Phillip Hopkins
0 
3811
798
Parní potrubí na geotermální elektrárně Wairakei.Vypadá to, že každý den je ve zprávách o automobilech poháněných palivovými články nové oznámení. Sliby jsou provokující, protože palivové články mají potenciál velmi rychle zdvojnásobit účinnost automobilů a současně výrazně snížit znečištění ovzduší.
Současně se po desetiletí objevují zprávy o problémech spojených s ropou. Všechno od úniku ropy po ozonová upozornění až po oteplování gl-obalu je obviňováno z naší závislosti na fosilních palivech..
Tyto dvě síly vedou svět k tomu, co je všeobecně známé jako vodíková ekonomika. Pokud jsou předpovědi pravdivé, v příštích několika desetiletích začneme všichni vidět úžasný posun od ekonomiky fosilních paliv, který dnes máme, k mnohem čistší budoucnosti vodíku.
Další
|
Může společnost tento posun skutečně učinit, nebo nás technologické, hospodářské a politické překážky udrží nás vázané na ropu a jiná fosilní paliva pro příští století a za hranicemi? V tomto článku se dozvíte o výhodách vodíkové ekonomiky a jejích potenciálních problémech. Budeme také zkoumat některé technologie, které by umožnily přechod.
V současné době jsou Spojené státy a většina světa uzamčeny do toho, co by se dalo nazvat úspora fosilních paliv. Naše automobily, vlaky a letadla jsou poháněna téměř výhradně ropnými produkty, jako je benzín a nafta. Obrovské procento našich elektráren používá jako palivo naftu, zemní plyn a uhlí.
 |
Pokud by byl tok fosilních paliv do Spojených států někdy přerušen, ekonomika by se zastavila. Neexistuje způsob, jak přepravovat výrobky, které vyrábějí továrny. Lidé by nemohli jezdit do práce. Celá ekonomika a ve skutečnosti celá západní společnost v současnosti závisí na fosilních palivech.
Zatímco fosilní paliva hrály důležitou roli v tom, aby společnost dosáhla stavu, v jakém je dnes, fosilní paliva způsobují čtyři velké problémy:
Znečištění ovzduší - Když auta spalují benzín, ideálně by ho spálily dokonale a ve výfuku vytvořily pouze oxid uhličitý a vodu. Bohužel spalovací motor není dokonalý. Při spalování benzínu také produkuje:
- Oxid uhelnatý, jedovatý plyn
- Oxidy dusíku, hlavní zdroj městského smogu
- Nespálené uhlovodíky, hlavní zdroj městského ozonu
Katalyzátory vylučují většinu tohoto znečištění, ale nejsou dokonalé. Znečištění ovzduší z automobilů a elektráren je skutečným problémem ve velkých městech.
 |
Nyní je dost špatné, že v létě má mnoho měst ve vzduchu nebezpečnou hladinu ozonu.
Znečištění životního prostředí - Proces přepravy a skladování ropy má velký dopad na životní prostředí, kdykoli se něco pokazí.
 V Saúdské Arábii byly naloženy ropné tankery |
Ropná skvrna, exploze potrubí nebo oheň studny mohou vytvořit obrovský nepořádek. Rozlití Exxon Valdez je nejznámějším příkladem problému, ale malé rozlití se děje neustále.
Globální oteplování - Když v autě spálíte galon plynu, vypustíte do atmosféry asi 5 liber (2,3 kg) uhlíku. Pokud by to byl pevný uhlík, bylo by to mimořádně znatelné - bylo by to jako vyhodit z okna automobilu pytel cukru o hmotnosti 5 liber za každý spálený galon plynu. Ale protože 5 liber uhlíku vychází jako neviditelný plyn, oxid uhličitý, většina z nás na to nevnímá. Oxid uhličitý vycházející z výfukového potrubí každého automobilu je skleníkový plyn to pomalu zvyšuje teplotu planety. Konečné účinky nejsou známy, ale existuje silná možnost, že nakonec dojde k dramatickým změnám klimatu, které ovlivní každého na planetě. Například, pokud se ledové čepice roztopí, hladina moře se výrazně zvýší, zaplaví a zničí všechna stávající pobřežní města. To je velký vedlejší účinek.
Závislost - Spojené státy a většina ostatních zemí nemohou produkovat dostatek ropy k uspokojení poptávky, takže ji dovážejí ze zemí bohatých na ropu. To vytváří ekonomickou závislost. Když se producenti ropy na Středním východě rozhodnou zvýšit cenu ropy, zbytek světa nemá na výběr, ale zaplatí vyšší cenu.
V předchozí části jsme viděli významné celosvětové problémy způsobené fosilními palivy. Ekonomika vodíku slibuje, že odstraní všechny problémy, které ekonomika fosilních paliv vytváří. Mezi výhody ekonomiky vodíku patří:
- Eliminace znečištění fosilními palivy - Když se v palivovém článku používá vodík k vytvoření energie, jedná se o zcela čistou technologii. Jediným vedlejším produktem je voda. Neexistují také žádná nebezpečí pro životní prostředí, jako je ropná skvrna, která se obává vodíku.
- Eliminace skleníkových plynů - Pokud vodík pochází z elektrolýzy vody, pak vodík nepřidává do životního prostředí žádné skleníkové plyny. Existuje perfektní cyklus - elektrolýza produkuje vodík z vody a vodík se kombinuje s kyslíkem, aby vytvořil vodu a energii v palivovém článku.
- Eliminace ekonomické závislosti - Eliminace ropy neznamená žádnou závislost na Středním východě a jeho ropných zásobách.
- Distribuovaná výroba - Vodík lze vyrábět kdekoli, kde máte elektřinu a vodu. Lidé to mohou dokonce vyrábět ve svých domovech s relativně jednoduchou technologií.
Problémy s ekonomikou fosilních paliv jsou tak velké a environmentální výhody vodíkové ekonomiky jsou tak významné, že tlak na ekonomiku vodíku je velmi silný.
-| Věděl jsi? Senzory, které detekují potenciální úniky ve spalovacím motoru poháněném vodíkem, byly vyvinuty NASA pro detekci úniků vodíku během startu raketoplánu. Přečtěte si další informace o NASA inovacích v této interaktivní animaci od Discovery Channel. |
Velkou otázkou v oblasti vodíkové ekonomiky je: „Odkud pochází vodík?“ Poté přichází otázka přepravy, distribuce a skladování vodíku. Vodík má tendenci být objemný a složitý ve své přirozené plynné formě.
Jakmile budou obě tyto otázky zodpovězeny ekonomickým způsobem, bude existovat ekonomika vodíku.
Budeme se zabývat každou z těchto otázek samostatně v následujících sekcích.
--Jedním ze zajímavějších problémů s ekonomikou vodíku je samotný vodík. Odkud to bude? S úsporou fosilních paliv jednoduše vyčerpáte fosilní palivo ze země (viz Jak funguje ropné vrty) a upravte ho (viz -Jak rafinace ropy). Pak ho spálíte jako zdroj energie.
Většina z nás bere ropu, benzín, uhlí a zemní plyn jako samozřejmost, ale ve skutečnosti jsou docela zázrační. Tato fosilní paliva představují uložená sluneční energie před miliony let. Před miliony let rostly rostliny využívající sluneční energii k pohánění jejich růstu. Zemřeli a nakonec se proměnili v ropu, uhlí a zemní plyn. Když čerpáme olej ze země, napojíme se na tento obrovský sklad solární energie „zdarma“. Kdykoli spálíme galon benzínu, uvolníme uloženou sluneční energii.
V ekonomice vodíku není žádný sklad, do kterého by bylo možné proniknout. Musíme skutečně vytvořit e-nergii v reálném čase.
Existují dva možné zdroje vodíku:
- Elektrolýza vody - Pomocí elektřiny je snadné rozdělit molekuly vody a vytvořit čistý vodík a kyslík. Velkou výhodou tohoto procesu je, že to můžete udělat kdekoli. Například byste mohli mít v garáži krabici produkující vodík z vodovodní vody a mohli byste tím autem pohánět tento vodík.
- Reforma fosilních paliv - Ropa a zemní plyn obsahují uhlovodíky - molekuly skládající se z vodíku a uhlíku. Použití zařízení nazývaného palivový procesor nebo reformátor, můžete vodík snadno oddělit od uhlíku v uhlovodíku a pak použít vodík. Zbývající uhlík zlikvidujete do atmosféry jako oxid uhličitý.
-Druhá možnost je samozřejmě mírně zvrácená. Používáte fosilní palivo jako zdroj vodíku pro ekonomiku vodíku. Tento přístup snižuje znečištění ovzduší, ale neřeší ani problém skleníkových plynů (protože do atmosféry stále proudí uhlík), nebo závislost (stále potřebujete ropu). Během přechodu na vodíkovou ekonomiku však může být dobrým dočasným krokem. Když uslyšíte o „vozidlech poháněných palivovými články“ vyvíjených automobilovými společnostmi právě teď, téměř všichni z nich plánují získat z palivového článku vodík pomocí reformátoru. Důvod je ten, že benzín je snadno dostupný zdroj vodíku. Dokud nebudou existovat „vodíkové stanice“ v každém rohu, jako máme nyní benzinové stanice, je to nejjednodušší způsob, jak získat vodík k pohonu palivového článku vozidla.
Zajímavé na první variantě je, že je jádrem skutečné vodíkové ekonomiky. Mít a čistá ekonomika vodíku, vodík musí být odvozen obnovitelné zdroje místo fosilních paliv, abychom zastavili uvolňování uhlíku do atmosféry. Mít dostatek elektřiny k oddělení vodíku od vody a výrobu této elektřiny bez použití fosilních paliv bude největší změnou, kterou vidíme při vytváření vodíkové ekonomiky..
 Elektrárna Bayswater (Nový Jižní Wales, Austrálie) vyrábí elektřinu pomocí tlakové páry pro provoz turbogenerátorů. |
Odkud pochází elektřina pro elektrolýzu vody? V současné době pochází asi 68 procent (referenční) elektřiny vyrobené ve Spojených státech z uhlí nebo zemního plynu. Celá tato výrobní kapacita bude muset být ve vodíkové ekonomice nahrazena obnovitelnými zdroji. Kromě toho veškerá energie z fosilních paliv, která se nyní používá k přepravě (v osobních, nákladních, vlakových, lodních, letadlových), bude muset převést na vodík a tento vodík bude také vytvořen pomocí elektřiny. Jinými slovy, kapacita výroby elektřiny v zemi se bude muset zdvojnásobit, aby bylo možné převzít požadavky na dopravu, a pak bude muset převést z fosilních paliv na obnovitelné zdroje. V tomto bodě a pouze v tomto bodě se zastaví tok uhlíku do atmosféry.
V současné době existuje několik různých způsobů, jak vyrábět elektřinu, která nepoužívá fosilní paliva:
- Jaderná energie
- Vodní přehrady
- Solární články
- Větrné turbíny
- Geotermální energie
- Vlnová a přílivová síla
- Kogenerace (Například pila může spálit kůru, aby vytvořila energii, nebo skládka může spálit metan, který vytváří hnijící odpadky.)
 Zprava doprava: ve směru hodinových ručiček: Solární elektrárna; jaderná elektrárna; vodní elektrárna; větrná turbína |
Ve Spojených státech asi 20 procent energie v současnosti pochází z jaderné energie a 7 procent pochází z vodní energie. Solární, větrné, geotermální a další zdroje generují pouze 5 procent energie - dost těžko na tom záleží.
V budoucnu, s výjimkou technologického průlomu, se zdá pravděpodobné, že k vytvoření vodíkové ekonomiky dojde jednou ze dvou věcí: dramaticky se zvýší kapacita výroby jaderné energie nebo sluneční energie. Nezapomeňte, že v čisté vodíkové ekonomice bude muset být kapacita výroby elektřiny přibližně zdvojnásobena, protože veškerá energie pro dopravu, která v současné době pochází z ropy, bude muset být nahrazena elektricky vyráběným vodíkem. Počet elektráren se tedy zdvojnásobí a vymění se všechny elektrárny na fosilní paliva.
Problém s výrobou elektrické energie je pravděpodobně největší bariérou vodíkové ekonomiky. Jakmile je technologie vylepšena a stane se levnou, mohou palivová vozidla poháněná vodíkem nahradit benzínové spalovací motory v průběhu deseti nebo dvou let. Přepínání elektráren na jaderné a solární však nemusí být tak snadné. Jaderná energie má politické a environmentální problémy a sluneční energie má v současné době problémy s náklady a umístěním.
-| Otevřeno Stanice na plnění vodíku jsou již otevřeny v několika zemích, včetně Spojených států, Islandu, Japonska a Německa. Podívejte se na FuelCells.org - Celosvětové vodíkové čerpací stanice, kde najdete vodíkovou stanici ve vašem okolí. |
-V této chvíli je problém s umístěním vozidel s čistým vodíkem na silnici problém skladování / přepravy. Vodík je objemný plyn a není s ním tak snadné pracovat jako s benzínem. Stlačování plynu vyžaduje energii a stlačený vodík obsahuje mnohem méně energie než stejný objem benzínu. Řešení problému skladování vodíku se však objevují na povrchu.
Například může být vodík uložen v pevné formě v chemické látce zvané borohydrid sodný a tato technologie se objevila ve zprávách v poslední době, protože ji testuje Chrysler. Tato chemikálie je vytvořena z boraxu (běžná složka v některých detergentech). Když borohydrid sodný uvolňuje svůj vodík, mění se zpět na borax, takže jej lze recyklovat.
Jakmile bude problém s uskladněním vyřešen a standardizován, bude se kolem něj muset rozvíjet síť vodíkových stanic a dopravní infrastruktura. Hlavní překážkou v tom může být proces technologického třídění. Stanice se nebudou rychle vyvíjet, dokud nebude na trhu jednoznačně dominovat technologie úložiště. Například, pokud všechna vozidla na vodíkový pohon od všech výrobců používají borohydrid sodný, pak by se síť stanic mohla rychle rozvíjet; takový druh standardizace je nepravděpodobné, že se stane rychle, pokud je historie nějakým průvodcem.
Mohlo by také dojít k technologickému průlomu, který by mohl rychle změnit podmínky hry. Například, pokud by někdo mohl vyvinout levnou dobíjecí baterii s vysokou kapacitou a rychlou dobíjecí dobou, elektromobily by nepotřebovaly palivové články a na silnici by nebyl potřeba vodík. Auta by se nabíjely přímo pomocí elektřiny.
- O vodíkové ekonomice uslyšíte stále více ve zprávách v následujících měsících, protože drumbeat roste hlasitěji. Problémy životního prostředí s fosilním palivem se kombinují s průlomy v technologii palivových článků a párování nám umožní učinit první kroky.
Nejviditelnějším krokem, který uvidíme, je marketing vozidla poháněná palivovými články. Ačkoli budou poháněny nejprve benzínem a reformátory, palivové články představují dvě hlavní vylepšení oproti motoru s vnitřním spalováním:
- Jsou asi dvakrát tak efektivní.
- Mohou výrazně snížit znečištění ovzduší ve městech.
Přechod na a čistá ekonomika vodíku bude těžší. Elektrárny se budou muset přepnout na obnovitelné zdroje energie a trh se bude muset dohodnout na způsobech skladování a přepravy vodíku. Tyto překážky pravděpodobně způsobí, že přechod na vodíkové hospodářství bude poměrně dlouhý proces.
Chcete-li se dozvědět více o vodíkové ekonomice a technologiích, které ji obklopují, podívejte se na odkazy na následující stránce.
Související články
- Kvíz s palivovými články
- -Jak fungují palivové články
- Jak fungují hybridní auta
- Jak elektrická auta fungují
- Jak fungují solární články
- Jak fungují vodní elektrárny
- Jak fungují palivové procesory
- Jak fungují katalyzátory
- Jak benzín funguje
- Jak rafinace ropy funguje
- Jak ropné vrtání funguje
- Jak fungují ceny plynu
- Jsou klimatičtí skeptici v pořádku?
Další skvělé odkazy
- Národní asociace pro vodík
- Úsvit doby vodíku
- Rocky Mountain Institute
- Centrum vodíkové energie
- Zařízení pro přeměnu energie společnosti Ovonics
- Výroba elektrické energie - PDF
- FuelCellStore.com: Skladování vodíku
- Tetrahydridoborát sodný
- Elektrolýza vody pomocí elektrického proudu - používá laboratorní vybavení
- Elektrolýza: Získávání vodíku z vody
- Chemická energie - PDF