Wasserstoffkraftstoff mit seinen verschiedenen Namen als sauberer Kraftstoff, kohlenstofffreier Kraftstoff ist der am besten zugängliche und zukunftsweisende Kraftstoff. Brennstoff ist alles, was mit anderen Stoffen in Reaktion gebracht werden kann, um Energie freizusetzen, und das Vorhandensein von Wasserstoff in heimischen Ressourcen wie Biomasse, Erdgas, Kernkraft macht ihn zum Brennstoff der Zukunft. Es kann sogar durch erneuerbare Energien wie Sonne und Wind erzeugt werden. All diese Eigenschaften kombiniert, um es zu einer alternativen Kraftstoffoption für Transport, Stromerzeugungsanwendungen, tragbare elektronische Geräte und Strom-Backup-Systeme zu machen.
Wasserstoff ist in vielerlei Hinsicht der perfekte Brennstoff. Es ist die sauberste Verbrennung und die effizienteste und schafft einen erneuerbaren und umweltfreundlichen Energiekreislauf. Wasserstoff verbindet sich chemisch mit den meisten Elementen und wird daher seit vielen Jahren als Industriechemikalie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Mit seiner reichlichen Präsenz erweist sich die Produktionsweise als vielfältig. Kommen wir zur Produktion von Wasserstoff.
Die bahnbrechenden Technologien zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff
Wasserstoff ist aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung aus nur einem Proton und einem Elektron das einfachste Element, das es leicht macht, mit verschiedenen Stoffen zu reagieren und in eine Form zu überführen, die in der Lage ist, einige wichtige Probleme zukünftiger Kraftstoffe zu lösen. Die Energieeffizienz und Umweltauswirkungen von Wasserstoff hängen allein von der Art seiner Herstellung ab. In der Industrie werden verschiedene Methoden zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff verwendet. Einige von ihnen werden im Folgenden beschrieben:
Elektrolytischer Prozess: Diese Methode der Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung eines elektronischen Stroms wird Elektrolyse genannt. Es liegt auf der Hand, dass der Strom, der aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind erzeugt wird, der daraus resultierende Wasserstoff ebenfalls als erneuerbar gilt und zahlreiche Emissionsvorteile hat. Power-to-Wasserstoff-Projekte nehmen Fahrt auf, bei denen überschüssiger erneuerbarer Strom, sofern verfügbar, zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse verwendet wird.
Methanpyrolyse: Die Wasserstoffproduktion mittels Erdgas-Methanpyrolyse ist ein neuer einstufiger Prozess ohne Treibhausgase. Die Entwicklung einer Massenproduktion mit dieser Methode ist der Schlüssel zu einer schnelleren CO4-Reduzierung durch die Verwendung von Wasserstoff in industriellen Prozessen, dem Brennstoffzellen-Elektrotransport von schweren Lastkraftwagen und der Stromerzeugung mit Gasturbinen. Bei der Methanpyrolyse wird Methan CH1340 verwendet, das bei hohen Temperaturen (1065 K, 1950 °C oder 2 °F) durch den geschmolzenen Metallkatalysator aufgesprudelt wird, um umweltfreundliches Wasserstoff-HXNUMX-Gas in großen Mengen und zu geringen Kosten zu erzeugen und produziert umweltfreundlichen festen Kohlenstoff C ohne Emission von Treibhausgasen.
CH4 (g) → C(s) + 2 H2 (g) ΔH° = 74 kJ/mol
Die Methanpyrolyse befindet sich in der Entwicklung und wird als geeignet für die kommerzielle Massenwasserstoffproduktion angesehen.
Dampfreformierung (industrielle Methode): Wasserstoff wird häufig unter Verwendung von Erdgas hergestellt, das die Entfernung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen bei sehr hohen Temperaturen beinhaltet, wobei 48 % der Wasserstoffproduktion aus der Dampfreformierung stammen. Kommerzieller Massenwasserstoff wird in der Regel durch Dampfreformierung von Erdgas unter Freisetzung von atmosphärischem Treibhausgas oder durch Abscheidung mittels CCS und Klimaschutz hergestellt. Die Dampfreformierung ist auch als Bosch-Verfahren bekannt und wird häufig zur industriellen Herstellung von Wasserstoff eingesetzt.
Bei hohen Temperaturen (1000–1400 K, 700–1100 °C oder 1300–2000 °F) reagiert Dampf mit Methan zu Kohlenmonoxid und H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Biologischer Prozess: Biologische Prozesse nutzen Mikroben wie Bakterien und Mikroalgen und können durch biologische Reaktionen Wasserstoff produzieren. Bei der mikrobiellen Biomasseumwandlung bauen die Mikroben organische Stoffe wie Biomasse oder Abwasser zu Wasserstoff ab, während die Mikroben bei photobiologischen Prozessen Sonnenlicht als Energiequelle nutzen.
Solarbetriebener Prozess: Solarbetrieben ist im Grunde die Verwendung von Sonnenlicht oder Strahlungen, um Wasserstoff zu bilden. Es gibt grundsätzlich drei solarbetriebene Prozesse dieser Art: photobiologische, photoelektrochemische und solarthermochemische. Photobiologische Verfahren nutzen die natürliche Photosyntheseaktivität von Bakterien und Grünalgen, um Wasserstoff zu produzieren. Photoelektrochemische Prozesse verwenden spezialisierte Halbleiter, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Die solare thermochemische Wasserstoffproduktion verwendet konzentrierte Sonnenenergie, um Wasserspaltungsreaktionen oft zusammen mit anderen Spezies wie Metalloxiden voranzutreiben.
Praktische Anwendungen in der Tech-Branche
Anwendungen in der Automobilindustrie
Wasserstoff gilt aufgrund seiner hohen Effizienz und Null-Kohlenstoff-Emission als alternativer Kraftstoff für die Automobilindustrie. Die Wasserstoffnutzung in Fahrzeugen ist ein Schwerpunkt der Brennstoffzellenforschung und -entwicklung. In Ländern wie den USA gibt es auch Wasserstofftankstellen. Die meisten wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge sind Autos und Nahverkehrsbusse, die über einen Elektromotor verfügen, der von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetrieben wird. Einige dieser Fahrzeuge verbrennen Wasserstoff direkt. Die hohen Kosten von Brennstoffzellen und die begrenzte Verfügbarkeit von Wasserstofftankstellen haben die Zahl der wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge begrenzt. Sogar die Wasserstoff-Brennstoffzelle wird in Deutschland in Zügen eingesetzt und könnte in den nächsten fünf Jahren Großbritannien, Frankreich, Italien, Japan und die USA erreichen. Für private Fahrzeuge entwickeln neun der großen Automobilhersteller Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) für den persönlichen Gebrauch. Bemerkenswerte Modelle sind der Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo und BMW.
Bei der Stromerzeugung
Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen Strom, indem sie Wasserstoff- und Sauerstoffatome kombinieren. Der Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff über eine elektrochemische Zelle ähnlich der einer Batterie, um Strom, Wasser und kleine Wärmemengen zu erzeugen. Für ein breites Anwendungsspektrum stehen viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen zur Verfügung. Kleine Brennstoffzellen können Laptops und sogar Mobiltelefone und militärische Anwendungen mit Strom versorgen. Große Brennstoffzellen können in Gebäuden Strom für Notstrom oder Notstrom bereitstellen und den Strom an Orten liefern, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind.
Abgesehen davon wird Wasserstoff auch in einer Reihe von Marineanwendungen, Raumfahrtanwendungen und hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet.
Herausforderungen durch Wasserstoff als alternativen Kraftstoff
Wir haben immer gehört, dass eine Münze zwei Seiten hat, das gleiche gilt für den neuen Kraftstoff der Zukunft. Apropos Herausforderungen beim Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff in der Industrie: Vieles ist sinnvoll und unvermeidlich. Einige von ihnen sind unten aufgeführt: -
Wasserstoffextraktion
Obwohl es im Universum so reichlich vorhanden ist, ist die Extraktion ziemlich schwierig. Wasserstoff existiert nicht allein und muss daher durch Elektrolyse aus dem Wasser gewonnen oder von fossilen Kohlenstoffbrennstoffen getrennt werden. Beide Prozesse erfordern eine erhebliche Menge an Energie, um sie zu erreichen. Diese Energie kann mehr sein als die aus dem Wasserstoff selbst gewonnene und zudem teuer sein.
Rohstoffkosten und weitere Investitionen
Zur Gewinnung von Wasserstoff werden Edelmetalle wie Platin und Iridium als Katalysatoren und wenige Elektrolyseure für die Elektrolyse benötigt. All diese zusätzlichen Kosten erhöhen die Kosten des Rohmaterials. Die hohen Kosten haben einige davon abgehalten, in Wasserstoff-Brennstoffzellen zu investieren Technologie. Diese Kosten müssen gesenkt werden, um Wasserstoff-Brennstoffzellen zu einer brauchbaren Energiequelle für alle zu machen. Wasserstoff-Brennstoffzellen erfordern Investitionen, um sie so weit zu entwickeln, dass sie zu einer wirklich brauchbaren Energiequelle werden. Dazu bedarf es auch des politischen Willens, Zeit und Geld in die Entwicklung zu investieren, um die Technologie zu verbessern und zu reifen.
Infrastruktur und Wasserstoffspeicherung
Fossile Brennstoffe werden seit Jahrzehnten genutzt, die Infrastruktur für diese Energieversorgung ist bereits vorhanden. Die groß angelegte Einführung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie für Automobilanwendungen erfordert eine neue Betankungsinfrastruktur, um sie zu unterstützen, obwohl für Anwendungen mit großer Reichweite, wie z. B. für Lkw und Lieferwagen, wahrscheinlich eine durchgehende Betankung verwendet wird.
Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff sind komplexer als bei fossilen Brennstoffen. Dies impliziert zusätzliche Kosten, die für Wasserstoff-Brennstoffzellen als Energiequelle zu berücksichtigen sind.
Wasserstoffkraftstoff ist die beste nachhaltige und alternative Kraftstoffoption für die nahe Zukunft und seine Anwendungen sind nicht nur für die Umwelt, sondern auch für den steigenden Kraftstoffbedarf von entscheidender Bedeutung. Forscher und innovative Unternehmen sollten sich intensiv darum bemühen, Wasserstoff wie Wasser nicht nur für die Industrie, sondern auch für den privaten Gebrauch zur Verfügung zu stellen.
Sheeba Chauhan
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