جدول مندلیف 118 عنصر دارد که هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند اما این عنصر سبک ترین و کوچک ترین عنصر شیمیایی کشف شده است که در زمین هم به وفور وجود دارد. نیازی نیست در جدول مندلیف زیاد دنبال این عنصر بگردید. این عنصر شماره یک است پس اولین ستون از سمت چپ و اولین سطر.
ویژگی های هیدروژن:
شاید این عنصر به وفور در زمین وجود داشته باشد اما نمیتوان ان را به صورت عنصر یافت. همواره در ترکیب هایی مانند H2O یا NH3 حضور دارد. این موضوع استفاده از این عنصر را نیازمند صرف انرژی میکند. در بسیاری از صنایع هیدروژن را از اب استخراج کرده و ان را به ترکیب مورد نظر اضافه میکنند. این عنصر به دلیل سبک و کوچک بودن بسیار فرار است و ذخیره ان نیازمند به کارگیری مخازن پیشرفته و گران است. نکته عجیب در مورد این عنصر کوچک واکنش ان با اکسیژن است که منجر به انفجار میشود. این عنصر از نظر چگالی سوختی(قابلیت اشتعال) فوق العاده است.
انرژی هیدروژن:
استفاده از هیدروژن به عنوان یک منبع سوخت نیازمند استخراج هیدروژن از ترکیبات ان مانند اب است. در ادامه به بررسی انواع روش های استخراج هیدروژن میپردازیم:
1. الکترولایز:
این عکس شماتیکی از دستگاه الکترولایزر است. این دستگاه دو قطب مثبت و منفی دارد که به ترتیب به ان اند و کاتد نیز میگویند. با دادن جریان الکتریسیته به این دستگاه میتوان اب را به دو عنصر اصلیش تبدیل کرد. در حقیقت این دستگاه اب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل میکند. که اکسیژن ازاد و هیدروژن در درون مخزن ذخیره میشود. الکترولیز بیشتر برای تولید هیدروژن خالص و در مقیاس کوچک یا متوسط استفاده میشود.
2. بازفراوری بخار متان
در این روش، متان (CH₄) که عمدتاً از گاز طبیعی است، در حضور بخار آب در دمای بسیار بالا (حدود 700-1000 درجه سانتی‌گراد) و کاتالیست به واکنش می‌پردازد. نتیجه واکنش، تولید هیدروژن و مونوکسید کربن (CO) است. سپس مونوکسید کربن با بخار واکنش داده و دی‌اکسید کربن و هیدروژن بیشتری تولید میکند (واکنش اب-گاز). این روش مقرون به صرفه است و بیشترین سهم تولید صنعتی هیدروژن را دارد اما با انتشار گازهای گلخانه‌ای همراه است.
3. گاز دهی ذغال سنگ
در این فرایند، زغالسنگ در حضور بخار اب و اکسیژن در دماهای بالا (900-1300 درجه سانتی‌گراد) شکسته و تبدیل به گازی شامل هیدروژن، مونوکسید کربن و دی‌اکسید کربن میشود. سپس با فرآیندهای شیمیایی، هیدروژن از این گازها جدا میشود. این روش برای کشورهایی که منابع زغالسنگ دارند اقتصادی است ولی باعث انتشار زیاد کربن و آلودگی محیط زیست میشود.
4. تفکیک حرارتی هیدروکربن ها
در این روش، هیدروکربن‌ها (مثل متان) در دماهای بسیار بالا (معمولاً بالای 1000 درجه سانتی‌گراد) بدون حضور اکسیژن تجزیه میشوند. هیدروژن به صورت گاز ازاد میشود و کربن به شکل جامد باقی می‌ماند. این روش انرژی زیادی می‌طلبد ولی مزیت ان تولید هیدروژن بدون انتشار دی‌اکسید کربن است، زیرا کربن به صورت جامد و ذخیره میشود. این روش هنوز در مرحله توسعه صنعتی است.
انواع رنگ هیدروژن
در روش استخراج هیدروژن انرژی مصرف میشود و اینکه این انرژی از چه منبعی تامین شده باشد نوع رنگ هیدروژن را مشخص میکند در حقیقت این رنگ ربطی به رنگ هیدروژن ندارد و صرفا یک اسم علمی است تا منبع استخراج هیدروژن مشخص شود.
همانطور که در عکس میبیند اگر هیدروژن از طریق بازفراوری متان استخراج شود به هیدروژن طوسی و اگر این بازفراوری همراه با گرفتن کربن همراه باشد به ان هیدروژن ابی میگویند. هیدروژن سیاه از طریق روش گازدهی ذغال سنگ و هیدروژن فیروزه ای از روش تفکیک حرارتی است. رنگ های صورتی، سبز و ابی همه از روش الکترولایز استخراج میشوند اما منبع تامین برقشان به ترتیب، هسته ای، منابع تجدید پذیر و پنل های خورشیدی هستند.
سلول سوختی چیست؟
به زبان ساده سلول سوختی برعکس الکترولایزر است. در الکترولایزر با دادن برق به اب ما میتوانستیم هیدروژن استخراج کنیم. اینجا با دادن هیدروژن ما میتوانیم برق تولید کنیم.
در این فرایند هیدروژن از یک سمت و اکسیژن از سمت دیگر وارد میشوند. این دو عنصر با هم واکنش داده و برق تولید میکنند. ماحصل این واکنش اب است و تولید برق سلول سوختی پاک است. این سلول با کنترل واکنش O با H مانع انفجار میشود.
ذخیره سازی هیدروژن
ذخیره هیدروژن به دلیل سبک، کوچک و احتمال انفجار داشتن با چالش های فراوانی مواجه است. از این رو تحقیقات زیادی بر روی نحوه ذخیره هیدروژن در دست انجام است. در ادامه به 3 روش متداول برای ذخیره هیدروژن میپردازیم…
1. مخازن فشرده سازی
این روش معمول ترین روش ذخیره سازی هیدروژن برای حمل و نقل است. مخازن معمولاً از جنس فلزات قوی یا کامپوزیت‌های فیبر کربنی سبک ساخته میشوند تا ایمنی و مقاومت بالا داشته باشند. این روش به دلیل چگالی کم هیدروژن معمولا نیازمند مخازن بزرگ است.
2. مخازن مایع
این نوع مخازن هیدروژن را به صورت مایع نگهداری میکنند. نگهداری هیدروژن به صورت مایع باعث کم حجم شدن هیدروژن و جاگیری کمتر میشود. برای این امر باید دمای هیدروژن هیدروژن به منفی 253 درجه رساند که این امر خود انرژی بر و مستلزم صرف هزینه جهت عایق بندی مخزن است تا هیدروژن گرم نشود و به حالت گاز دراید.
3. مخازن ذخیره سازی هیدروژن با فلز هیدرید
در این روش، هیدروژن به جای اینکه به صورت گاز ازاد ذخیره شود، در ساختار کریستالی برخی فلزات یا الیاژهای خاص جذب میشود و با انها ترکیب شیمیایی ایجاد میکند که به ان (هیدرید فلزی) گفته میشود. این ترکیب، هیدروژن را به صورت جامد درون فلز قفل میکند. این ترکیب از امنیت بالایی برخوردار است اما مستلزم صرف انرژی برای جدا سازی هیدروژن از فلز هاست.
میتوان هیدروژن را سوخت اینده دانست. سوختی که میتوان با سرمایه گذاری ان را بهبود بخشیده و اینده ای پاک را رقم زد. هیدروژن را میتوان بزرگ ترین رقیب سوخت های فسیلی در زمینه حمل و نقل دانست.
از هیدروژن برای ذخیره سازی انرژی پنل های خورشیدی نیز میتوان بهره جست.
