De auto van de toekomst is er vandaag. Je kunt er natuurlijk nog geen kopen; maar als je in Californië woont, kun je er een leasen. Hij verbruikt geen benzine en vervuilt de lucht niet. In feite produceert het stoom in plaats van uitlaatgassen. Dus wat is de mysterieuze brandstof? Waterstof -- het eenvoudigste en meest voorkomende element in het universum. En sommige mensen denken dat we over 20 tot 30 jaar allemaal in deze door waterstof aangedreven, zuinige voertuigen zullen rijden.
Hoewel auto's op waterstof een science fiction-kwaliteit hebben, is het idee niet echt nieuw. Eigenlijk bestaat de technologie om waterstof te gebruiken om energie op te wekken al sinds het eerste deel van de 19e eeuw -- dat is langer dan auto's. Wat nieuw is, is dat je misschien een auto op waterstof op de weg ziet rijden, met stoom die uit de uitlaat komt in plaats van stinkende gassen. Er zijn nu verschillende waterstofauto's, maar de meeste zijn conceptauto's. Deze milieuvriendelijke rijmachines omvatten de Chevrolet Equinox, de BMW 745h en degene die momenteel beschikbaar is voor lease in Californië, de Honda FCX.
Wat een waterstofauto mogelijk maakt, is een apparaat dat een brandstofcel wordt genoemd , die waterstof omzet in elektriciteit, waarbij alleen warmte en water als bijproducten worden afgegeven. Omdat het niet-vervuilend is, lijkt waterstof de ideale brandstof voor de 21e eeuw. Veel mensen bij de overheid en de auto-industrie zijn enthousiast over het potentieel ervan. Waterstofauto's hebben het potentieel om zuinig te zijn en de hoop op milieuvriendelijk, groen rijden te bieden. Maar er zijn nog veel problemen die moeten worden overwonnen en vragen die moeten worden beantwoord voordat waterstof de favoriete brandstof wordt voor genoeg mensen om veel verschil te maken in ons huidige gebruik van fossiele brandstoffen. Waar halen we bijvoorbeeld de waterstof vandaan? Hoe duur zullen deze zuinige auto's zijn om aan te schaffen? Kun je een waterstoftankstation vinden om je tank bij te vullen? En, misschien wel het belangrijkste, is waterstof als brandstof echt zo niet-vervuilend als het lijkt?
We zullen die vragen op de volgende pagina's bekijken, maar we kunnen je nu snel één antwoord geven:Tenzij je toevallig in heel specifieke delen van het land woont en zakken vol geld hebt, verwacht geen waterstofauto binnen tien jaar op uw oprit.
Inhoud
In 1839 nam de Welshe wetenschapper Sir William Robert Grove het bekende elektrochemische proces van elektrolyse, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om waterstof uit water te produceren, om en keerde het om, waarbij elektriciteit en water uit waterstof werd opgewekt. Hij noemde zijn uitvinding een gasvoltaïsche batterij, maar tegenwoordig kennen we het als een waterstofbrandstofcel. Veel later, in het midden van de 20e eeuw, werd de technologie verder ontwikkeld door de uitvinder Francis Bacon. De technologie die deze twee uitvinders bedachten, is essentieel voor de werking van een waterstofauto.
Het eerste praktische brandstofcelsysteem werd begin jaren zestig ontwikkeld door General Electric voor gebruik in orbitale ruimtecapsules. En toen, in de jaren negentig, begonnen brandstofcellen in stadsbussen te verschijnen. dus we weten dat het aandrijven van voertuigen met brandstofcellen haalbaar is. Je kunt een brandstofcel zien als een soort batterij, behalve dat terwijl een batterij zijn brandstof in zichzelf houdt, een brandstofcel moet worden bijgevuld. De brandstof voor een waterstofbrandstofcel is, zoals de naam al doet vermoeden, waterstof. Zoals je je misschien herinnert van de scheikundeles op de middelbare school, is waterstof het eenvoudigste van alle elementen. Een waterstofatoom bestaat uit een enkel elektron en een enkel proton. De brandstofcel wekt elektriciteit op door de elektronen van de protonen te strippen en de elektronen te gebruiken om een zuivere stroom van elektriciteit te creëren. De geïoniseerde waterstofatomen combineren vervolgens met zuurstof om water te vormen. Het andere bijproduct van dit proces is warmte, dus dit water neemt over het algemeen de vorm aan van stoom. Hoe zit het met milieuvriendelijk rijden?
Het type brandstofcel dat in auto's wordt gebruikt, is de polymeeruitwisselingsmembraan (of PEM) brandstofcel. PEM-brandstofcellen hebben het voordeel dat ze licht en klein zijn. Ze bestaan uit twee elektroden (een negatief geladen anode en een positief geladen kathode), een katalysator en een membraan. Waterstof wordt bij de anode in de brandstofcel geperst in de vorm van H2-moleculen, die elk twee waterstofatomen bevatten. Een katalysator aan de anode breekt de moleculen in waterstofionen (de protonen) en een stroom van elektriciteit (de elektronen). De ionen gaan door het membraan, maar de elektriciteit moet rond. Terwijl het dit doet, kan het worden gebruikt om werk te doen. Net zoals waterstof bij de anode in de brandstofcel wordt geperst, wordt zuurstof bij de kathode naar binnen geperst. De protonen en elektronen worden herenigd aan de kathode en voegen zich bij de zuurstof om water te vormen, waarvan de meeste de uitlaatgassen van de brandstofcel worden. Brandstofcellen zijn ontworpen om plat en dun te zijn, voornamelijk zodat ze gestapeld kunnen worden. Hoe meer brandstofcellen in de stack, hoe groter de spanning van de elektriciteit die de stack produceert.
Veel mensen denken dat zuinige voertuigen, zoals auto's op waterstof, cruciaal zullen zijn om aan de energiebehoefte van de 21e eeuw te voldoen. In 2003 kondigde president George W. Bush een Freedom Fuel Initiative van 1,2 miljard dollar aan ter ondersteuning van de ontwikkeling van brandstofceltechnologie. Brandstofcellen hebben twee grote voordelen ten opzichte van fossiele brandstoffen. Ten eerste, ze putten de eindige olievoorraad van de wereld niet uit, wat ons helpt de bestaande voorraden te behouden en ze zouden ook onze afhankelijkheid van buitenlandse olie kunnen verminderen. Ten tweede is het enige bijproduct van de werking van een brandstofcel warmte en water, wat betekent dat brandstofcellen geen vervuiling veroorzaken. Dit is van vitaal belang in een tijd waarin wordt aangenomen dat de koolstofemissies van auto's de opwarming van de aarde bevorderen.
Op de volgende pagina bekijken we hoe waterstofauto's en brandstofcellen worden geproduceerd. En misschien nog wel belangrijker:we gaan kijken waar de waterstof zelf vandaan komt.
Dus hoe bouwen fabrikanten eigenlijk zuinige voertuigen, zoals brandstofcelauto's? Welnu, de productie van waterstofauto's verschilt niet veel van de productie van typische auto's. Natuurlijk zullen bijvoorbeeld de aandrijflijn en de elektrische systemen enigszins uniek zijn omdat een brandstofcel elektriciteit opwekt. In dat opzicht hebben een waterstofauto en een elektrische auto dus veel gemeen. Wellicht een belangrijkere vraag is hoe de waterstof zelf geproduceerd gaat worden. Aangezien waterstof het meest voorkomende element in het universum is en ongeveer 90 procent van de bestaande atomen uitmaakt, zou je denken dat dit geen probleem zou zijn. Nou, denk nog eens goed na. Waterstof is ook het lichtste element in het universum en alle niet-bevatte waterstof op het aardoppervlak zal onmiddellijk de ruimte in drijven. Wat waterstof op deze planeet achterlaat, is in moleculaire vorm gebonden aan andere elementen, meestal in watermoleculen (H2O). En er is toevallig veel H2O op het aardoppervlak.
Maar hoe scheiden we de waterstofmoleculen in het water van de zuurstofmoleculen? En als we geen water als waterstofbron gebruiken, waar kunnen we dan anders waterstof vandaan halen?
De eenvoudigste manier om waterstof uit water te halen is degene die Sir William Grove meer dan 150 jaar geleden kende:elektrolyse. Als je een elektrische stroom door water laat gaan, breken de H2O-moleculen af. Net als bij brandstofcelwerking, maakt dit proces gebruik van een anode en een kathode, meestal gemaakt van inerte metalen. Wanneer een elektrische stroom op het water wordt aangelegd, vormt zich waterstof aan de kathode en zuurstof aan de anode. Hoewel dit proces traag is, kan het op grote schaal worden uitgevoerd.
Een alternatieve bron voor waterstof is aardgas, dat bestaat uit natuurlijk voorkomende koolwaterstoffen. Een proces dat stoomreformatie wordt genoemd, kan worden gebruikt om de waterstof in het gas van de koolstof te scheiden. Momenteel is dit de meest gebruikelijke methode voor de productie van waterstof op industriële schaal en zou waarschijnlijk de eerste methode zijn die wordt gebruikt om de waterstof voor brandstofcelvoertuigen te produceren. Helaas gebruikt dit proces fossiele brandstoffen -- het aardgas -- dus als het doel van het bouwen van auto's die op waterstof rijden is om te voorkomen dat de fossiele brandstofreserves uitgeput raken, zou aardgas de slechtst mogelijke bron van deze brandstof zijn.
Sommige experts hebben gesuggereerd dat het mogelijk zou zijn om miniatuur waterstoffabrieken te bouwen die in de garage van de gemiddelde persoon passen, zodat het niet eens nodig is om naar het plaatselijke tankstation te rijden om de waterstoftank van de auto te vullen. De meest extreme vorm van dit idee was de suggestie dat elektrolyse in de auto zelf zou kunnen worden uitgevoerd, wat het verbazingwekkende idee zou mogelijk maken van een auto die op water rijdt! De stroom voor de elektrolyse moet echter van een soort batterij komen, dus een auto op waterkracht zou periodiek moeten worden opgeladen.
Zijn groene rijmachines, zoals voertuigen die zijn uitgerust met brandstofcellen, echt de auto's van de toekomst? Veel mensen hopen van wel, maar er zijn verschillende potentiële wegversperringen op weg naar een wereld waar mensen zich verplaatsen in auto's die op waterstof rijden. Die bekijken we op de volgende pagina.
Veel mensen geloven dat waterstof-brandstofcellen de belangrijkste alternatieve brandstoftechnologie zijn die momenteel in ontwikkeling is. Het is echter niet zonder problemen en het kan tientallen jaren duren voordat brandstofceltechnologie op grote schaal wordt toegepast. We kunnen de problemen met waterstof grofweg in drie categorieën indelen:de kosten van het ontwikkelen van de technologie, moeilijkheden en gevaren bij waterstofopslag en de mogelijkheid dat deze "niet-vervuilende technologie" toch niet zo niet-vervuilend is. Hier zijn enkele van de tegenslagen van waterstofauto's waarmee we in de nabije toekomst te maken kunnen krijgen.
De kosten voor het ontwikkelen van waterstoftechnologie zijn hoog. We moeten niet alleen de brandstofcellen en de auto's ontwerpen en ontwikkelen, maar we moeten ook een infrastructuur ontwikkelen om deze zuinige voertuigen te ondersteunen. Stelt u zich eens voor dat u op dit moment een waterstofauto had. Waar zou jij heen gaan om je tank te vullen? Ervan uitgaande dat u geen waterstofproductiefaciliteit in uw garage heeft, heeft u een waterstoftankstation nodig, en de enige plaats waar op dit moment een significant aantal van dergelijke stations bestaat, is in de staat Californië, waar gouverneur Arnold Schwarzenegger heeft toegewijd aan het ondersteunen van een waterstoftoekomst. Sommige van de meer pessimistische schattingen hebben de kosten van het bouwen van een infrastructuur die een aanzienlijk aantal waterstofauto's mogelijk maakt oplopen tot $ 500 miljard -- en de tijd om de infrastructuur te produceren zo lang als vier decennia!
De kosten van de auto's zijn ook hoog. Met platina als de meest gebruikte katalysator in de brandstofcellen, is de prijs van een voertuig met enkele brandstofcel momenteel meer dan $ 100.000 en misschien zelfs aanzienlijk meer, daarom zijn de enige waterstofauto's die momenteel beschikbaar zijn om in te rijden, te leasen , niet te koop. Weinig mensen kunnen zich zo'n dure auto veroorloven. Er worden andere katalysatoren ontwikkeld die waarschijnlijk goedkoper zullen zijn dan platina, maar niemand weet hoe snel ze beschikbaar zullen zijn voor grootschalig gebruik.
Het opslagprobleem is ook een netelig probleem. Waterstof is een gas en verspreidt zich graag. Als je hem in een auto zet, moet je hem tot een redelijk formaat knijpen, en dat is niet eenvoudig. Bovendien wordt waterstof warm terwijl het in de tank van een geparkeerde auto zit, waardoor het gas uitzet. Dit betekent dat de tanks de waterstof periodiek uit de auto moeten ontluchten. Laat een waterstofauto langer dan een paar dagen staan en alle brandstof is op. Waterstof is ook licht ontvlambaar -- de spectaculaire explosie van de bestuurbare Hindenburg in de jaren dertig wordt door sommigen beschouwd als het resultaat van een waterstofbrand -- dus als de waterstof uit de tank komt, kan het gevaarlijk zijn . Gelukkig zijn waterstofbranden niet zo heet als benzinebranden en is de kans kleiner dat secundaire branden ontstaan. En omdat waterstof opstijgt, zal het meeste ontsnapte waterstof wegdrijven voordat het daadwerkelijk schade kan aanrichten.
En is waterstof echt niet vervuilend? Een brandstofcel produceert alleen warmte en water als uitlaatgassen, maar de processen die worden gebruikt om de waterstof te maken, zijn niet per se zo schoon. Elektrolyse gebruikt elektriciteit en die elektriciteit zal vaak afkomstig zijn van centrales die steenkool verbranden, een zeer vervuilende bron. En wanneer waterstof wordt gewonnen uit aardgas, produceert het koolstofemissies, en dat is precies wat we proberen te vermijden door in de eerste plaats waterstof te gebruiken.
Veel mensen denken dat we deze obstakels uiteindelijk zullen overwinnen, maar het zal moeilijk worden. Anderen zijn van mening dat onze beste gok voor brandstofzuinigheid en milieuvriendelijk rijden in de nabije toekomst niet ligt in waterstof, maar in hybride elektrische voertuigen, zoals de Toyota Prius, de Ford Fusion hybride en andere vergelijkbare hybride auto's. Toch is het mogelijk dat u binnen de komende decennia een auto met brandstofcel op waterstof bezit.
Voor meer informatie over alternatieve brandstoffen, hybride auto's en andere gerelateerde onderwerpen, volg de links op de volgende pagina.
