Trends en vooruitzichten voor waterstofbrandstofcellen voor schoon vervoer

Dit artikel gaat in op waterstofbrandstofcellen, trends en vooruitzichten voor hun toepassing. Op waterstof gebaseerde brandstofcellen trekken tegenwoordig steeds meer aandacht in de auto-industrie, want als de 20e eeuw de eeuw van de verbrandingsmotor was, dan zou de 21e eeuw de eeuw van waterstofenergie in de auto-industrie kunnen worden. Dankzij waterstofcellen werken ruimteschepen nu al en in sommige landen van de wereld wordt waterstof al meer dan 10 jaar gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Een waterstofbrandstofcel is een elektrochemisch apparaat zoals een batterij dat elektriciteit opwekt door een chemische reactie tussen waterstof en zuurstof, en het product van de chemische reactie is zuiver water, terwijl het verbranden van bijvoorbeeld aardgas koolstofdioxide produceert dat schadelijk is voor het milieu.

Bovendien kunnen waterstofcellen met een hoger rendement werken en zijn daarom bijzonder veelbelovend. Stelt u zich eens voor: efficiënte, milieuvriendelijke automotoren.Maar de hele infrastructuur is momenteel gebouwd en gespecialiseerd voor aardolieproducten, en de grootschalige introductie van waterstofcellen in de auto-industrie stuit op deze en andere obstakels.

Ondertussen is sinds 1839 bekend dat waterstof en zuurstof chemisch kunnen worden gecombineerd en daardoor een elektrische stroom kunnen krijgen, dat wil zeggen dat het proces van elektrolyse van water omkeerbaar is - dit is een bevestigd wetenschappelijk feit. Al in de 19e eeuw begonnen brandstofcellen te worden bestudeerd, maar door de ontwikkeling van de olieproductie en de creatie van de verbrandingsmotor verlieten waterstofenergiebronnen en werden ze iets exotisch, onrendabel en duur om te produceren.

In de jaren vijftig moest NASA noodgedwongen zijn toevlucht nemen tot brandstofcellen op waterstof. Ze hadden een compacte en efficiënte stroomgenerator nodig voor hun ruimtevaartuig. Als gevolg hiervan vlogen Apollo en Gemini de ruimte in op waterstofbrandstofcellen, wat de beste oplossing bleek te zijn.

Tegenwoordig hebben brandstofcellen geen experimentele technologie meer en in de afgelopen 20 jaar is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in hun bredere commercialisering.

Niet voor niets worden hoge verwachtingen gesteld aan waterstofbrandstofcellen. Tijdens hun werk is de milieuvervuiling minimaal, technische voordelen en veiligheid liggen voor de hand, bovendien is dit type brandstof fundamenteel autonoom en kan het zware en dure lithiumbatterijen vervangen.

De brandstof van een waterstofcel wordt tijdens een chemische reactie direct omgezet in energie, waarbij meer energie wordt verkregen dan bij conventionele verbranding.Het verbruikt minder brandstof en het rendement is drie keer hoger dan dat van een vergelijkbaar apparaat dat fossiele brandstoffen gebruikt.

Hoe hoger de efficiëntie, hoe beter de manier waarop het water en de warmte die tijdens de reactie wordt gegenereerd, wordt gebruikt. De uitstoot van schadelijke stoffen is minimaal, aangezien alleen water, energie en warmte vrijkomen, terwijl zelfs bij het meest succesvol georganiseerde verbrandingsproces van traditionele brandstof onvermijdelijk stikstofoxiden, zwavel, koolstof en andere onnodige verbrandingsproducten worden gevormd.

Bovendien hebben de conventionele brandstofindustrieën zelf een nadelig effect op het milieu en voorkomen waterstofbrandstofcellen een gevaarlijke invasie van het ecosysteem, aangezien de productie van waterstof mogelijk is uit volledig hernieuwbare energiebronnen. Zelfs het lekken van dit gas is ongevaarlijk, aangezien het onmiddellijk verdampt.

De brandstofcel maakt voor zijn werking niet uit uit welke brandstof waterstof wordt gehaald. De energiedichtheid in kWh / l zal hetzelfde zijn, en deze indicator neemt voortdurend toe met de verbetering van de technologie voor het maken van brandstofcellen.

De waterstof zelf kan uit elke handige lokale bron worden gehaald, of het nu gaat om aardgas, kolen, biomassa of elektrolyse (via wind, zonne-energie etc.). De afhankelijkheid van regionale elektriciteitsleveranciers verdwijnt, de systemen zijn meestal onafhankelijk van elektriciteitsnetwerken.

De bedrijfstemperaturen van de cel zijn vrij laag en kunnen variëren van 80 tot 1000 °C, afhankelijk van het type element, terwijl de temperatuur in een conventionele moderne verbrandingsmotor 2300 °C bereikt.De brandstofcel is compact, stoot minimaal geluid uit tijdens de opwekking, stoot geen schadelijke stoffen uit en kan dus op elke handige plek in het systeem worden geplaatst waarin hij werkt.

In principe kan niet alleen elektriciteit, maar ook de warmte die vrijkomt bij een chemische reactie voor nuttige doeleinden worden gebruikt, bijvoorbeeld voor het verwarmen van water, ruimteverwarming of koeling - met deze aanpak wordt het rendement van het opwekken van energie in een cel benaderd 90%.

De cellen zijn gevoelig voor veranderingen in belasting, dus naarmate het stroomverbruik toeneemt, moet er meer brandstof worden toegevoerd. Dit is vergelijkbaar met hoe een benzinemotor of verbrandingsgenerator werkt. Technisch gezien is de brandstofcel vrij eenvoudig geïmplementeerd, aangezien er geen bewegende delen zijn, het ontwerp eenvoudig en betrouwbaar is en de faalkans fundamenteel extreem klein is.

Een waterstof-zuurstof brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan (bijvoorbeeld «met een polymeerelektrolyt») bevat een membraan dat protonen geleidt van een polymeer (Nafion, polybenzimidazool, enz.), dat twee elektroden scheidt - een anode en een kathode. Elke elektrode is meestal een koolstofplaat (matrix) met een ondersteunde katalysator - platina of een legering van platinoïden en andere verbindingen.

Op de anodekatalysator dissocieert moleculaire waterstof en verliest elektronen. Waterstofkationen worden over het membraan naar de kathode getransporteerd, maar elektronen worden aan het externe circuit gedoneerd omdat het membraan geen elektronen doorlaat. Op de kathodekatalysator combineert het zuurstofmolecuul met een elektron (dat wordt geleverd door externe communicatie) en een binnenkomend proton en vormt water, het enige product van de reactie (in de vorm van stoom en/of vloeistof).

Ja, elektrische auto's rijden tegenwoordig op lithiumbatterijen. Waterstof-brandstofcellen kunnen ze echter vervangen. In plaats van een batterij zal de stroombron veel minder gewicht dragen. Bovendien kan het vermogen van de auto helemaal niet worden verhoogd door de toename van het gewicht door de toevoeging van batterijcellen, maar simpelweg door de toevoer van brandstof naar het systeem aan te passen terwijl het zich in de cilinder bevindt. Daarom hebben autofabrikanten hoge verwachtingen van waterstofbrandstofcellen.

Meer dan 10 jaar geleden begon het werk aan de creatie van waterstofauto's in veel landen over de hele wereld, vooral in de VS en Europa. Zuurstof kan rechtstreeks uit de atmosferische lucht worden gehaald met behulp van een speciale filtercompressoreenheid aan boord van het voertuig. Gecomprimeerde waterstof wordt opgeslagen in een zware cilinder onder een druk van ongeveer 400 atm. Het tanken duurt een paar minuten.

Het concept van milieuvriendelijk stadsvervoer wordt in Europa sinds het midden van de jaren 2000 toegepast: dergelijke passagiersbussen zijn al lang te vinden in Amsterdam, Hamburg, Barcelona en Londen.In een metropool zijn de afwezigheid van schadelijke uitstoot en minder geluid uiterst belangrijk. De Coradia iLint, de eerste passagierstrein op waterstof, werd in 2018 in Duitsland gelanceerd. Tegen 2021 zullen er nog 14 van dergelijke treinen gelanceerd worden.

In de komende 40 jaar zou de verschuiving naar waterstof als primaire energiebron voor auto's een revolutie teweeg kunnen brengen in de energie en economie van de wereld. Al is nu duidelijk dat olie en gas nog minstens 10 jaar de belangrijkste brandstofmarkt zullen blijven.Desalniettemin investeren sommige landen al in de creatie van voertuigen met waterstofbrandstofcellen, ondanks het feit dat er veel technische en economische barrières moeten worden overwonnen.

Waterstofinfrastructuur creëren, veilige tankstations is de hoofdtaak, want waterstof is een explosief gas. Hoe dan ook, met waterstof kunnen de brandstof- en onderhoudskosten van voertuigen aanzienlijk worden verlaagd en kan de betrouwbaarheid worden verhoogd.

Volgens prognoses van Bloomberg zullen auto's tegen 2040 1.900 terawattuur verbruiken in plaats van de huidige 13 miljoen vaten per dag, wat 8% van de elektriciteitsvraag zal zijn, terwijl 70% van de olie die vandaag in de wereld wordt geproduceerd, naar de productie van transportbrandstof gaat. . Natuurlijk zijn de vooruitzichten voor de markt voor elektrische voertuigen op batterijen op dit moment veel uitgesprokener en indrukwekkender dan in het geval van waterstofbrandstofcellen.

In 2017 bedroeg de markt voor elektrische voertuigen $ 17,4 miljard, terwijl de markt voor waterstofauto's slechts $ 2 miljard waard was. Ondanks dit verschil blijven investeerders geïnteresseerd in waterstofenergie en financieren ze nieuwe ontwikkelingen.

Zo werd in 2017 de Hydrogen Council opgericht, die 39 grote autofabrikanten omvat, zoals Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Het doel is het onderzoeken en ontwikkelen van nieuwe waterstoftechnologieën en hun daaropvolgende brede verspreiding.