Dizem-nos constantemente que o nosso planeta está em crise; Para salvá-lo, temos que mudar nosso modo de vida atual. Em um momento em que o problema climático global está se tornando cada vez mais proeminente, a energia de hidrogênio tornou-se silenciosamente a chave para lidar com vários problemas ambientais e transformação energética, e tem sido colocada com expectativas cada vez maiores.
Em 23 de março de 2022, a Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma e a Administração Nacional de Energia emitiram conjuntamente o plano de médio e longo prazo para o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio (20212035). O plano define as propriedades energéticas do hidrogênio, que se posiciona como uma parte importante do futuro sistema energético nacional, dá pleno jogo às características limpas e de baixo carbono da energia de hidrogênio, e promove a transformação verde e de baixo carbono de terminais de consumo de energia, como transportes e indústria e indústrias com alto consumo de energia e altas emissões.
Do transporte e infraestrutura ao aquecimento e eletricidade, o hidrogênio pode substituir a energia fóssil, promover o crescimento econômico e incentivar a ação global sobre as mudanças climáticas. Ele também pode resolver os problemas mais problemáticos da energia renovável de hoje, como o transporte e armazenamento de energia eólica e Cecep Solar Energy Co.Ltd(000591) .
Em 15 de junho, o seminário sobre o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio sob o pano de fundo de “carbono duplo” e a conferência de imprensa do novo livro “revolução de energia de hidrogênio” foram realizados no centro de mídia financeira da imprensa da indústria mecânica. Pengsuping, acadêmico da Academia Chinesa de Engenharia e membro do Comitê Diretor estratégico da aliança de energia de hidrogênio da China, maozongqiang, professor da Universidade de Tsinghua e vice-presidente da Associação Internacional de Energia de Hidrogênio, zhaoyongqiang, diretor do centro de energia renovável do Instituto de Pesquisa de Energia da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, pengningke, diretor e vice-presidente sênior da SNAM China, ele Guangli, diretor de energia de hidrogênio do Instituto de Pesquisa de Energia Limpa de Pequim de baixo carbono do grupo nacional de energia, e muitos outros especialistas e estudiosos na indústria, Juntos, eles nos trouxeram a popularização maravilhosa da ciência da energia do hidrogênio, e conduziram discussões aprofundadas sobre a estratégia de desenvolvimento e implantação da indústria de energia do hidrogênio da China, a segurança da energia do hidrogênio, os cenários futuros de aplicação da energia do hidrogênio e como a energia do hidrogênio pode liderar uma revolução energética.
As questões climáticas trouxeram sérios desafios para a estrutura de energia relativamente complexa da China. A energia de hidrogênio torna a energia de alto carbono de baixo carbono, integra-se com o sistema de energia da China, e torna a energia renovável da China em grande escala. Consequentemente, pengsuping acredita que o posicionamento da energia de hidrogênio no sistema energético da China mudou gradualmente de um “suplemento importante” para um “componente importante”. Então, por que todos nós atribuímos importância à energia do hidrogênio hoje em dia? Zhaoyongqiang, do Instituto de Pesquisa Energética da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma acredita que, em primeiro lugar, pode lidar com as mudanças climáticas e, em segundo lugar, pode nos ajudar a apresentar soluções integradas e de longo prazo para o desenvolvimento de energia de baixo carbono; Em terceiro lugar, pode fornecer flexibilidade para diferentes sistemas de energia.
No livro revolução da energia do hidrogênio: um plano para o futuro da energia limpa, o autor do livro, Marco alvera, que tem mais de 20 anos de experiência na indústria energética, apresentou uma visão clara e instigante sobre o futuro da energia do hidrogênio, mostrando por que a energia do hidrogênio pode lidar com as mudanças climáticas e se tornar um combustível ideal no futuro.
O seguinte é um trecho da Revolução do hidrogênio: um projeto para o futuro da energia limpa. O subtítulo é adicionado pelo editor, não o original. A publicação foi autorizada pela editora.
even today, hydrogen still dominates the universe
A história do hidrogênio pode ser rastreada até 13,8 bilhões de anos atrás, quando o universo acabou de nascer e a temperatura era extremamente alta. Durante os primeiros 380000 anos, o espaço foi preenchido com partículas quentes chamadas plasmas, compostas por elétrons soltos, protões e alguns núcleos mais pesados (uma combinação de prótons e nêutrons). Lentamente, a temperatura cai até o ponto em que elétrons podem se combinar com prótons para formar átomos de hidrogênio. Mais hidrogênio é produzido a partir desse forno primitivo do que de qualquer outro elemento. Mesmo hoje, hidrogênio ainda domina o universo.
O hidrogênio é o principal componente das estrelas, e algum hidrogênio é espalhado entre as estrelas na forma de camadas de névoa. Às vezes, em enormes nuvens de gás interestelar, o hidrogênio aparece na forma que conhecemos bem – uma molécula de hidrogênio (H2) composta por dois átomos de hidrogênio.
O hidrogênio é o átomo mais simples, com apenas um elétron circundando um protão. Esta estrutura simples é a fonte de todas as propriedades maravilhosas e problemáticas do átomo de hidrogênio. Muito antes de sabermos a origem ou natureza intrínseca do hidrogênio, seu potencial como um “conector de energia” surgiu.
Nossa compreensão do hidrogênio começou com a experiência de Theophrastus bombestus von Hohenheim, um químico suíço no século XVI. Ele é muito bom em auto-promoção, e a palavra “bombástico” vem de seu nome. Ele é mais conhecido por seu pseudônimo Paracelsus. Ele descobriu que o ferro pode ser dissolvido em ácido sulfúrico e liberar um gás misterioso. Mais tarde, o odor turquet de mayerne repetiu o experimento e descobriu que este gás misterioso poderia queimar.
Em 1766, Henry Cavendish coletou o gás em um laboratório privado em Londres usando um processo de reação semelhante, exceto que ele usou ácido clorídrico e zinco. Por um tempo, ele ficou viciado em inflamar esses gases e achou muito engraçado. No entanto, ele também notou que queimar o gás produziria um subproduto inesperado: água. Em 1781, ele apresentou uma conclusão agora bem conhecida: a água não é um elemento, mas um composto composto por dois elementos. O químico francês Antoine Lavoisier deu a esses elementos seus nomes atuais – hidrogênio e oxigênio, em que hidrogênio significa “elemento formador de água”, que inaugurou a era da química moderna. Infelizmente, o gênio científico Lavoisier morreu mais tarde na Revolução Francesa, o que pode ser chamado de uma grande perda na história da ciência moderna.
Agora, temos uma compreensão mais profunda do hidrogênio: o único elétron do hidrogênio é facilmente capturado por outros elementos para formar novas substâncias, como a água. Nos experimentos de combustão que excitaram Cavendish, átomos de hidrogênio combinados com átomos de oxigênio formam água, liberando muita energia ao mesmo tempo.
De Meyer, Cavendish e Lavoisier foram atraídos pela inflamabilidade do hidrogênio, sugerindo o grande potencial energético do hidrogênio. Lavoisier e Pierre Simon Laplace confirmaram isso medindo a energia liberada quando o hidrogênio foi inflamado. Seus resultados experimentais superaram as expectativas. Fatos provaram que a energia liberada pela queima de 1kg de hidrogênio é suficiente para dirigir um carro comum por 90 quilômetros, ou fornecer aquecimento de dois dias para uma família comum.
Logo, a estreita relação entre hidrogênio e eletricidade começou a emergir, que é o núcleo da visão de futuro verde de hoje. Num domingo de 1792, junto ao Lago de Como, o inventor Alessandro Volta separou duas placas metálicas com elementos diferentes com papel ou pano embebido em água salgada, gerando uma corrente elétrica. Este dispositivo, que mais tarde foi chamado de “pilha voltaica”, foi a primeira bateria. Apenas seis semanas depois de Volta ter publicado as suas descobertas, dois cientistas britânicos, William Nicholson e Anthonycarlisle, também realizaram experiências relevantes, embora esta experiência raramente seja relatada nos livros de história, é muito importante.
Em 1800, o casal começou a melhorar o design do volt conectando fios a ambos os lados da pilha Volta e mergulhando-os em um recipiente de água. Bolhas aparecem perto dos fios sob a água, indicando que a corrente decompou a água em gases relacionados. Na verdade, eles inventaram a célula eletrolítica, que nos tornou possível produzir hidrogênio a partir de energia renovável.
A primeira explicação realmente confiável para a eletrólise vem de Johann Wilhelm Ritter, um químico alemão, que, como cientista independente e ativo, tem uma estreita comunicação com Goethe e Alexander von Humboldt.
Ritter simplificou o experimento anterior: encha um recipiente com água e, em seguida, mergulhe duas tiras metálicas de materiais diferentes na água. Conecte a parte seca da tira de metal à bateria e os dois eletrodos são feitos. A tensão da bateria causa uma reação química em cada eletrodo. No ânodo, moléculas de água se decompõem para produzir oxigênio (O2), liberando prótons e elétrons (e-). Eletrões são sugados pelo eletrodo positivo, e moléculas de oxigênio formam oxigênio. Os prótons se dissociam no líquido e obtêm elétrons no eletrodo negativo para formar hidrogênio (H2). Em seguida, Ritter colocou dois recipientes de vidro cheios de água de cabeça para baixo em cada eletrodo e observou que bolhas eram geradas em cada eletrodo, o gás gradualmente descarregou a água no recipiente e encheu o recipiente.
Muitos eletrólises têm um elemento importante, o diafragma. Mas o Ritter achou que não precisava, ou não pensou nisso. O diafragma não interrompe a corrente que flui através da água, mas impede que bolhas de oxigênio e bolhas de hidrogênio se encontrem e reajam, ou explodam.
Além disso, vale a pena notar que a água pura tem baixa condutividade. Portanto, precisamos adicionar outra substância química como eletrólito para eletrólise – sal ou uma pequena quantidade de ácido sulfúrico pode ser usado para melhorar a velocidade de eletrólise. Pouco depois de Nicholson e Carlyle inventarem o eletrolisador, alguém tentou usar o eletrolisador para reação reversa. Naquela época, a ideia era que o eletrolisador também fosse capaz de reagir por sua vez, ou seja, nossa célula de combustível atual. Os átomos de hidrogênio entram do ânodo e depois perdem elétrons devido a reações químicas. Os prótons carregados positivamente passam através do filme para o cátodo, e os elétrons carregados negativamente encontram os prótons através do circuito. Finalmente, os elétrons combinam-se com prótons e oxigênio do ar para produzir subprodutos das células de combustível: água e calor.
O primeiro inventor da célula de combustível foi o químico suíço alemão Christian Friedrich schnbein e o juiz galês Sir William Grove. Eles deram a mesma contribuição. Ambos fizeram a mesma descoberta através de experimentos semelhantes. A segunda bateria de Grove, inventada em 1839, é pioneira das células de combustível modernas. Ele mergulhou uma extremidade dos dois eletrodos de platina em um recipiente contendo solução de ácido sulfúrico, e a outra extremidade foi selada em um recipiente separado, um contendo oxigênio e o outro contendo hidrogênio. A corrente flui então imediatamente entre os dois eletrodos.
Com esta invenção, o hidrogênio tornou-se imediatamente o combustível do futuro descrito por muitos escritores. Em seu romance de 1874, Jules Verne imaginou que “um dia a água pode ser eletrolisada em hidrogênio e oxigênio e usada como combustível, e o hidrogênio e oxigênio que compõem a água… se tornarão energia infinita para aquecimento e iluminação”.
Logo depois, um sonhador tentou realizar a visão de Jules Verne. Paul La Kool foi um inventor dinamarquês na década de 1870, trabalhou no telégrafo e depois voltou sua atenção para a indústria da educação. Apesar da ascensão da indústria pesada e da expansão urbana naquela época, ele prestou especial atenção aos jovens que cresceram no campo. La koor acredita que, para sobreviver, devemos promover a modernização das zonas rurais. Para tanto, os agricultores devem obter dois direitos e interesses que podem ser plenamente gozados nas cidades: educação e energia adequada. Lakur tomou medidas para atender a ambas as necessidades. Ele treinou um grupo de engenheiros locais em áreas rurais através de trabalho educacional e alguns meios políticos positivos. Ele queria tornar o campo dinamarquês independente da cidade e alcançar auto-suficiência.
La Kool começou a interessar-se pela energia eólica. Com a revolução industrial varrendo a Europa, a Dinamarca precisa de uma fonte de energia confiável se quiser competir com seus vizinhos. O país tem falta de carvão, mas tem muita energia eólica. Há muito que os holandeses se interessam pela energia eólica com grande previdência e tentaram gerar eletricidade por meio de moinhos de vento, mas todos morreram devido aos dois problemas seguintes. Primeiro, o moinho de vento tradicional holandês é desesperadamente ineficiente, e ninguém sabe como melhorá-lo; Em segundo lugar, a electricidade deve ser utilizada imediatamente após a sua geração, uma vez que o vento pára, a electricidade desaparecerá. As pessoas precisavam de alguma maneira de armazenar eletricidade, mas naquela época, as baterias eram incrivelmente caras.
RA Kool ponderou sobre essas duas perguntas. Ele redesenhou o moinho de vento clássico e usou uma nova vela eólica para acionar um gerador para gerar eletricidade. A fim de resolver o segundo problema, ou seja, como armazenar a energia elétrica gerada pelo moinho de vento, La Kool transformou um antigo moinho de água perto da cidade de askou, na Dinamarca, em um moinho de vento, e usou a energia elétrica gerada para produzir hidrogênio através de água eletrolítica. Em cooperação com o físico italiano pompeogaruti, La cour injetou hidrogênio e oxigênio no tanque e usou diretamente hidrogênio como combustível. Este não é um pequeno progresso, como resultado, a produção de hidrogênio atingiu 1000 litros por hora.
De 1895 a 1902, o “moinho de vento” de La Kool continuou a fornecer energia para a faculdade de pessoas inclinadas onde ele lecionava. Além disso, askew nunca teve interrupção de alimentação por causa dos 12 metros cúbicos de hidrogênio armazenados no tanque de hidrogênio. Em 1902, o moinho de vento em ascow tornou-se o protótipo de uma usina elétrica, servindo toda a aldeia. Só em 1958 foi substituído por baterias e motores a gasolina.
Então, há mais de um século, as pessoas provaram o poder do hidrogênio. Naquela época sabíamos que um quilograma de hidrogênio poderia conter uma quantidade tão grande de energia. Já temos as ferramentas básicas para converter eletricidade ociosa em hidrogênio, conforme necessário. No entanto, já em 1902, uma aldeia dinamarquesa tinha feito bom uso da energia hidrogênio. Por que a energia hidrogênio não foi popularizada até agora?
Há duas razões que afetam a popularização da energia de hidrogênio. Primeiro, a baixa densidade de hidrogênio traz grandes dificuldades ao transporte. Em segundo lugar, em comparação com combustíveis fósseis que são fáceis de explorar e ricos em reservas, o hidrogênio é difícil de separar de outros elementos na terra.
hidrogênio tem sido incapaz de competir com combustíveis fósseis ricos e baratos
Em termos de peso, um metro cúbico de hidrogênio é de apenas 89 gramas. Em termos de espaço de armazenamento, o volume de hidrogênio contendo a mesma energia é 3000 vezes o da gasolina. É tão difícil obter hidrogênio que por mais de um século, optamos por ignorar seu potencial energético e nos concentrar em sua propriedade “luz”.
No verão de 1783, os irmãos Montgolfier decolaram no primeiro balão de ar quente. Naquela época, ninguém sabia por que seus balões podiam voar para o céu. Os irmãos mengefei acreditavam que a fumaça da queima do feno molhado ajudou o balão a levantar. Os irmãos são inventores geniais, mas não cientistas.
Como o resto de sua geração, Lavoisier era fascinado por balões. Ele sabia que o hidrogênio era muito mais leve que o ar quente, então ele escreveu a ideia de que “balões são trazidos por hidrogênio muito leve” no papel. Nicholson e Carlyle não tinham inventado a célula eletrolítica naquela época, então Lavoisier precisava encontrar uma maneira de decompor a água.
No inverno de 1783 a 1784, ele finalmente encontrou uma maneira. Em cooperação com o oficial do exército Jean Baptiste Meusnier, Lavoisier desenvolveu como gerar hidrogênio passando vapor através do barril quente de um canhão de ferro.
Jean Franois pilatre de Rozier foi professor de física e química. Quando ele descobriu o problema do hidrogênio, ele já estava voando com os irmãos Menggfei. Controlar a altura do balão foi crucial, mas não foi seriamente resolvido naquele momento. Drozier surgiu com a ideia de usar um balão composto: a camada externa de hidrogênio fornece a maior parte do elevador, enquanto a camada interna de ar quente controla a altitude do voo.
Em 15 de junho de 1785, de Rozier e seu companheiro Pierre Romain partiram de Boulogne, França, para tentar atravessar o Canal da Mancha. Eles estão convencidos de que seu design vai revolucionar o balão. Cerca de meia hora depois, o balão foi soprado de volta para a costa. No entanto, seus rostos mostraram uma “expressão assustada”, tentando desesperadamente fechar a cerca de ferro no braseiro no meio da cesta, mas era tarde demais. “Os materiais combustíveis na bola grande externa logo encheram o espaço restante no airbag, derramaram-se ao longo do tubo no pescoço do balão, e rapidamente chegaram ao braseiro abaixo, e o balão de ar quente explodiu.”
A explosão foi tão poderosa que o design do balão duplo foi silenciosamente arquivado. Foi só mais tarde que as pessoas descobriram o hélio, um gás inerte que também era mais leve que o ar, que começaram a explorar balões de ar quente novamente. Apesar da explosão, as pessoas não desistiram de usar hidrogênio naquela época. Sim, o hidrogénio é inflamável, mas e depois? Balões de ar quente levantados pela palha queimada no braseiro acima da cesta de vime também são perigosos. Portanto, há mais de 150 anos, inventores e pioneiros insistem em usar hidrogênio, um gás explosivo, como ferramenta auxiliar de flutuação.
Ferdinand von Zeppelin, um oficial alemão aposentado, deixou o exército em 1891 e começou a construir uma aeronave. Tem uma estrutura de aço, cheia de hidrogênio, e é chamado de dirigível zeppelin. No caderno do conde Ferdinand, o dirigível Zeppelin foi originalmente usado para transportar correio. Durante a primeira Guerra Mundial, dirigíveis transportando 2 toneladas de bombas voaram a uma velocidade de 137 km / h, causando grande pânico entre as pessoas da Europa Ocidental. Naves aéreas não são fáceis de abater. O hidrogênio é muito leve e se dissipa muito rapidamente. Portanto, mesmo que uma bala comum possa perfurar o airbag do dirigível Zeppelin, não há chance de inflamar hidrogênio. A fim de eliminar a ameaça aérea, a Grã-Bretanha teve que desenvolver balas explosivas especiais.
Zeppelin foi usado para exploração polar e navegação global no período de paz pós-guerra. O Hindenburg (lz-129) e sua irmã, o Conde de Zeppelin II (LZ-130), abriram um precedente para viagens aéreas comerciais regulares em ambos os lados do Atlantic China Welding Consumables Inc(600558) . A segurança é seu maior ponto de venda: o dirigível Zeppelin voou mais de 1,6 milhão de quilômetros sem causar mortes, recorde inigualável por qualquer aeronave na época. Mas para o mau tempo, o dirigível estava indefeso, e os acidentes relacionados com o tempo continuaram a aumentar. Em 6 de maio de 1937, quando o Hindenburg estava se preparando para pousar no mastro de amarração da Estação Aérea Naval em Lakehurst, Nova Jersey, Estados Unidos, de repente pegou fogo e caiu no chão. Havia 97 pessoas no dirigível no acidente, das quais 33 morreram por pular ou cair do dirigível, 2 morreram por queima de tecido e diesel e 1 membro da tripulação de terra foi morto pelo motor.
Se a explosão foi causada pelo hidrogênio ainda é controverso, mas até certo ponto não importa porque o Hindenburg caiu. Posteriormente, inúmeros filmes reproduziram essa cena horrível, e naquela época, houve uma transmissão ao vivo comovente da alma, que pôs fim à era do dirigível como ferramenta tripulada para o voo intercontinental. Esta tragédia também faz com que as pessoas associem hidrogênio ao inferno de fogo. Em grande medida, isso é uma sensação infundada de perigo.
O uso de hidrogênio em voo de balão provou ser um desvio mal sucedido. O principal ponto de venda do hidrogênio é seu enorme potencial energético, não seu peso leve. No entanto, demorámos muito tempo a voltar a este ponto, principalmente porque o hidrogénio não tem sido capaz de competir com combustíveis fósseis ricos e baratos.
