Over de volgende generatie energie waterstof

We zullen ‘waterstof’ introduceren, de volgende energiegeneratie die CO2-neutraal is. Waterstof is onderverdeeld in drie soorten: ‘groene waterstof’, ‘blauwe waterstof’ en ‘grijze waterstof’, die elk een andere productiemethode hebben. We zullen ook elke productiemethode, fysieke eigenschappen als elementen, opslag-/transportmethoden en gebruiksmethoden uitleggen. En ik zal ook introduceren waarom het de dominante energiebron van de volgende generatie is.

Elektrolyse van water om groene waterstof te produceren

Bij het gebruik van waterstof is het sowieso belangrijk om ‘waterstof te produceren’. De eenvoudigste manier is om “water te elektrolyseren”. Misschien heb je dat wel gedaan op de lagere school. Vul het bekerglas met water en de elektroden in water. Wanneer een batterij op de elektroden wordt aangesloten en van stroom wordt voorzien, vinden de volgende reacties plaats in het water en in elke elektrode.
Aan de kathode combineren H+ en elektronen om waterstofgas te produceren, terwijl de anode zuurstof produceert. Toch is deze aanpak prima voor wetenschappelijke experimenten op scholen, maar om waterstof industrieel te produceren moeten efficiënte mechanismen worden voorbereid die geschikt zijn voor grootschalige productie. Dat is “polymeerelektrolytmembraan (PEM) elektrolyse”.
Bij deze methode wordt een semipermeabel polymeermembraan dat de doorgang van waterstofionen mogelijk maakt, ingeklemd tussen een anode en een kathode. Wanneer water in de anode van het apparaat wordt gegoten, bewegen waterstofionen, geproduceerd door elektrolyse, door een semipermeabel membraan naar de kathode, waar ze moleculaire waterstof worden. Aan de andere kant kunnen zuurstofionen niet door het semipermeabele membraan gaan en bij de anode zuurstofmoleculen worden.
Ook bij alkalische waterelektrolyse creëer je waterstof en zuurstof door de anode en kathode te scheiden via een separator waar alleen hydroxide-ionen doorheen kunnen. Daarnaast zijn er industriële methoden zoals stoomelektrolyse op hoge temperatuur.
Door deze processen op grote schaal uit te voeren kunnen grote hoeveelheden waterstof worden verkregen. Daarbij wordt ook een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof geproduceerd (de helft van het geproduceerde volume waterstof), zodat dit geen nadelige gevolgen voor het milieu zou hebben als het in de atmosfeer terecht zou komen. Voor elektrolyse is echter veel elektriciteit nodig, dus koolstofvrije waterstof kan geproduceerd worden als het geproduceerd wordt met elektriciteit die geen gebruik maakt van fossiele brandstoffen, zoals windturbines en zonnepanelen.
Je kunt ‘groene waterstof’ verkrijgen door water te elektrolyseren met behulp van schone energie.

Ook staat er een waterstofgenerator voor grootschalige productie van deze groene waterstof. Door PEM toe te passen in de elektrolysesectie kan er continu waterstof geproduceerd worden.

Blauwe waterstof gemaakt van fossiele brandstoffen

Wat zijn andere manieren om waterstof te maken? Waterstof komt voor in fossiele brandstoffen zoals aardgas en steenkool als andere stoffen dan water. Denk bijvoorbeeld aan methaan (CH4), het hoofdbestanddeel van aardgas. Er zijn hier vier waterstofatomen. Je kunt waterstof verkrijgen door deze waterstof eruit te halen.
Eén daarvan is een proces dat ‘steam methaan reforming’ wordt genoemd en waarbij gebruik wordt gemaakt van stoom. De chemische formule van deze methode is als volgt.
Zoals je kunt zien, kunnen koolmonoxide en waterstof uit één enkel methaanmolecuul worden gewonnen.
Op deze manier kan waterstof worden geproduceerd via processen zoals ‘steam reforming’ en ‘pyrolyse’ van aardgas en steenkool. ‘Blauwe waterstof’ verwijst naar waterstof die op deze manier wordt geproduceerd.
In dit geval ontstaan ​​echter koolmonoxide en kooldioxide als bijproducten. Je moet ze dus recyclen voordat ze in de atmosfeer terechtkomen. Het bijproduct koolstofdioxide wordt, als het niet wordt teruggewonnen, waterstofgas, ook wel ‘grijze waterstof’ genoemd.

Wat voor soort element is waterstof?

Waterstof heeft atoomnummer 1 en is het eerste element in het periodiek systeem.
Het aantal atomen is het grootste in het universum en vertegenwoordigt ongeveer 90% van alle elementen in het universum. Het kleinste atoom bestaande uit een proton en een elektron is het waterstofatoom.
Waterstof heeft twee isotopen met neutronen aan de kern. Eén neutronengebonden “deuterium” en twee neutronengebonden “tritium”. Dit zijn ook materialen voor de opwekking van fusie-energie.
In een ster als de zon vindt kernfusie plaats van waterstof naar helium, de energiebron voor de ster om te kunnen schijnen.
Waterstof bestaat echter zelden als gas op aarde. Waterstof vormt verbindingen met andere elementen zoals water, methaan, ammoniak en ethanol. Omdat waterstof een licht element is, neemt de bewegingssnelheid van waterstofmoleculen toe naarmate de temperatuur stijgt en ontsnappen ze aan de zwaartekracht van de aarde naar de ruimte.

Hoe waterstof gebruiken? Gebruik door verbranding

Hoe wordt dan ‘waterstof’ gebruikt, dat wereldwijd de aandacht heeft getrokken als energiebron van de volgende generatie? Het wordt op twee manieren gebruikt: “verbranding” en “brandstofcel”. Laten we beginnen met het gebruik van "branden".
Er worden twee hoofdtypen verbranding gebruikt.
De eerste is als raketbrandstof. De Japanse H-IIA-raket gebruikt waterstofgas “vloeibare waterstof” en “vloeibare zuurstof”, dat zich ook in cryogene toestand bevindt, als brandstof. Deze twee worden gecombineerd, en de warmte-energie die op dat moment wordt gegenereerd, versnelt de injectie van de gegenereerde watermoleculen, die de ruimte in vliegen. Omdat het echter een technisch moeilijke motor is, behalve Japan, hebben alleen de Verenigde Staten, Europa, Rusland, China en India deze brandstof met succes gecombineerd.
De tweede is energieopwekking. Bij de energieopwekking door gasturbines wordt ook gebruik gemaakt van de methode waarbij waterstof en zuurstof worden gecombineerd om energie op te wekken. Met andere woorden, het is een methode die kijkt naar de thermische energie die waterstof produceert. In thermische elektriciteitscentrales produceert de warmte van de verbranding van steenkool, olie en aardgas stoom die turbines aandrijft. Als waterstof als warmtebron wordt gebruikt, is de elektriciteitscentrale CO2-neutraal.

Hoe waterstof gebruiken? Gebruikt als brandstofcel

Een andere manier om waterstof te gebruiken is als brandstofcel, waarbij waterstof direct wordt omgezet in elektriciteit. In het bijzonder heeft Toyota in Japan de aandacht getrokken door voertuigen op waterstof in plaats van elektrische voertuigen (EV's) aan te prijzen als alternatief voor benzinevoertuigen als onderdeel van de tegenmaatregelen tegen de opwarming van de aarde.
Concreet volgen we de omgekeerde procedure wanneer we de productiemethode van ‘groene waterstof’ introduceren. De chemische formule is als volgt.
Waterstof kan water (warm water of stoom) genereren en tegelijkertijd elektriciteit opwekken, en kan worden geëvalueerd omdat het geen belasting voor het milieu vormt. Aan de andere kant heeft deze methode een relatief lage energieopwekkingsefficiëntie van 30-40%, en vereist platina als katalysator, waardoor hogere kosten nodig zijn.
Momenteel gebruiken we polymeerelektrolytbrandstofcellen (PEFC) en fosforzuurbrandstofcellen (PAFC). Vooral brandstofcelvoertuigen maken gebruik van PEFC, dus het is te verwachten dat dit zich in de toekomst zal verspreiden.

Is waterstofopslag en -transport veilig?

We denken dat je inmiddels begrijpt hoe waterstofgas wordt gemaakt en gebruikt. Hoe sla je deze waterstof op? Hoe krijg je het waar je het nodig hebt? Hoe zit het met de veiligheid in die tijd? Wij leggen het uit.
In feite is waterstof ook een zeer gevaarlijk element. Aan het begin van de 20e eeuw gebruikten we waterstof als gas om ballonnen, ballonnen en luchtschepen in de lucht te laten zweven, omdat het erg licht was. Op 6 mei 1937 vond echter in New Jersey, VS, de “luchtschip Hindenburg-explosie” plaats.
Sinds het ongeval wordt algemeen erkend dat waterstofgas gevaarlijk is. Vooral als het vlam vat, zal het met zuurstof exploderen. Daarom is ‘wegblijven van zuurstof’ of ‘weghouden van hitte’ essentieel.
Na het nemen van deze maatregelen hebben wij een verzendmethode bedacht.
Waterstof is bij kamertemperatuur een gas, dus ook al is het nog steeds een gas, het is erg omvangrijk. De eerste methode is het toepassen van hoge druk en het comprimeren als een cilinder bij het maken van koolzuurhoudende dranken. Bereid een speciale hogedruktank voor en sla deze op onder hogedrukomstandigheden zoals 45Mpa.
Toyota, dat brandstofcelvoertuigen (FCV) ontwikkelt, ontwikkelt een hogedrukwaterstoftank van hars die een druk van 70 MPa kan weerstaan.
Een andere methode is om af te koelen tot -253°C om vloeibare waterstof te maken, en deze op te slaan en te transporteren in speciale, warmte-geïsoleerde tanks. Net als LNG (vloeibaar aardgas) wanneer aardgas uit het buitenland wordt geïmporteerd, wordt waterstof tijdens het transport vloeibaar gemaakt, waardoor het volume ervan wordt teruggebracht tot 1/800 van de gasvormige toestand. In 2020 voltooiden we 's werelds eerste vloeibare waterstofschip. Deze aanpak is echter niet geschikt voor brandstofcelvoertuigen, omdat er veel energie nodig is om te koelen.
Er bestaat een manier om waterstof in tanks op te slaan en te verschepen, maar we ontwikkelen ook andere manieren van waterstofopslag.
De opslagmethode is het gebruik van waterstofopslaglegeringen. Waterstof heeft de eigenschap metalen binnen te dringen en deze te verslechteren. Dit is een ontwikkelingstip die in de jaren zestig in de Verenigde Staten werd ontwikkeld. JJ Reilly et al. Experimenten hebben aangetoond dat waterstof kan worden opgeslagen en vrijgegeven met behulp van een legering van magnesium en vanadium.
Daarna ontwikkelde hij met succes een stof, zoals palladium, die waterstof 935 keer zijn eigen volume kan opnemen.
Het voordeel van het gebruik van deze legering is dat het waterstoflekkage-ongevallen (voornamelijk explosie-ongevallen) kan voorkomen. Daarom kan het veilig worden opgeslagen en vervoerd. Als u echter niet voorzichtig bent en het in de verkeerde omgeving laat staan, kunnen waterstofopslaglegeringen na verloop van tijd waterstofgas vrijgeven. Zelfs een kleine vonk kan een explosieongeval veroorzaken, dus wees voorzichtig.
Het heeft ook het nadeel dat herhaalde waterstofabsorptie en desorptie tot verbrossing leiden en de waterstofabsorptiesnelheid verminderen.
De andere is om pijpen te gebruiken. Voorwaarde is dat het niet gecomprimeerd en lage druk moet zijn om verbrossing van de leidingen te voorkomen, maar het voordeel is dat bestaande gasleidingen gebruikt kunnen worden. Tokyo Gas voerde bouwwerkzaamheden uit aan de Harumi FLAG, waarbij gebruik werd gemaakt van stadsgaspijpleidingen om waterstof aan brandstofcellen te leveren.

Toekomstige samenleving gecreëerd door waterstofenergie

Laten we tot slot eens kijken naar de rol die waterstof kan spelen in de samenleving.
Nog belangrijker is dat we een koolstofvrije samenleving willen bevorderen; we gebruiken waterstof om elektriciteit op te wekken in plaats van als warmte-energie.
In plaats van grote thermische energiecentrales hebben sommige huishoudens systemen geïntroduceerd zoals ENE-FARM, waarbij waterstof wordt gebruikt die wordt verkregen door aardgas te hervormen om de benodigde elektriciteit op te wekken. De vraag wat er met de bijproducten van het hervormingsproces moet gebeuren blijft echter bestaan.

Als de circulatie van waterstof zelf toeneemt, zoals het aantal waterstoftankstations toeneemt, zal het in de toekomst mogelijk zijn elektriciteit te gebruiken zonder kooldioxide uit te stoten. Elektriciteit produceert uiteraard groene waterstof en gebruikt daarom elektriciteit die is opgewekt uit zonlicht of wind. Het vermogen dat voor elektrolyse wordt gebruikt, moet het vermogen zijn om de hoeveelheid energieopwekking te onderdrukken of om de oplaadbare batterij op te laden als er sprake is van een overschot aan energie uit natuurlijke energie. Met andere woorden: de waterstof bevindt zich in dezelfde positie als de oplaadbare batterij. Als dit gebeurt, zal het uiteindelijk mogelijk zijn om de opwekking van thermische energie te verminderen. De dag waarop de verbrandingsmotor uit auto’s verdwijnt, nadert snel.

Waterstof kan ook via een andere route worden verkregen. In feite is waterstof nog steeds een bijproduct van de productie van natronloog. Het is onder meer een bijproduct van de cokesproductie bij de ijzerproductie. Als je deze waterstof in de distributie stopt, kun je meerdere bronnen krijgen. Het op deze manier geproduceerde waterstofgas wordt ook geleverd door waterstofstations.

Laten we verder in de toekomst kijken. De hoeveelheid verloren energie is ook een probleem bij de transmissiemethode waarbij draden worden gebruikt om stroom te leveren. Daarom zullen we in de toekomst de waterstof gebruiken die via pijpleidingen wordt aangevoerd, net zoals de koolzuurtanks die worden gebruikt bij het maken van koolzuurhoudende dranken, en thuis een waterstoftank kopen om elektriciteit op te wekken voor elk huishouden. Mobiele apparaten die op waterstofbatterijen werken, worden gemeengoed. Het zal interessant zijn om zo’n toekomst te zien.