Wy sille "wetterstof" yntrodusearje, de folgjende generaasje enerzjy dy't koalstofneutraal is. Wetterstof is ferdield yn trije soarten: "griene wetterstof", "blauwe wetterstof" en "grize wetterstof", elk mei in oare produksjemetoade. Wy sille ek elke produksjemetoade, fysike eigenskippen as eleminten, opslach-/transportmetoaden en gebrûksmetoaden útlizze. En ik sil ek yntrodusearje wêrom't it de dominante enerzjyboarne fan 'e folgjende generaasje is.
Elektrolyse fan wetter om griene wetterstof te produsearjen
By it brûken fan wetterstof is it wichtich om dochs "wetterstof te produsearjen". De maklikste manier is om "wetter te elektrolysearjen". Miskien hawwe jo dat op 'e basisskoalle dien. Folje it bekerglas mei wetter en de elektroden yn wetter. As in batterij oan 'e elektroden ferbûn is en ûnder spanning set wurdt, fine de folgjende reaksjes plak yn it wetter en yn elke elektrode.
By de katode kombinearje H+ en elektroanen om wetterstofgas te produsearjen, wylst de anode soerstof produseart. Dochs is dizze oanpak prima foar skoalwittenskiplike eksperiminten, mar om wetterstof yndustrieel te produsearjen, moatte effisjinte meganismen taret wurde dy't geskikt binne foar produksje op grutte skaal. Dat is "polymeer-elektrolytmembraan (PEM) elektrolyse".
By dizze metoade wurdt in polymeer semipermeabel membraan dat de trochgong fan wetterstofionen mooglik makket tusken in anode en in katode ynklemme. As wetter yn 'e anode fan it apparaat getten wurdt, bewege wetterstofionen produsearre troch elektrolyse troch in semipermeabel membraan nei de katode, dêr't se molekulêre wetterstof wurde. Oan 'e oare kant kinne soerstofionen net troch it semipermeabele membraan gean en soerstofmolekulen wurde by de anode.
Ek by alkaline wetterelektrolyse meitsje jo wetterstof en soerstof troch de anode en katode te skieden fia in skieder dêr't allinnich hydroxide-ionen trochhinne kinne. Derneist binne der yndustriële metoaden lykas hege-temperatuer stoomelektrolyse.
Troch dizze prosessen op grutte skaal út te fieren, kinne grutte hoemannichten wetterstof krigen wurde. Yn it proses wurdt ek in flinke hoemannichte soerstof produsearre (de helte fan it folume fan produsearre wetterstof), sadat it gjin negative ynfloed op it miljeu hawwe soe as it yn 'e atmosfear frijkomt. Elektrolyse fereasket lykwols in soad elektrisiteit, sadat koalstoffrije wetterstof produsearre wurde kin as it produsearre wurdt mei elektrisiteit dy't gjin fossile brânstoffen brûkt, lykas wynmûnen en sinnepanielen.
Jo kinne "griene wetterstof" krije troch wetter te elektrolysearjen mei skjinne enerzjy.
Der is ek in wetterstofgenerator foar grutskalige produksje fan dizze griene wetterstof. Troch gebrûk te meitsjen fan PEM yn 'e elektrolyserseksje kin wetterstof kontinu produsearre wurde.
Blauwe wetterstof makke fan fossile brânstoffen
Dus, wat binne oare manieren om wetterstof te meitsjen? Wetterstof bestiet yn fossile brânstoffen lykas ierdgas en stienkoal as oare stoffen as wetter. Beskôgje bygelyks metaan (CH4), it wichtichste ûnderdiel fan ierdgas. D'r binne hjir fjouwer wetterstofatomen. Jo kinne wetterstof krije troch dizze wetterstof derút te heljen.
Ien dêrfan is in proses neamd "stoommetaanreforming" dat stoom brûkt. De gemyske formule fan dizze metoade is as folget.
Lykas jo sjen kinne, kinne koalstofmonokside en wetterstof út ien metaanmolekule helle wurde.
Op dizze wize kin wetterstof produsearre wurde troch prosessen lykas "stoomreforming" en "pyrolyse" fan ierdgas en stienkoal. "Blauwe wetterstof" ferwiist nei wetterstof dy't op dizze wize produsearre wurdt.
Yn dit gefal wurde lykwols koalmonokside en koalstofdiokside produsearre as byprodukten. Dat jo moatte se recycle foardat se yn 'e atmosfear frijkomme. It byprodukt koalstofdiokside, as it net weromwûn wurdt, wurdt wetterstofgas, bekend as "grize wetterstof".
Hokker soarte elemint is wetterstof?
Wetterstof hat in atoomnûmer fan 1 en is it earste elemint op it periodyk systeem.
It oantal atomen is it grutste yn it universum, goed foar sawat 90% fan alle eleminten yn it universum. It lytste atoom dat bestiet út in proton en in elektron is it wetterstofatoom.
Wetterstof hat twa isotopen mei neutronen dy't oan 'e kearn fêstmakke binne. Ien neutronbûn "deuterium" en twa neutronbûn "tritium". Dit binne ek materialen foar it opwekken fan enerzjy troch fúzje.
Binnen in stjer lykas de sinne fynt kearnfúzje plak fan wetterstof nei helium, dat is de enerzjyboarne foar de stjer om te skine.
Wetterstof bestiet lykwols selden as gas op Ierde. Wetterstof foarmet ferbiningen mei oare eleminten lykas wetter, metaan, ammoniak en ethanol. Omdat wetterstof in licht elemint is, nimt de bewegingssnelheid fan wetterstofmolekulen ta as de temperatuer omheech giet, en ûntsnapt oan 'e swiertekrêft fan 'e ierde nei de romte.
Hoe wetterstof brûke? Gebrûk troch ferbaarning
Hoe wurdt dan "wetterstof", dat wrâldwiid omtinken lutsen hat as in enerzjyboarne fan 'e folgjende generaasje, brûkt? It wurdt op twa haadmanieren brûkt: "ferbaarning" en "brânstofsel". Litte wy begjinne mei it gebrûk fan "ferbaarne".
Der binne twa haadtypen ferbaarning dy't brûkt wurde.
De earste is as raketbrânstof. De Japanske H-IIA-raket brûkt wetterstofgas "floeibere wetterstof" en "floeibere soerstof", dat ek yn in kryogene steat is, as brânstof. Dizze twa wurde kombinearre, en de waarmte-enerzjy dy't op dat stuit opwekt wurdt, fersnelt de ynjeksje fan 'e wettermolekulen dy't opwekt wurde, wêrtroch't se de romte yn fleane. Omdat it lykwols in technysk lestige motor is, hawwe, útsein Japan, allinich de Feriene Steaten, Europa, Ruslân, Sina en Yndia dizze brânstof mei súkses kombinearre.
De twadde is enerzjyopwekking. Gas-turbine-enerzjyopwekking brûkt ek de metoade fan it kombinearjen fan wetterstof en soerstof om enerzjy op te wekken. Mei oare wurden, it is in metoade dy't sjocht nei de termyske enerzjy dy't troch wetterstof produsearre wurdt. Yn termyske enerzjysintrales produseart de waarmte fan it ferbaarnen fan stienkoal, oalje en ierdgas stoom dy't turbines oandriuwt. As wetterstof as waarmteboarne brûkt wurdt, sil de enerzjysintrale koalstofneutraal wêze.
Hoe wetterstof te brûken? Brûkt as brânstofsel
In oare manier om wetterstof te brûken is as in brânstofsel, dy't wetterstof direkt yn elektrisiteit omset. Benammen Toyota hat yn Japan de oandacht lutsen troch wetterstof-oandreaune auto's oan te rieden ynstee fan elektryske auto's (EV's) as alternatyf foar benzine-auto's as ûnderdiel fan har maatregels tsjin klimaatferoaring.
Spesifyk dogge wy de omkearde proseduere as wy de produksjemetoade fan "griene wetterstof" yntrodusearje. De gemyske formule is as folget.
Wetterstof kin wetter (waarm wetter of stoom) generearje by it opwekken fan elektrisiteit, en it kin wurde evaluearre om't it gjin lêst opleit foar it miljeu. Oan 'e oare kant hat dizze metoade in relatyf lege enerzjyopwekkingseffisjinsje fan 30-40%, en fereasket platina as katalysator, wêrtroch't ferhege kosten nedich binne.
Op it stuit brûke wy polymeer-elektrolytbrânstofsellen (PEFC) en fosforsoerbrânstofsellen (PAFC). Benammen brânstofselauto's brûke PEFC, dus it kin ferwachte wurde dat it him yn 'e takomst ferspriedt.
Is wetterstofopslach en -transport feilich?
Wy tinke dat jo no begripe hoe't wetterstofgas makke en brûkt wurdt. Dus hoe bewarje jo dizze wetterstof? Hoe krije jo it dêr't jo it nedich binne? Hoe sit it mei de feiligens op dat stuit? Wy sille it útlizze.
Eins is wetterstof ek in tige gefaarlik elemint. Oan it begjin fan 'e 20e iuw brûkten wy wetterstof as gas om ballonnen, ballonnen en loftskippen yn 'e loft te litten sweven, om't it tige licht wie. Op 6 maaie 1937 fûn lykwols yn New Jersey, Feriene Steaten, de "loftskip-eksploazje Hindenburg" plak.
Sûnt it ûngelok is it algemien erkend dat wetterstofgas gefaarlik is. Benammen as it fjoer vat, sil it mei geweld eksplodearje mei soerstof. Dêrom is "hâld fuort fan soerstof" of "hâld fuort fan waarmte" essinsjeel.
Nei it nimmen fan dizze maatregels binne wy mei in ferstjoermetoade kommen.
Wetterstof is in gas by keamertemperatuer, dus hoewol it noch in gas is, is it tige grut. De earste metoade is om hege druk ta te passen en te komprimearjen lykas in silinder by it meitsjen fan koalstofhoudende dranken. Meitsje in spesjale hegedruktank klear en bewarje dy ûnder hegedrukomstannichheden lykas 45Mpa.
Toyota, dat brânstofselauto's (FCV) ûntwikkelt, ûntwikkelt in hars hegedruk wetterstoftank dy't in druk fan 70 MPa kin ferneare.
In oare metoade is om ôf te koelen nei -253 °C om floeibere wetterstof te meitsjen, en it op te slaan en te ferfieren yn spesjale waarmte-isolearre tanks. Lykas LNG (floeiber ierdgas) as ierdgas út it bûtenlân ymportearre wurdt, wurdt wetterstof floeiber makke tidens transport, wêrtroch it folume werombrocht wurdt ta 1/800 fan syn gasfoarmige steat. Yn 2020 hawwe wy de earste floeibere wetterstofdrager fan 'e wrâld foltôge. Dizze oanpak is lykwols net geskikt foar brânstofselauto's, om't it in soad enerzjy fereasket om te koelen.
Der is in metoade foar it opslaan en ferstjoeren yn tanks lykas dizze, mar wy ûntwikkelje ek oare metoaden foar wetterstofopslach.
De opslachmetoade is it brûken fan wetterstofopslachlegeringen. Wetterstof hat de eigenskip om metalen te penetrearjen en se te ferswakjen. Dit is in ûntwikkelingstip dy't yn 'e jierren '60 yn 'e Feriene Steaten ûntwikkele is. JJ Reilly et al. Eksperiminten hawwe oantoand dat wetterstof opslein en frijlitten wurde kin mei in legearing fan magnesium en vanadium.
Dêrnei ûntwikkele hy mei súkses in stof, lykas palladium, dy't wetterstof 935 kear syn eigen folume opnimme kin.
It foardiel fan it brûken fan dizze legearing is dat it wetterstoflekkage-ûngemakken (benammen eksploazje-ûngemakken) foarkomme kin. Dêrom kin it feilich opslein en ferfierd wurde. As jo lykwols net foarsichtich binne en it yn 'e ferkearde omjouwing litte, kinne wetterstofopslachlegeringen oer tiid wetterstofgas frijlitte. No, sels in lytse fonk kin in eksploazje-ûngelok feroarsaakje, dus wês foarsichtich.
It hat ek it neidiel dat werhelle wetterstofabsorpsje en desorpsje liede ta ferbrossing en de wetterstofabsorpsjesnelheid ferminderje.
De oare is om pipen te brûken. Der is in betingst dat it net-komprimearre en lege druk wêze moat om bros te wurden fan 'e pipen, mar it foardiel is dat besteande gaspipen brûkt wurde kinne. Tokyo Gas fierde bouwurk út oan 'e Harumi FLAG, mei help fan stedsgaspipelines om wetterstof oan brânstofsellen te leverjen.
Takomstige maatskippij makke troch wetterstofenerzjy
Litte wy úteinlik beskôgje hokker rol wetterstof yn 'e maatskippij spylje kin.
Wichtiger is dat wy in koalstoffrije maatskippij befoarderje wolle, wy brûke wetterstof om elektrisiteit op te wekken ynstee fan as waarmte-enerzjy.
Ynstee fan grutte termyske enerzjysintrales hawwe guon húshâldens systemen yntrodusearre lykas ENE-FARM, dy't wetterstof brûke dy't krigen wurdt troch it reformearjen fan ierdgas om de nedige elektrisiteit op te wekken. De fraach wat der dien wurde moat mei de byprodukten fan it reformearjen bliuwt lykwols.
Yn 'e takomst, as de sirkulaasje fan wetterstof sels tanimt, lykas it fergrutsjen fan it oantal wetterstoftankstasjons, sil it mooglik wêze om elektrisiteit te brûken sûnder koalstofdiokside út te stoten. Elektrisiteit produseart fansels griene wetterstof, dus it brûkt elektrisiteit opwekt út sinneljocht of wyn. De krêft dy't brûkt wurdt foar elektrolyse moat de krêft wêze om de hoemannichte enerzjyopwekking te ûnderdrukken of om de oplaadbere batterij op te laden as der in oerskot oan enerzjy is fan natuerlike enerzjy. Mei oare wurden, de wetterstof is yn deselde posysje as de oplaadbere batterij. As dit bart, sil it úteinlik mooglik wêze om termyske enerzjyopwekking te ferminderjen. De dei dat de ynterne ferbaarningsmotor út auto's ferdwynt, komt rap tichterby.
Wetterstof kin ek fia in oare rûte krigen wurde. Eins is wetterstof noch altyd in byprodukt fan 'e produksje fan natriumhydrogenaat. It is ûnder oare in byprodukt fan koksproduksje by izermeitsjen. As jo dizze wetterstof yn 'e distribúsje sette, kinne jo meardere boarnen krije. Wetterstofgas dat op dizze manier produsearre wurdt, wurdt ek levere troch wetterstofstasjons.
Litte wy fierder yn 'e takomst sjen. De hoemannichte enerzjy dy't ferlern giet is ek in probleem mei de metoade fan oerdracht dy't triedden brûkt om stroom te leverjen. Dêrom sille wy yn 'e takomst de wetterstof brûke dy't fia pipelines levere wurdt, krekt lykas de koalstofsoertanks dy't brûkt wurde by it meitsjen fan koalstofhoudende dranken, en thús in wetterstoftank keapje om elektrisiteit op te wekken foar elk húshâlden. Mobiele apparaten dy't op wetterstofbatterijen rinne, wurde hieltyd gewoaner. It sil nijsgjirrich wêze om sa'n takomst te sjen.
Pleatsingstiid: 8 juny 2023
