Waterstof is een veelbelovende optie voor krachtige en schone energie.

Wetenschappers en ingenieurs in het hele land vieren elke 8 oktober de Nationale Waterstof- en Brandstofceldag, een datum die toepasselijk is gekozen voor het atoomgewicht van waterstof (1.008).

Waterstofbrandstof zal een rol spelen bij het bevorderen van een schoner milieu en bij het verminderen van het gebruik van fossiele brandstoffen in veel industrieën. Brandstofcellen op waterstof zijn bijvoorbeeld aantrekkelijk als alternatieve energiebronnen voor voertuigen, gebouwen en andere toepassingen vanwege hun korte tanktijd, hoge efficiëntie, hoge energiedichtheid en gebrek aan schadelijke emissies of bijproducten.

Maar voordat waterstof zijn volledige potentieel kan bereiken, moet het goedkoper en gemakkelijker te produceren zijn.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) werken aan het verbeteren van de prestaties en het verlagen van de kosten van waterstof- en brandstofceltechnologieën, met onderzoeks- en ontwikkelingsoplossingen van atomaire tot commerciële schaal.

Als onderdeel van de nationale viering beantwoorden ze veelgestelde vragen over waterstof als energiedrager.

Waar komt waterstof vandaan?

Waterstof is het eenvoudigste chemische element, bestaande uit slechts één proton en één elektron. Het is ook het meest voorkomende element in het universum en vormt ongeveer 75% van alle normale materie. Het waterstofmolecuul (twee waterstofatomen samen) bevat een aanzienlijke hoeveelheid energie.

Er zijn enorme hoeveelheden waterstof in water en levende wezens, maar waterstofmoleculen komen normaal gesproken niet vanzelf op aarde voor. Hier moet waterstof meestal worden geproduceerd uit andere stoffen die het bevatten. Wetenschappers gebruiken hiervoor momenteel verschillende methoden. Een belangrijke huidige benadering om waterstof te produceren zonder het gebruik van fossiele brandstoffen is het splitsen van water met behulp van kernenergie of hernieuwbare energiebronnen, zoals wind-, zonne-, geothermische en hydro-elektrische energie.

Wetenschappers ontwikkelen ook efficiëntere processen om de toekomstige productie van waterstofbrandstof te ondersteunen. Een mogelijke benadering is om waterstof te produceren uit biomassa, zoals bacteriën en algen, door biologische processen zoals fotosynthese te benutten en na te bootsen.

Wat is een waterstofbrandstofcel?

Waterstofbrandstofcellen zetten de chemische energie die is opgeslagen in waterstof en zuurstofgas om in elektriciteit. In tegenstelling tot verbrandingsmotoren op benzine is er geen uitstoot van kooldioxide of andere schadelijke stoffen. De enige uitlaat is warmte en water. En in tegenstelling tot batterijen hoeven brandstofcellen niet lang te worden opgeladen.

In de cel worden waterstofmoleculen gesplitst in protonen en elektronen. De elektronen stromen door een circuit, waardoor een voorraad bruikbare elektriciteit ontstaat. Tegelijkertijd combineren de protonen met elektronen en zuurstofmoleculen uit de omringende lucht om water en warmte te produceren, de enige emissies.

Hoe kunnen waterstofbrandstofcellen worden gebruikt?

Waterstofbrandstoftechnologieën zouden in veel sectoren van de economie kunnen worden toegepast. Waterstofbrandstofcellen kunnen stroom leveren voor transport, bouwinfrastructuur, energieopslag voor het elektriciteitsnet en meer.

Zo zouden bijvoorbeeld woon- en bedrijfsgebouwen waterstof als back-upstroom kunnen gebruiken. Voertuigen worden al aangedreven door waterstofbrandstofcellen en deze technologie zal populairder worden naarmate de technologieën verbeteren. Dit geldt niet alleen voor auto's, maar ook voor bussen, treinen, schepen, vliegtuigen en terrein- en andere zware voertuigen. Winkelstations in het hele land kunnen in de nabije toekomst waterstof veilig opslaan en distribueren.

Wat zijn de belemmeringen voor grootschalige implementatie van waterstofbrandstof?

Waterstof is een veelbelovende weg voor grootschalige schone energie, maar het produceren van betrouwbare, betaalbare en veilige waterstof brengt enkele uitdagingen met zich mee.

Voor de productie van schone waterstof zijn bijvoorbeeld vaak katalysatoren nodig, stoffen die de snelheid van chemische reacties verhogen. Veel van deze katalysatoren gebruiken materialen die schaars zijn, zoals platina en iridium. Er ligt momenteel de nadruk op het ontwikkelen van benaderingen die de behoefte aan katalysatoren die deze en andere dure en kritieke materialen bevatten, verminderen.

Het bouwen van een nationale infrastructuur voor de levering van waterstof is ook een grote uitdaging. Steden, snelwegen, luchthavens en meer zullen aanzienlijke infrastructuurveranderingen vereisen om waterstofopslag, transport en tanken mogelijk te maken.

Duurzaamheid en prestaties brengen ook uitdagingen met zich mee, zowel voor de productie van waterstof uit water als voor het gebruik van waterstof in brandstofcellen. Onder realistische bedrijfsomstandigheden moeten brandstofcellen onder allerlei omstandigheden hun prestaties gedurende lange tijd behouden (meer dan een miljoen mijl voor langeafstandsvrachtwagens).

Wetenschappers van Argonne pakken deze uitdagingen vanuit vele hoeken aan en maken gebruik van faciliteiten en expertise van wereldklasse om de waterstofwetenschap vooruit te helpen en het onderzoek en de ontwikkeling van brandstofcellen te versnellen.

Hun onderzoek maakt brandstofcellen betaalbaarder en duurzamer; verbetering van de efficiëntie, duurzaamheid en kosten van brandstofcelvoertuigen; kwantificering van de CO2-voetafdruk van verschillende methoden voor de productie en het gebruik van waterstof; en het verlagen van de kosten van waterstof geproduceerd uit de meest voorkomende en koolstofvrije stof op aarde:water. + Verder verkennen

Toyota werkt samen met een Amerikaans laboratorium om een ​​brandstofcelgenerator te bouwen