ნოდარ დუმბაძე
ასევე იხილეთ
გაფართოებული ძებნა
"ქიმიის უწყებანი" ტომი:4, ნომერი:2, 22-25 გვ.
საწვავი ელემენტები და ეკოლოგიური პრობლემები. III ნაწილი: წყალბადი და გარემო
საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტის მოწვეული ლექტორი
რეზიუმე: ნაშრომის მიზანია, ეკოლოგიურ ჭრილში განიხილოს საწვავი ელემენტები, რომლებიც სადღეისოდ ელექტროენერგიის ერთ-ერთ ყველაზე პერსპექტიულ და ეკოლოგიურად უსაფრთხო ალტერნატიულ წყაროდ განიხილებიან. აქ წარმოდგენილია ნაშრომის მესამე ნაწილი, რომელშიც განხილულია წყალბადის გარემოზე ზემოქმედებასთან დაკავშირებული საკითხები; კერძოდ, ნაჩვენებია, თუ რა გავლენას ახდენს იგი ოზონის კონცენტრაციაზე და რა პოტენციური შედეგები შეიძლება ამან გამოიწვიოს. გარდა ამისა, სტატიაში მოცემულია ინფორმაცია წყალბადის ეკონომიკის გარემოზე ზემოქმედებასთან დაკავშირებული საკითხების შესახებ. სტატიის ბოლოს შეჯამებულია ინფორმაცია და განჭვრეტილია საწვავი ელემენტების ტექნოლოგიის სამომავლო პერსპექტივა.
საკვანძო სიტყვები: საწვავი ელემენტი, წყალბადი, ენერგიის ალტერნატიული წყაროები
წყალბადის გავლენა ატმოსფეროზე
ოზონის წარმოქმნა ხმელეთზე.
ზაფხულობით გაერთიანებული სამეფო ხშირად დგება ფოტოქიმიური დაბინძურების წინაშე, რომელიც ხასიათდება ოზონის კონცენტრაციის მომატებით; ის აჭარბებს გარემოსა და ადამიანის ჯანმრთელობისათვის უსაფრთხოების სტანდარტებს და, ასევე, საფრთხის შემცველია სასოფლო-სამეურნეო კულტურებისათვის. ოზონი არ წარმოიქმნება პირდაპირ ტროპოსფეროში, არამედ წარმოადგენს მეორეულ ფოტოქიმიურ დამბინძურებელს, რომელიც ჩვეულებრივ წარმოიქმნება მზის სხივებით ინიცირებული აქროლადი ორგანული ნაერთების ჟანგვის შედეგად (მაგ.: ნახშირწყალბადები) აზოტის ოქსიდების (NOx) თანაობისას. ფოტოქიმიური დაბინძურების მახასიათებლებიდან გამომდინარე, ოზონის წარმოქმნა და გადატანა შესაძლოა მოხდეს ასობით კილომეტრის მანძილზე.
ოზონის წარმოქმნის ერთ-ერთ საკვანძო ფაქტორს წარმოადგენს ოზონწარმომქნელი წინამორბედი ნაერთების ჰიდროქსილის რადიკალებთან ურთიერთქმედება:
ტროპოსფერული ოზონის წარმოქმნა.
წყალბადის სრული ჟანგვა წყლამდე ტროპოსფეროში იწვევს ოზონის წარმოქმნას:
წყალბადის ტროპოსფერული ქიმია ასევე დაკავშირებულია მეთანთან. მეთანის ჟანგვის შედეგად წარმოიქმნება ფორმალდეჰიდი, რომელიც წარმოადგენს ინტერმედიატს. ფორმალდეჰიდის ფოტოდისოციაციის ერთ-ერთი რეაქცია იწვევს წყალბადის წარმოქმნას:
მოლეკულური მარშრუტი (1) წარმოადგენს ატმოსფერული წყალბადის ძირითად წყაროს [1]. თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნის გზა (2) წარმოადგენს ოზონისა და ფოტოქიმიური სმოგის წარმოქმნის წინაპირობას. ვინაიდან ფორმალდეჰიდი სხვა ორგანული ნაერთების ჟანგვის შედეგადაც წარმოიქმნება, ეს ნაერთებიც წარმოადგენენ მოლეკულური წყალბადის წყაროს.
ცვლილებებიკლიმატშიდარადიაციულიზემოქმედება.
წყალბადი არ არის რადიაციის მხრივ აქტიური და ამიტომ ის პირდაპირ გავლენას არ ახდენს კლიმატის ცვლილებაზე (ის არ არის სათბურის აირი).
წყალბადი ირიბ გავლენას ნამდვილად ახდენს კლიმატზე (1), ვინაიდან მონაწილეობს ტროპოსფერული ოზონის (ძლიერი სათბურის აირის) წარმოქმნაში და (2) შეუძლია მეთანის (სხვა სათბურის აირის) კონცენტრაციის ცვლილება ჰიდროქსილის რადიკალების კონცენტრაციაზე ზემოქმედების გზით, მასთან ურთიერთქმედების საფუძველზე.
სტრატოსფერულიოზონისქიმია.
მეთანთან ერთად, მოლეკულური წყალბადი წარმოადგენს მნიშვნელოვან აირს, რომელიც „აკონტროლებს“ სტრატოსფეროში წყლის ორთქლის რაოდენობას. წყალბადისა და ჰიდროქსილის რადიკალები აკატალიზებენ ოზონის დაშლის რეაქციას სტრატოსფეროს ზედა ფენებში:
წყალბადის ეკონომიკის ზემოქმედება გარემოზე
საყოველთაოდ მიღებული აზრის თანახმად, წყალბადის საწვავზე მომუშავე ავტომობილები არიან ეკოლოგიურად მეგობრულები, ვინაიდან ისინი გამოყოფენ მხოლოდ წყლის ორთქლს; თუმცა ახალმა კვლევებმა აჩვენა, რომ აირადი წყალბადის გაჟონვამ შეიძლება პრობლემა შექმნას ატმოსფეროს ზედა ფენებისათვის. კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მიერ გამოქვეყნებულ ერთ-ერთ სტატიაში აღნიშნულია, რომ წყალბადის აირის დაკარგვამ შეიძლება ირიბად მიგვიყვანოს ატმოსფერული ოზონის 10 %-იან შემცირებამდე [2]. წყალბადს რომ მთლიანად ჩაენაცვლებინა წიაღისეული საწვავი, მაშინ, მკვლევრების შეფასებით, 60-იდან 120 ტრილიონ გრამამდე წყალბადი გამოიტყორცნებოდა ყოველდღიურად ატმოსფეროში, აქედან 10-20 % გამოჟონვის შედეგად.
ეს 4-8-ჯერ მეტი წყალბადია, ვიდრე დღეს ატმოსფეროში გამოიყოფა ადამიანის საქმიანობის შედეგად, რაც მიგვიყვანს ყველა წყაროდან (ადამიანი + გარემო) გადათვლით ატმოსფეროში გამოტყორცნის მაჩვენებლის გაორმაგებამდე ან გასამმაგებამდე. ვინაიდან მოლეკულური წყალბადი თავისუფლად გადაადგილდება ზემოთ და ერევა სტრატოსფერულ ჰაერს, შედეგი იქნება მაღალ სიმაღლეებზე დამატებითი წყლის წარმოქმნა, რაც გამოიწვევს სტრატოსფეროს გაზრდილ დატენიანებას. ამან, თავის მხრივ, შესაძლოა გამოიწვიოს ქვედა სტრატოსფეროს გაციება და ოზონის ქიმიის მოშლა, რომელიც დამოკიდებულია ქიმიურ რეაქციათა ჯაჭვზე, რომელშიც მონაწილეობენ: მარილმჟავა და ქლორის ნიტრატი წყლის ყინულზე (hydrochloric acid and chlorine nitrate on water ice). იმისდა მიხედვით, თუ რამდენი წყალბადი ხვდება სტრატოსფეროში (ანთროპოგენური + ბუნებრივი ფაქტორები), არსებობს ატმოსფერული მოდელირების პროგრამა, რომელიც განიხილავს სხვადასხვა სცენარებს და საზღვრავს, თუ რა პოტენციური ზიანი შეიძლება მოუტანოს წყალბადმა სტრატოსფეროში ოზონის კონცენტრაციის ცვლილებას.
წყალბადის საწვავზე მომუშავე საწვავი ელემენტის მქონე ავტომობილი არანაირ გავლენას არ ახდენს გარემოზე. ენერგია წარმოიქმნება წყალბადისა და ჟანგბადის ურთიერთქმედების შედეგად, ხოლო გამონაბოლქვი არის — წყალი. წყალბადის საწვავის მიღება შესაძლოა რამდენიმე წყაროდან [3]. ბირთვული ენერგია შესაძლოა იქნას გამოყენებული ელექტროენერგიის საწარმოებლად, რომელიც აუცილებელია წყლის გახლეჩვისათვის, ასევე, აუცილებელი ელექტროენერგია შესაძლოა მიღებულ იქნას განახლებადი წყაროებიდან, როგორებიცაა მზის ენერგია [4] და ქარის ენერგია. შედარებისათვის, შიდა წვის ძრავა იყენებს წიაღისეულ საწვავს და წარმოქმნის ბევრ დამაბინძურებელს, მათ შორისაა ჭვარტლი, აზოტისა და გოგირდის მავნე ოქსიდები, ასევე სათბურის აირი — ნახშირორჟანგი. ამ დროს, წყალბადის საწვავი ელემენტები — ალბათ გააუმჯობესებენ ქალაქის ჰაერს, თუმცა აქვთ წყალბადის საწვავის ავტომობილებიდან, საწარმოო ობიექტებიდან და საწვავის სატრანსპორტო საშუალებებიდან გამოჟონვის პოტენციური რისკი.
მეცნიერებს წყალბადის მიმოქცევის ციკლზე ჯერ სრული ინფორმაცია არ აქვთ, ამიტომ ცოტა ბუნდოვანი რჩება მისი ატმოსფეროზე გავლენის საკითხი [5]. ამბობენ, რომ ასეთი გამონაჟონები შესაძლოა დაგროვდნენ ჰაერში. ასეთი დაგროვება გამოიწვევს რამდენიმე შედეგს, რომელთაგან ყველაზე მნიშვნელოვანია ატმოსფეროს ზედა ფენების დატენიანება, გაციება და, ირიბად, ოზონის დაშლა. ამ მხრივ წყალბადი ემსგავსება ქლოროფთორონახშირწყალბადებს, რომლებიც გამოიყენებოდნენ სტანდარტული კონდიცირებისა და გაციების საშუალებად. დღევანდელი სიტუაცია უნიკალურია იმით, რომ საზოგადოებას საშუალება აქვს წყალბადის ეკონომიკის გაზრდამდე გაიგოს გარემოზე პოტენციური ზემოქმედების შედეგები. ეს შემთხვევა განსხვავდება მაგ.: ნახშირბადის დიოქსიდის, მეთილბრომიდის, ტყვიის შემთხვევებისგან, რომლითაც ადამიანების მიერ ბევრად ადრე იქნა გარემო დაბინძურებული, ვიდრე მისი შედეგები იქნებოდა გაანალიზებული და შემდგომ შესწავლილი.
შეჯამება
ორგანული დამაბინძურებლებისა და აზოტის ოქსიდების (რომლებიც წარმოიქმნებიან წიაღისეული საწვავის წვისას) დაშლამ ატმოსფეროს ქვედა ფენებში (ტროპოსფეროში) მზის სინათლის მიერ შესაძლოა მიგვიყვანოს ჭარბი ოზონის ფორმირებამდე (ფოტოქიმიური სმოგი). ამ ოზონმა შეიძლება დააზიანოს მცენარეული საფარი, სამშენებლო მასალები და ადამიანის ჯანმრთელობა. ტროპოსფეროს ზედა ფენებში ოზონმა შესაძლოა ითამაშოს სათბურის აირის როლი, რომელიც გავლენას მოახდენს კლიმატზე; ამიტომ წიაღისეული საწვავის წყალბადით ჩანაცვლებამ უნდა მოხსნას ეს პრობლემები, როგორც დამაბინძურებლების შემცირების პირდაპირმა გზამ, თუმცა სიტუაციას ართულებს ის, რომ წყალბადი მოქმედებს ატმოსფეროს აღდგენით უნარზე და, შესაბამისად, ატმოსფეროში არსებობით მოქმედებს დაშლის პროცესებზე, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ოზონი.
მიუხედავად იმისა, რომ წყალბადი გვხვდება ატმოსფეროში, წყალბადის პირდაპირი გამონაბოლქვების გაზრდამ ატმოსფეროში ადამიანური საქმიანობის შედეგად შესაძლოა შეცვალოს ატმოსფეროს ჩვეული ქიმიური შემადგელობა და გააღვივოს პრობლემები, რომელიც დაკავშირებულია ფოტოქიმიურ დაბინძურებასა (ოზონი) და კლიმატის ცვლილებასთან, განსაკუთრებით თუ ორგანული დამბინძურებლების დიდი რაოდენობა აგრძელებს გამოტყორცნას ატმოსფეროში, მათ შორის წყალბადის ეკონომიკისას. წყალბადის ზემოქმედებას ატმოსფეროს ზედა ფენებზე (სტრატოსფეროზე) ასევე დიდი მნიშვნელობა აქვს, ვინაიდან მან შესაძლოა ხელი შეუწყოს ოზონის კატალიზურ დაშლას და გამოიწვიოს აღრევა იმ ზომებთან მიმართებაში, რომელსაც მიმართავენ ხოლმე მონრეალის პროტოკოლის შესაბამისად.
ამ პრობლემის სრული მასშტაბით მოცვა საკმაოდ რთულია ზედმიწევნითი ღრმა კვლევების ჩატარების გარეშე. საბოლოო ჯამში, სრულიად შესაძლებელია, რომ წიაღისეული საწვავის ჩანაცვლებამ წყალბადით დადებითად იმოქმედოს გარემოზე როგორც ფოტოქიმიური სმოგის შემცირების მხრივ, ასევე, კლიმატის ცვლილების მხრივ. ოზონის შრეზე ნეგატიურ ზემოქმედებას შესაძლოა ჰქონდეს ადგილი, რომელიც, სავარაუდოდ, იქნება უმნიშვნელო, თუმცა გახდება ყურადსაღები, თუ წყალბადი გამოყენებული იქნება საავიაციო საწვავადაც. ატმოსფეროში მიმდინარე ქიმიური რეაქციების შედარებით რთული ბუნების გამო, ჩვენ არ შეგვიძლია ვიყოთ დარწმუნებული ამ ვარაუდებში ფართომასშტაბიანი მოდელირების ჩატარების გარეშე.
სამომავლო პერსპექტივა
საწვავი ელემენტები წარმოადგენენ ენერგიის გარდაქმნის პერსპექტიულ საშუალებას მობილურ, პორტატულ და სტაციონარულ მოწყობილობებში გამოყენებისათვის; თუმცა ტექნოლოგიის ეკოლოგიური შეფასებისათვის აუცილებელია მთლიანი სასიცოცხლო ციკლის შესწავლა, რათა დავრწმუნდეთ, რომ არცერთი ეკოლოგიური ასპექტი არ რჩება ყურადღების გარეშე. სტაციონარულ მოწყობილობებში საწვავ ელემენტზე მომუშავე ელექტროსადგურის პოტენციურად მაღალი ელექტრული ეფექტურობა (განსაკუთრებით მაღალტემპერატურული საწვავი ელემენტის) მას აყენებს უპირატეს მდგომარეობაში სათბურის აირების გამოტყორცნის მხრივ კონკურირებად ტექნოლოგიებთან შედარებით. შემდგომი უპირატესობები მიიღწევა თუ ერთდროულად მოხდება არა მხოლოდ ელექტრული, არამედ საერთო ეფექტურობის გაზრდაც. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია დაბალტემპერატურული საწვავი ელემენტებისათვის.
ლიტერატურა
- Simmonds, P. G., Derwent, R. G., O Doherty, S., Ryall, D. B., Steele, L. P., Langenfelds, R. L., ... & Hudson, L. E. (2000). Continuous high‐frequency observations of hydrogen at the Mace Head baseline atmospheric monitoring station over the 1994–1998 period. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 105(D10), 12105-12121.
- Tromp, T. K., Shia, R. L., Allen, M., Eiler, J. M., & Yung, Y. L. (2003). Potential environmental impact of a hydrogen economy on the stratosphere. Science, 300(5626), 1740-1742.
- Baykara, S. Z. (2018). Hydrogen: a brief overview on its sources, production and environmental impact. International Journal of Hydrogen Energy, 43(23), 10605-10614.
- Nowotny, J., & Veziroglu, T. N. (2011). Impact of hydrogen on the environment. International Journal of Hydrogen Energy, 36(20), 13218-13224.
- Caliskan, H., Dincer, I., & Hepbasli, A. (2013). Exergoeconomic and environmental impact analyses of a renewable energy based hydrogen production system. International Journal of Hydrogen Energy, 38(14), 6104-6111.
გამოქვეყნებულია: 24-12-2020