Дараагийн үеийн эрчим хүчний устөрөгчийн тухай

Бид нүүрстөрөгчийн саармаг энергийн дараагийн үе болох "устөрөгч"-ийг танилцуулах болно. Устөрөгчийг "ногоон устөрөгч", "цэнхэр устөрөгч" болон "саарал устөрөгч" гэсэн гурван төрөлд хуваадаг бөгөөд тус бүр нь өөр өөр үйлдвэрлэлийн аргатай байдаг. Мөн бид үйлдвэрлэлийн арга тус бүр, элементийн физик шинж чанар, хадгалах/тээвэрлэх арга, хэрэглээний аргуудыг тайлбарлах болно. Мөн би яагаад энэ нь дараагийн үеийн давамгайлсан эрчим хүчний эх үүсвэр болохыг танилцуулах болно.

Ногоон устөрөгч үйлдвэрлэхийн тулд усны электролиз хийх

Устөрөгч ашиглах үед ямар ч байсан "устөрөгч үйлдвэрлэх" нь чухал юм. Хамгийн хялбар арга бол "усыг электролизжүүлэх" явдал юм. Магадгүй та бага сургуулийн шинжлэх ухаанд суралцсан байх. Стаканыг ус болон электродоор дүүргэ. Батерейг электродуудтай холбож, цэнэглэхэд усанд болон электрод бүрт дараах урвал явагдана.
Катод дээр H+ болон электронууд нэгдэж устөрөгчийн хий үүсгэдэг бол анод нь хүчилтөрөгч үүсгэдэг. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь сургуулийн шинжлэх ухааны туршилтуудад тохиромжтой боловч үйлдвэрийн аргаар устөрөгч үйлдвэрлэхийн тулд томоохон хэмжээний үйлдвэрлэлд тохиромжтой үр ашигтай механизмыг бэлтгэх шаардлагатай. Энэ нь "полимер электролитийн мембран (PEM) электролиз" юм.
Энэ аргаар устөрөгчийн ионуудыг нэвтрүүлэх боломжийг олгодог полимер хагас нэвчилттэй мембраныг анод ба катодын хооронд хавчуулан байрлуулдаг. Төхөөрөмжийн анод руу ус цутгахад электролизийн аргаар үүссэн устөрөгчийн ионууд хагас нэвчилттэй мембранаар дамжин катод руу шилжиж, тэнд молекулын устөрөгч болдог. Нөгөөтэйгүүр, хүчилтөрөгчийн ионууд хагас нэвчилттэй мембранаар дамжин анод дээр хүчилтөрөгчийн молекул болж чадахгүй.
Мөн шүлтлэг усны электролизд зөвхөн гидроксидын ионууд нэвтэрч болох тусгаарлагчаар анод ба катодыг салгаж устөрөгч ба хүчилтөрөгч үүсгэдэг. Үүнээс гадна өндөр температурт уурын электролиз гэх мэт үйлдвэрлэлийн аргууд байдаг.
Эдгээр процессуудыг их хэмжээгээр гүйцэтгэснээр их хэмжээний устөрөгч гаргаж авах боломжтой. Энэ үйл явцад их хэмжээний хүчилтөрөгч (үйлдвэрлэсэн устөрөгчийн тал хувь) үүсдэг тул агаар мандалд ялгарвал 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 үйлдвэрлэх боломжтой.
Цэвэр эрчим хүч ашиглан усыг электролизжүүлснээр та "ногоон устөрөгч" гаргаж авах боломжтой.

Энэхүү ногоон устөрөгчийг их хэмжээгээр үйлдвэрлэх зориулалттай устөрөгчийн үүсгүүр бас байдаг. Электролизерийн хэсэгт PEM ашигласнаар устөрөгчийг тасралтгүй үйлдвэрлэх боломжтой.

Чулуужсан түлшнээс гаргаж авсан цэнхэр устөрөгч

Тэгэхээр устөрөгч үүсгэх өөр ямар аргууд байдаг вэ? Устөрөгч нь байгалийн хий, нүүрс зэрэг чулуужсан түлшинд уснаас бусад бодис хэлбэрээр байдаг. Жишээлбэл, байгалийн хийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг болох метан (CH4)-ийг авч үзье. Энд дөрвөн устөрөгчийн атом байдаг. Та энэ устөрөгчийг ялгаж авснаар устөрөгчийг гаргаж авч болно.
Үүний нэг нь уур ашигладаг “уурын метаныг шинэчлэх” гэж нэрлэгддэг процесс юм. Энэ аргын химийн томъёо нь дараах байдалтай байна.
Таны харж байгаагаар нүүрстөрөгчийн дутуу исэл болон устөрөгчийг нэг метан молекулаас гаргаж авч болно.
Ийм байдлаар устөрөгчийг байгалийн хий болон нүүрсийг "уурын шинэчлэл" болон "пиролиз" зэрэг процессоор гаргаж авч болно. "Цэнхэр устөрөгч" гэдэг нь ийм аргаар гаргаж авсан устөрөгчийг хэлнэ.
Гэхдээ энэ тохиолдолд нүүрстөрөгчийн дутуу исэл болон нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь дайвар бүтээгдэхүүн болж үүсдэг. Тиймээс та тэдгээрийг агаар мандалд хаяхаасаа өмнө дахин боловсруулах хэрэгтэй. Хэрэв дайвар бүтээгдэхүүн болох нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь ялгарахгүй бол "саарал устөрөгч" гэгддэг устөрөгчийн хий болдог.

Устөрөгч ямар төрлийн элемент вэ?

Устөрөгч нь 1 атомын дугаартай бөгөөд үелэх хүснэгтийн эхний элемент юм.
Атомын тоо нь орчлон ертөнц дэх хамгийн том бөгөөд орчлон ертөнцийн бүх элементүүдийн 90 орчим хувийг эзэлдэг. Протон ба электроноос бүрдсэн хамгийн жижиг атом бол устөрөгчийн атом юм.
Устөрөгч нь цөмдөө нейтронтой холбогдсон хоёр изотоптой. Нэг нейтронтой холбогдсон “дейтериум” болон хоёр нейтронтой холбогдсон “тритиум”. Эдгээр нь мөн хайлуулах эрчим хүч үйлдвэрлэх материал юм.
Нар шиг одны дотор устөрөгчөөс гелий рүү цөмийн нэгдэл явагддаг бөгөөд энэ нь одны гэрэлтэх энергийн эх үүсвэр юм.
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 таталцлын хүчнээс сансар огторгуй руу зугтдаг.

Устөрөгчийг хэрхэн ашиглах вэ? Шатах замаар ашиглах

Тэгвэл дэлхий дахины анхаарлыг дараагийн үеийн эрчим хүчний эх үүсвэр болгон татсан "устөрөгч"-ийг хэрхэн ашигладаг вэ? Үүнийг "шаталт" болон "түлшний элемент" гэсэн хоёр үндсэн аргаар ашигладаг. "Шаталт" гэсэн үгийг ашиглаж эхэлье.
Ашигласан хоёр үндсэн шаталтын төрөл байдаг.
Эхнийх нь пуужингийн түлш юм. Японы H-IIA пуужин нь "шингэн устөрөгч" хэмээх устөрөгчийн хий болон криоген төлөвт байдаг "шингэн хүчилтөрөгч"-ийг түлш болгон ашигладаг. Энэ хоёрыг хослуулсан бөгөөд тухайн үед үүссэн дулааны энерги нь үүссэн усны молекулуудыг сансарт нисэхэд хурдасгадаг. Гэсэн хэдий ч энэ нь техникийн хувьд хэцүү хөдөлгүүр тул Японоос бусад тохиолдолд зөвхөн АНУ, Европ, Орос, Хятад, Энэтхэг улсууд л энэ түлшийг амжилттай хослуулсан.
Хоёр дахь нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх явдал юм. Хийн турбины цахилгаан үйлдвэрлэхэд устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг нэгтгэн эрчим хүч үйлдвэрлэх аргыг ашигладаг. Өөрөөр хэлбэл, энэ нь устөрөгчийн үйлдвэрлэсэн дулааны энергийг судалдаг арга юм. Дулааны цахилгаан станцуудад нүүрс, газрын тос, байгалийн хий шатаахаас үүсэх дулаан нь турбинуудыг хөдөлгөдөг уур үүсгэдэг. Хэрэв устөрөгчийг дулааны эх үүсвэр болгон ашиглавал цахилгаан станц нь нүүрстөрөгчийн саармаг байх болно.

Устөрөгчийг хэрхэн ашиглах вэ? Түлшний элемент болгон ашигладаг

Устөрөгчийг ашиглах өөр нэг арга бол түлшний элемент болгон ашиглах явдал бөгөөд энэ нь устөрөгчийг шууд цахилгаан болгон хувиргадаг. Ялангуяа Тоёота компани дэлхийн дулаарлын эсрэг арга хэмжээнийхээ нэг хэсэг болгон бензин хөдөлгүүртэй тээврийн хэрэгслийн оронд цахилгаан тээврийн хэрэгслийн (EV) оронд устөрөгчийн түлшээр ажилладаг тээврийн хэрэгслийг сурталчилж, Японд анхаарал татаж байна.
Тодруулбал, бид "ногоон устөрөгч" үйлдвэрлэх аргыг нэвтрүүлэхдээ урвуу процедурыг хийж байна. Химийн томъёо нь дараах байдалтай байна.
Устөрөгч нь цахилгаан үйлдвэрлэх явцдаа ус (халуун ус эсвэл уур) үүсгэж чаддаг бөгөөд байгаль орчинд дарамт учруулдаггүй тул үүнийг үнэлж болно. Нөгөөтэйгүүр, энэ арга нь харьцангуй бага эрчим хүч үйлдвэрлэх үр ашигтай буюу 30-40% бөгөөд катализатор болгон цагаан алт шаарддаг тул өртөг нэмэгдэхийг шаарддаг.
Одоогоор бид полимер электролитийн түлшний элемент (PEFC) болон фосфорын хүчлийн түлшний элемент (PAFC) ашиглаж байна. Ялангуяа түлшний элементтэй тээврийн хэрэгсэлд PEFC ашигладаг тул ирээдүйд өргөн тархах төлөвтэй байна.

Устөрөгчийг хадгалах, тээвэрлэх нь аюулгүй юу?

Одоо та устөрөгчийн хийг хэрхэн үйлдвэрлэж, ашигладагийг ойлгосон гэж бид бодож байна. Тэгэхээр та энэ устөрөгчийг хэрхэн хадгалах вэ? Хэрэгтэй газраа хэрхэн авах вэ? Тухайн үед аюулгүй байдлын талаар юу хэлэх вэ? Бид тайлбарлах болно.
Үнэндээ устөрөгч нь бас маш аюултай элемент юм. 20-р зууны эхэн үед бид устөрөгчийг хий болгон ашиглаж, бөмбөлөг, агаарын хөлгийг тэнгэрт хөөргөдөг байсан, учир нь энэ нь маш хөнгөн байсан. Гэсэн хэдий ч 1937 оны 5-р сарын 6-нд АНУ-ын Нью Жерси мужид "Хинденбург агаарын хөлгийн дэлбэрэлт" болсон.
Ослын дараа устөрөгчийн хий аюултай гэдгийг өргөнөөр хүлээн зөвшөөрсөн. Ялангуяа гал авалцах үед хүчилтөрөгчтэй хүчтэй дэлбэрдэг. Тиймээс "хүчилтөрөгчөөс хол байх" эсвэл "дулаанаас хол байх" нь чухал юм.
Эдгээр арга хэмжээг авсны дараа бид тээвэрлэлтийн аргыг боловсруулсан.
Устөрөгч нь өрөөний температурт хий байдаг тул хий хэвээр байгаа ч маш том хэмжээтэй байдаг. Эхний арга бол хийжүүлсэн ундаа хийхдээ өндөр даралт хэрэглэж, цилиндр шиг шахах явдал юм. Тусгай өндөр даралттай сав бэлтгэж, 45Mpa гэх мэт өндөр даралтын нөхцөлд хадгална.
Түлшний элементтэй тээврийн хэрэгсэл (FCV) хөгжүүлдэг Тоёота компани 70 МПа даралтыг тэсвэрлэх чадвартай давирхайн өндөр даралттай устөрөгчийн сав боловсруулж байна.
Өөр нэг арга бол шингэн устөрөгч хийхийн тулд -253°C хүртэл хөргөж, тусгай дулаан тусгаарлагчтай саванд хадгалж, тээвэрлэх явдал юм. Байгалийн хий гадаадаас импортлох үед шингэрүүлсэн байгалийн хий (LNG)-тэй адил устөрөгчийг тээвэрлэх явцад шингэрүүлж, хийн төлөвийнхөө 1/800 хүртэл эзэлхүүнийг нь бууруулдаг. 2020 онд бид дэлхийн анхны шингэн устөрөгчийн тээвэрлэгчийг хийж дуусгасан. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь түлшний элементтэй тээврийн хэрэгсэлд тохиромжгүй, учир нь хөргөхөд маш их энерги шаардагддаг.
Үүнтэй төстэй саванд хадгалах, тээвэрлэх арга байдаг ч бид устөрөгчийг хадгалах бусад аргуудыг боловсруулж байна.
Хадгалах арга нь устөрөгч хадгалах хайлш ашиглах явдал юм. Устөрөгч нь металлыг нэвтлэн задлах шинж чанартай. Энэ бол 1960-аад онд АНУ-д боловсруулсан хөгжлийн зөвлөмж юм. Ж.Ж. Рейли болон бусад. Туршилтууд нь устөрөгчийг магни, ванадийн хайлш ашиглан хадгалж, ялгаруулж болохыг харуулсан.
Үүний дараа тэрээр өөрийн эзэлхүүнээс 935 дахин их устөрөгчийг шингээж чаддаг палладий зэрэг бодисыг амжилттай боловсруулсан.
Энэхүү хайлшийг ашиглахын давуу тал нь устөрөгчийн алдагдлын ослоос (голдуу дэлбэрэлтийн ослоос) урьдчилан сэргийлэх боломжтой юм. Тиймээс үүнийг аюулгүй хадгалж, тээвэрлэх боломжтой. Гэсэн хэдий ч хэрэв та болгоомжтой байхгүй, буруу орчинд орхивол устөрөгчийн хадгалалтын хайлш нь цаг хугацааны явцад устөрөгчийн хий ялгаруулж болзошгүй. За, жижиг оч ч гэсэн дэлбэрэлтийн ослыг үүсгэж болзошгүй тул болгоомжтой байгаарай.
Мөн устөрөгчийг давтан шингээх болон шингээх нь хэврэгшилд хүргэж, устөрөгчийн шингээлтийн түвшинг бууруулдаг сул талтай.
Нөгөө нь хоолой ашиглах явдал юм. Хоолойнууд хэврэгшихээс сэргийлж шахагдаагүй, нам даралттай байх ёстой гэсэн нөхцөл байдаг боловч давуу тал нь одоо байгаа хийн хоолойг ашиглаж болно. Токио Газ компани Harumi FLAG-ийн барилгын ажлыг гүйцэтгэж, хотын хийн хоолойг ашиглан түлшний элементэд устөрөгч нийлүүлсэн.

Устөрөгчийн эрчим хүчээр бүтээгдсэн ирээдүйн нийгэм

Эцэст нь, устөрөгч нийгэмд ямар үүрэг гүйцэтгэж болохыг авч үзье.
Хамгийн чухал нь бид нүүрстөрөгчгүй нийгмийг дэмжихийг хүсч байгаа бөгөөд бид устөрөгчийг дулааны эрчим хүч болгон ашиглахын оронд цахилгаан үйлдвэрлэхэд ашигладаг.
Томоохон дулааны цахилгаан станцуудын оронд зарим өрхүүд байгалийн хийг шинэчлэх замаар гаргаж авсан устөрөгчийг ашиглан шаардлагатай цахилгааныг үйлдвэрлэдэг ENE-FARM зэрэг системийг нэвтрүүлсэн. Гэсэн хэдий ч шинэчлэх үйл явцын дайвар бүтээгдэхүүнийг яах вэ гэсэн асуулт хэвээр байна.

Ирээдүйд устөрөгчийн эргэлт өөрөө нэмэгдэх, тухайлбал устөрөгчийн цэнэглэх станцын тоог нэмэгдүүлэх зэрэг тохиолдолд нүүрстөрөгчийн давхар исэл ялгаруулахгүйгээр цахилгаан ашиглах боломжтой болно. Мэдээжийн хэрэг цахилгаан нь ногоон устөрөгчийг үүсгэдэг тул нарны гэрэл эсвэл салхинаас үүссэн цахилгааныг ашигладаг. Электролизд ашигласан эрчим хүч нь цахилгаан үйлдвэрлэх хэмжээг дарах эсвэл байгалийн эрчим хүчнээс илүүдэл эрчим хүч гарсан үед цэнэглэдэг батерейг цэнэглэх хүч байх ёстой. Өөрөөр хэлбэл, устөрөгч нь цэнэглэдэг батерейтай ижил байрлалд байна. Хэрэв ийм зүйл тохиолдвол эцэст нь дулааны эрчим хүчний үйлдвэрлэлийг бууруулах боломжтой болно. Дотоод шаталтын хөдөлгүүр машинаас алга болох өдөр ойртож байна.

Устөрөгчийг өөр аргаар гаргаж авч болно. Үнэндээ устөрөгч нь идэмхий натри үйлдвэрлэх явцад гардаг дайвар бүтээгдэхүүн хэвээр байна. Бусад зүйлсийн дотор энэ нь төмрийн үйлдвэрлэлд кокс үйлдвэрлэх явцад гардаг дайвар бүтээгдэхүүн юм. Хэрэв та энэ устөрөгчийг түгээлтийн системд оруулбал олон эх үүсвэрийг авах боломжтой болно. Ийм аргаар үйлдвэрлэсэн устөрөгчийн хийг мөн устөрөгчийн станцууд нийлүүлдэг.

Ирээдүй рүү цааш нь харцгаая. Алдагдсан эрчим хүчний хэмжээ нь цахилгаан эрчим хүчийг хангахын тулд утсыг ашигладаг дамжуулах аргын асуудал юм. Тиймээс ирээдүйд бид хийжүүлсэн ундаа хийхэд ашигладаг нүүрстөрөгчийн хүчлийн савтай адил дамжуулах хоолойгоор дамжуулсан устөрөгчийг ашиглаж, айл бүрт цахилгаан үйлдвэрлэхийн тулд гэртээ устөрөгчийн сав худалдаж авах болно. Устөрөгчийн батерейгаар ажилладаг зөөврийн төхөөрөмжүүд түгээмэл болж байна. Ийм ирээдүйг харах нь сонирхолтой байх болно.