Hidrojeni

Hidrojeni ni kitu cha kubadili mchezo. Ina uwezo wa kuibadili dunia kwa kusambaza na kuhifadhi nishati ya kijani. Inaweza kutumika kuendesha malori, meli, ndege na hata miji. Lakini ili mapinduzi ya hidrojeni yawe halisi, binadamu lazima ashinde changamoto kadhaa za kiufundi na kiuchumi. Kwa hiyo jiandae kusafiri hadi kiwango cha atomu na kuona kama hidrojeni ina kile kinachohitajika kuibadili dunia!

Kama ungefungua kitabu cha ulimwengu, ungekuta hidrojeni kwenye sura ya kwanza kabisa. Hiyo ni kwa sababu ni mojawapo ya vitu vya msingi vinavyounda ulimwengu. Inaunda 90% ya atomu kwenye nyota ^[1-4] na Duniani, hidrojeni ni mojawapo ya sehemu kuu za maji, mimea na hata DNA ya viumbe vyote hai ^[4-7].

Pia ni mafuta yenye nishati nyingi sana, ndiyo maana NASA huitumia kuendesha roketi za uchunguzi wa anga ^[8,9,10]. Ni wazi kwamba hidrojeni tayari inawapeleka binadamu juu zaidi. Na bora zaidi, haitoi CO₂ yoyote!

Basi kwa nini si chaguo kuu la nishati duniani kote? Kwani, si rahisi hivyo.

Ni vigumu kupata hidrojeni kutoka ardhini katika hali yake safi, ingawa hifadhi za asili zipo ^[11-17]. Kwa kawaida huungana na elementi nyingine kutengeneza kemikali mchanganyiko. Kwa mfano, ikiungana na oksijeni, hutengeneza maji au H₂O. Pia inaweza kuungana na kaboni kutengeneza gesi ya visukuku, inayojulikana pia kama methani au CH₄.

Kwa hiyo ili kupata hidrojeni safi, lazima itenganishwe na elementi zozote ilizoungana nazo. Hidrojeni inapochukuliwa kutoka kwenye maji, oksijeni hutolewa. Inapotenganishwa na gesi ya visukuku, kaboni hutolewa. Kwa hiyo kama kutumia hidrojeni kama mafuta ni vizuri au vibaya kwa dunia kunategemea jinsi hidrojeni hiyo inavyotengenezwa.

Kwa sasa, kuna njia tatu kuu za kutengeneza mafuta ya hidrojeni, zinazoitwa kijivu, bluu, na kijani: ^[18-21]

Leo, nyingi hutengenezwa kutokana na nishati ya visukuku ^[22-28] na aina ya kawaida zaidi ni hidrojeni kijivu, inayotengenezwa kwa gesi ya visukuku. Lakini iwe unatumia gesi, makaa ya mawe au mafuta, kutengeneza hidrojeni kutokana na nishati ya visukuku hutoa CO₂ nyingi angani ^{[19,26,27,28]}. Kwa kusikitisha, aina hizi zinachangia zaidi ya 99% ya uzalishaji wote wa hidrojeni ^[23,24,28]. Aisee!

Kwa kweli, uzalishaji wa hidrojeni kijivu pekee hutoa CO₂ nyingi zaidi kuliko United Kingdom na Australia kwa pamoja ^[28,29]!

Katika miaka ya karibuni, maendeleo ya teknolojia inayojulikana kama kukamata na kuhifadhi kaboni yamewezesha mitambo ya umeme kunasa utoaji wake wa CO₂ na kuuhifadhi chini ya ardhi ^[30,31,32]. Hii inapounganishwa na uzalishaji wa hidrojeni, matokeo yake huitwa hidrojeni bluu ^[33,34].

Lakini ingawa njia hii hupunguza utoaji wa CO₂, kwa sasa huwa na uvujaji wa methani (CH₄) ^[34-37] ambayo inaweza kuwa mbaya zaidi kwa anga kwa zaidi ya mara 80 katika kipindi cha miaka 20 ^[38,39,40]. Utafiti mmoja hata uligundua kwamba ikifanywa vibaya, ongezeko la utoaji wa CH₄ linaweza kuwa kubwa kiasi kwamba ingekuwa bora tu kuchoma nishati ya visukuku tangu mwanzo ^[35].

Kile ambacho wanasayansi wanatafuta hasa, El Dorado ya nishati safi, kinaitwa hidrojeni kijani. Hii hutengenezwa kutokana na maji katika mchakato wa kikemia unaojulikana kama elektrolisisi: ^[41-45]

Waza tanki kubwa la maji, au H₂O. Ili kupata hidrojeni, kwanza unahitaji kuvunja vifungo vyake na oksijeni. Ili kufanya hivyo, unatumia umeme kuvunja vifungo katika molekuli za maji, na kutengeneza gesi ya hidrojeni yenye thamani. Rahisi!

Yote haya yanaweza kuendeshwa kwa nishati mbadala kama jua na upepo, kwa utoaji unaokaribia sifuri ^[41-45].

Hii hidrojeni kijani ina uwezo wa kuibadili dunia ^{[21,28,43,44,45]}. Viwanda kama uzalishaji wa petrokemikali na utengenezaji wa chuma ^[44-47], ambavyo huchangia karibu 3.6% na 7.2% ya utoaji wa hewa chafu duniani ^[48], vinaanza kusafishwa kwa kutumia hidrojeni kijani badala ya nishati ya visukuku. Baadhi ya nchi zinawekeza humo ili kupunguza kaboni katika uzalishaji wa amonia, kemikali inayotumika kwenye mbolea, jambo ambalo lingepunguza 1-2% nyingine ya utoaji wa hewa chafu duniani ^{[44-46,49-53]}.

Wataalamu pia wanachunguza matumizi yake kwenye mfumo wa usafiri. Magari si kipaumbele kikubwa kutokana na ufanisi wa magari ya umeme, lakini malori ya masafa marefu, usafirishaji wa kimataifa kwa meli, na ndege za masafa marefu ni kipaumbele zaidi. Kwa kuwa haziwezi kutumia betri nzito kupata nishati, hidrojeni kijani ni mbadala bora ^{[21,28,44,45,54]}.

Kinadharia (na mradi tu imetengenezwa kwa njia endelevu), utoaji wa moja kwa moja pekee wa kutumia mafuta ya hidrojeni ni maji. Kwa kweli, maji haya hata hutumika kwenye vyombo vya NASA vya kwenda angani, ambako wanaanga huyanywa kweli! ^[55,56]

Basi tatizo ni nini?

Kwani, ukichoma tu hidrojeni, inaweza pia kusababisha nitrojeni hewani kuitikia na kutengeneza oksidi za nitrojeni, ambazo ni vichafuzi hatari vya hewa ^[57-61].

Hii bado ni safi zaidi kuliko kuchoma nishati ya visukuku, lakini chaguo safi zaidi ni kutoichoma kabisa na kutumia seli ya mafuta ya hidrojeni, ambayo hubadilisha moja kwa moja nishati ya kikemia ya hidrojeni kuwa umeme ^[62-65]. Si tu kwamba hii ina ufanisi zaidi, bali hutoa sifuri ya oksidi za nitrojeni na bila shaka sifuri ya CO₂! ^{[57-59,63-65]}

Inasikika vizuri, sivyo? Basi kwa nini chini ya 1% ya hidrojeni inayotengenezwa leo ni kijani? ^[23,24,28] Kwa nini kila mtu haikimbilii toleo hili linalolinda mazingira?

Kwa sasa, hidrojeni ni ghali na inahitaji umeme mwingi kuizalisha ^[66-69]. Kama ungependa kuendesha simu yako kwa hidrojeni kijani badala ya kuichaji moja kwa moja kwa nishati mbadala, kwanza ungehitaji kubadilisha umeme kutoka vyanzo mbadala kuwa hidrojeni halafu utumie seli ya mafuta kuubadilisha tena kuwa umeme. Kufanya hivi kunaweza kupoteza hadi 70% ya nishati ambayo ungepata kama ungeichaji simu yako moja kwa moja kwa paneli za jua tangu mwanzo! ^[70,71,72]

Inaonekana hidrojeni kijani haikupi thamani kubwa kwa pesa yako. Basi kwa nini watu waitumie kuendesha nyumba na miji yao?

Jibu liko katika mojawapo ya sifa zenye nguvu zaidi za hidrojeni… Uwezo wake wa kuhifadhi kiasi kikubwa cha nishati kwa matumizi ya baadaye.

Kwa kuwa mitambo ya upepo inahitaji upepo na paneli za jua zinahitaji mwanga wa jua, gesi na makaa ya mawe mara nyingi hulazimika kuingia kazini siku za giza na zisizo na upepo ili umeme uendelee kufanya kazi. Lakini hili hapa ni wazo la kijani zaidi:

Unaendesha nyumba kwa nishati mbadala kupitia gridi ya umeme mahiri na inayoweza kubadilika, na kujenga mashamba ya kutosha ya upepo na jua kutengeneza nishati ya ziada. Umeme wa ziada unaweza kisha kupelekwa kwenye mitambo ya hidrojeni kijani ambako hutumika kutengeneza hidrojeni. Hidrojeni hii inaweza kisha kuhifadhiwa na kutumika kuzalisha umeme wakati jua na upepo haviwezi kukidhi mahitaji ^[73-76].

Na kama hiyo haitoshi, hidrojeni inaweza kuhifadhiwa kwa kiasi kikubwa chini ya ardhi kwa muda mrefu katika migodi ya zamani, mapango ya chumvi au hata hifadhi za mafuta na gesi zilizokwisha ^[77-80]. Hii inamaanisha inaweza kutumika mwaka mzima, hata katika miezi ya baridi kali.

Hii huitwa uhifadhi wa misimu tofauti na nchi nyingi tayari zinawekeza humo ^{[23,81,82,83]}. Siku moja, inaweza hata kusaidia kuondoa utegemezi wa nishati ya visukuku. Bora zaidi, akiba hizi kubwa za hidrojeni huipa nchi uhuru zaidi wa nishati, na kuzifanya zitegemee kidogo uagizaji wa nishati ili zisihitaji kutegemea nchi nyingine kuwasha taa ^[84,85,86].

Lakini betri haziwezi kufanya kitu kilekile?

Si kabisa. Kiasi cha betri kinachohitajika kuhifadhi nishati ya akiba ya wiki au miezi kwa ajili ya jiji kingekuwa ghali sana, sana ^[87-90]. Hidrojeni, kwa upande mwingine, inaweza kuwa nafuu sana kuhifadhi kwa kiwango kikubwa na inaweza kutatua tatizo hili la kuhifadhi nishati ^[91,92].

Kwa hiyo hidrojeni inaweza kuwa na nafasi katika kupunguza kaboni duniani? Kwani, tu kama ni hidrojeni kijani iliyotengenezwa kwa nishati mbadala ^[93], na tu kama gharama yake ni halisi ^[66-69]. Ili hilo lifanyike kunahitaji kupanua na kuboresha miundombinu, na kutumia nishati mbadala kwa kiwango kikubwa.

Lakini kuna habari njema! Nishati ya upepo na jua sasa ni nafuu kuliko nishati ya visukuku ^[27,94-97]. Na kutokana na maendeleo ya hivi karibuni ya teknolojia ya elektroliza, bei ya uzalishaji wa hidrojeni kijani pia inapungua kwa kasi ^[98-102].

Kwa hiyo mradi binadamu aunge mkono teknolojia hii inayochipua, hidrojeni kijani inaweza kuwa mojawapo ya nyota angavu ambazo tumekuwa tukisubiri.