Hoe waterstofauto's werken

  • Yurii Mongol
  • 0
  • 5056
  • 1341
Bezoekers bekijken de Honda FCX Clarity op de Auto China 2008 autoshow in Peking, op 20 april 2008. AP Photo / Oded Balilty

De auto van de toekomst is er vandaag. Je kunt er natuurlijk nog geen kopen; maar als je in Californië woont, kun je er een leasen. Het gebruikt geen benzine en het vervuilt de lucht niet. Het produceert in feite stoom in plaats van uitlaatgassen. Dus wat is de mysterieuze brandstof? Waterstof - het eenvoudigste en meest voorkomende element in het universum. En sommige mensen denken dat we over 20 tot 30 jaar allemaal in deze waterstofaangedreven, zuinige voertuigen zullen rijden.

Hoewel waterstofauto's een sciencefiction-kwaliteit hebben, is het idee niet echt nieuw. Eigenlijk bestaat de technologie om waterstof te gebruiken om energie op te wekken al sinds het eerste deel van de 19e eeuw - dat is langer dan auto's. Nieuw is dat je misschien wel een auto op waterstof op de weg ziet rijden, met stoom die uit de uitlaatpijp komt in plaats van stinkende gassen. Er bestaan ​​inmiddels meerdere waterstofauto's, maar de meeste zijn conceptauto's. Deze milieuvriendelijke rijmachines omvatten de Chevrolet Equinox, de BMW 745h en degene die momenteel beschikbaar is voor lease in Californië, de Honda FCX..

Wat een waterstofauto mogelijk maakt, is een apparaat genaamd a brandstofcel, die waterstof omzet in elektriciteit en alleen warmte en water als bijproducten afgeeft. Omdat het niet vervuilend is, lijkt waterstof de ideale brandstof voor de 21e eeuw. Veel mensen bij de overheid en de auto-industrie zijn enthousiast over het potentieel ervan. Waterstofauto's hebben het potentieel om zuinig te zijn en de hoop te bieden op milieuvriendelijk en groen rijden. Maar er zijn nog veel problemen die moeten worden overwonnen en vragen die moeten worden beantwoord voordat waterstof de brandstof bij uitstek wordt voor genoeg mensen om veel verschil te maken in ons huidige gebruik van fossiele brandstoffen. Waar halen we bijvoorbeeld de waterstof vandaan? Hoe duur zijn de aanschaf van deze zuinige auto's? Kunt u een waterstof-tankstation vinden om uw tank bij te vullen? En, misschien wel het belangrijkste, als brandstof is waterstof echt zo niet-vervuilend als het lijkt?

We zullen die vragen op de volgende pagina's bekijken, maar we kunnen u nu een snel antwoord geven: verwacht geen waterstofauto, tenzij u in zeer specifieke delen van het land woont en uw zakken vol geld hebt. op uw oprit binnen het komende decennium.

Inhoud
  1. Waterstof-brandstofcellen
  2. Waterstof autoproductie
  3. Tegenvallers in waterstofauto's
Een bus met waterstof-brandstofcel verlaat het Connecticut Convention Center in Hartford, Conn., Voor een demonstratierit. AP Photo / Bob Child

In 1839 nam de Welshe wetenschapper Sir William Robert Grove het bekende elektrochemische proces van elektrolyse, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om waterstof uit water te produceren, om en keerde het om, waarbij elektriciteit en water uit waterstof werden opgewekt. Hij noemde zijn uitvinding een gasvoltaïsche batterij, maar tegenwoordig kennen we het als een waterstof-brandstofcel. Veel later, in het midden van de 20e eeuw, werd de technologie verder ontwikkeld door de uitvinder Francis Bacon. De technologie die deze twee uitvinders hebben bedacht, is essentieel voor het besturen van een waterstofauto.

Het eerste praktische brandstofcelsysteem werd begin jaren zestig door General Electric ontwikkeld voor gebruik in orbitale ruimtecapsules. En toen, in de jaren negentig, verschenen brandstofcellen in stadsbussen. dus we weten dat het aandrijven van voertuigen met brandstofcellen haalbaar is. Je kunt een brandstofcel zien als een soort batterij, behalve dat terwijl een batterij zijn brandstof in zichzelf houdt, een brandstofcel moet worden bijgevuld. De brandstof voor een waterstof-brandstofcel is, zoals de naam al doet vermoeden, waterstof. Zoals je je misschien herinnert van de scheikundelessen op de middelbare school, is waterstof het eenvoudigste van alle elementen. Een waterstofatoom bestaat uit een enkel elektron en een enkel proton. De brandstofcel wekt elektriciteit op door de elektronen van de protonen te strippen en de elektronen te gebruiken om een ​​zuivere stroom elektriciteit te creëren. De geïoniseerde waterstofatomen combineren vervolgens met zuurstof om water te vormen. Het andere bijproduct van dit proces is warmte, dus dit water heeft meestal de vorm van stoom. Hoe is dat voor milieuvriendelijk rijden??

Het type brandstofcel dat in auto's wordt gebruikt, is de brandstofcel van het polymeeruitwisselingsmembraan (of PEM). PEM-brandstofcellen hebben het voordeel dat ze licht en klein zijn. Ze bestaan ​​uit twee elektroden (een negatief geladen anode en een positief geladen kathode), een katalysator en een membraan. Waterstof wordt bij de anode in de brandstofcel geperst in de vorm van H2-moleculen, die elk twee waterstofatomen bevatten. Een katalysator aan de anode breekt de moleculen in waterstofionen (de protonen) en een stroom elektriciteit (de elektronen). De ionen gaan door het membraan, maar de elektriciteit moet rond. Terwijl het dit doet, kan het worden aangewend om werk te doen. Net zoals waterstof bij de anode in de brandstofcel wordt geperst, wordt zuurstof bij de kathode naar binnen geperst. De protonen en elektronen komen bij de kathode weer samen en vormen samen met de zuurstof water, waarvan de meeste de uitlaatgassen van de brandstofcel worden. Brandstofcellen zijn ontworpen om plat en dun te zijn, vooral zodat ze kunnen worden gestapeld. Hoe meer brandstofcellen er in de stapel zitten, hoe hoger de spanning van de elektriciteit die de stapel produceert.

Veel mensen denken dat zuinige voertuigen, zoals auto's op waterstof, cruciaal zullen zijn om aan de energiebehoeften van de 21e eeuw te voldoen. In 2003 kondigde president George W. Bush een Freedom Fuel Initiative van $ 1,2 miljard aan ter ondersteuning van de ontwikkeling van brandstofceltechnologie. Brandstofcellen hebben twee grote voordelen ten opzichte van fossiele brandstoffen. Ten eerste putten ze de eindige olievoorraad van de wereld niet uit, wat ons helpt de bestaande voorraden te behouden en ze kunnen ook onze afhankelijkheid van buitenlandse olie verminderen. Ten tweede is het enige bijproduct van de werking van een brandstofcel warmte en water, wat betekent dat brandstofcellen geen vervuiling produceren. Dit is van vitaal belang in een tijd waarin wordt aangenomen dat de koolstofemissies van auto's de opwarming van de aarde bevorderen.

Op de volgende pagina kijken we hoe waterstofauto's en brandstofcellen worden geproduceerd. En misschien nog belangrijker: we kijken waar de waterstof zelf vandaan komt.

De aarde heeft veel waterstof beschikbaar in de vorm van water; het kan echter behoorlijk moeilijk blijken te zijn om het te scheiden, te verzamelen en op te slaan. AP Foto / NASA

Dus hoe bouwen fabrikanten eigenlijk zuinige voertuigen, zoals brandstofcelauto's? Welnu, de productie van waterstofauto's verschilt niet veel van de productie van typische auto's. Natuurlijk zullen bijvoorbeeld de aandrijflijn en de elektrische systemen enigszins uniek zijn omdat een brandstofcel elektriciteit opwekt. Een auto op waterstof en een elektrische auto hebben in dat opzicht dan ook veel gemeen. Een wellicht belangrijkere vraag is hoe de waterstof zelf zal worden geproduceerd. Aangezien waterstof het meest voorkomende element in het universum is en ongeveer 90 procent van de bestaande atomen uitmaakt, zou je denken dat dit geen probleem zou zijn. Denk nog eens goed na. Waterstof is ook het lichtste element in het universum en alle niet-opgenomen waterstof op het aardoppervlak zal onmiddellijk de ruimte in drijven. Wat waterstof op deze planeet achterblijft, is in moleculaire vorm gebonden met andere elementen, meestal in watermoleculen (H2O). En er is toevallig veel H2O op het aardoppervlak.

Maar hoe scheiden we de waterstofmoleculen in het water van de zuurstofmoleculen? En als we geen water als waterstofbron gebruiken, waar kunnen we dan waterstof krijgen??

De eenvoudigste manier om waterstof uit water te halen, is degene die Sir William Grove meer dan 150 jaar geleden kende: elektrolyse. Als je een elektrische stroom door water laat lopen, breken de H2O-moleculen af. Vergelijkbaar met brandstofcelwerking, gebruikt dit proces een anode en een kathode, meestal gemaakt van inerte metalen. Wanneer een elektrische stroom op het water wordt toegepast, vormt zich waterstof bij de kathode en zuurstof bij de anode. Hoewel dit proces traag is, kan het op grote schaal worden gedaan.

Een alternatieve bron voor waterstof is aardgas, dat bestaat uit natuurlijk voorkomende koolwaterstoffen. Een proces genaamd stoomreformatie kan worden gebruikt om de waterstof in het gas te scheiden van de koolstof. Momenteel is dit de meest gebruikelijke methode voor de productie van waterstof op industriële schaal en het zou waarschijnlijk de eerste methode zijn die wordt gebruikt om waterstof voor brandstofcelvoertuigen te produceren. Helaas gebruikt dit proces fossiele brandstoffen - het aardgas - dus als het doel van het bouwen van auto's op waterstof is om te voorkomen dat de fossiele brandstofreserves uitgeput raken, zou aardgas de slechtst mogelijke bron van deze brandstof zijn..

Sommige experts hebben gesuggereerd dat het mogelijk is om miniatuurwaterstoffabrieken te bouwen die in de garage van de gemiddelde persoon passen, zodat het niet eens nodig is om naar het plaatselijke tankstation te rijden om de waterstoftank van de auto te vullen. De meest extreme vorm van dit idee was de suggestie dat elektrolyse in de auto zelf zou kunnen worden uitgevoerd, waardoor het verbazingwekkende idee van een auto die op water rijdt mogelijk zou worden! De stroom voor de elektrolyse moet echter van een soort batterij komen, dus een door water aangedreven auto zou periodiek moeten worden opgeladen.

Zijn groenrijdende machines, zoals voertuigen die zijn uitgerust met brandstofcellen, echt de auto's van de toekomst? Veel mensen hopen van wel, maar er zijn verschillende mogelijke wegversperringen op weg naar een wereld waarin mensen zich verplaatsen in auto's die op waterstof rijden. We zullen die op de volgende pagina bekijken.

Voertuigen op waterstof van Daimler, Volkswagen en BMW rijden op een snelweg in New York. De auto's maakten deel uit van een Hydrogen Road Tour in 31 steden, die ook waterstofvoertuigen van GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan en Toyota omvatte. AP Foto / Richard Drew

Veel mensen geloven dat waterstofbrandstofcellen de belangrijkste alternatieve brandstoftechnologie zijn die momenteel in ontwikkeling is. Het is echter niet zonder problemen en het kan decennia duren voordat brandstofceltechnologie op grote schaal wordt toegepast. We kunnen de problemen met waterstof grofweg groeperen in drie categorieën: de kosten van het ontwikkelen van de technologie, moeilijkheden en gevaren met waterstofopslag en de mogelijkheid dat deze "niet-vervuilende technologie" toch niet zo niet-vervuilend is. Hier zijn enkele van de tegenslagen in waterstofauto's waarmee we in de nabije toekomst kunnen omgaan.

De kosten voor het ontwikkelen van waterstoftechnologie zijn hoog. We moeten niet alleen de brandstofcellen en de auto's ontwerpen en ontwikkelen, maar we moeten ook een infrastructuur ontwikkelen om deze zuinige voertuigen te ondersteunen. Stel je voor dat je momenteel een waterstofauto bezat. Waar zou je heen gaan om je tank te vullen? Ervan uitgaande dat u geen waterstofproductiefaciliteit in uw garage heeft, heeft u een waterstoftankstation nodig, en de enige plaats waar momenteel een aanzienlijk aantal van dergelijke stations bestaat, is in de staat Californië, waar gouverneur Arnold Schwarzenegger heeft toegewijd aan het ondersteunen van een waterstof toekomst. Sommige van de meer pessimistische schattingen hebben ervoor gezorgd dat de kosten van het bouwen van een infrastructuur waarmee een aanzienlijk aantal waterstofauto's kan oplopen tot $ 500 miljard - en de tijd om de infrastructuur te produceren wel vier decennia lang is.!

De kosten van de auto's zijn ook hoog. Met platina als de meest gebruikte katalysator in de brandstofcellen, is de prijs van een enkele brandstofcelauto momenteel meer dan $ 100.000 en misschien zelfs aanzienlijk meer.Daarom zijn de enige waterstofauto's die momenteel beschikbaar zijn voor u om te rijden, te leasen , niet te koop. Er zijn maar weinig mensen die zich zo'n dure auto kunnen veroorloven. Er worden andere katalysatoren ontwikkeld die waarschijnlijk minder duur zullen zijn dan platina, maar niemand weet hoe snel ze beschikbaar zullen zijn voor grootschalig gebruik.

Het opslagprobleem is ook een netelig probleem. Waterstof is een gas en verspreidt zich graag. Als je het in een auto plaatst, moet je het tot een redelijke maat persen, en dat is niet eenvoudig. Bovendien wordt waterstof warm terwijl het in de tank van een geparkeerde auto zit, waardoor het gas uitzet. Dit betekent dat de tanks de waterstof periodiek uit de auto moeten laten ontsnappen. Laat een waterstofauto langer dan een paar dagen staan ​​en alle brandstof is op. Waterstof is ook licht ontvlambaar - de spectaculaire explosie van de luchtschip Hindenburg in de jaren 1930 wordt door sommigen verondersteld het resultaat te zijn van een waterstofbrand - dus als de waterstof uit de tank komt, kan het gevaarlijk zijn . Gelukkig zijn waterstofbranden niet zo heet als benzinebranden en zullen er minder snel secundaire branden ontstaan. En omdat waterstof stijgt, zal de meeste ontsnapte waterstof wegdrijven voordat het daadwerkelijk schade kan aanrichten.

En is waterstof echt niet vervuilend? Een brandstofcel produceert alleen warmte en water als uitlaatgassen, maar de processen die worden gebruikt om de waterstof te maken zijn niet per se zo schoon. Elektrolyse maakt gebruik van elektriciteit en die elektriciteit komt vaak van centrales die steenkool verbranden, een zeer vervuilende bron. En wanneer waterstof wordt gewonnen uit aardgas, produceert het koolstofemissies, en dat is precies wat we proberen te vermijden door in de eerste plaats waterstof te gebruiken.

Veel mensen denken dat we deze obstakels uiteindelijk zullen overwinnen, maar het zal moeilijk worden. Anderen zijn van mening dat onze beste gok voor brandstofefficiëntie en milieuvriendelijk rijden in de nabije toekomst niet in waterstof ligt, maar in hybride elektrische voertuigen, zoals de Toyota Prius, de Ford Fusion hybride en andere soortgelijke hybride auto's. Toch is het mogelijk dat u in de komende decennia misschien een auto op waterstof-brandstofcellen hebt.

Volg de links op de volgende pagina voor meer informatie over alternatieve brandstoffen, hybride auto's en andere gerelateerde onderwerpen.

Gerelateerde artikelen

  • Top 10 verkopende hybride auto's
  • Hoe de Honda Civic Hybrid werkt
  • Hoe de Ford Fusion Hybrid werkt
  • Hoe de Toyota Prius werkt
  • Zijn hybride auto's langzamer dan gewone auto's?
  • Hoe alternatieve tankstations werken

Bronnen

  • Barras, Colin. "Platinavrije brandstofcel belooft goedkope, groene stroom." Nieuwe wetenschapper. 15 december 2008. (21 april 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
  • Berger, Michael. "Nanotechnologie zou het smerige geheimpje van de waterstofauto kunnen opruimen." Nanowerk. 19 juli 2007. (21 april 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
  • ScienceDaily. "Waterstofauto's? Prototype waterstofopslagtank behoudt een langere thermische duurzaamheid." 10 juni 2008. (21 april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
  • ScienceDaily. "Auto's op waterstof zijn niet de beste manier om vervuiling, broeikasgassen en olieafhankelijkheid te verminderen." 18 juli 2003. (21 april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
  • Squatriglia, Chuck. "Waterstofauto's zijn er. Nu hebben we alleen nog een brandstofinfrastructuur nodig." Bedrade. 12 maart 2008. (21 april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
  • Squatriglia, Chuck. "Wij rijden in het Chevrolet Equinox waterstof-brandstofcelvoertuig." Bedrade. 11 maart 2008. (21 april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
  • Wrigglesworth, Phil. "De auto van de eeuwige toekomst." De econoom. 4 september 2008. (21 april 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229



Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.

De meest interessante artikelen over geheimen en ontdekkingen. Veel nuttige informatie over alles
Artikelen over wetenschap, ruimte, technologie, gezondheid, milieu, cultuur en geschiedenis. Duizenden onderwerpen uitleggen, zodat u weet hoe alles werkt