منابع انرژی

هیدروژن

مانند برق ، هیدروژن منبع ثانویه انرژی است. این انرژی تولید شده از منابع دیگر (سوخت های فسیلی ، آب و زیست توده) را ذخیره و حمل می کند.

تولید هیدروژن »

استفاده از هیدروژن »

 

اصول اولیه هیدروژن
هیدروژن چیست؟

هیدروژن ساده ترین عنصر است. هر اتم هیدروژن فقط یک پروتون دارد. هیدروژن همچنین فراوان ترین عنصر جهان است. ستاره هایی مانند خورشید بیشتر از هیدروژن تشکیل شده اند. خورشید در اصل یک توپ غول پیکر از گازهای هیدروژن و هلیوم است.

هیدروژن به طور طبیعی در کره زمین فقط به صورت ترکیب با سایر عناصر موجود در مایعات ، گازها یا مواد جامد رخ می دهد. هیدروژن همراه با اکسیژن آب است (H2O). هیدروژن همراه با کربن ترکیبات مختلف یا هیدروکربن هایی را تشکیل می دهد که در گاز طبیعی ، زغال سنگ و نفت وجود دارد.

هیدروژن حامل انرژی است

حامل های انرژی امکان انتقال انرژی را به شکلی قابل استفاده از یک مکان به مکان دیگر فراهم می کنند. هیدروژن مانند برق یک حامل انرژی است که باید از ماده دیگری تولید شود. هیدروژن را می توان جداگانه از منابع مختلفی از جمله آب ، سوخت های فسیلی یا زیست توده تولید کرد و به عنوان منبع انرژی یا سوخت مورد استفاده قرار گرفت. هیدروژن بیشترین انرژی مصرفی در هر سوخت مشترک را از نظر وزن (حدود سه برابر بیشتر از بنزین) دارد ، اما کمترین میزان انرژی را از نظر حجم (حدود چهار برابر کمتر از بنزین) دارد.

برای تولید هیدروژن (با جدا کردن آن از سایر عناصر موجود در مولکول ها) انرژی بیشتری می گیرد تا اینکه هیدروژن هنگام تبدیل به انرژی مفید تأمین می کند. با این حال ، هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی / سوخت مفید است زیرا در هر واحد وزن از انرژی بالایی برخوردار است ، به همین دلیل از آن به عنوان سوخت موشک و در سلول های سوختی برای تولید برق در برخی فضاپیماها استفاده می شود. در حال حاضر هیدروژن به عنوان سوخت به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد ، اما پتانسیل استفاده بیشتر در آینده را دارد.

 

هیدروژن چگونه تولید می شود؟

فرآیندهای تولید هیدروژن
نمودار فرآیندهای مختلف تولید هیدروژن
منبع: وزارت انرژی ایالات متحده ، دفتر بهره وری انرژی و انرژی تجدید پذیر ، تولید هیدروژن (حوزه عمومی)

برای تولید هیدروژن ، باید از سایر عناصر موجود در مولکولهایی که در آن وجود دارد ، جدا شود. اتم های هیدروژن را می توان از آب جدا کرد. از هیدروکربنهای موجود در زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی. و از زیست توده.

دو روش متداول برای تولید هیدروژن اصلاح بخار و الکترولیز (تقسیم آب) است.

اصلاح بخار روشی متداول برای تولید هیدروژن است.

اصلاح بخار در حال حاضر ارزان ترین روش برای تولید هیدروژن است و بیشتر هیدروژن تولید شده تجاری را در ایالات متحده تشکیل می دهد. این روش در صنایع برای جدا کردن اتم های هیدروژن از اتم های کربن در متان (CH4) استفاده می شود. فرآیند اصلاح بخار منجر به انتشار دی اکسید کربن می شود.

الکترولیز از برق استفاده می کند

الکترولیز فرآیندی است که با استفاده از جریان الکتریکی ، هیدروژن را از آب جدا می کند. این فرایند را می توان در مقیاس بزرگ یا کوچک استفاده کرد. الکترولیز تولیدی غیر از هیدروژن و اکسیژن تولید نمی کند. برق مورد استفاده در الکترولیز می تواند از منابع تجدید پذیر مانند هیدرو ، باد یا انرژی خورشیدی حاصل شود. اگر برق مورد استفاده در الکترولیز از سوخت های فسیلی تولید شود ، آنگاه آلودگی و انتشار دی اکسید کربن حاصل از آن سوخت ها به طور غیر مستقیم با الکترولیز در ارتباط است.

روش های دیگر تولید هیدروژن

در حال انجام تحقیقات برای توسعه راه های دیگر برای تولید هیدروژن، مانند:

  • با استفاده از میکروبهایی که از نور برای ساختن هیدروژن استفاده می کنند
  • تبدیل زیست توده به گاز یا مایعات و جدا کردن هیدروژن
  • استفاده از فناوری های انرژی خورشیدی برای تقسیم هیدروژن از مولکول های آب
استفاده از هیدروژن

تقریباً از هیدروژن مصرف شده در ایالات متحده توسط صنایع برای پالایش نفت ، تصفیه فلزات ، تولید کود و فرآوری مواد غذایی استفاده می شود.

سوخت موشک استفاده اصلی از هیدروژن برای انرژی است

اداره ملی هوانوردی و فضایی (ناسا) استفاده از هیدروژن مایع را در دهه 1950 به عنوان سوخت موشکی آغاز کرد و ناسا اولین کسی بود که از سلول های سوخت هیدروژن برای تأمین انرژی سیستم های برقی در فضاپیما استفاده کرد.

سلولهای سوخت هیدروژن برق تولید می کنند

سلول های سوخت هیدروژن با ترکیب اتم های هیدروژن و اکسیژن برق تولید می کنند. این ترکیب منجر به جریان الکتریکی می شود. یک سلول سوخت دو یا سه برابر کارآمدتر از موتور احتراق داخلی است که روی بنزین کار می کند.

انواع مختلفی از سلولهای سوخت برای طیف گسترده ای از برنامه ها در دسترس هستند. سلولهای سوختی کوچک می توانند کامپیوترهای لپ تاپ ، تلفنهای همراه و کاربردهای نظامی را تغذیه کنند. سلول های سوختی بزرگ می توانند برق را برای برق اضطراری در ساختمان ها و مناطق دور افتاده که به شبکه های برق وصل نشده اند تأمین کنند. استفاده از هیدروژن در وسایل نقلیه تمرکز اصلی تحقیق و توسعه سلول های سوختی است.

مصرف هیدروژن در وسایل نقلیه

علاقه به هیدروژن به عنوان سوخت حمل و نقل جایگزین بر اساس پتانسیل آن برای تولید داخلی ، استفاده از آن در سلول های سوخت برای وسایل نقلیه الکتریکی با انتشار صفر و پتانسیل وسیله نقلیه سلولی سوخت برای راندمان بالا است.

در ایالات متحده آمریکا ، چندین تولیدکننده وسایل نقلیه شروع به ساخت وسایل نقلیه برقی سوخت هیدروژن سبک ، در مناطق منتخب مانند جنوب و شمال کالیفرنیا که در آنجا به ایستگاههای سوخت رسانی به هیدروژن دسترسی دارند ، در دسترس دارند. وسایل نقلیه آزمایش نیز در تعداد محدودی برای انتخاب سازمانهایی که دسترسی به ایستگاههای سوخت رسانی به هیدروژن دارند ، در دسترس هستند.

اکثر وسایل نقلیه با سوخت هیدروژن اتومبیل ها و اتوبوس های ترانزیتی هستند که دارای موتور الکتریکی هستند و از طریق یک سلول سوخت هیدروژنی کار می کنند. تعدادی از این وسایل نقلیه مستقیماً هیدروژن را می سوزانند. هزینه بالای سلولهای سوختی و محدود بودن در دسترس بودن جایگاههای سوخت رسانی به هیدروژن ، تعداد وسایل نقلیه با سوخت هیدروژن را محدود کرده است.

چالش سوخت گیری

تولید اتومبیل های با سوخت هیدروژن محدود است زیرا مردم در صورت عدم دسترسی آسان به ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن ، این اتومبیل ها را خریداری نمی کنند و شرکت ها در صورت نداشتن مشتری با وسایل نقلیه با هیدروژن ، ایستگاه های سوخت گیری نمی سازند. در ایالات متحده آمریکا حدود 60 ایستگاه سوخت رسانی هیدروژن برای وسایل نقلیه فعالیت می کنند. حدود 40 ایستگاه از این ایستگاه ها برای استفاده عمومی در دسترس هستند ، تقریباً همه این موارد در کالیفرنیا قرار دارند. ایالت کالیفرنیا برنامه ای برای کمک به تأمین اعتبار برای توسعه ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن در دسترس عموم در سراسر کالیفرنیا برای ترویج بازار مصرف خودروهای سوختی با انتشار صفر دارد.