устөрөгч нь дэлхий дээр хий хэлбэрээр ховор байдаг. Устөрөгч нь ус, метан, аммиак, этанол зэрэг бусад элементүүдтэй нэгдлүүд үүсгэдэг. Устөрөгч нь хөнгөн элемент тул температур нэмэгдэхийн хэрээр устөрөгчийн молекулуудын хөдөлгөөний хурд нэмэгдэж, дэлхийн таталцлаас сансар огторгуй руу зугтдаг.

Устөрөгчийг хэрхэн ашиглах вэ? Шатаах замаар ашиглах

Тэгвэл дараагийн үеийн эрчим хүчний эх үүсвэр хэмээн дэлхий дахины анхаарлыг татсан “устөрөгч”-ийг хэрхэн ашиглаж байна вэ? Үүнийг "шатах" ба "түлшний эс" гэсэн хоёр үндсэн аргаар ашигладаг. "Шатаах" гэсэн хэрэглээнээс эхэлцгээе.
Шатаалтын хоёр үндсэн төрлийг ашигладаг.
Эхнийх нь пуужингийн түлш юм. Японы H-IIA пуужин нь устөрөгчийн хийг "шингэн устөрөгч" болон "шингэн хүчилтөрөгч" ашигладаг бөгөөд энэ нь мөн криоген төлөвт байдаг. Энэ хоёрыг нэгтгэж, тухайн үед үүссэн дулааны энерги нь үүссэн усны молекулуудын шахалтыг хурдасгаж, сансарт нисдэг. Гэхдээ Японоос бусад нь техникийн хувьд хүнд хөдөлгүүр учраас АНУ, Европ, Орос, Хятад, Энэтхэг улсууд л энэ түлшийг амжилттай хослуулсан.
Хоёр дахь нь эрчим хүчний үйлдвэрлэл юм. Хийн турбин эрчим хүч үйлдвэрлэхэд мөн устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг хослуулан эрчим хүч үйлдвэрлэх аргыг ашигладаг. Өөрөөр хэлбэл, энэ нь устөрөгчөөс үүссэн дулааны энергийг хардаг арга юм. Дулааны цахилгаан станцуудад нүүрс, газрын тос, байгалийн хий шатаах дулаанаас турбиныг хөдөлгөдөг уур үүсдэг. Хэрэв устөрөгчийг дулааны эх үүсвэр болгон ашиглавал цахилгаан станц нь нүүрстөрөгчийн саармаг байх болно.

Устөрөгчийг хэрхэн ашиглах вэ? Түлшний эс болгон ашигладаг

Устөрөгчийг ашиглах өөр нэг арга бол устөрөгчийг шууд цахилгаан болгон хувиргадаг түлшний эс юм. Тодруулбал, Тоёота дэлхийн дулаарлын эсрэг арга хэмжээнийхээ хүрээнд бензин хөдөлгүүртэй автомашины оронд цахилгаан автомашины оронд устөрөгчийн түлшээр ажилладаг автомашинуудыг санал болгосноор Японд олны анхаарлыг татсан.
Тодруулбал, бид "ногоон устөрөгч" үйлдвэрлэх аргыг нэвтрүүлэхдээ урвуу процедурыг хийж байна. Химийн томъёо нь дараах байдалтай байна.
Устөрөгч нь цахилгаан үүсгэхийн зэрэгцээ ус (халуун ус эсвэл уур) үүсгэх боломжтой бөгөөд байгаль орчинд дарамт учруулахгүй тул үнэлж болно. Нөгөөтэйгүүр, энэ арга нь 30-40% -ийн эрчим хүч үйлдвэрлэх харьцангуй бага үр ашигтай бөгөөд катализаторын хувьд цагаан алт шаарддаг тул зардлыг нэмэгдүүлэх шаардлагатай.
Одоогоор бид полимер электролитийн түлшний эс (PEFC) болон фосфорын хүчлийн түлшний эсийг (PAFC) ашиглаж байна. Тэр дундаа түлшний эсийн автомашинууд PEFC ашигладаг тул цаашид тархах төлөвтэй байна.

Устөрөгчийг хадгалах, тээвэрлэх нь аюулгүй юу?

Одоогийн байдлаар та устөрөгчийн хий хэрхэн бүтээгдэж, ашиглагдаж байгааг ойлгосон гэж бид бодож байна. Тэгэхээр та энэ устөрөгчийг хэрхэн хадгалах вэ? Та үүнийг хэрэгтэй газар яаж авах вэ? Тэр үеийн аюулгүй байдлын талаар юу хэлэх вэ? Бид тайлбарлах болно.
Үнэндээ устөрөгч нь бас маш аюултай элемент юм. 20-р зууны эхээр бид устөрөгчийг маш хөнгөн байсан тул агаарын бөмбөлөг, бөмбөлөг, агаарын хөлгүүдийг тэнгэрт хөвүүлэхийн тулд хий болгон ашигладаг байсан. Гэсэн хэдий ч 1937 оны 5-р сарын 6-нд АНУ-ын Нью Жерси хотод "Хинденбургийн агаарын хөлгийн дэлбэрэлт" болжээ.
Ослоос хойш устөрөгчийн хий аюултай гэдгийг олон нийт хүлээн зөвшөөрсөн. Ялангуяа галд автвал хүчилтөрөгчөөр хүчтэй тэсрэх болно. Тиймээс "хүчилтөрөгчөөс хол байлгах" эсвэл "халуунаас хол байлгах" нь чухал юм.
Эдгээр арга хэмжээг авсны дараа бид тээвэрлэх аргыг бодож олов.
Устөрөгч нь өрөөний температурт хий учраас хий хэвээр байгаа ч маш том хэмжээтэй байдаг. Эхний арга нь хийжүүлсэн ундаа хийхдээ өндөр даралт хийж, цилиндр шиг шахах явдал юм. Тусгай өндөр даралтын сав бэлтгэж, 45Мпа зэрэг өндөр даралтын нөхцөлд хадгална.
Түлшний эсийн автомашин (FCV) бүтээдэг Тоёота компани 70 МПа даралтыг тэсвэрлэх чадвартай давирхайн өндөр даралтын устөрөгчийн сав бүтээж байна.
Өөр нэг арга бол шингэн устөрөгчийг -253°С хүртэл хөргөж, тусгай дулаан тусгаарлагчтай саванд хадгалж тээвэрлэх юм. Гадаадаас байгалийн хий импортлох үед LNG (шингэрүүлсэн хий)-ийн нэгэн адил устөрөгчийг тээвэрлэх явцад шингэрүүлж, түүний эзэлхүүнийг хийн төлөвийн 1/800 хүртэл бууруулдаг. 2020 онд бид дэлхийн анхны шингэн устөрөгч тээвэрлэгчийг бүтээж дуусгалаа. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь түлшний эсийн тээврийн хэрэгсэлд тохиромжгүй, учир нь хөргөхөд маш их эрчим хүч шаардагддаг.
Ийм саванд хадгалах, тээвэрлэх арга байдаг ч устөрөгчийг хадгалах өөр аргуудыг боловсруулж байна.
Хадгалах арга нь устөрөгчийг хадгалах хайлшийг ашиглах явдал юм. Устөрөгч нь метал руу нэвтэрч, муудах шинж чанартай байдаг. Энэ бол 1960-аад онд АНУ-д боловсруулсан хөгжлийн зөвлөмж юм. JJ Reilly нар. Туршилтаар устөрөгчийг магни, ванадийн хайлш ашиглан хадгалж, ялгаруулж болохыг харуулсан.
Үүний дараа тэрээр өөрийн эзэлхүүнээсээ 935 дахин их устөрөгчийг шингээх чадвартай палладий зэрэг бодисыг амжилттай бүтээжээ.
Энэхүү хайлшийг ашиглахын давуу тал нь устөрөгчийн алдагдлын ослоос (голдуу дэлбэрэлтийн ослоос) урьдчилан сэргийлэх боломжтой юм. Тиймээс үүнийг аюулгүйгээр хадгалах, тээвэрлэх боломжтой. Гэсэн хэдий ч, хэрэв та болгоомжтой биш, буруу орчинд үлдээвэл устөрөгчийн агуулах хайлш нь цаг хугацааны явцад устөрөгчийн хий ялгаруулж болно. За, жижиг оч ч гэсэн дэлбэрэлтийн осол үүсгэж болзошгүй тул болгоомжтой байгаарай.
Мөн устөрөгчийг олон удаа шингээх, шингээх нь хэврэгшиж, устөрөгчийн шингээлтийн хурдыг бууруулдаг сул талтай.
Нөгөө нь хоолой ашиглах явдал юм. Шугам хоолой хэврэгшихээс сэргийлж шахагдаагүй, даралт багатай байх ёстой гэсэн нөхцөл байдаг ч одоо байгаа хийн хоолойг ашиглах боломжтой давуу талтай. Токио Газ нь түлшний эсүүдэд устөрөгчийг нийлүүлэхийн тулд хотын хийн хоолойг ашиглан Харумигийн туг барих ажлыг гүйцэтгэсэн.

Устөрөгчийн эрчим хүчээр бүтээгдсэн ирээдүйн нийгэм

Эцэст нь устөрөгчийн нийгэмд гүйцэтгэх үүргийг авч үзье.
Хамгийн гол нь бид нүүрстөрөгчгүй нийгмийг дэмжихийг хүсч байна, бид устөрөгчийг дулааны эрчим хүч биш харин цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг.
Томоохон дулааны цахилгаан станцын оронд зарим айлд байгалийн хийг шинэчлэх замаар гаргаж авсан устөрөгчийг ашиглан шаардлагатай цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэдэг ENE-FARM гэх мэт системийг нэвтрүүлсэн. Гэсэн хэдий ч шинэчлэлийн үйл явцын дагалдах бүтээгдэхүүнийг яах вэ гэдэг асуулт хэвээр байна.

Цаашид устөрөгчийн түлш цэнэглэх станцын тоог нэмэгдүүлэх зэрэг устөрөгчийн эргэлт өөрөө нэмэгдвэл нүүрсхүчлийн хий ялгаруулахгүйгээр цахилгаан эрчим хүч ашиглах боломжтой болно. Мэдээжийн хэрэг цахилгаан нь ногоон устөрөгч үүсгэдэг тул нарны гэрэл эсвэл салхинаас үүссэн цахилгааныг ашигладаг. Электролизийн эрчим хүч нь байгалийн эрчим хүчнээс илүүдэл эрчим хүч байгаа үед эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн хэмжээг дарах эсвэл цэнэглэдэг батерейг цэнэглэх хүч байх ёстой. Өөрөөр хэлбэл, устөрөгч нь цэнэглэдэг батерейтай ижил байрлалд байна. Хэрэв ийм зүйл тохиолдвол эцэстээ дулааны эрчим хүчний үйлдвэрлэлийг бууруулах боломжтой болно. Автомашинаас дотоод шаталтат хөдөлгүүр алга болох өдөр ойртож байна.

Устөрөгчийг өөр замаар олж авах боломжтой. Үнэн хэрэгтээ устөрөгч нь идэмхий натри үйлдвэрлэлийн дайвар бүтээгдэхүүн хэвээр байна. Бусад зүйлсийн дотор төмрийн үйлдвэрлэлийн кокс үйлдвэрлэлийн дайвар бүтээгдэхүүн юм. Хэрэв та энэ устөрөгчийг тархалтад оруулбал олон эх үүсвэрийг авах боломжтой болно. Ийм аргаар үйлдвэрлэсэн устөрөгчийн хийг мөн устөрөгчийн станцуудаар хангадаг.

Цаашид ирээдүйгээ харцгаая. Алдагдсан эрчим хүчний хэмжээ нь цахилгаан дамжуулах утсыг ашигладаг дамжуулах аргатай холбоотой асуудал юм. Тиймээс цаашид бид хийжүүлсэн ундаа хийхэд нүүрстөрөгчийн хүчлийн сав шиг шугам хоолойгоор нийлүүлж буй устөрөгчийг ашиглаж, устөрөгчийн савыг гэртээ худалдан авч айл өрх бүрт цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх болно. Устөрөгчийн батерейгаар ажилладаг хөдөлгөөнт төхөөрөмжүүд ердийн зүйл болж байна. Ийм ирээдүйг харах нь сонирхолтой байх болно.