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 een andere productiemethode hebben. We zullen ook elke productiemethode, de fysische eigenschappen van elementen, opslag-/transportmethoden en gebruiksmethoden toelichten. En ik zal ook uitleggen 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 makkelijkste manier is om "water te elektrolyseren". Misschien heb je dat wel eens op de basisschool gedaan. Vul de beker met water en de elektroden in 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 om waterstofgas te produceren, terwijl de anode zuurstof produceert. Deze aanpak is prima voor wetenschappelijke experimenten op school, maar om waterstof industrieel te produceren, moeten efficiënte mechanismen worden ontwikkeld die geschikt zijn voor grootschalige productie. Dat is "polymeer-elektrolytmembraan (PEM)-elektrolyse".
Bij deze methode wordt een semipermeabel polymeermembraan, dat de doorgang van waterstofionen mogelijk maakt, tussen een anode en een kathode geplaatst. Wanneer water in de anode van het apparaat wordt gegoten, bewegen de door elektrolyse geproduceerde waterstofionen zich door een semipermeabel membraan naar de kathode, waar ze moleculaire waterstof worden. Zuurstofionen daarentegen kunnen niet door het semipermeabele membraan en worden aan de anode omgezet in zuurstofmoleculen.
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 bestaan er industriële methoden zoals hogetemperatuurstoomelektrolyse.
Door deze processen op grote schaal uit te voeren, kunnen grote hoeveelheden waterstof worden gewonnen. Daarbij komt ook een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof vrij (de helft van het geproduceerde waterstofvolume), waardoor het geen nadelige gevolgen voor het milieu heeft 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’ krijgen door water te elektrolyseren met behulp van schone energie.
Er is ook een waterstofgenerator voor grootschalige productie van deze groene waterstof. Door gebruik te maken van PEM in de elektrolysersectie kan waterstof continu worden geproduceerd.
Blauwe waterstof gemaakt van fossiele brandstoffen
Dus, wat zijn andere manieren om waterstof te maken? Waterstof komt in fossiele brandstoffen zoals aardgas en steenkool voor als andere stoffen dan water. Neem bijvoorbeeld methaan (CH4), het hoofdbestanddeel van aardgas. Er zijn hier vier waterstofatomen. Je kunt waterstof verkrijgen door deze waterstof eruit te halen.
Een daarvan is een proces genaamd "stoommethaanreforming", waarbij stoom wordt gebruikt. De chemische formule van deze methode is als volgt.
Zoals u ziet, kunnen koolmonoxide en waterstof uit één methaanmolecuul worden gehaald.
Op deze manier kan waterstof worden geproduceerd via processen zoals 'stoomreforming' en 'pirolyse' van aardgas en steenkool. 'Blauwe waterstof' verwijst naar waterstof die op deze manier wordt geproduceerd.
In dit geval worden koolmonoxide en kooldioxide echter als bijproducten geproduceerd. Je moet ze dus recyclen voordat ze in de atmosfeer terechtkomen. Het bijproduct kooldioxide wordt, indien niet 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 grootst in het heelal en vertegenwoordigt ongeveer 90% van alle elementen in het heelal. Het kleinste atoom, bestaande uit een proton en een elektron, is het waterstofatoom.
Waterstof heeft twee isotopen met neutronen aan de kern: één met neutronenbinding (deuterium) en twee met neutronenbinding (tritium). Dit zijn ook materialen voor kernfusie-energieopwekking.
In een ster als de zon vindt kernfusie van waterstof tot helium plaats. Helium is de energiebron die de ster laat stralen.
Waterstof komt echter zelden voor 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 "waterstof", dat wereldwijd de aandacht trekt als energiebron van de volgende generatie, dan gebruikt? Het wordt hoofdzakelijk op twee manieren gebruikt: "verbranding" en "brandstofcel". Laten we beginnen met het gebruik van "verbranden".
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 eveneens in cryogene toestand bevindt, als brandstof. Deze twee worden gecombineerd, en de daarbij gegenereerde warmte-energie versnelt de injectie van de gegenereerde watermoleculen, die vervolgens de ruimte in vliegen. Omdat het echter een technisch complexe motor is, hebben, afgezien van Japan, alleen de Verenigde Staten, Europa, Rusland, China en India deze brandstof succesvol gecombineerd.
De tweede is energieopwekking. Ook bij gasturbines wordt energie opgewekt door waterstof en zuurstof te combineren. Met andere woorden, het is een methode die rekening houdt met de thermische energie die waterstof produceert. In thermische energiecentrales 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 waterstof gebruiken? Gebruikt als brandstofcel
Een andere manier om waterstof te gebruiken is als brandstofcel, die waterstof direct omzet in elektriciteit. Toyota heeft met name in Japan de aandacht getrokken door waterstofvoertuigen aan te prijzen als alternatief voor benzinevoertuigen in plaats van elektrische voertuigen (EV's) als onderdeel van zijn maatregelen tegen de opwarming van de aarde.
Concreet volgen we de omgekeerde procedure wanneer we de productiemethode voor "groene waterstof" introduceren. De chemische formule is als volgt.
Waterstof kan water (heet water of stoom) genereren en tegelijkertijd elektriciteit opwekken, en is daarom milieuvriendelijk. Aan de andere kant heeft deze methode een relatief laag rendement van 30-40% en is platina als katalysator nodig, wat hogere kosten met zich meebrengt.
Momenteel gebruiken we polymeer-elektrolytbrandstofcellen (PEFC) en fosforzuurbrandstofcellen (PAFC). Met name voertuigen met brandstofcellen gebruiken PEFC, dus het is te verwachten dat dit in de toekomst steeds meer zal voorkomen.
Is waterstofopslag en -transport veilig?
We denken dat je nu wel begrijpt hoe waterstofgas wordt gemaakt en gebruikt. Maar hoe sla je waterstof op? Hoe krijg je het waar je het nodig hebt? Hoe zit het dan met de veiligheid? We leggen het je uit.
Waterstof is zelfs een zeer gevaarlijk element. Aan het begin van de 20e eeuw gebruikten we waterstof als gas om ballonnen, luchtballonnen en luchtschepen 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 ongeluk is algemeen bekend dat waterstofgas gevaarlijk is. Vooral wanneer het vlam vat, zal het heftig exploderen met zuurstof. Daarom is "verwijderd houden van zuurstof" of "verwijderd houden van hitte" essentieel.
Nadat we deze maatregelen hadden genomen, kwamen we op een verzendmethode.
Waterstof is een gas bij kamertemperatuur, dus hoewel het nog steeds een gas is, is het erg volumineus. De eerste methode is om hoge druk toe te passen en het samen te drukken als een cilinder bij het maken van koolzuurhoudende dranken. Maak een speciale hogedruktank en bewaar deze onder hoge druk, bijvoorbeeld 45 MPa.
Toyota, dat voertuigen met brandstofcellen (FCV) ontwikkelt, ontwikkelt een waterstoftank van hars met hoge druk 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 vervolgens op te slaan en te transporteren in speciale warmte-geïsoleerde tanks. Net als LNG (vloeibaar aardgas) wordt waterstof tijdens het transport vloeibaar gemaakt wanneer aardgas uit het buitenland wordt geïmporteerd, waardoor het volume wordt teruggebracht tot 1/800 van de gasvormige toestand. In 2020 voltooiden we 's werelds eerste vloeibare waterstoftank. Deze aanpak is echter niet geschikt voor voertuigen met brandstofcellen, omdat er veel energie nodig is om de waterstof te koelen.
Er bestaat een methode om waterstof in dergelijke tanks op te slaan en te transporteren, maar we ontwikkelen ook andere methoden voor waterstofopslag.
De opslagmethode bestaat uit het gebruik van waterstofopslaglegeringen. Waterstof heeft de eigenschap metalen te penetreren en te verslechteren. Dit is een ontwikkelingstip die in de jaren 60 in de Verenigde Staten werd ontwikkeld. J.J. Reilly et al. Experimenten hebben aangetoond dat waterstof kan worden opgeslagen en vrijgegeven met behulp van een legering van magnesium en vanadium.
Daarna slaagde hij erin een stof te ontwikkelen, zoals palladium, die 935 keer zijn eigen volume aan waterstof kan absorberen.
Het voordeel van deze legering is dat het waterstoflekkage (met name explosies) kan voorkomen. Het kan daarom veilig worden opgeslagen en getransporteerd. Als u echter niet voorzichtig bent en het in de verkeerde omgeving achterlaat, kunnen waterstofopslaglegeringen na verloop van tijd waterstofgas vrijgeven. Zelfs een kleine vonk kan een explosie veroorzaken, dus wees voorzichtig.
Het heeft ook het nadeel dat herhaaldelijke waterstofabsorptie en -desorptie tot verbrossing leidt en de waterstofabsorptiesnelheid verlaagt.
De andere optie is het gebruik van leidingen. Voorwaarde is wel dat deze niet-gecomprimeerd en onder lage druk mogen zijn om verbrossing van de leidingen te voorkomen, maar het voordeel is dat bestaande gasleidingen gebruikt kunnen worden. Tokyo Gas heeft de aanleg van de Harumi FLAG uitgevoerd, waarbij stadsgasleidingen werden gebruikt om waterstof naar brandstofcellen te transporteren.
Toekomstige samenleving gecreëerd door waterstofenergie
Laten we ten slotte eens kijken naar de rol die waterstof in de maatschappij kan spelen.
Nog belangrijker is dat we een koolstofvrije maatschappij 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 gebruiken die wordt gewonnen door aardgas te reformeren om de benodigde elektriciteit op te wekken. De vraag blijft echter wat er met de bijproducten van het reformingproces moet gebeuren.
In de toekomst, als de circulatie van waterstof zelf toeneemt, bijvoorbeeld door het aantal waterstoftankstations te vergroten, zal het mogelijk zijn om elektriciteit te gebruiken zonder koolstofdioxide uit te stoten. Elektriciteit produceert natuurlijk groene waterstof, dus het maakt gebruik van elektriciteit die wordt opgewekt door zonlicht of wind. De energie die voor elektrolyse wordt gebruikt, zou de energie moeten zijn om de hoeveelheid stroom die wordt opgewekt te verminderen of om de oplaadbare batterij op te laden wanneer er overtollige energie uit natuurlijke energiebronnen is. Met andere woorden, de waterstof bevindt zich in dezelfde positie als de oplaadbare batterij. Als dit gebeurt, zal het uiteindelijk mogelijk zijn om de thermische energieopwekking te verminderen. De dag dat 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 natronloog. Het is onder andere een bijproduct van de cokesproductie in de ijzerindustrie. Als je deze waterstof in de distributie gebruikt, kun je uit meerdere bronnen putten. Waterstofgas dat op deze manier wordt geproduceerd, wordt ook geleverd door waterstofcentrales.
Laten we verder in de toekomst kijken. De hoeveelheid energie die verloren gaat, speelt ook een rol bij de transmissiemethode die via kabels wordt gebruikt om stroom te leveren. Daarom zullen we in de toekomst de waterstof die via pijpleidingen wordt aangevoerd, net als de koolzuurtanks die worden gebruikt bij de productie van koolzuurhoudende dranken, gebruiken en thuis een waterstoftank kopen om elektriciteit voor elk huishouden op te wekken. Mobiele apparaten die op waterstofbatterijen werken, worden steeds gebruikelijker. Het zal interessant zijn om zo'n toekomst te zien.
Plaatsingstijd: 08-06-2023
