Wasserstoffenergie als Brennstoff verwenden

Wasserstoffenergie kann als Alternative zu fossilen Brennstoffen verwendet werden und viele Wissenschaftler auf der ganzen Welt sind der Ansicht, dass Wasserstoff als Energiequelle eine dauerhafte Lösung sein könnte globale Krise, mit der wir in unserer Energieversorgung konfrontiert sind.

Da Wasserstoffgas (Symbol H) aus Wasser hergestellt werden kann, ist es daher einer der leichtesten, effizientesten, kostengünstigsten und saubersten Brennstoffe auf dem Planeten und hat als solcher das große Potenzial, einer unserer Hauptbrennstoffe für den Antrieb unserer zu sein Fahrzeuge für eine sauberere, grünere Zukunft.

Wasserstoff ist das einfachste und am häufigsten vorkommende Element auf der Erde, da ein Wasserstoffatom nur aus einem Proton und einem Elektron besteht und damit das erste Element im Periodensystem ist. Doch trotz seiner Einfachheit und Fülle kommt Wasserstoff hier auf der Erde nicht natürlich als Gas vor, sondern immer in Verbindung mit anderen Elementen. Zum Beispiel Wasser als H2O. Dies ist praktisch, da über 72 % unseres Planeten mit Wasser bedeckt sind, was die Produktion von Wasserstoff als Energiequelle sehr nachhaltig macht und ein guter Kandidat für unseren Versuch, die Energieeffizienz zu steigern.

Wasserstoffenergie als Kraftstoff

Wasserstoff kommt auch in der Natur in vielen organischen und lebenden Organismen in Form von Kohlenwasserstoffen vor, die viele unserer derzeitigen Energiebrennstoffe wie Erdgas, Benzin, Propan und Methan ausmachen. In seiner reinen Form ist Wasserstoff ein farb- und geruchloses, aber leicht entzündliches Gas, das als Energieträger und nicht als Energiequelle dient.

Wasserstoff ist kein Primärenergieträger, der wie Kohle, Öl oder Gas einfach abgebaut werden kann. Stattdessen wird Wasserstoff ähnlich wie Strom als sekundärer Energieträger eingestuft, der zunächst durch die Nutzung von Energie aus einer anderen Quelle erzeugt werden muss, entweder durch Photovoltaik oder durch fossile Brennstoffe.

Wir alle haben in unserer Wissenschaft gelernt Unterricht in der Schule, dass Wasser eine Kombination aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H2O) ist. Da Wasser so weit verbreitet ist, konzentrieren sich die meisten Methoden zur Herstellung von Wasserstoffgas darauf, es durch Elektrolyse aus Wasser zu extrahieren.

Die Elektrolyse trennt die Wasserstoffmoleküle von den Sauerstoffmolekülen im Wasser unter Verwendung von Elektrizität. Wir können sie auch mit Sonnenlicht anstelle von Elektrizität trennen, und dieser Prozess wird „Photolyse“ genannt. Sie mögen denken, dass die Verwendung von Strom aus fossilen Brennstoffen zur Herstellung von Wasserstoff das Ziel etwas zunichte macht, aber da die zum Trennen des Wassers erforderliche elektrische Energie gering ist, können wir auch von der Sonne gespeiste Photovoltaikzellen verwenden, um genügend Strom für die Herstellung von Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Prozess wird “Photoelektrolyse” genannt.

Um die Vorteile einer wirklich nachhaltigen Wasserstoffenergieversorgung zu erreichen, die die Welt mit Energie versorgt, müssen wir große Mengen Wasserstoff durch Elektrolyse unter Verwendung nicht fossiler Ressourcen wie Wasser und idealerweise unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen herstellen , zum Beispiel Photovoltaik, Windkraftanlagen, Wasserkraft usw. Dann schafft dieses ideale Szenario der Erzeugung nachhaltiger Wasserstoffenergie aus der Sonne durch Aufspaltung von Wasser aus unseren Ozeanen einen völlig neuen Begriff und Ausdruck für erneuerbare Energien: „Solarer Wasserstoff“; .

Erzeugung von Wasserstoffenergie durch Elektrolyse

Elektrolyse ist der Prozess, bei dem ein elektrischer Strom durch Wasser geleitet wird und die chemischen Bindungen aufbricht, die zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen bestehen. Die dafür verwendete Ausrüstung wird als „Elektrolyseur“ bezeichnet. Ein Elektrolyseur besteht im Wesentlichen aus einem positiven Element namens Anode (A), einem negativen Element namens Kathode (K), beides eingetaucht in eine Flüssigkeit namens Elektrolyt, die Strom führen kann.

Wasserstoff aus Elektrolyse

Wenn eine elektrische Spannungsversorgung an die beiden Elektroden angeschlossen wird, wird ein elektrischer Strom durch den leitenden Elektrolyten geleitet, wodurch Elektronen von der Anode (wo die Oxidation stattfindet) zur Kathode (wo die Reduktion stattfindet) fließen, wodurch das Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird. von Wasserstoff und Sauerstoff.

Eine Trennmembran wird verwendet, um die Protonen und Elektronen des Wasserstoffs zu trennen. In den meisten Fällen wird Wasserelektrolyse verwendet, um den Wasserstoff zu erzeugen, aber der Elektrolyt kann auch eine Lösung aus Wasser und Säuren oder Metallsalzen sein.

Der elektrische Strom bricht auch die molekularen Bindungen zwischen den Atomen und sobald sie gebrochen sind, werden die Atompartikel (Wasserstoff und Sauerstoff) entweder positiv oder negativ geladen und können sich frei durch den Elektrolyten bewegen.

Wie die beiden Elektroden auch positiv und negativ von der Batterieversorgung geladen, zieht dies die freien Atome zu sich hin, wobei die Wasserstoffatome von der negativen Elektrode angezogen werden und Wasserstoffgasblasen bilden.

Im Allgemeinen sammeln sich die positiven Wasserstoffatome an der Anode (die negativ ist), während sich die negativen Sauerstoffionen an der Kathode (die positiv ist) befinden. Wenn sich die Wasserstoff- und Sauerstoffgase an einem der Anschlüsse bilden und groß genug sind, lösen sie sich und steigen an die Oberfläche, wo das Wasserstoffgas gesammelt und das Sauerstoffgas entlüftet wird. Dann können wir sehen, dass die Elektrolyse ein Verfahren zur Erzeugung chemischer Energie (Wasserstoff und Sauerstoff) ist, indem ein elektrischer Strom durch eine chemische Substanz geleitet wird, die als wässriger Elektrolyt bezeichnet wird.

Sobald der Wasserstoff gesammelt und gereinigt wurde, können wir den sauberen Wasserstoff auf verschiedene Weise als Kraftstoff verwenden, da er einen größeren Bereich an Entflammbarkeitsgrenzen und eine niedrigere Zündenergie als viele andere Kraftstoffe hat. Da Wasserstoff hauptsächlich als Industriegas verwendet wird, sind die für die Produktion, Speicherung und Übertragung von Wasserstoff erforderlichen Technologien in der chemischen Industrie gut etabliert.

Im Gegensatz zu Kraftstoffen auf Benzin- oder Alkoholbasis, die bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur leicht zu handhabende Flüssigkeiten sind, ist Wasserstoff bei normalen Umgebungstemperaturen ein leichtes Gas. Der Vorteil von Wasserstoff als Kraftstoff besteht jedoch darin, dass Wasserstoff bei niedriger Temperatur, etwa -253 °C, in eine Flüssigkeit umgewandelt und als Flüssigkeit auf der Straße oder Schiene geliefert oder auf einen hohen Druck komprimiert und durch Gasleitungen geliefert werden kann. Allerdings bleibt die Verflüssigung von Wasserstoff trotz jahrzehntelanger industrieller Erfahrung immer noch sehr energieintensiv.

Wasserstoffenergie als Kraftstoffquelle

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Nachdem wir gesehen haben, wie Wasserstoffenergie mittels Elektrolyse erzeugt wird, ist eine Anwendung der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoffquelle in Verbindung mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät zur Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs, in diesem Fall Wasserstoff, in elektrische Energie, die zum Antrieb von Haushalten, Schulen oder unseren Autos verwendet werden kann.

Brennstoffzellen können mit einem breiten Spektrum betrieben werden Brennstoffe, nicht nur Wasserstoff, und werden von vielen als saubere, hocheffiziente Energiequelle angesehen. Brennstoffzellen funktionieren, indem sie Wasserstoff (den Brennstoff) mit Sauerstoff (dem Oxidationsmittel) mischen, um Strom und sauberes Wasser (als Nebenprodukt) zu erzeugen.

Dann arbeitet eine Brennstoffzelle nach dem Prinzip der elektrochemischen Verbrennung, indem sie die beiden Atome rekombiniert, um eine exotherme Reaktion von Licht und Wärme zu erzeugen. Dies bietet die Möglichkeit einer hocheffizienten Umwandlung von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel (normalerweise sauerstoffhaltige Luft) in elektrische Energie, da der Wasserstoffbrennstoff als chemischer Brennstoff gespeichert und bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das einzige Nebenprodukt ist Wasser, wenn die Wasserstoff- und Sauerstoffatome rekombinieren.

Was ist also der Unterschied zwischen einer Brennstoffzelle und einer Batterie? Während sowohl die Batterie als auch die Brennstoffzelle elektrochemische Geräte sind, die in der Lage sind, chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, setzt die chemische Reaktion innerhalb der Batterie freie Elektronen frei, die zwischen den beiden Anschlüssen und als Strom zur Last wandern.

Aber was noch wichtiger ist, Batterien sind Kosten und der Stromverbrauch der angeschlossenen Last verbraucht ständig die gespeicherte Energie der Batterien. Dies liegt daran, dass eine Batterie ein versiegeltes Energiespeichersystem ist und sobald die Energie verbraucht ist, muss die Batterie aufgeladen oder ersetzt werden, was ihr eine relativ kurze Lebensdauer verleiht.

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle hingegen gleicht eher einem Energiewandler als dem Energiespeicher einer Batterie. Die chemische Reaktion einer Brennstoffzelle wandelt den Brennstoff Wasserstoff und Sauerstoff in Strom um, wodurch Wasser als Nebenprodukt entsteht. Dann liefert eine Brennstoffzelle solange Strom, wie sie mit dem Brennstoff Wasserstoff versorgt wird und muss daher nicht wie eine Batterie nachgeladen oder ausgetauscht werden. Der Vorteil ist, dass eine Brennstoffzelle genauso mit Wasserstoff betankt werden kann wie ein Auto mit Diesel oder Benzin.

Aber eine einzige Wasserstoff-Brennstoffzelle reicht nicht aus, um ein Fahrzeug anzutreiben, so viele werden kombiniert oder gestapelt, um das Ausgangsspannungspotential ähnlich wie beim Zusammenschalten von Batterien zu erhöhen. Die für den Betrieb eines kleinen Fahrzeugs erforderliche Spannung kann je nach Reichweite und Geschwindigkeit einige Hundert Volt bis zu mehreren Kilovolt (kV) betragen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen haben viele gute Vorteile, die wichtigsten sind, dass sie sehr einfach herzustellen sind, keine beweglichen Teile enthalten, also leise sind und im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien sehr wenig Wartung benötigen.

Wasserstoff-Brennstoff Zellen sind außerdem leicht und vielseitig. Brennstoffzellen können groß oder klein hergestellt und in großem oder kleinem Maßstab verwendet werden, um grüne Energie für ein Haus zu liefern oder ein Auto anzutreiben, und da sie modular aufgebaut sind, können Sie nur eine einzeln verwenden oder viele miteinander verbinden, um die Leistung zu erhöhen genau wie Batterien.

Tutorial-Zusammenfassung

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Wasserstoffenergie ist kostenlose Energie von der Sonne, da wir die Photovoltaik (die Erzeugung von Strom durch Solarzellen) nutzen können, um Energie mithilfe der Chemie des Wassers freizusetzen.

Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoffatom, das an zwei Wasserstoffatome (H2O) gebunden ist, und durch die Freisetzung dieser Atome (unter Verwendung von Elektrizität) können wir Wasserstoffgas erzeugen, das als Teil eines Solarenergiespeichersystems verwendet wird.

Das Wichtigste Verwendungen von Wasserstoffenergie waren bisher als Industriechemikalie, Düngemittel oder für den Einsatz in der Weltraumindustrie, wo wir im Fernsehen gesehen haben, dass seine Verbrennung mit reinem Sauerstoff den Antrieb für die Raketenstufen liefert, was wieder zeigt, wie viel Energie kann in einem Wasserstoffsystem gespeichert werden.

Neben Raketentriebwerken werden derzeit jedoch viele viel kleinere grüne Wasserstoff-Energiesysteme und -Anwendungen entwickelt, darunter wasserstoffbetriebene „emissionsfreie Fahrzeuge“; (wie die von Honda und Toyota hergestellten), die entweder einen modifizierten Verbrennungsmotor oder mehrere Brennstoffzellen mit Wasserstoffenergie als Kraftstoff verwenden.

Leider wird heute der größte Teil des weltweit verbrauchten Wasserstoffgases aus fossilen Brennstoffen und insbesondere Erdgas durch einen Prozess namens Dampfreformierung erzeugt. Um Wasserstoff durch Dampfreformierung zu Energie zu machen, wird das Erdgas mit unter Druck stehendem Dampf bei sehr hoher Temperatur in einer geschlossenen Brennkammer umgesetzt. Ein Metallkatalysator hilft beim Abbau des Erdgases, wodurch Methan freigesetzt wird, das dann mit Wasser gemischt wird, um grünen Wasserstoff zu erzeugen. Bei dieser Reaktion entstehen auch Kohlenoxide wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Nebenprodukt, die bei Freisetzung die Umwelt schädigen können.

Aber eine großtechnische Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie, Wasserkraft, Wasserkraft oder sogar Kernkraft, um die elektrischen Ströme zu erzeugen, die zum Trennen der Moleküle erforderlich sind, wäre dann der Prozess der Erzeugung von Wasserstoffenergie durch Elektrolyse viel günstiger werden. Auch andere grüne Energiequellen könnten durch die Nutzung von Biomasse gewonnen werden: Abfälle, Abwässer und landwirtschaftliche Reststoffe sind alle endlos erneuerbar und haben nur geringe negative Auswirkungen auf die Umwelt.

Neben dem Transport kann Wasserstoffenergie auch effektiv zur Erzeugung von Wärme, Strom oder einer Kombination aus beidem genutzt werden. Das Problem ist, dass die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff in großem Maßstab immer noch relativ hoch sind und daher wahrscheinlich nicht als Brennstoff zum Heizen unserer Häuser verwendet werden. Es gibt andere Arten von erdölbasierten fossilen Brennstoffen, die für diesen Zweck effektiver sind.

Da sich die Wasserstoffenergietechnologie ständig weiterentwickelt und das Potenzial hat, erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Brennstoffen in Bezug auf niedrige oder keine Emissionen zu bieten und mit der mögliche Integration von Wasserstoffenergiespeicherung mit erneuerbaren Energiequellen, es bietet die Möglichkeit wirtschaftlich effizienter Fernstromsysteme und Reduzierungen der externen Energiekosten, die mit vielen fossilen Brennstoffen verbunden sind.

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