Vetyvoimalat – trendit ja näkymät
Vaikka ydinvoimaloita on pidetty pitkään erittäin turvallisina, Japanin Fukushiman ydinvoimalassa vuonna 2011 sattunut onnettomuus pakotti energiainsinöörit ympäri maailmaa jälleen pohtimaan tämäntyyppiseen energiaan liittyviä mahdollisia ympäristöongelmia.
Monien maiden hallitukset, mukaan lukien useat EU-maat, ovat ilmoittaneet selkeästi aikovansa siirtää taloutensa vaihtoehtoiseen energiaan investointeja säästämättä ja luvaten miljardeja euroja tälle alalle seuraavien 5-10 vuoden aikana. Ja yksi lupaavimmista ja ympäristön kannalta turvallisimmista tällaisen vaihtoehdon tyypeistä on vety.
Jos kivihiili, kaasu ja öljy loppuvat, valtamerissä on yksinkertaisesti rajattomasti vetyä, vaikka se ei varastoidu siellä puhtaassa muodossa, vaan kemiallisen yhdisteen muodossa hapen kanssa - veden muodossa.
Vety on ympäristöystävällisin energianlähde. Vedyn saaminen, kuljettaminen, varastointi ja käyttö edellyttää tietojemme laajentamista sen vuorovaikutuksesta metallien kanssa.
Tässä on monia ongelmia.Tässä on vain joitain niistä, jotka odottavat ratkaisuaan: erittäin puhtaiden vetyisotooppien tuotanto kalvosuodattimilla (esimerkiksi palladiumista), teknisesti edullisien vetyakkujen luominen, materiaalien vetykustannusten torjumisen ongelma jne.
Vedyn ympäristöturvallisuudesta muihin perinteisiin energialähteisiin verrattuna ei ole epäilystäkään: vedyn palamistuote on taas vesi höyryn muodossa, kun taas se on täysin myrkytön.
Vetyä polttoaineena voidaan helposti käyttää ilman perustavanlaatuisia muutoksia polttomoottoreissa sekä turbiineissa, ja energiaa saadaan enemmän kuin bensiinistä. Jos bensiinin ominaispalamislämpö ilmassa on noin 44 MJ / kg, niin vedyn osalta tämä luku on noin 141 MJ / kg, mikä on yli 3 kertaa suurempi. Öljytuotteet ovat myös myrkyllisiä.
Vedyn varastointi ja kuljetus eivät aiheuta erityisiä ongelmia, logistiikka on samanlainen kuin propaanilla, mutta vety on räjähdysherkempi kuin metaani, joten tässä on vielä vivahteita.
Vedyn varastointiratkaisut ovat seuraavat. Ensimmäinen tapa on perinteinen puristus ja nesteyttäminen, jolloin on tarpeen varmistaa sen erittäin alhainen lämpötila vedyn nestemäisen tilan ylläpitämiseksi. Tämä on kallista.
Toinen tapa on lupaavampi – se perustuu joidenkin komposiittimetallisienien (erittäin huokoiset vanadiinin, titaanin ja raudan seokset) kykyyn imeä aktiivisesti vetyä ja vapauttaa sitä alhaisella kuumennuksella.
Johtavat öljy- ja kaasuyhtiöt, kuten Enel ja BP, kehittävät aktiivisesti vetyenergiaa.Italialainen Enel käynnisti muutama vuosi sitten maailman ensimmäisen vetyvoimalan, joka ei saastuta ilmakehää eikä päästä kasvihuonekaasuja. Mutta tärkein palava kohta tähän suuntaan on seuraava kysymys: kuinka tehdä vedyn teollisesta tuotannosta halvempaa?
Ongelmana on se veden elektrolyysi vaatii paljon sähköä, ja jos vedyn tuotanto käynnistetään juuri veden elektrolyysin kautta, niin yhden maan taloudelle tämä vedyn teollinen tuotantomenetelmä tulee olemaan erittäin kallis: kolme kertaa, ellei neljä kertaa. , öljytuotteiden vastaavalla palamislämmöllä. Lisäksi yhdestä neliömetristä elektrodeja teollisuuselektrolysaattorissa voidaan saada enintään 5 kuutiometriä kaasua tunnissa. Tämä on hidasta ja taloudellisesti epäkäytännöllistä.
Yksi lupaavimmista tavoista tuottaa vetyä teollisissa määrissä on plasmakemiallinen menetelmä. Täällä vetyä saadaan halvemmalla kuin veden elektrolyysillä. Epätasapainoisissa plasmatroneissa sähkövirta johdetaan ionisoidun kaasun läpi magneettikentässä, ja kemiallinen reaktio tapahtuu siirrettäessä energiaa "kuumennetuista" elektroneista kaasun molekyyleihin.
Kaasun lämpötila on välillä +300 - +1000 °C, kun taas vedyn muodostumiseen johtava reaktionopeus on korkeampi kuin elektrolyysissä. Tällä menetelmällä on mahdollista saada vetyä, joka osoittautuu kaksi kertaa (ei kolme kertaa) kalliimmaksi kuin perinteinen hiilivedyistä saatu polttoaine.
Plasmakemiallinen prosessi tapahtuu kahdessa vaiheessa: ensin hiilidioksidi hajoaa hapeksi ja hiilimonoksidiksi, sitten hiilimonoksidi reagoi vesihöyryn kanssa, mikä johtaa vetyyn ja samaan hiilidioksidiin, joka oli alussa (se ei kulu, jos katsot koko silmukkamuunnoksen).
Koevaiheessa - vedyn plasmakemiallinen tuotanto rikkivedystä, joka on edelleen haitallinen tuote kaikkialla kaasu- ja öljykenttien kehittämisessä. Pyörivä plasma yksinkertaisesti sinetöi rikkimolekyylit reaktiovyöhykkeeltä keskipakovoimilla, ja käänteinen reaktio rikkivetyksi on poissuljettu. Tämä tekniikka tasoittaa perinteisillä fossiilisilla polttoaineilla tuotetun vedyn hinnan, lisäksi rinnakkain louhitaan rikkiä.
Ja Japani on jo tänään ryhtynyt kehittämään vetyenergiaa käytännössä. Kawasaki Heavy Industries ja Obayashi suunnittelevat aloittavansa vetyenergian käytön Koben kaupungin sähkönlähteenä vuoteen 2018 mennessä. Heistä tulee edelläkävijöitä niiden joukossa, jotka todella alkavat käyttää vetyä laajamittaiseen sähköntuotantoon käytännössä ilman haitallisia päästöjä.
Suoraan Kobeen rakennetaan 1 MW:n vetyvoimala, jossa se toimittaa sähköä kansainväliselle kongressikeskukselle ja työtoimistoille 10 000 paikalliselle asukkaalle. Ja vedystä sähköä tuottaessa asemalla syntyvästä lämmöstä tulee tehokasta lämmitystä paikallisiin taloihin ja toimistorakennuksiin.
Kawasaki Heavy Industriesin valmistamat kaasuturbiinit eivät tietenkään toimita puhtaalla vedyllä, vaan polttoaineseoksella, joka sisältää vain 20 % vetyä ja 80 % maakaasua.Tehdas kuluttaa 20 000 vetypolttokennoajoneuvoa vuodessa, mutta tämä kokemus on alku merkittävälle vetyvoiman kehitykselle Japanissa ja sen ulkopuolella.
Vetyvarat varastoidaan suoraan voimalaitoksen alueelle, ja jopa maanjäristyksen tai muun luonnonkatastrofin sattuessa asemalla on polttoainetta, asemaa ei katkaista elintärkeistä yhteyksistä. Vuoteen 2020 mennessä Koben satamalla on infrastruktuuri suurille vedyn tuonnille, kun Kawasaki Heavy Industries aikoo kehittää laajan vetyvoimalaitosverkoston Japaniin.