Wie die Wasserstoffwirtschaft funktioniert

  • Phillip Hopkins
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- -Dampfleitungen im geothermischen Kraftwerk Wairakei.

Es scheint, als gäbe es jeden Tag eine neue Ankündigung in den Nachrichten über Autos, die mit Brennstoffzellen betrieben werden. Die Versprechen sind verlockend, da Brennstoffzellen das Potenzial haben, die Effizienz von Autos sehr schnell zu verdoppeln und gleichzeitig die Luftverschmutzung erheblich zu reduzieren.

Gleichzeitig gibt es seit Jahrzehnten Nachrichten über die Probleme im Zusammenhang mit Erdöl. Alles, von Ölverschmutzungen über Ozonwarnungen bis hin zur Erwärmung des Globals, wird auf unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zurückgeführt.

Diese beiden Kräfte führen die Welt zu dem, was allgemein als das bekannt ist Wasserstoffwirtschaft. Wenn die Vorhersagen zutreffen, werden wir in den nächsten Jahrzehnten alle eine erstaunliche Abkehr von der heutigen Wirtschaftlichkeit fossiler Brennstoffe hin zu einer viel saubereren Wasserstoffzukunft sehen.

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Kann die Gesellschaft diesen Wandel tatsächlich vollziehen, oder werden uns die technologischen, wirtschaftlichen und politischen Hindernisse für das nächste Jahrhundert und darüber hinaus an Erdöl und andere fossile Brennstoffe gebunden halten? In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Vorteile einer Wasserstoffwirtschaft und ihre potenziellen Probleme. Wir werden auch einige der Technologien untersuchen, die den Übergang ermöglichen würden.

Gegenwärtig sind die Vereinigten Staaten und der größte Teil der Welt an das gebunden, was man als das bezeichnen könnte Wirtschaftlichkeit fossiler Brennstoffe. Unsere Autos, Züge und Flugzeuge werden fast ausschließlich mit Erdölprodukten wie Benzin und Diesel betrieben. Ein großer Prozentsatz unserer Kraftwerke verwendet Öl, Erdgas und Kohle als Brennstoff.


Sollte der Strom fossiler Brennstoffe in die USA jemals unterbrochen werden, würde die Wirtschaft zum Stillstand kommen. Es gäbe keine Möglichkeit, die von den Fabriken hergestellten Produkte zu transportieren. Es würde keine Möglichkeit für Menschen geben, zur Arbeit zu fahren. Die gesamte Wirtschaft und in der Tat die gesamte westliche Gesellschaft ist derzeit von fossilen Brennstoffen abhängig.

Während fossile Brennstoffe eine wichtige Rolle dabei gespielt haben, die Gesellschaft auf den heutigen Stand zu bringen, gibt es vier große Probleme, die fossile Brennstoffe verursachen:

Luftverschmutzung - Wenn Autos Benzin verbrennen, verbrennen sie es idealerweise perfekt und erzeugen nichts als Kohlendioxid und Wasser in ihren Abgasen. Leider ist der Verbrennungsmotor nicht perfekt. Beim Verbrennen des Benzins entstehen außerdem:

  • Kohlenmonoxid, ein giftiges Gas
  • Stickoxide, die Hauptquelle für städtischen Smog
  • Unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die Hauptquelle für städtisches Ozon

Katalysatoren eliminieren einen Großteil dieser Verschmutzung, sind aber nicht perfekt. Die Luftverschmutzung durch Autos und Kraftwerke ist in Großstädten ein echtes Problem.


Es ist schon schlimm genug, dass in vielen Städten im Sommer gefährliche Ozonwerte in der Luft liegen.

Umweltverschmutzung - Der Transport und die Lagerung von Öl haben große Auswirkungen auf die Umwelt, wenn etwas schief geht.


Supertanker werden in Saudi-Arabien mit Öl beladen

Eine Ölpest, eine Explosion der Pipeline oder ein Brunnenbrand können ein großes Durcheinander verursachen. Die Verschüttung von Exxon Valdez ist das bekannteste Beispiel für das Problem, aber geringfügige Verschüttungen treten ständig auf.

Erderwärmung - Wenn Sie eine Gallone Benzin in Ihrem Auto verbrennen, geben Sie etwa 2,3 kg Kohlenstoff an die Atmosphäre ab. Wenn es fester Kohlenstoff wäre, wäre es äußerst auffällig - es wäre, als würde man für jede Gallone verbranntes Benzin einen 5-Pfund-Beutel Zucker aus dem Fenster Ihres Autos werfen. Aber weil die 5 Pfund Kohlenstoff als unsichtbares Gas, Kohlendioxid, austreten, sind sich die meisten von uns dessen nicht bewusst. Das Kohlendioxid, das aus dem Auspuff jedes Autos austritt, ist a Treibhausgase das erhöht langsam die Temperatur des Planeten. Die endgültigen Auswirkungen sind unbekannt, aber es ist sehr wahrscheinlich, dass es irgendwann zu dramatischen Klimaveränderungen kommen wird, die alle Menschen auf dem Planeten betreffen. Wenn beispielsweise die Eiskappen schmelzen, steigt der Meeresspiegel erheblich an und überschwemmt und zerstört alle heute existierenden Küstenstädte. Das ist ein großer Nebeneffekt.

Abhängigkeit - Die Vereinigten Staaten und die meisten anderen Länder können nicht genug Öl produzieren, um die Nachfrage zu befriedigen, und importieren es daher aus ölreichen Ländern. Das schafft eine wirtschaftliche Abhängigkeit. Wenn die Ölproduzenten im Nahen Osten beschließen, den Ölpreis zu erhöhen, hat der Rest der Welt keine andere Wahl, als den höheren Preis zu zahlen.

Im vorherigen Abschnitt haben wir die bedeutenden weltweiten Probleme gesehen, die durch fossile Brennstoffe verursacht werden. Die Wasserstoffwirtschaft verspricht, alle Probleme zu beseitigen, die die Wirtschaft mit fossilen Brennstoffen verursacht. Daher umfassen die Vorteile der Wasserstoffwirtschaft:

  1. Die Beseitigung der durch fossile Brennstoffe verursachten Verschmutzung - Wenn Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet wird, ist dies eine völlig saubere Technologie. Das einzige Nebenprodukt ist Wasser. Es gibt auch keine Umweltgefahren wie Ölverschmutzungen, über die man sich mit Wasserstoff Sorgen machen muss.
  2. Die Beseitigung von Treibhausgasen - Wenn der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser stammt, fügt Wasserstoff der Umwelt keine Treibhausgase hinzu. Es gibt einen perfekten Zyklus - die Elektrolyse erzeugt Wasserstoff aus Wasser, und der Wasserstoff rekombiniert mit Sauerstoff, um Wasser und Strom in einer Brennstoffzelle zu erzeugen.
  3. Die Beseitigung der wirtschaftlichen Abhängigkeit - Die Beseitigung des Öls bedeutet keine Abhängigkeit vom Nahen Osten und seinen Ölreserven.
  4. Verteilte Produktion - Wasserstoff kann überall dort erzeugt werden, wo Sie Strom und Wasser haben. Menschen können es sogar mit relativ einfacher Technologie in ihren Häusern produzieren.

Die Probleme mit der Wirtschaftlichkeit fossiler Brennstoffe sind so groß und die Umweltvorteile der Wasserstoffwirtschaft so bedeutend, dass der Vorstoß zur Wasserstoffwirtschaft sehr stark ist.

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Die Sensoren, die potenzielle Lecks in einem wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor erkennen, wurden von der NASA entwickelt, um Wasserstofflecks beim Start von Space Shuttles zu erkennen. Erfahren Sie mehr über andere NASA-Innovationen in dieser interaktiven Animation von Discovery Channel.
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Die große Frage bei der Wasserstoffwirtschaft lautet: "Woher kommt der Wasserstoff?" Danach stellt sich die Frage nach dem Transport, der Verteilung und der Speicherung von Wasserstoff. Wasserstoff neigt dazu, in seiner natürlichen gasförmigen Form sperrig und knifflig zu sein.

Sobald diese beiden Fragen auf wirtschaftliche Weise beantwortet wurden, wird die Wasserstoffwirtschaft bestehen.

Wir werden jede dieser Fragen in den folgenden Abschnitten separat betrachten.

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-Eines der interessantesten Probleme der Wasserstoffwirtschaft ist der Wasserstoff selbst. Woher kommt es? Mit der Wirtschaftlichkeit fossiler Brennstoffe pumpen Sie den fossilen Brennstoff einfach aus dem Boden (siehe Funktionsweise der Ölbohrung) und raffinieren ihn (siehe - Funktionsweise der Ölraffinierung). Dann verbrennen Sie es als Energiequelle.

Die meisten von uns halten Öl, Benzin, Kohle und Erdgas für selbstverständlich, aber sie sind tatsächlich ein Wunder. Diese fossilen Brennstoffe repräsentieren gespeicherte Sonnenenergie von vor Millionen von Jahren. Vor Millionen von Jahren wuchsen Pflanzen mit Sonnenenergie, um ihr Wachstum voranzutreiben. Sie starben und verwandelten sich schließlich in Öl, Kohle und Erdgas. Wenn wir Öl aus dem Boden pumpen, erschließen wir "kostenlos" dieses riesige Solarenergielager. Immer wenn wir eine Gallone Benzin verbrennen, setzen wir diese gespeicherte Sonnenenergie frei.

In der Wasserstoffwirtschaft gibt es kein Lagerhaus, das man erschließen könnte. Wir müssen die E-Energie tatsächlich in Echtzeit erstellen.

Es gibt zwei mögliche Quellen für den Wasserstoff:

  • Elektrolyse von Wasser - Mit Elektrizität lassen sich Wassermoleküle leicht spalten, um reinen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Ein großer Vorteil dieses Prozesses ist, dass Sie es überall tun können. Zum Beispiel könnten Sie eine Box in Ihrer Garage haben, die Wasserstoff aus Leitungswasser produziert, und Sie könnten Ihr Auto mit diesem Wasserstoff tanken.
  • Reform fossiler Brennstoffe - Öl und Erdgas enthalten Kohlenwasserstoffe - Moleküle aus Wasserstoff und Kohlenstoff. Verwenden eines Geräts, das als Kraftstoffprozessor oder a bezeichnet wird Reformer, Sie können den Wasserstoff relativ leicht in einem Kohlenwasserstoff vom Kohlenstoff abspalten und dann den Wasserstoff verwenden. Sie verwerfen den verbleibenden Kohlenstoff als Kohlendioxid in die Atmosphäre.

-Die zweite Option ist natürlich etwas pervers. Sie verwenden fossile Brennstoffe als Wasserstoffquelle für die Wasserstoffwirtschaft. Dieser Ansatz reduziert die Luftverschmutzung, löst jedoch weder das Treibhausgasproblem (da immer noch Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangt) noch das Abhängigkeitsproblem (Sie benötigen immer noch Öl). Es kann jedoch ein guter vorübergehender Schritt während des Übergangs zur Wasserstoffwirtschaft sein. Wenn Sie von "brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen" hören, die derzeit von den Automobilherstellern entwickelt werden, planen fast alle, den Wasserstoff für die Brennstoffzellen mithilfe eines Reformers aus Benzin zu gewinnen. Der Grund dafür ist, dass Benzin eine leicht verfügbare Wasserstoffquelle ist. Bis es an jeder Ecke "Wasserstoffstationen" gibt, wie wir es jetzt an Tankstellen haben, ist dies der einfachste Weg, um Wasserstoff für die Brennstoffzelle eines Fahrzeugs zu erhalten.

Das Interessante an der ersten Option ist, dass sie den Kern der realen Wasserstoffwirtschaft darstellt. Ein ... Haben reine Wasserstoffwirtschaft, Der Wasserstoff muss abgeleitet sein von erneuerbare Ressourcen anstatt fossiler Brennstoffe, damit wir keinen Kohlenstoff mehr an die Atmosphäre abgeben. Es wird die größte Veränderung sein, die wir bei der Schaffung der Wasserstoffwirtschaft sehen, wenn wir genug Strom haben, um Wasserstoff von Wasser zu trennen und diesen Strom ohne Verwendung fossiler Brennstoffe zu erzeugen.


Das Kraftwerk Bayswater (New South Wales, Australien) erzeugt Strom mit Druckdampf, um Turbogeneratoren zu betreiben.

Woher kommt der Strom für die Elektrolyse von Wasser? Derzeit stammen rund 68 Prozent (Referenz) des in den USA produzierten Stroms aus Kohle oder Erdgas. All diese Erzeugungskapazitäten müssen in der Wasserstoffwirtschaft durch erneuerbare Quellen ersetzt werden. Darüber hinaus muss die gesamte Energie für fossile Brennstoffe, die jetzt für den Transport verwendet wird (in Autos, Lastwagen, Zügen, Booten, Flugzeugen), in Wasserstoff umgewandelt werden, und dieser Wasserstoff wird auch mit Elektrizität erzeugt. Mit anderen Worten, die Stromerzeugungskapazität im Land muss sich verdoppeln, um die Anforderungen des Transports zu erfüllen, und dann muss alles von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Quellen umgestellt werden. An diesem Punkt und nur an diesem Punkt wird der Kohlenstoffstrom in die Atmosphäre gestoppt.

Derzeit gibt es verschiedene Möglichkeiten, Strom zu erzeugen, bei dem keine fossilen Brennstoffe verwendet werden:

  • Atomkraft
  • Wasserkraftwerke
  • Solarzellen
  • Windräder
  • Geothermie
  • Wellen- und Gezeitenkraft
  • Kraft-Wärme-Kopplung (Zum Beispiel kann ein Sägewerk Rinde verbrennen, um Strom zu erzeugen, oder eine Deponie kann Methan verbrennen, das der verrottende Müll produziert.)


Im Uhrzeigersinn von oben rechts: Solarkraftwerk; Kernkraftwerk; hydroelektrischer Damm; Windkraftanlage


In den Vereinigten Staaten stammen derzeit etwa 20 Prozent des Stroms aus Kernkraftwerken und 7 Prozent aus Wasserkraft. Solar-, Wind-, Geothermie- und andere Quellen erzeugen nur 5 Prozent des Stroms - kaum genug, um eine Rolle zu spielen.

Abgesehen von einem technologischen Durchbruch wird es in Zukunft wahrscheinlich eines von zwei Dingen geben, die die Wasserstoffwirtschaft schaffen werden: Die Kapazität zur Erzeugung von Kernkraft oder Solarenergie wird dramatisch zunehmen. Denken Sie daran, dass sich in einer Wirtschaft mit reinem Wasserstoff die Stromerzeugungskapazität ungefähr verdoppeln muss, da die gesamte Energie für den Transport, die derzeit aus Öl stammt, durch elektrisch erzeugten Wasserstoff ersetzt werden muss. Die Anzahl der Kraftwerke wird sich also verdoppeln und alle fossilen Brennstoffe werden ersetzt.

Das Problem der Stromerzeugung ist wahrscheinlich das größte Hindernis für die Wasserstoffwirtschaft. Sobald die Technologie verfeinert und kostengünstig ist, könnten mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge im Laufe von ein oder zwei Jahrzehnten Benzin-Verbrennungsmotoren ersetzen. Die Umstellung der Kraftwerke auf Atom- und Solarkraftwerke ist jedoch möglicherweise nicht so einfach. Die Kernenergie hat politische und ökologische Probleme, und Solarenergie hat derzeit Kosten- und Standortprobleme.

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Offen für Unternehmen
Wasserstofftankstellen sind bereits in mehreren Ländern geöffnet, darunter in den USA, Island, Japan und Deutschland. Unter FuelCells.org - Weltweite Wasserstofftankstellen finden Sie eine Wasserstoffstation in Ihrer Nähe.

-In diesem Moment ist das Problem beim Aufstellen von Fahrzeugen mit reinem Wasserstoff das Problem der Lagerung / des Transports. Wasserstoff ist ein sperriges Gas, und es ist bei weitem nicht so einfach zu verarbeiten wie Benzin. Das Komprimieren des Gases erfordert Energie, und komprimierter Wasserstoff enthält weit weniger Energie als das gleiche Benzinvolumen. Es tauchen jedoch Lösungen für das Wasserstoffspeicherproblem auf.

Zum Beispiel kann Wasserstoff in fester Form in einer Chemikalie namens Natriumborhydrid gespeichert werden, und diese Technologie wurde kürzlich in den Nachrichten veröffentlicht, weil Chrysler sie testet. Diese Chemikalie wird aus Borax hergestellt (ein häufiger Bestandteil einiger Waschmittel). Wenn Natriumborhydrid seinen Wasserstoff freisetzt, wird es wieder zu Borax, so dass es recycelt werden kann.

Sobald das Speicherproblem gelöst und standardisiert ist, müssen sich ein Netzwerk von Wasserstoffstationen und die Transportinfrastruktur darum herum entwickeln. Das Haupthindernis hierfür könnte der technologische Sortierprozess sein. Stationen werden sich erst schnell entwickeln, wenn es eine Speichertechnologie gibt, die den Markt eindeutig dominiert. Wenn beispielsweise alle wasserstoffbetriebenen Autos aller Hersteller Natriumborhydrid verwenden, könnte sich schnell ein Stationsnetz entwickeln. diese Art von Standardisierung Es ist unwahrscheinlich, dass dies schnell geschieht, wenn die Geschichte ein Leitfaden ist.

Es könnte auch einen technologischen Durchbruch geben, der das Spielfeld schnell verändern könnte. Wenn zum Beispiel jemand eine kostengünstige wiederaufladbare Batterie mit hoher Kapazität und schneller Ladezeit entwickeln könnte, würden Elektroautos keine Brennstoffzellen benötigen und es wäre kein Wasserstoff auf der Straße erforderlich. Autos würden direkt mit Strom aufgeladen.

- Sie werden in den kommenden Monaten in den Nachrichten immer mehr über die Wasserstoffwirtschaft hören, weil der Trommelschlag immer lauter wird. Die Umweltprobleme der Wirtschaft mit fossilen Brennstoffen verbinden sich mit Durchbrüchen in der Brennstoffzellentechnologie, und die Paarung wird es uns ermöglichen, die ersten Schritte zu unternehmen.

Der offensichtlichste Schritt, den wir sehen werden, ist die Vermarktung von Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. Obwohl sie anfänglich von Benzin und Reformern angetrieben werden, verkörpern Brennstoffzellen zwei wesentliche Verbesserungen gegenüber dem Verbrennungsmotor:

  • Sie sind etwa doppelt so effizient.
  • Sie können die Luftverschmutzung in Städten erheblich reduzieren.
Benzinbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge sind aufgrund dieser Vorteile ein ausgezeichneter Übergangsschritt.

Umzug nach a reine Wasserstoffwirtschaft wird schwieriger sein. Die Kraftwerke müssen auf erneuerbare Energiequellen umstellen, und der Markt muss sich auf Möglichkeiten zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff einigen. Diese Hürden werden wahrscheinlich dazu führen, dass der Übergang zur Wasserstoffwirtschaft ein ziemlich langer Prozess ist.

Weitere Informationen zur Wasserstoffwirtschaft und den damit verbundenen Technologien finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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