Vlad Krasen
0 
1449
139
Rury parowe w stacji geotermalnej Wairakei.Wygląda na to, że każdego dnia w wiadomościach pojawia się nowa wiadomość o samochodach napędzanych ogniwami paliwowymi. Obietnice są kuszące, ponieważ ogniwa paliwowe mogą bardzo szybko podwoić wydajność samochodów, jednocześnie znacznie zmniejszając zanieczyszczenie powietrza.
Jednocześnie od dziesięcioleci pojawiają się doniesienia o problemach związanych z ropą naftową. Wszystko, od wycieków ropy po alarmy ozonowe i ocieplenie glonów, obarcza się winą naszej zależności od paliw kopalnych.
Te dwie siły prowadzą świat do tego, co jest powszechnie znane jako gospodarka wodorowa. Jeśli prognozy się sprawdzą, w ciągu następnych kilku dekad wszyscy zaczniemy zauważać zdumiewające odejście od gospodarki paliwami kopalnymi, które mamy dzisiaj, w kierunku znacznie czystszego wodoru w przyszłości..
Dalej
|
Czy społeczeństwo rzeczywiście może dokonać tej zmiany, czy też bariery technologiczne, ekonomiczne i polityczne będą ograniczać nas do ropy naftowej i innych paliw kopalnych przez następne stulecie i później? W tym artykule dowiesz się o korzyściach płynących z gospodarki wodorowej oraz o jej potencjalnych problemach. Przeanalizujemy również niektóre technologie, które umożliwiłyby przejście.
Obecnie Stany Zjednoczone i większość świata jest zamknięta w tym, co można nazwać oszczędność paliw kopalnych. Nasze samochody, pociągi i samoloty są napędzane prawie wyłącznie produktami ropopochodnymi, takimi jak benzyna i olej napędowy. Ogromny procent naszych elektrowni jako paliwa wykorzystuje ropę, gaz ziemny i węgiel.
 |
Gdyby kiedykolwiek odcięto dopływ paliw kopalnych do Stanów Zjednoczonych, gospodarka zatrzymałaby się. Nie byłoby możliwości transportu produktów wytwarzanych w fabrykach. Ludzie nie mogliby pojechać do pracy. Cała gospodarka, a właściwie całe zachodnie społeczeństwo, jest obecnie uzależnione od paliw kopalnych.
Chociaż paliwa kopalne odegrały ważną rolę w doprowadzeniu społeczeństwa do obecnego stanu, istnieją cztery duże problemy, które stwarzają paliwa kopalne:
Zanieczyszczenie powietrza - Gdy samochody spalają benzynę, idealnie spalają ją idealnie i nie wytwarzają nic poza dwutlenkiem węgla i wodą w spalinach. Niestety silnik spalinowy nie jest doskonały. W trakcie spalania benzyny wytwarza również:
- Tlenek węgla, trujący gaz
- Tlenki azotu, główne źródło miejskiego smogu
- Niespalone węglowodory, główne źródło miejskiego ozonu
Katalizatory eliminują większość tego zanieczyszczenia, ale nie są doskonałe. Zanieczyszczenie powietrza przez samochody i elektrownie to prawdziwy problem w dużych miastach.
 |
Jest już wystarczająco źle, że latem w wielu miastach występuje niebezpieczny poziom ozonu w powietrzu.
Zanieczyszczenie środowiska - Proces transportu i przechowywania ropy naftowej ma duży wpływ na środowisko, gdy coś pójdzie nie tak.
 Supertankowce są ładowane ropą w Arabii Saudyjskiej |
Wyciek ropy, wybuch rurociągu lub pożar studni mogą stworzyć ogromny bałagan. Wyciek Exxon Valdez jest najbardziej znanym przykładem problemu, ale drobne wycieki zdarzają się stale.
Globalne ocieplenie - Kiedy spalasz galon gazu w swoim samochodzie, emitujesz około 5 funtów (2,3 kg) węgla do atmosfery. Gdyby to był stały węgiel, byłoby to niezwykle zauważalne - byłoby to jak wyrzucenie 5-funtowej torby cukru przez okno samochodu za każdy spalony galon gazu. Ale ponieważ 5 funtów węgla wydostaje się jako niewidzialny gaz, dwutlenek węgla, większość z nas jest tego nieświadoma. Dwutlenek węgla wydobywający się z rury wydechowej każdego samochodu to gaz cieplarniany czyli powoli podnosi temperaturę planety. Ostateczne skutki są nieznane, ale istnieje duże prawdopodobieństwo, że w końcu nastąpią dramatyczne zmiany klimatyczne, które wpłyną na wszystkich na planecie. Na przykład, jeśli topnieją pokrywy lodowe, poziom morza znacznie się podniesie, zalewając i niszcząc wszystkie istniejące dziś miasta przybrzeżne. To duży efekt uboczny.
Zależność - Stany Zjednoczone i większość innych krajów nie są w stanie wyprodukować wystarczającej ilości ropy, aby zaspokoić popyt, więc importują ją z krajów bogatych w ropę. To tworzy zależność ekonomiczną. Kiedy producenci ropy na Bliskim Wschodzie decydują się na podniesienie ceny ropy, reszta świata nie ma innego wyjścia, jak zapłacić wyższą cenę.
W poprzedniej sekcji omówiliśmy znaczące, ogólnoświatowe problemy stwarzane przez paliwa kopalne. Gospodarka wodorowa obiecuje wyeliminowanie wszystkich problemów, jakie stwarza gospodarka paliwami kopalnymi. Dlatego zalety gospodarki wodorowej obejmują:
- Eliminacja zanieczyszczeń powodowanych przez paliwa kopalne - Kiedy wodór jest używany w ogniwie paliwowym do wytwarzania energii, jest to całkowicie czysta technologia. Jedynym produktem ubocznym jest woda. Nie ma też żadnych zagrożeń dla środowiska, takich jak wycieki ropy, o które należy się martwić wodorem.
- Eliminacja gazów cieplarnianych - Jeśli wodór pochodzi z elektrolizy wody, to wodór nie powoduje emisji gazów cieplarnianych do środowiska. Istnieje doskonały cykl - elektroliza wytwarza wodór z wody, a wodór rekombinuje z tlenem, tworząc wodę i energię w ogniwie paliwowym.
- Eliminacja zależności ekonomicznej - Eliminacja ropy oznacza brak uzależnienia od Bliskiego Wschodu i jego zasobów ropy.
- Produkcja rozproszona - Wodór można wytwarzać wszędzie tam, gdzie jest prąd i woda. Ludzie mogą go nawet produkować w swoich domach za pomocą stosunkowo prostej technologii.
Problemy z oszczędnością paliw kopalnych są tak wielkie, a korzyści środowiskowe wynikające z gospodarki wodorowej tak znaczące, że nacisk na gospodarkę wodorową jest bardzo silny.
-| Czy wiedziałeś? Czujniki wykrywające potencjalne wycieki w silniku spalinowym napędzanym wodorem zostały opracowane przez NASA do wykrywania wycieków wodoru podczas startów promów kosmicznych. Dowiedz się o innych innowacjach NASA w tej interaktywnej animacji od Discovery Channel. |
Najważniejsze pytanie dotyczące gospodarki wodorowej brzmi: „Skąd pochodzi wodór?” Następnie pojawia się kwestia transportu, dystrybucji i przechowywania wodoru. Wodór jest zwykle nieporęczny i trudny w swojej naturalnej postaci gazowej.
Gdy na oba te pytania odpowiemy w sposób ekonomiczny, gospodarka wodorowa będzie gotowa.
W kolejnych sekcjach przyjrzymy się każdemu z tych pytań osobno.
--Jednym z ciekawszych problemów gospodarki wodorowej jest sam wodór. Skąd to będzie pochodziło? Dzięki oszczędności paliw kopalnych po prostu wypompowujesz paliwo kopalne z ziemi (zobacz Jak działa wiercenie ropy naftowej) i udoskonalasz (zobacz - Jak działa rafinacja ropy naftowej). Następnie spalasz go jako źródło energii.
Większość z nas uważa ropę, benzynę, węgiel i gaz ziemny za coś oczywistego, ale w rzeczywistości są one cudowne. Te paliwa kopalne stanowią zmagazynowana energia słoneczna sprzed milionów lat. Miliony lat temu rośliny rosły, wykorzystując energię słoneczną do napędzania wzrostu. Umarli i ostatecznie zamienili się w ropę, węgiel i gaz ziemny. Kiedy pompujemy ropę z ziemi, korzystamy z tego ogromnego magazynu energii słonecznej „za darmo”. Ilekroć spalamy galon benzyny, uwalniamy zgromadzoną energię słoneczną.
W gospodarce wodorowej nie ma magazynu, z którego można by skorzystać. Musimy faktycznie tworzyć energię elektryczną w czasie rzeczywistym.
Istnieją dwa możliwe źródła wodoru:
- Elektroliza wody - Wykorzystując energię elektryczną, łatwo jest rozszczepiać cząsteczki wody, aby stworzyć czysty wodór i tlen. Dużą zaletą tego procesu jest to, że możesz to zrobić wszędzie. Na przykład, możesz mieć w garażu skrzynię produkującą wodór z wody z kranu i możesz nim zatankować swój samochód.
- Reformowanie paliw kopalnych - Ropa i gaz ziemny zawierają węglowodory - cząsteczki składające się z wodoru i węgla. Korzystanie z urządzenia zwanego procesorem paliwa lub a reformator, można stosunkowo łatwo oddzielić wodór od węgla w węglowodorze, a następnie użyć wodoru. Pozostały węgiel wyrzucasz do atmosfery w postaci dwutlenku węgla.
-Druga opcja jest oczywiście nieco przewrotna. Używasz paliw kopalnych jako źródła wodoru dla gospodarki wodorowej. Takie podejście zmniejsza zanieczyszczenie powietrza, ale nie rozwiązuje ani problemu gazów cieplarnianych (ponieważ do atmosfery wciąż przedostaje się węgiel), ani problemu uzależnienia (nadal potrzebujesz ropy). Może to być jednak dobry tymczasowy krok do podjęcia podczas przechodzenia na gospodarkę wodorową. Kiedy słyszy się o „pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi” opracowywanymi obecnie przez koncerny samochodowe, prawie wszystkie z nich planują pozyskiwać wodór do ogniw paliwowych z benzyny za pomocą reformera. Powodem jest to, że benzyna jest łatwo dostępnym źródłem wodoru. Dopóki nie ma „stacji wodorowych” na każdym rogu, tak jak teraz mamy stacje benzynowe, jest to najłatwiejszy sposób na uzyskanie wodoru do zasilania ogniwa paliwowego pojazdu.
Ciekawostką w pierwszej opcji jest to, że stanowi ona rdzeń prawdziwej gospodarki wodorowej. Mieć czysta gospodarka wodorowa, wodór musi pochodzić z źródła odnawialne zamiast paliw kopalnych, abyśmy przestali wydzielać węgiel do atmosfery. Posiadanie wystarczającej ilości energii elektrycznej, aby oddzielić wodór od wody i wytwarzanie tej energii bez użycia paliw kopalnych, będzie największą zmianą, jaką widzimy w tworzeniu gospodarki wodorowej.
 Elektrownia Bayswater (Nowa Południowa Walia, Australia) wytwarza energię elektryczną za pomocą pary pod ciśnieniem do napędzania turbogeneratorów. |
Skąd będzie pochodzić prąd do elektrolizy wody? Obecnie około 68 procent (wartość odniesienia) energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych pochodzi z węgla lub gazu ziemnego. Wszystkie te moce wytwórcze będą musiały zostać zastąpione źródłami odnawialnymi w gospodarce wodorowej. Ponadto cała energia z paliw kopalnych wykorzystywana obecnie w transporcie (w samochodach, ciężarówkach, pociągach, łodziach, samolotach) będzie musiała przekształcić się w wodór, a wodór będzie również wytwarzany za pomocą energii elektrycznej. Innymi słowy, moce wytwórcze energii elektrycznej w kraju będą musiały się podwoić, aby sprostać wymaganiom transportu, a następnie wszyscy będą musieli przejść z paliw kopalnych na źródła odnawialne. W tym momencie i tylko w tym momencie zatrzyma się przepływ węgla do atmosfery.
Obecnie istnieje kilka różnych sposobów wytwarzania energii elektrycznej, które nie wykorzystują paliw kopalnych:
- Energia atomowa
- Tamy hydroelektryczne
- Ogniwa słoneczne
- Turbiny wiatrowe
- Energia geotermalna
- Siła fal i pływów
- Kogeneracja (na przykład tartak może spalać korę, aby wytworzyć energię, lub wysypisko może spalać metan wytwarzany przez gnijące śmieci).
 Zgodnie z ruchem wskazówek zegara od prawego górnego rogu: elektrownia słoneczno-elektryczna; Elektrownia jądrowa; zapora wodna; turbina wiatrowa |
W Stanach Zjednoczonych obecnie około 20 procent energii pochodzi z energii atomowej, a 7 procent z elektrowni wodnych. Energia słoneczna, wiatrowa, geotermalna i inne generują tylko 5 procent energii - to nie ma znaczenia.
Wydaje się prawdopodobne, że w przyszłości, poza pewnym przełomem technologicznym, stanie się jedna z dwóch rzeczy, które doprowadzą do powstania gospodarki wodorowej: albo energia jądrowa, albo energia słoneczna wzrosną dramatycznie. Pamiętaj, że w gospodarce opartej na czystym wodorze zdolność wytwarzania energii elektrycznej będzie musiała w przybliżeniu podwoić się, ponieważ cała energia do transportu, która obecnie pochodzi z ropy naftowej, będzie musiała zostać zastąpiona wodorem wytwarzanym elektrycznie. Tak więc liczba elektrowni podwoi się, a wszystkie elektrownie na paliwa kopalne zostaną wymienione.
Problem wytwarzania energii elektrycznej jest prawdopodobnie największą przeszkodą dla gospodarki wodorowej. Gdy technologia zostanie udoskonalona i stanie się niedroga, pojazdy napędzane wodorem z ogniwami paliwowymi mogłyby w ciągu dekady lub dwóch zastąpić benzynowe silniki spalinowe. Ale zmiana elektrowni na atomową i słoneczną może nie być taka łatwa. Energia jądrowa wiąże się z problemami politycznymi i środowiskowymi, a energia słoneczna ma obecnie problemy z kosztami i lokalizacją.
-| Otwarte na biznes Stacje tankowania wodoru są już otwarte w kilku krajach, w tym w Stanach Zjednoczonych, Islandii, Japonii i Niemczech. Odwiedź FuelCells.org - Worldwide Hydrogen Fueling Stations, aby znaleźć najbliższą stację wodorową. |
-W tej chwili problemem związanym z wprowadzaniem na drogi pojazdów napędzanych wyłącznie wodorem jest problem związany z przechowywaniem / transportem. Wodór jest gazem masywnym i nie jest tak łatwy w użyciu jak benzyna. Sprężanie gazu wymaga energii, a sprężony wodór zawiera znacznie mniej energii niż ta sama objętość benzyny. Jednak pojawiają się rozwiązania problemu magazynowania wodoru.
Na przykład wodór może być przechowywany w postaci stałej w substancji chemicznej zwanej borowodorkiem sodu, a technologia ta pojawiła się niedawno w wiadomościach, ponieważ Chrysler ją testuje. Ta substancja chemiczna jest wytwarzana z boraksu (powszechny składnik niektórych detergentów). Gdy borowodorek sodu uwalnia wodór, zamienia się z powrotem w boraks, dzięki czemu można go poddać recyklingowi.
Kiedy problem magazynowania zostanie rozwiązany i ustandaryzowany, wówczas sieć stacji wodorowych i infrastruktura transportowa będą musiały się wokół niej rozwinąć. Główną barierą może być technologiczny proces sortowania. Stacje nie będą się szybko rozwijać, dopóki nie pojawi się technologia magazynowania, która wyraźnie zdominuje rynek. Na przykład, gdyby wszystkie samochody napędzane wodorem wszystkich producentów używały borowodorku sodu, wówczas sieć stacji mogłaby się szybko rozwinąć; tego rodzaju normalizacja jest mało prawdopodobne, aby wydarzyło się szybko, jeśli historia jest jakimś przewodnikiem.
Może również nastąpić przełom technologiczny, który może szybko zmienić szanse. Na przykład, gdyby ktoś mógł opracować niedrogi akumulator o dużej pojemności i krótkim czasie ładowania, samochody elektryczne nie potrzebowałyby ogniw paliwowych i wodór nie byłby potrzebny na drogach. Samochody ładowałyby się bezpośrednio przy użyciu energii elektrycznej.
- O gospodarce wodorowej usłyszysz coraz więcej w wiadomościach w nadchodzących miesiącach, bo bębnienie jest coraz głośniejsze. Problemy środowiskowe związane z oszczędnością paliw kopalnych łączą się z przełomami w technologii ogniw paliwowych, a to połączenie pozwoli nam na podjęcie pierwszych kroków.
Najbardziej oczywistym krokiem, jaki zobaczymy, jest marketing pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi. Chociaż początkowo będą zasilane benzyną i reformatorami, ogniwa paliwowe zawierają dwie główne ulepszenia w stosunku do silnika spalinowego:
- Są około dwukrotnie wydajniejsze.
- Mogą znacznie zmniejszyć zanieczyszczenie powietrza w miastach.
Przejście do czysta gospodarka wodorowa będzie trudniejsze. Elektrownie będą musiały przejść na odnawialne źródła energii, a rynek będzie musiał uzgodnić sposoby magazynowania i transportu wodoru. Te przeszkody prawdopodobnie spowodują, że przejście na gospodarkę wodorową będzie dość długim procesem.
Aby dowiedzieć się więcej na temat gospodarki wodorowej i otaczających ją technologii, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.
Powiązane artykuły
- Quiz o ogniwach paliwowych
- -Jak działają ogniwa paliwowe
- Jak działają samochody hybrydowe
- Jak działają samochody elektryczne
- Jak działają ogniwa słoneczne
- Jak działają elektrownie wodne
- Jak działają procesory paliwowe
- Jak działają katalizatory
- Jak działa benzyna
- Jak działa rafinacja ropy naftowej
- Jak działa wiercenie ropy
- Jak działają ceny gazu
- Czy sceptycy klimatyczni mają rację?
Więcej świetnych linków
- National Hydrogen Association
- Świt epoki wodoru
- Rocky Mountain Institute
- Centrum Energii Wodorowej
- Urządzenia do konwersji energii Ovonics
- Produkcja energii elektrycznej netto - PDF
- FuelCellStore.com: Magazynowanie wodoru
- Tetrahydridoboran sodu
- Elektroliza wody prądem elektrycznym - wykorzystuje sprzęt laboratoryjny
- Elektroliza: uzyskiwanie wodoru z wody
- Energia chemiczna - PDF