Over de volgende generatie energie: waterstof.

We introduceren waterstof, de volgende generatie energie die CO2-neutraal is. Waterstof wordt onderverdeeld in drie soorten: groene waterstof, blauwe waterstof en grijze waterstof, die elk op een andere manier worden geproduceerd. We zullen elke productiemethode, de fysische eigenschappen van de elementen, de opslag- en transportmethoden en de gebruikswijzen toelichten. Daarnaast zal ik uitleggen waarom waterstof 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 door water te elektrolyseren. Misschien heb je dat wel eens gedaan bij scheikunde op de basisschool. Vul een bekerglas met water en plaats elektroden in het water. Wanneer een batterij op de elektroden wordt aangesloten en onder spanning wordt gezet, vinden de volgende reacties plaats in het water en in elke elektrode.
Aan de kathode combineren H+ en elektronen zich tot waterstofgas, terwijl de anode zuurstof produceert. Deze aanpak is prima voor scheikunde-experimenten op school, maar voor de industriële productie van waterstof zijn efficiënte mechanismen nodig die geschikt zijn voor grootschalige productie. Dat is "polymeer-elektrolytmembraan (PEM)-elektrolyse".
Bij deze methode wordt een semipermeabel polymeermembraan, dat waterstofionen doorlaat, tussen een anode en een kathode geplaatst. Wanneer water in de anode van het apparaat wordt gegoten, bewegen de door elektrolyse geproduceerde waterstofionen door het semipermeabele membraan naar de kathode, waar ze moleculaire waterstof worden. Zuurstofionen daarentegen kunnen niet door het semipermeabele membraan heen en worden aan de anode omgezet in zuurstofmoleculen.
Ook bij alkalische water-elektrolyse worden waterstof en zuurstof gevormd door de anode en kathode te scheiden met behulp van een separator waar alleen hydroxide-ionen doorheen kunnen. Daarnaast bestaan ​​er industriële methoden zoals elektrolyse met hogetemperatuurstoom.
Door deze processen op grote schaal uit te voeren, kunnen grote hoeveelheden waterstof worden verkregen. Tijdens dit proces wordt ook een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof geproduceerd (de helft van het volume waterstof), waardoor het geen nadelige gevolgen voor het milieu zou hebben als het in de atmosfeer terechtkomt. Elektrolyse vereist echter veel elektriciteit, dus koolstofvrije waterstof kan worden geproduceerd met elektriciteit die geen fossiele brandstoffen gebruikt, zoals windturbines en zonnepanelen.
Je kunt "groene waterstof" verkrijgen door water te elektrolyseren met behulp van schone energie.

Er is ook een waterstofgenerator voor de grootschalige productie van deze groene waterstof. Door gebruik te maken van PEM in het elektrolysegedeelte kan waterstof continu worden geproduceerd.

Blauwe waterstof, gemaakt van fossiele brandstoffen.

Dus, op welke andere manieren kan waterstof worden geproduceerd? Waterstof komt voor in fossiele brandstoffen zoals aardgas en steenkool, als een stof die losstaat van water. Neem bijvoorbeeld methaan (CH4), het belangrijkste bestanddeel van aardgas. Dit bevat vier waterstofatomen. Door deze waterstofatomen te verwijderen, kun je waterstof verkrijgen.
Een van deze processen is "stoommethaanreforming", waarbij stoom wordt gebruikt. De chemische formule van deze methode is als volgt.
Zoals je ziet, kunnen koolmonoxide en waterstof uit één enkel methaanmolecuul worden gewonnen.
Op deze manier kan waterstof worden geproduceerd via processen zoals stoomreforming en pyrolyse van aardgas en steenkool. "Blauwe waterstof" verwijst naar waterstof die op deze manier wordt geproduceerd.
In dit geval worden echter koolmonoxide en kooldioxide als bijproducten geproduceerd. Deze moeten dus worden gerecycled voordat ze in de atmosfeer terechtkomen. Het bijproduct kooldioxide wordt, indien niet teruggewonnen, omgezet in waterstofgas, ook wel bekend als "grijze waterstof".

Wat voor soort element is waterstof?

Waterstof heeft atoomnummer 1 en is het eerste element in het periodiek systeem.
Het aantal atomen is het grootst in het universum, goed voor ongeveer 90% van alle elementen. Het kleinste atoom, bestaande uit een proton en een elektron, is het waterstofatoom.
Waterstof heeft twee isotopen met neutronen aan de kern gebonden. Eén neutron-gebonden "deuterium" en twee neutron-gebonden "tritium". Deze materialen worden ook gebruikt voor de opwekking van energie door middel van kernfusie.
Binnenin een ster zoals de zon vindt kernfusie plaats, waarbij waterstof wordt omgezet in helium. Dit is de energiebron waardoor de ster licht kan uitstralen.
Waterstof komt echter zelden als gas voor 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, waardoor ze aan de zwaartekracht van de aarde ontsnappen en de ruimte in vluchten.

Hoe gebruik je waterstof? Gebruik door verbranding

Hoe wordt waterstof, dat wereldwijd de aandacht heeft getrokken als energiebron van de volgende generatie, dan gebruikt? Het wordt op twee manieren gebruikt: door verbranding en in brandstofcellen. Laten we beginnen met het gebruik van verbranding.
Er worden twee hoofdtypen verbranding gebruikt.
De eerste toepassing is als raketbrandstof. De Japanse H-IIA-raket gebruikt waterstofgas ("vloeibare waterstof") en "vloeibare zuurstof", die zich in een cryogene toestand bevindt, als brandstof. Deze twee worden gecombineerd, en de daarbij vrijgekomen warmte-energie versnelt de injectie van de gevormde watermoleculen, waardoor de raket de ruimte in wordt gelanceerd. Omdat het echter een technisch complexe motor is, is het, afgezien van Japan, alleen de Verenigde Staten, Europa, Rusland, China en India gelukt om deze brandstofcombinatie succesvol te realiseren.
De tweede is energieopwekking. Bij energieopwekking met gasturbines wordt ook gebruikgemaakt van de combinatie van waterstof en zuurstof om energie te genereren. Met andere woorden, het is een methode die kijkt naar de thermische energie die door waterstof wordt geproduceerd. In thermische centrales produceert de warmte van de verbranding van kolen, olie en aardgas stoom die turbines aandrijft. Als waterstof als warmtebron wordt gebruikt, is de energiecentrale CO2-neutraal.

Hoe gebruik je waterstof? Gebruikt als brandstofcel

Een andere manier om waterstof te gebruiken is in een brandstofcel, die waterstof rechtstreeks omzet in elektriciteit. Met name Toyota heeft in Japan de aandacht getrokken door waterstofvoertuigen in plaats van elektrische voertuigen (EV's) aan te prijzen als alternatief voor benzineauto's, als onderdeel van hun maatregelen tegen de opwarming van de aarde.
Concreet voeren we de omgekeerde procedure uit wanneer we de productiemethode van "groene waterstof" introduceren. De chemische formule is als volgt.
Waterstof kan water (warm water of stoom) produceren en tegelijkertijd elektriciteit opwekken, en het is een aantrekkelijke optie omdat het geen belasting voor het milieu vormt. Aan de andere kant heeft deze methode een relatief laag rendement van 30-40% en vereist platina als katalysator, wat de kosten verhoogt.
Momenteel maken we gebruik van polymeer-elektrolyt-brandstofcellen (PEFC) en fosforzuur-brandstofcellen (PAFC). Vooral voertuigen met brandstofcellen gebruiken PEFC's, dus de verwachting is dat deze technologie zich in de toekomst verder zal verspreiden.

Is de opslag en het transport van waterstof veilig?

Inmiddels begrijpt u waarschijnlijk wel hoe waterstofgas wordt gemaakt en gebruikt. Maar hoe slaat u die waterstof op? Hoe krijgt u het op de plek waar u het nodig hebt? En hoe zit het met de beveiliging? Dat leggen we uit.
Sterker nog, waterstof is ook een zeer gevaarlijk element. Aan het begin van de 20e eeuw gebruikten we waterstof als gas om ballonnen, luchtschepen en andere luchtvaartuigen in de lucht te laten zweven, omdat het erg licht was. Op 6 mei 1937 vond echter in New Jersey, VS, de "luchtschipramp met de Hindenburg" plaats.
Sinds het ongeluk is algemeen bekend dat waterstofgas gevaarlijk is. Vooral bij ontsteking kan het heftig exploderen met zuurstof. Daarom is het essentieel om waterstofgas uit de buurt van zuurstof of warmte te houden.
Na deze stappen te hebben genomen, hebben we een verzendmethode bedacht.
Waterstof is bij kamertemperatuur een gas, dus hoewel het nog steeds een gas is, neemt het veel ruimte in beslag. De eerste methode is om het gas onder hoge druk te comprimeren, zoals in een cilinder, bij het maken van koolzuurhoudende dranken. Bereid een speciale hogedruktank voor en bewaar het gas onder hoge druk, bijvoorbeeld 45 MPa.
Toyota, de ontwikkelaar van brandstofcelvoertuigen (FCV's), ontwikkelt een hogedruk-waterstoftank van kunsthars die een druk van 70 MPa kan weerstaan.
Een andere methode is om waterstof af te koelen tot -253 °C om vloeibare waterstof te produceren, die vervolgens wordt opgeslagen en vervoerd in speciale, warmte-geïsoleerde tanks. Net als LNG (vloeibaar aardgas) bij de import van aardgas, wordt waterstof tijdens het transport vloeibaar gemaakt, waardoor het volume wordt gereduceerd tot 1/800 van de gasvormige toestand. In 2020 voltooiden we 's werelds eerste tanker voor vloeibare waterstof. Deze aanpak is echter niet geschikt voor brandstofcelvoertuigen, omdat er veel energie nodig is om de tank af te koelen.
Er bestaat een methode om waterstof in dit soort tanks op te slaan en te vervoeren, maar we ontwikkelen ook andere methoden voor waterstofopslag.
De opslagmethode maakt gebruik van waterstofopslaglegeringen. Waterstof heeft de eigenschap metalen te doordringen en aan te tasten. Dit is een ontwikkelingstip die in de jaren zestig in de Verenigde Staten is ontwikkeld. Experimenten van JJ Reilly et al. 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 935 keer zijn eigen volume aan waterstof kan absorberen.
Het voordeel van deze legering is dat het waterstoflekkages (vooral explosies) kan voorkomen. Daardoor kan het veilig worden opgeslagen en vervoerd. Echter, als u niet voorzichtig bent en het in een ongeschikte omgeving bewaart, kunnen waterstofopslaglegeringen na verloop van tijd waterstofgas vrijgeven. Zelfs een kleine vonk kan een explosie veroorzaken, dus wees voorzichtig.
Het heeft ook als nadeel dat herhaaldelijke waterstofabsorptie en -desorptie leiden tot verbrossing en de waterstofabsorptiesnelheid verlagen.
Een andere mogelijkheid is het gebruik van leidingen. De voorwaarde is dat de waterstof niet gecomprimeerd mag zijn en onder lage druk moet worden aangevoerd om brosheid van de leidingen te voorkomen, maar het voordeel is dat bestaande gasleidingen kunnen worden hergebruikt. Tokyo Gas heeft bijvoorbeeld bouwwerkzaamheden uitgevoerd aan de Harumi FLAG, waarbij gebruik werd gemaakt van stadsgasleidingen om waterstof aan brandstofcellen te leveren.

Toekomstige samenleving gecreëerd door waterstofenergie

Laten we tot slot eens kijken naar de rol die waterstof in de samenleving kan spelen.
Belangrijker nog 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 centrales hebben sommige huishoudens systemen zoals ENE-FARM geïntroduceerd, die waterstof, verkregen door de reformering van aardgas, gebruiken om de benodigde elektriciteit op te wekken. De vraag wat er met de bijproducten van het reformeringproces moet gebeuren, blijft echter onbeantwoord.

In de toekomst, als de circulatie van waterstof toeneemt, bijvoorbeeld door een stijging van het aantal waterstoftankstations, zal het mogelijk zijn om elektriciteit te gebruiken zonder CO2-uitstoot. Groene waterstof wordt natuurlijk opgewekt met elektriciteit uit zonlicht of wind. De energie die voor elektrolyse wordt gebruikt, zou de elektriciteitsproductie moeten compenseren of de oplaadbare batterij moeten opladen wanneer er een overschot aan natuurlijke energie is. Met andere woorden, waterstof neemt dezelfde positie in als de oplaadbare batterij. Als dit gebeurt, zal het uiteindelijk mogelijk zijn om de thermische energieproductie te verminderen. De dag waarop de verbrandingsmotor uit auto's verdwijnt, komt snel dichterbij.

Waterstof kan ook via een andere route worden verkregen. Waterstof is namelijk nog steeds een bijproduct van de productie van natriumhydroxide. Het is onder andere een bijproduct van de cokesproductie in de ijzerindustrie. Als je deze waterstof in de distributie brengt, kun je meerdere bronnen aanboren. Op deze manier geproduceerd waterstofgas wordt ook geleverd door waterstofstations.

Laten we eens verder in de toekomst kijken. Het energieverlies is ook een probleem bij de transmissiemethode waarbij elektriciteit via kabels wordt geleverd. Daarom zullen we in de toekomst waterstof via pijpleidingen aanvoeren, net zoals we koolzuur gebruiken in frisdranken, en thuis een waterstoftank aanschaffen om elektriciteit voor elk huishouden op te wekken. Mobiele apparaten die op waterstofbatterijen werken, worden steeds gangbaarder. Het zal interessant zijn om te zien hoe die toekomst eruitziet.