Pedeorelha | Hoe de waterstofeconomie werkt

Peter Tucker
0
1992
352

- -

Stoompijpen bij het Wairakei Geothermal Generating Station.

Het lijkt alsof er elke dag een nieuwe aankondiging in het nieuws komt over auto's die worden aangedreven door brandstofcellen. De beloften zijn verleidelijk, aangezien brandstofcellen het potentieel hebben om de efficiëntie van auto's zeer snel te verdubbelen en tegelijkertijd de luchtvervuiling aanzienlijk te verminderen.

Tegelijkertijd zijn er al decennia nieuwsverhalen over de problemen rond aardolie. Alles, van olielozingen tot ozonwaarschuwingen tot opwarming van de aarde, wordt toegeschreven aan onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.

Deze twee krachten leiden de wereld naar wat algemeen bekend staat als de waterstof economie. Als de voorspellingen waar zijn, zullen we in de komende decennia allemaal een verbazingwekkende verschuiving beginnen te zien van de fossiele brandstofeconomie die we vandaag hebben naar een veel schonere waterstof-toekomst..

Brandstofcel-quiz
-Hoe brandstofcellen werken
Curiosity Project: Materials Science Pictures

Kan de samenleving deze verschuiving echt maken, of zullen de technologische, economische en politieke barrières ons voor de volgende eeuw en daarna gebonden houden aan aardolie en andere fossiele brandstoffen? In dit artikel leer je over de voordelen van een waterstofeconomie en de mogelijke problemen ervan. We zullen ook enkele van de technologie onderzoeken die de overgang mogelijk zou maken.

Momenteel zijn de Verenigde Staten en het grootste deel van de wereld opgesloten in wat de fossiele brandstof economie. Onze auto's, treinen en vliegtuigen worden bijna uitsluitend aangedreven door aardolieproducten zoals benzine en diesel. Een enorm percentage van onze energiecentrales gebruikt olie, aardgas en steenkool als brandstof.

Als de stroom fossiele brandstoffen naar de Verenigde Staten ooit zou worden onderbroken, zou de economie tot stilstand komen. Er zou geen manier zijn om de producten die fabrieken produceren te vervoeren. Mensen zouden op geen enkele manier naar hun werk kunnen rijden. De hele economie, en in feite de hele westerse samenleving, is momenteel afhankelijk van fossiele brandstoffen.

Hoewel fossiele brandstoffen een belangrijke rol hebben gespeeld om de samenleving zover te krijgen dat ze nu is, zijn er vier grote problemen die fossiele brandstoffen veroorzaken:

Luchtvervuiling - Wanneer auto's benzine verbranden, zouden ze die idealiter perfect verbranden en alleen kooldioxide en water in hun uitlaat produceren. Helaas is de verbrandingsmotor niet perfect. Tijdens het verbranden van benzine produceert het ook:

Koolmonoxide, een giftig gas
Stikstofoxiden, de belangrijkste bron van stadssmog
Onverbrande koolwaterstoffen, de belangrijkste bron van ozon in de stad

Katalysatoren elimineren veel van deze vervuiling, maar ze zijn niet perfect. Luchtvervuiling door auto's en energiecentrales is een reëel probleem in grote steden.

Het is nu al erg genoeg dat veel steden in de zomer gevaarlijke ozonniveaus in de lucht hebben.

Milieuvervuiling - Het transporteren en opslaan van olie heeft een grote impact op het milieu als er iets misgaat.

Supertankers worden geladen met olie in Saoedi-Arabië

Een olielekkage, een explosie van een pijpleiding of een putbrand kan een enorme puinhoop veroorzaken. De Exxon Valdez-lekkage is het bekendste voorbeeld van het probleem, maar kleine lekkages gebeuren constant.

Opwarming van de aarde - Als je een gallon gas in je auto verbrandt, stoot je ongeveer 5 pond (2,3 kg) koolstof uit in de atmosfeer. Als het vaste koolstof was, zou het buitengewoon opvallen - het zou zijn alsof je een zak suiker van 5 pond uit het raam van je auto gooit voor elke liter verbrand gas. Maar omdat de 5 pond koolstof eruit komt als een onzichtbaar gas, kooldioxide, zijn de meesten van ons zich er niet van bewust. De kooldioxide die uit de uitlaat van elke auto komt, is a broeikasgas dat is langzaam aan het verhogen van de temperatuur van de planeet. De uiteindelijke effecten zijn onbekend, maar de kans is groot dat er uiteindelijk dramatische klimaatveranderingen zullen zijn die iedereen op de planeet treffen. Als de ijskappen bijvoorbeeld smelten, zal de zeespiegel aanzienlijk stijgen, waardoor alle huidige kuststeden onder water komen te staan en vernietigd worden. Dat is een grote bijwerking.

Afhankelijkheid - De Verenigde Staten, en de meeste andere landen, kunnen niet genoeg olie produceren om aan de vraag te voldoen, dus importeren ze het uit olierijke landen. Dat zorgt voor een economische afhankelijkheid. Wanneer olieproducenten in het Midden-Oosten besluiten de olieprijs te verhogen, heeft de rest van de wereld weinig keus dan de hogere prijs te betalen.

In de vorige paragraaf hebben we de aanzienlijke, wereldwijde problemen gezien die worden veroorzaakt door fossiele brandstoffen. De waterstofeconomie belooft alle problemen te elimineren die de fossiele brandstofeconomie veroorzaakt. Daarom zijn de voordelen van de waterstofeconomie onder meer:

Het elimineren van vervuiling veroorzaakt door fossiele brandstoffen - Wanneer waterstof in een brandstofcel wordt gebruikt om energie op te wekken, is het een volledig schone technologie. Het enige bijproduct is water. Er zijn ook geen gevaren voor het milieu zoals olielozingen met waterstof.
De eliminatie van broeikasgassen - Als de waterstof afkomstig is van de elektrolyse van water, dan voegt waterstof geen broeikasgassen toe aan het milieu. Er is een perfecte cyclus - elektrolyse produceert waterstof uit water en de waterstof recombineert met zuurstof om water en stroom te creëren in een brandstofcel.
Het wegnemen van economische afhankelijkheid - De eliminatie van olie betekent geen afhankelijkheid van het Midden-Oosten en zijn oliereserves.
Gedistribueerde productie - Waterstof kan overal worden geproduceerd waar u elektriciteit en water heeft. Mensen kunnen het zelfs thuis produceren met relatief eenvoudige technologie.

De problemen met de fossiele brandstofeconomie zijn zo groot, en de milieuvoordelen van de waterstofeconomie zo groot, dat de druk in de richting van de waterstofeconomie erg sterk is.

Wist u?
De sensoren die potentiële lekken detecteren in een waterstofaangedreven verbrandingsmotor zijn ontwikkeld door NASA om waterstoflekken te detecteren tijdens lanceringen van de spaceshuttle. Lees meer over andere NASA-innovaties in deze interactieve animatie van Discovery Channel.

De grote vraag met de waterstofeconomie is: "Waar komt de waterstof vandaan?" Daarna komt de kwestie van het transporteren, distribueren en opslaan van waterstof. Waterstof is in zijn natuurlijke gasvorm vaak omvangrijk en lastig.

Zodra beide vragen op een economische manier zijn beantwoord, is de waterstofeconomie er.

We zullen elk van deze vragen afzonderlijk bekijken in de volgende secties.

-Een van de interessantere problemen met de waterstofeconomie is de waterstof zelf. Waar komt het vandaan? Met het fossiele brandstofverbruik pompt u eenvoudig de fossiele brandstof uit de grond (zie Hoe olieboringen werken) en verfijnt u deze (zie -Hoe olieraffinage werkt). Dan verbrand je het als energiebron.

De meesten van ons beschouwen olie, benzine, kolen en aardgas als vanzelfsprekend, maar ze zijn eigenlijk vrij wonderbaarlijk. Deze fossiele brandstoffen vertegenwoordigen opgeslagen zonne-energie van miljoenen jaren geleden. Miljoenen jaren geleden groeiden planten met behulp van zonne-energie om hun groei te stimuleren. Ze stierven en veranderden uiteindelijk in olie, kolen en aardgas. Als we olie uit de grond pompen, boren we die enorme opslagplaats voor zonne-energie "gratis" aan. Elke keer dat we een liter benzine verbranden, geven we die opgeslagen zonne-energie vrij.

In de waterstofeconomie is er geen opslagplaats om aan te boren. We moeten de e-nergie daadwerkelijk in realtime creëren.

Er zijn twee mogelijke bronnen voor waterstof:

Elektrolyse van water - Met behulp van elektriciteit is het gemakkelijk om watermoleculen te splitsen om pure waterstof en zuurstof te creëren. Een groot voordeel van dit proces is dat je het overal kunt doen. Je zou bijvoorbeeld een box in je garage kunnen hebben die waterstof produceert uit leidingwater, en je zou je auto kunnen tanken met die waterstof.
Hervorming van fossiele brandstoffen - Olie en aardgas bevatten koolwaterstoffen - moleculen die bestaan uit waterstof en koolstof. Met behulp van een apparaat genaamd een brandstofprocessor of een hervormer, je kunt de waterstof relatief gemakkelijk van de koolstof in een koolwaterstof afsplitsen en dan de waterstof gebruiken. Je gooit de overgebleven koolstof als kooldioxide in de atmosfeer.

-De tweede optie is natuurlijk een beetje pervers. U gebruikt fossiele brandstof als waterstofbron voor de waterstofeconomie. Deze aanpak vermindert luchtvervuiling, maar lost het broeikasgasprobleem (omdat er nog steeds koolstof in de atmosfeer gaat) of het afhankelijkheidsprobleem (je hebt nog steeds olie nodig) niet op. Het kan echter een goede tijdelijke stap zijn tijdens de overgang naar de waterstofeconomie. Als je hoort over "brandstofcelaangedreven voertuigen" die momenteel door de autobedrijven worden ontwikkeld, zijn ze bijna allemaal van plan om de waterstof voor de brandstofcellen uit benzine te halen met behulp van een hervormer. De reden hiervoor is dat benzine een gemakkelijk verkrijgbare bron van waterstof is. Totdat er op elke hoek 'waterstofstations' zijn zoals we nu benzinestations hebben, is dit de gemakkelijkste manier om waterstof te verkrijgen om de brandstofcel van een voertuig van stroom te voorzien.

Het interessante van de eerste optie is dat het de kern is van de echte waterstofeconomie. Om een pure waterstof economie, de waterstof moet zijn afgeleid van hernieuwbare bronnen in plaats van fossiele brandstoffen, zodat we geen koolstof meer in de atmosfeer vrijgeven. Het hebben van voldoende elektriciteit om waterstof van water te scheiden, en die elektriciteit opwekken zonder fossiele brandstoffen te gebruiken, zal de grootste verandering zijn die we zien bij het creëren van de waterstofeconomie.

De Bayswater Power Station (New South Wales, Australië) wekt elektriciteit op door stoom onder druk te gebruiken om turbogeneratoren te laten draaien.

Waar komt de elektriciteit voor de elektrolyse van water vandaan? Op dit moment is ongeveer 68 procent (referentie) van de elektriciteit die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, afkomstig van kolen of aardgas. Al die opwekkingscapaciteit zal in de waterstofeconomie moeten worden vervangen door hernieuwbare bronnen. Bovendien zal alle fossiele energie die nu voor transport wordt gebruikt (in auto's, vrachtwagens, treinen, boten, vliegtuigen) moeten worden omgezet in waterstof en die waterstof zal ook met elektriciteit worden gemaakt. Met andere woorden, de elektrische opwekkingscapaciteit in het land zal moeten verdubbelen om aan de transportbehoeften te voldoen, en dan zal het allemaal moeten worden omgeschakeld van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare bronnen. Op dat punt, en alleen op dat punt, stopt de stroom koolstof in de atmosfeer.

Op dit moment zijn er verschillende manieren om elektriciteit op te wekken die geen fossiele brandstoffen gebruiken:

Kernenergie
Hydro-elektrische dammen
Zonnepanelen
Windturbines
Geothermische energie
Golf- en getijdenkracht
Warmtekrachtkoppeling (een zagerij kan bijvoorbeeld schors verbranden om energie op te wekken, of een stortplaats kan methaan verbranden dat het rottende afval produceert.)

Met de klok mee van rechtsboven: zonne-energiecentrale; kerncentrale; Hydro-elektrische dam; windturbine

In de Verenigde Staten komt momenteel ongeveer 20 procent van de energie uit kernenergie en 7 procent uit waterkracht. Zonne-, wind-, geothermische en andere bronnen genereren slechts 5 procent van de stroom - nauwelijks genoeg om uit te maken.

In de toekomst, behoudens een technologische doorbraak, lijkt het waarschijnlijk dat een van de twee dingen zal gebeuren om de waterstofeconomie te creëren: de capaciteit voor het opwekken van kernenergie of zonne-energie zal dramatisch toenemen. Bedenk dat in een zuivere waterstofeconomie de elektrische opwekkingscapaciteit ongeveer moet verdubbelen omdat alle energie voor transport die momenteel uit olie komt, moet worden vervangen door elektrisch opgewekte waterstof. Dus het aantal energiecentrales zal verdubbelen en alle fossiele brandstofcentrales zullen worden vervangen.

Het probleem van de opwekking van elektriciteit is waarschijnlijk de grootste belemmering voor de waterstofeconomie. Zodra de technologie is verfijnd en goedkoop wordt, kunnen brandstofcelvoertuigen op waterstof in de loop van een decennium of twee de interne verbrandingsmotoren van benzine vervangen. Maar het is misschien niet zo eenvoudig om de energiecentrales om te schakelen naar kernenergie en zonne-energie. Kernenergie heeft politieke en milieuproblemen, en zonne-energie heeft momenteel kosten- en locatieproblemen.

Open voor zaken
Waterstoftankstations zijn al open in verschillende landen, waaronder de Verenigde Staten, IJsland, Japan en Duitsland. Zie FuelCells.org - Wereldwijde waterstof-tankstations om een waterstofstation bij u in de buurt te vinden.

-Op dit moment is het probleem met het op de weg brengen van zuivere waterstofvoertuigen het opslag- / transportprobleem. Waterstof is een omvangrijk gas en het is lang niet zo gemakkelijk om mee te werken als benzine. Het comprimeren van het gas vereist energie, en gecomprimeerde waterstof bevat veel minder energie dan hetzelfde volume benzine. Er komen echter oplossingen voor het probleem van de opslag van waterstof aan de oppervlakte.

Waterstof kan bijvoorbeeld in vaste vorm worden opgeslagen in een chemische stof die natriumboorhydride wordt genoemd, en deze technologie is onlangs in het nieuws verschenen omdat Chrysler deze test. Deze chemische stof is gemaakt van borax (een veelgebruikt ingrediënt in sommige wasmiddelen). Terwijl natriumboorhydride zijn waterstof afgeeft, verandert het weer in borax, zodat het kan worden gerecycled.

Is het opslagprobleem eenmaal opgelost en gestandaardiseerd, dan zal er een netwerk van waterstofstations en de transportinfrastructuur omheen moeten komen. De belangrijkste belemmering hiervoor is wellicht het technologische sorteerproces. Stations zullen zich pas snel ontwikkelen als er een opslagtechnologie is die duidelijk de markt domineert. Als bijvoorbeeld alle waterstofauto's van alle fabrikanten natriumboorhydride zouden gebruiken, zou er snel een stationsnetwerk kunnen ontstaan; dat soort standaardisatie het is onwaarschijnlijk dat dit snel zal gebeuren, als de geschiedenis een leidraad is.

Mogelijk komt er ook een technologische doorbraak die het speelveld snel kan veranderen. Als iemand bijvoorbeeld een goedkope oplaadbare batterij zou kunnen ontwikkelen met een hoge capaciteit en een snelle oplaadtijd, zouden elektrische auto's geen brandstofcellen nodig hebben en zou er geen waterstof op de weg nodig zijn. Auto's zouden direct worden opgeladen met elektriciteit.

- Over de waterstofeconomie zul je de komende maanden steeds meer in het nieuws horen, want de drumbeat wordt steeds luider. De milieuproblemen van de fossiele brandstofeconomie worden gecombineerd met doorbraken in brandstofceltechnologie, en de koppeling zal ons in staat stellen de eerste stappen te zetten.

De meest voor de hand liggende stap die we zullen zien, is de marketing van brandstofcel-aangedreven voertuigen. Hoewel ze in eerste instantie worden aangedreven door benzine en reformers, bevatten brandstofcellen twee belangrijke verbeteringen ten opzichte van de interne verbrandingsmotor:

Ze zijn ongeveer twee keer zo efficiënt.
Ze kunnen de luchtvervuiling in steden aanzienlijk verminderen.

Door die voordelen zijn brandstofcelvoertuigen op benzine een uitstekende overgangsstap.

Verhuizen naar een pure waterstof economie zal moeilijker zijn. De elektriciteitscentrales zullen moeten overschakelen op hernieuwbare energiebronnen en de markt zal het eens moeten worden over manieren om waterstof op te slaan en te transporteren. Deze hindernissen zullen er waarschijnlijk voor zorgen dat de overgang naar de waterstofeconomie een vrij lang proces zal worden.

Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over de waterstofeconomie en de technologieën eromheen.