Waterstofbrandstof met zijn verschillende namen als schone brandstof, koolstofvrije brandstof is de meest toegankelijke en toekomstige brandstof. Brandstof is alles wat kan worden gemaakt om te reageren met andere stoffen om energie vrij te maken en de aanwezigheid van waterstof in huishoudelijke bronnen zoals biomassa, aardgas en kernenergie maakt het de brandstof van de toekomst. Het kan zelfs worden geproduceerd door middel van hernieuwbare energie zoals zon en wind. Al deze kwaliteiten gecombineerd om het een alternatieve brandstofoptie te maken voor transport, elektriciteitsopwekkingstoepassingen, draagbare elektronische apparaten en stroomback-upsystemen.
In veel opzichten is waterstof de perfecte brandstof. Het is de schoonste verbranding en de meest efficiënte, waardoor een energiekringloop ontstaat die hernieuwbaar en onschadelijk is voor het milieu. Waterstof combineert chemisch met de meeste elementen, dus het wordt al vele jaren als industriële chemische stof in een breed scala aan toepassingen gebruikt. Met zijn overvloedige aanwezigheid blijkt de manier van produceren veel te zijn. Laten we verder gaan met de productie van waterstof.
De baanbrekende technologieën voor de productie van waterstofbrandstof
Waterstof is het eenvoudigste element vanwege de chemische samenstelling van slechts één proton en één elektron, waardoor het gemakkelijk kan reageren met verschillende stoffen om te transformeren in een vorm die in staat is enkele grote problemen van toekomstige brandstof op te lossen. De energie-efficiëntie en milieu-impact van waterstof zijn puur afhankelijk van de manier waarop het wordt geproduceerd. Er zijn verschillende methoden die in de industrie worden gebruikt om waterstofbrandstof te maken. Enkele van hen worden hieronder besproken:
Elektrolytisch proces: Deze methode van scheiding van water in waterstof en zuurstof met behulp van een elektronische stroom wordt elektrolyse genoemd. Het is duidelijk dat de elektriciteit die wordt geproduceerd door hernieuwbare bronnen, zoals zon of wind, de resulterende waterstof ook als hernieuwbaar zal worden beschouwd en tal van emissievoordelen heeft. Power-to-hydrogen-projecten komen van de grond, waarbij overtollige hernieuwbare elektriciteit, indien beschikbaar, wordt gebruikt om waterstof te maken door middel van elektrolyse.
Methaan Pyrolyse: Waterstofproductie met behulp van aardgasmethaanpyrolyse is een recent "geen broeikasgas" eenstapsproces. Het ontwikkelen van volumeproductie met behulp van deze methode is de sleutel tot een snellere koolstofreductie door het gebruik van waterstof in industriële processen, het transport van zware vrachtwagens met brandstofcellen en de opwekking van elektrische energie door gasturbines. Methaanpyrolyse maakt gebruik van methaan CH4 dat bij hoge temperaturen (1340 K, 1065°C of 1950 °F) door de gesmolten metaalkatalysator wordt geborreld om niet-vervuilend waterstof-H2-gas in hoog volume te produceren, tegen lage kosten en produceert niet-vervuilende vaste koolstof C zonder uitstoot van broeikasgas.
CH4 (g) → C(s) + 2 H2 (g) ΔH° = 74 kJ/mol
Methaanpyrolyse is in ontwikkeling en wordt geschikt geacht voor commerciële bulkwaterstofproductie.
Stoomreforming (industriële methode): Waterstof wordt vaak geproduceerd met aardgas, waarbij waterstof bij zeer hoge temperaturen uit koolwaterstoffen wordt verwijderd, waarbij 48% van de waterstofproductie afkomstig is van stoomreforming. Commerciële waterstof in bulk wordt meestal geproduceerd door stoomreforming van aardgas waarbij broeikasgassen uit de atmosfeer vrijkomen of door afvang met behulp van CCS en mitigatie van klimaatverandering. Stoomreforming is ook bekend als het Bosch-proces en wordt veel gebruikt voor de industriële bereiding van waterstof.
Bij hoge temperaturen (1000-1400 K, 700-1100 ° C of 1300-2000 ° F), reageert stoom met methaan om koolmonoxide en H2 te geven.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Biologisch proces: Biologische processen gebruiken microben zoals bacteriën en microalgen en kunnen waterstof produceren door biologische reacties. Bij microbiële biomassaconversie breken de microben organisch materiaal zoals biomassa of afvalwater af om waterstof te produceren, terwijl bij fotobiologische processen de microben zonlicht als energiebron gebruiken.
Door zonne-energie aangedreven proces: Door zonne-energie aangedreven gebruikt in feite zonnelicht of straling om waterstof te vormen. Er zijn in principe drie door zonne-energie aangedreven processen van dat soort: fotobiologisch, foto-elektrochemisch en thermochemisch op zonne-energie. Fotobiologische processen gebruiken de natuurlijke fotosynthetische activiteit van bacteriën en groene algen om waterstof te produceren. Foto-elektrochemische processen gebruiken gespecialiseerde halfgeleiders om water te scheiden in waterstof en zuurstof. Thermochemische waterstofproductie op zonne-energie maakt gebruik van geconcentreerde zonne-energie om watersplitsingsreacties aan te sturen, vaak samen met andere soorten zoals metaaloxiden.
Praktische toepassingen in de technische industrie
Toepassingen in de auto-industrie
Waterstof wordt beschouwd als de alternatieve brandstof voor de auto-industrie vanwege het hoge rendement en de nul-uitstoot van koolstof. Het gebruik van waterstof in voertuigen is een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek en de ontwikkeling van brandstofcellen. In landen als de Verenigde Staten hebben ze ook waterstoftankstations. De meeste voertuigen op waterstof zijn auto's en transitbussen die een elektromotor hebben die wordt aangedreven door een waterstofbrandstofcel. Enkele van deze voertuigen verbranden direct waterstof. De hoge kosten van brandstofcellen en de beperkte beschikbaarheid van waterstoftankstations hebben het aantal voertuigen op waterstof beperkt. Zelfs waterstofbrandstofcellen worden gebruikt in treinen in Duitsland en ontdekten dat deze in de komende vijf jaar Groot-Brittannië, Frankrijk, Italië, Japan en de Verenigde Staten kunnen bereiken. Voor voertuigen voor persoonlijk gebruik ontwikkelen negen van de grote autofabrikanten elektrische voertuigen met waterstofbrandstofcellen (FCEV's) voor persoonlijk gebruik. Opmerkelijke modellen zijn de Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo en BMW.
Bij de productie van elektriciteit
Waterstofbrandstofcellen produceren elektriciteit door waterstof- en zuurstofatomen te combineren. De waterstof reageert met zuurstof in een elektrochemische cel die vergelijkbaar is met die van een batterij om elektriciteit, water en kleine hoeveelheden warmte te produceren. Er zijn veel verschillende soorten brandstofcellen beschikbaar voor een breed scala aan toepassingen. Kleine brandstofcellen kunnen laptops en zelfs mobiele telefoons en militaire toepassingen van stroom voorzien. Grote brandstofcellen kunnen elektriciteit leveren voor back-up of noodstroom in gebouwen en de elektriciteit leveren op plaatsen die niet zijn aangesloten op het elektriciteitsnet.
Afgezien daarvan wordt waterstof ook voornamelijk gebruikt in een aantal maritieme toepassingen, ruimtevaarttoepassingen en opwekking van stroomback-up.
Uitdagingen van waterstof als alternatieve brandstof
We hebben altijd gehoord dat een munt twee kanten heeft, hetzelfde geldt voor nieuwe toekomstige brandstof. Over uitdagingen gesproken om waterstofbrandstof in industrieën te gebruiken, heel veel zijn redelijk en onvermijdelijk. Een paar van hen zijn hieronder opgesomd: -
Waterstofextractie
Ondanks dat het in zo'n overvloed beschikbaar is in het universum, is extractie behoorlijk moeilijk. Waterstof bestaat niet op zichzelf en moet dus via elektrolyse uit het water worden gehaald of van fossiele brandstoffen worden gescheiden. Beide processen vereisen een aanzienlijke hoeveelheid energie om te bereiken. Deze energie kan meer zijn dan die uit de waterstof zelf en is ook duur.
Kosten van grondstoffen en verdere investeringen
Voor het extraheren van waterstof zijn edelmetalen zoals platina en iridium nodig als katalysatoren en weinig elektrolyzers voor elektrolyse. Al deze extra kosten maken de kosten van de grondstof hoger. De hoge kosten hebben sommigen ervan weerhouden om in waterstofbrandstofcellen te investeren technologie. Dergelijke kosten moeten worden verlaagd om van waterstofbrandstofcellen een haalbare brandstofbron voor iedereen te maken. Er moeten investeringen worden gedaan om waterstofbrandstofcellen zo te ontwikkelen dat ze een werkelijk levensvatbare energiebron worden. Dit zal ook de politieke wil vereisen om tijd en geld in ontwikkeling te investeren om de technologie te verbeteren en volwassen te maken.
Infrastructuur en waterstofopslag
Fossiele brandstoffen worden al tientallen jaren gebruikt, de infrastructuur voor deze stroomvoorziening bestaat al. Grootschalige invoering van waterstofbrandstofceltechnologie voor automobieltoepassingen zal een nieuwe tankinfrastructuur vereisen om dit te ondersteunen, hoewel voor langeafstandstoepassingen zoals die voor vrachtwagens en bestelwagens waarschijnlijk begin-tot-eind-tanken zal worden gebruikt.
De opslag en het transport van waterstof zijn complexer dan voor fossiele brandstoffen. Dit brengt extra kosten met zich mee voor waterstofbrandstofcellen als energiebron.
Waterstofbrandstof is de beste duurzame en alternatieve brandstofoptie voor de nabije toekomst en de toepassingen ervan zijn niet alleen van cruciaal belang voor het milieu, maar ook voor de stijgende vraag naar brandstof. Onderzoekers en innovatieve bedrijven zouden hun uiterste best moeten doen om waterstof, net als water, niet alleen voor industrieel gebruik, maar ook voor persoonlijk gebruik beschikbaar te maken.
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaOpkomende trends in Wide Band Gap Semiconductors (SiC en GaN)-technologie voor automobiel- en energiebesparende toepassingen
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaVorm van onze fabriek: productie in het postpandemische tijdperk