معرفی هیدروژن

mim-shimi · 20 دی، ۱۳۸۸

هیدروژن

صحنه آزمایش اولین بمب هیدروژنی در سال 1952 که توسط ایالات متحده در اقیانوس آرام انجام گرفت. در گوشه بالا سمت چپ جدول تناوبی اولین عنصر یعنی هیدروژن با عدد 1 قرار دارد. سالها قبل از آنکه دانشمندان این ماده را به عنوان یک عنصر خالص کشف کنند به روشهای مختلف آنرا تولید کرده و از آن استفاده می کردند.

لاوازیه (Antoine Lavoisier, 1743 - 1794) شیمیدان فرانسوی هنگام تحقیقاتی که روی آب انجام می داد متوجه شد که آب از دو گاز تشکیل شده است، نام یکی را اکسِژن و نام دیگری را هیدروژن نهاد. همچنین هنری کاوندیش (Henry Cavendish, 1731-1810) دانشمند خجالتی انگلیسی در سال 1766 طی تحقیقات و آزمایشهایی که انجام میداد متوجه شد که هیدروژن یک عنصر مجزا می باشد.

شاید بزرگترین خصیصه هیدروژن آن باشد که فراوان ترین عنصر در تمام عالم هستی می باشد. هیدروژن قابل اشتعال بوده حتما" تعجب خواهید کرد اگر بدانید که بنا بر برآوردهایی که انجام شده است حدود 90 درصد از اتمها و نیز حدود 75 درصد از جرم کل هستی از هیدروژن تشکیل شده است. این ماده در تمام ستاره ها وجود دارد و منبع اصلی تهیه انرژی ستاره ها بواسطه واکنش های هسته ای می باشد.

از میان روشهای صنعتی تهیه هیدروژن می توانه به ترکیب بخار آب با کربن گداخته، تجزیه هیدروکربنها بوسیله حرارت، واکنش میان هیدروکسید سدیم یا پتاسیم با آلمینیوم، الکترولیز آب، ترکیب فلزات با اسیدها و ... نام برد.

هیدروژن مایع برای مصارف برودتی کاربرد فراروان دارد و در مطالعات مربوط به ابر رسانا ها (Superconductors) بکار می رود. هیدروژن همچنین ماده اولیه سازنده سیاره غول پیکر مشتری (Jupiter) و سایر سیاره هایی است که حالت گازی دارند. جالب است بدانید که میزان فشار در مرکز چنین سیاراتی آنقدر زیاد می باشد که در آنجا نه تنها هیدروژن جامد وجود دارد بلکه فشار به حدی زیاد است که وجود هیدروژن بصورت فلز در این قسمت از اینگونه سیارات به اثبات رسیده است.

تحقیقات دانشمندان آمریکایی در سال 1972 نشان داد که در فشارهای بالای 2Mbar هیدروژن می تواند به حالت فلز نمایان شود و قابلیت هدایت بسیار زیادی از خود نشان دهد. به دنبال آن در سال 1973 دانشمدان روسی موفق شدند که با فشاری معادل 2.8Mbar هیدروژن را بشکل و سختی فلز تهیه کنند و آزمایشهایی را بر روی قابلیت رسانایی این فلز انجام دهند.

با وجود همه این مسائل در جو زمین میزان هیدروژن آنقدر زیاد نیست. دلیل عمده آن سبکی بیش از حد این ماده می باشد که توان ماندگاری این گاز در جو کره زمین را کم می کند. در روی زمین نیز هیدروژن علاوه بر آب در انواع سوخت های فسیلی (نفت، ذغال) و نیز ساختمان ارگانیک گیاهان و موجودات زنده وجود دارد. لازم به ذکر است که امروزه تحقیقات و آزمایشات دانشمندان برای جایگزینی سوختهای فسیلی با هیدروژن به نتایج قابل قبولی رسیده است و امید آن می رود که بزودی بتوان بصورت صنعتی از این ماده بعنوان یکی از منابع اصلی تولید انرژی استفاده کرد.

mim-shimi · 11 بهمن، ۱۳۸۸

نظر تولید انرژی.1 کیلوگرم هیدروژن معادل 3کیلوگرم بنزین انرزی تولید میکند.

برای استفاده از هیدروژن در فناوری های روز دنیا دانشمندان باید راهی برای ذخیره سازی و انتقال ایمن هیدروژن بیابند که از لحاظ هزینه به صرفه بوده و با هزینه های استفاده از بنزین قابل مقایسه باشد.

اما این کار هم چندان آسان نیست چون هیدروژن گازی سبک و فرار است.مولکولهای کوچک هیدروژن خیلی آسان و سریع از شکاف ها و روزنه ها و بست ها و شیرها نشت میکنند وخیلی زود تبخیر میشوند.

هیدروژن 4برابر سریعتر از متان و 10 برابر سریع تر از بخار های بنزین نفوذ میکند.هیدروژن مایع بسیار متراکم است و ذخیره سازی آن آسان به نظر میرسد اما به دلیل سرعت نشت بالا و نیز شعله وری بسیار،میتواند خطرساز باشد.

هیدروژن حدوداّ در دمای 20 درجه کلوین (253 درجه سانتیگراد)مایع میگردد.

نگهداری از یک مخزن پر از هیدروژن مایع نیازمند یک سیستم خنک کننده ی جانبی سنگین است.هیدروژن چنان سرد است که می تواند باعث منجمد شدن هوا شود.

میزان سرمای بالا و انجماد حاصل از آن میتواند باعث مسدود شدن شیر ها و اتصالات گردد.این امر افزایش فشار را موجب میشود.

اگر بخواهیم با عایق کاری جلوی این انجماد را بگیریم، وزن سیستم ذخیره سازی سوخت بسیار بالا میرود.

حال راه غلبه بر این مشکل چیست؟

استفاده از چند قطعه سنگ(نه سنگ معمولی) بلکه سنگ های ویژه که زئولیت نام دارد برطرف کننده ی این مشکل است.

ال ساکو(مدیر مرکز تولید مواد پیشرفته ی تحت جاذبه ی ضعیف) که در دانشگاه بوستون تحت نظر ناسا مشغول فعالیت است ،در تشریح این سنگ ها گفته:« زئولیت ها موادی از جنس سنگ هستند که مسیار متخلخل هستند و به همین دلیل میتوانند به عنوان اسفنج های مولکولی عمل کنند.

زئولیت ها در شکل کریستالی خود بصورت شبکه گسترده ای از حفره ها و شکاف های به هم پیوسته در نظر گرفته میشوند.

مخزن سوختی که دارای این کریستال باشد میتواند گاز هیدروژن را در حالت شبه مایع و بدون نیاز به سیستم های خنک کننده ی سنگین به دام اندازد و در خود ذخیره کند.

زئولیت ها هنگامی که تحت حرارت قرار گیرند ،محتویات خود را خارج میکنند.

ساکو طرز کار مخزن های سوخت زئولیت دار را که در دما کنمترل میشوند اینگونه شرح میدهد که:ابتدا باید مقداری یون های با بار منفی را به زئولیت بیافزاییم،این یون ها مثل دریچه عمل میکنند و حفره های شبکه ی کریستالی را مسدود میکنند. با حرارت دادند جزئی زئولیت ،این یون ها کنار می روند.

میتوان زئولیت ها را از هیدروژن انباشته کرد و بعد دمای آن را به حالت عادی برگرداند، با این کار یون ها به جای قبلی خود بر میگردند و مانع خروج هیدروژن از حفره ها میشوند.دریچه ها ی یونی با حرارت باز میشوند و هیدروژن آزاد میگردد.

با استفاده از زئولیت ها میتوان مقدار کمی هیدروژن ذخیره کرد،بطوریکه بهترین زئولیت های موجود میتوانند فقط 3-2 درصد از وزن خود را زئولیت ذخیره کنند.اگر بتوان کریستالی تولید کرد که 7-6 درصد از وزن خود را هیدروژن ذخیره کند ،آنوقت یک مخزن زئولیتی پر از هیدروژن میتواند با یک مخزن معمولی پر از بنزین رقابت کند.

زئولیت های تولیدی در زمین بسیار کوچک اند و ضخامتی حدود 8-2 میکرون است(0.1ضخامت موی انسان) در صورتیکه زئولیت هایی که ساکو توانسته در فضا تولید کند، به دلیل اینکه در آن مکان گرانش کم است و سرعت تجمع مواد به دور هم کند است،زئولیت بزرگتر و با نظم بیشتری تولید شد.

ضخامت این زئولیت ها ی فضایی حدود موی انسان بود.

زئولیت ها میتوانند به عنوان نکته ی کلیدی برای استفاده از سوخت هیدروژن و رد شدن از سد مشکلات فناوری آن باشند

mim-shimi · 11 بهمن، ۱۳۸۸

با كشف نفت و شناخت مزاياي آن نسبت به زغال سنگ بويژه درحوزه حمل و نقل به تدريج بهره‌گيري از زغال سنگ روبه نزول نهاده و استفاده از نفت خام روند رو به رشد نهاد تا جائيكه در فاصله زماني كوتاهي بخش اعظم انرژي مورد نياز بشر از نفت خام و مشتقات حاصل از آن تأمين مي‌گرديد. بر مبناي اين روند سريع بود كه نفت خام بعنوان مهمترين ماده تأمين كننده انرژي بشر شناخته شد و اين دوره زماني را بايد بدون ترديد عصر نفت نام نهاد.

نفت خام از منابع محدودي تأمين مي‌گردد و امكان تداوم رشد مصرف آن با شتاب بسيار زياد براي مدت طولاني وجود ندارد. با درك اين مسئله، و بهره‌گيري از منابع قابل حصول كه خواص احتراقي مشابه مشتقات نفت خام داشته باشند ضروري تشخيص داده شد. از اينرو استفاده از گازهاي همراه با نفت خام كه به راحتي تبديل به مايع مي‌شوند (LNG) رواج گرفت به همراه آن امكان بهره‌گيري از منابع عظيم گاز طبيعي بويژه در شبكه‌هاي گازرساني شهري و تامين سوخت نيروگاهها در كنار امكان استفاده از آن در خودرو ها سبب شده است تا به تدريج تمركز تأمين انرژي از نفت خام به سوي گاز طبيعي منتقل شده و عصر تأمين انرژي بر پايه گاز طبيعي شكل پذيرد.

تمام منابع مورد استفاده بشر جهت تأمين انرژي از هيدروكربنهاي زيستي گرفته تا زغال سنگ و نفت خام و گاز طبيعي هنگام مصرف به شكل احتراق، توليد آلاينده‌هاي مختلف زيست محيطي مي‌نمايند. عمده‌ترين اين آلاينده‌ها عبارتند از CO، CO2، NOx و اكسيدهاي سولفور و ذرات معلق كه به تناسب با نوع منبع اوليه انرژي، مقادير مختلفي آنها در فضا منتشر مي‌گردند. روند لجام گسيخته بهره‌گيري از منابع انرژي هيدروكربني و فسيلي موجب ازدياد آلاينده‌هاي زيست محيطي شده است. برخي از اين آلاينده‌ها نظير CO و NOx به صورت مستقيم بر روي سلامت بدن تأثير مي‌گذارند و برخي ديگر از آنها نظير CO2 با افزايش اثرات گلخانه‌اي سبب افزايش دماي كره زمين و ايجاد تغييرات غير طبيعي زيست محيطي نظير ذوب يخهاي قطبين و ازدياد سطح آب اقيانوسها و طوفانهاي مختلف مي‌گردند.

2- دلايل رويكرد به عصر هيدروژن

مجموعه‌اي از عوامل مختلف از جمله محدوديت منابع فسيلي، تاثيرات منفي زيست محيطي بهره‌گيري از منابع هيدروكربني، افزايش قيمت سوختهاي فسيلي، منازعات سياسي و تاثيرات آن بر روي ارائه انرژي پايدار از جمله دلايلي هستند كه بسياري از سياستمداران و متخصصين مباحث انرژي و محيط زيست را به حركت به سوي ايجاد ساختاري نوين مبتني بر امنيت ارائه انرژي، حفظ محيط زيست، ارتقاء كارايي سيستم انرژي وادار نموده است. بر اين اساس هيدروژن يكي از بهترين گزينه‌ها جهت ايفاي نقش حامل انرژي در اين سيستم جديد ارائه انرژي مي‌باشد.

هيدروژن بعنوان فراوان‌ترين عنصر موجود در سطح زمين به روشهاي مختلف قابل توليد مي‌باشد. در يك سيستم ايدآل انرژي بر پايه هيدروژن با هدف تأمين امنيت ارائه انرژي، حفظ محيط زيست و ارتقاء كارايي سيستم انرژي، هيدروژن از الكتريسيته توليدي از منابع تجديدپذير نظير باد، خورشيد، زمين گرمايي و نظاير آن تولید شده و پس از ذخيره سازي و انتقال به محل‌هاي مصرف در كاربردهاي مختلف از جمله تجهيزات الكترونيكي كوچك (ميلي وات)، صنعت حمل و نقل و صنعت توليد الكتريسيته قابل بكارگيري است. با اين رويكرد بسياري بر اين باورند كه سوخت نهايي بشر هيدروژن بوده و بشر درآينده‌اي نه چندان دور عصر هيدروژن را تجربه خواهد نمود.

عمل تبديل انرژي شيميايي موجود در هيدروژن به انرژي الكتريكي توسط دستگاهي به نام پيل سوختي انجام مي‌پذيرد كه متناسب با كاربرد و خواص ساختاري آنها، پيل‌هاي سوختي خود به انواع مختلف تقسيم مي‌شوند. در واقع اهميت فناوري پيل سوختي در يك سيستم انرژي بر پايه هيدروژن (عصر هيدروژن) به گونه‌اي است كه بسياري آنرا به لوكوموتيو قطار توسعه عصر هيدروژن تشبيه نموده‌اند. علاوه بر فناوري پيل سوختي به عنوان مصرف كننده هيدروژن در عصر هيدروژن، فناوريهاي توليد، ذخيره سازي، عرضه و انتقال هيدروژن نيز از اجزاء اصلي ساختار انرژي اين عصر خواهند بود. دست يابي به ساختار عصر هيدروژن بر پايه انرژي اوليه از منابع تجديدپذير و حاصل انرژي هيدروژن اگرچه بسيار سودمند مي‌باشد، اما به علت مشكلات فني و اقتصادي و عدم امكان تغيير سريع ساختار موجود و جهش يكباره به ساختار هيدروژني، دست يابي به آن در آينده نزديك رخ نخواهد داد.

به منظور دستيابي به عصر هيدروژن ايجاد زنجيره‌اي از زير ساختارها لازم است. اين زير ساختارها در حوزه‌هاي مختلف توليد، ذخيره، انتقال و عرضه هيدروژن در كنار فناوريهاي مصرف هيدروژن (پيل سوختي) مي‌باشد. با توجه به مشكلات فني و اقتصادي مربوط به توسعه هر يك از فناوريهاي زير ساخت عصر هيدروژن، مطمئناً سرعت توسعه آنها به يك اندازه نخواهد بود با توجه به قابليتهاي گاز طبيعي براي توليد هيدروژن (هم اكنون بيش از 90% هيدروژن توليدي در جهان از گاز طبيعي است) توسعه زير ساختارهاي مربوط به گاز طبيعي مي‌تواند به ايجاد عصر هيدروژن كمك نمايد. در ميان مدت عصر هيدروژن مبتني بر تركيبي از توليد هيدروژن به صورت متمركز و يا غير متمركز از منابع تجديدپذير و فسيلي نظير گاز طبيعي، زغال سنگ و ... ،انتقال هيدروژن با گاز طبيعي به كمك خطوط لوله يا تانكرهاي ويژه خواهد بود. در اين دوره گذار با توسعه بهره‌گيري از پيل‌هاي سوختي با قابليت استفاده مستقيم و غير مستقيم از سوختهاي مختلف نظير هيدروژن، گاز طبيعي، متانول زير ساختارهاي توليد، عرضه، ذخيره و مصرف هيدروژن نيز ارتقاء مي‌يابند.

گاز طبيعي به علت وجود زير ساختارهاي قابل توجه توزيع آن به مراكز مختلف مصرف و قابليت بهره‌گيري در برخي از انواع پيل‌هاي سوختي به صورت مستقيم يا به شكل غير مستقيم (به كمك ريفرمر)، در ساير پيل‌هاي سوختي يكي از محرك‌هاي اصلي توسعه و ايجاد عصر هيدروژن خواهد بود. بديهي است هنگام بهره‌گيري از گاز طبيعي و ساير منابع فسيلي جهت توليد هيدروژن مي‌بايد 2CO توليدي به صورت متمركز جمع‌آوري شده و در نقاط ويژه‌اي در قعر غارها يا كف اقيانوسها ذخيره شود. همچنين تجهيزات الكترونيكي كوچك نيز از متانول بعنوان سوختي كه قابليت بهره‌گيري در برخي از انواع پيل‌هاي سوختي را دارد استفاده خواهند نمود.

به طور خلاصه اگرچه ايجاد زير ساختارهاي عصر هيدروژن و دست يابي به آن از مزاياي بسياري برخوردار است اما اين مهم در كوتاه مدت رخ نداده و لازم است كه زنجيره‌اي از فعاليتهاي تحقيق و توسعه، ساخت نمونه‌ها و احداث پايلوتهاي بررسي عملكردي، در كنار تلاش در جهت كاهش هزينه‌هاي هر يك از اجزاء و ايجاد فرهنگ و بستر لازم جهت پذيرش اين فناوري‌هاي نوين انجام پذيرد

mim-shimi · 11 بهمن، ۱۳۸۸

تاریخچه

هیدروژن ( کلمه فرانسوی به معنی سازنده آب و واژه یونانی hudôr یعنی آب و gennen یعنی تولید کننده ) برای اولین بار در سال 1776 بوسیله "هنری کاوندیش" بعنوان یک ماده مستقل شناخته شده ، "