По мере усиления последствий изменения климата наша планета сталкивается с рекордными волнами жары, беспрецедентными штормами, историческими засухами и лесными пожарами. Ученые связали эти события с парниковыми газами, такими как углекислый газ в атмосфере, большая часть которых образуется в результате деятельности человека.
Но что, если бы вместо выброса вредных парниковых газов в окружающую среду наши самолеты и автомобили могли работать на топливе, получаемом из воды, используя электричество, получаемое от солнца или ветра? Что, если бы это возобновляемое топливо могло обеспечивать резервное питание электросети и закупаться на заправочных станциях по всей стране? Ученые работают над тем, чтобы воплотить это видение в реальность, используя энергию, содержащуюся в водороде, который обещает сыграть важную роль в создании более чистой окружающей среды и достижении цели США по достижению чистого нуля выбросов углерода к 2050 году — другими словами, удалению углерода из атмосферы с той же скоростью, с какой он выбрасывается.
Водород - простейший химический элемент или тип атома. Он состоит всего из одного протона и одного электрона. Это также самый распространенный элемент, составляющий около 75% известной материи во Вселенной. Огромное количество водорода содержится в воде и живых организмах.
Водорода в изобилии содержится в воде на нашей планете, и он естественным образом обновляется в ходе круговорота воды. При использовании в качестве топлива он не выделяет углекислого газа, что делает его многообещающим экологически чистым источником энергии. Автор: Аргоннская национальная лаборатория
Молекулу водорода, состоящую из двух атомов водорода, можно использовать для производства безуглеродной энергии. Молекулы водорода несут в себе много энергии; фунт водорода содержит почти в три раза больше энергии, чем фунт бензина или дизельного топлива.
Однако молекул водорода на Земле немного, они составляют менее 0,0001% нашей атмосферы. Из-за этого водород должен вырабатываться из других веществ, которые его содержат. Наиболее распространенный способ получения водорода без использования ископаемого топлива - это расщепление воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2) с помощью электричества. Этот процесс, называемый электролизом воды, является многообещающим вариантом для производства безуглеродного водорода, поскольку электричество может быть получено из ядерной или возобновляемой энергии, такой как ветер и солнце. Ученые и инженеры работают над улучшением и снижением стоимости водорода, получаемого электролизом воды.
При электролизе вода расщепляется на аноде с образованием кислорода, ионов водорода и электронов. Материал электролита пропускает ионы водорода, но заставляет электроны течь отдельно к катоду, где они рекомбинируют с образованием газообразного водорода для использования в качестве топлива. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.
Они также разрабатывают методы, которые преобразуют солнечную энергию и воду непосредственно в водород путем использования биологических процессов, таких как фотосинтез, и имитируют их.
Существует несколько способов использования водорода для получения энергии после его производства. Наиболее известный из них - топливные элементы, которые преобразуют химическую энергию, запасенную в водороде и кислороде, в электричество. В отличие от двигателей, работающих на бензине, отсутствуют вредные выбросы, такие как углекислый газ. И в отличие от аккумуляторов, системы на топливных элементах не требуют длительных простоев для подзарядки. Они заправляются так же, как двигатели, работающие на бензине, но водородом.
Водород может использоваться в топливных элементах или сжигаться в качестве топлива в двигателях. Ученые и инженеры работают над улучшением этих технологий, которые могли бы заменить использование ископаемого топлива на транспорте и в электросетях. Автор: Аргоннская национальная лаборатория.
Тип водородных топливных элементов, разрабатываемых для легковых автомобилей, грузовых автомобилей, вилочных погрузчиков, автобусов, кораблей и поездов, расщепляет молекулы водорода на электроны и протоны. Электроны вынуждены проходить через электрическую цепь, создавая запас полезной электроэнергии. Между тем, протоны способны проходить через мембрану, в конечном счете рекомбинируя с электронами и вступая в реакцию с молекулами кислорода из воздуха с образованием воды, единственного источника излучения.
Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США используют оборудование и опыт мирового класса для продвижения науки и технологий, связанных с использованием водорода. Наши исследователи снижают стоимость производства водорода, разрабатывая доступные топливные элементы для автомобилей, работающих на водороде. Они также оценивают методы производства, транспортировки, использования и хранения водорода для минимизации выбросов парниковых газов.