Een artikel geschreven door ons lid
Edwin Steenbakkers.
Lekker technisch, zoals we van Edwin gewend zijn.
Maar vooral ook duidelijk.
Het artikel is en tweeën gesplitst.
In het vervolg van dit artikel gaat het over de typen van brandstofcellen en een conclusie.
WE LEZEN EN HOREN STEEDS MEER BERICHTENOVER EEN EVENTUELE WATERSTOF-ECONOMIE. MAAR WAT IS DAT NU PRECIES EN WAAROM ZOU DIT ZO BELANGRIJK ZIJN?
Om deze vraag te kunnen beantwoorden ga ik eerst in op wat achtergronden.
Waterstof is het meest voorkomende ( 90%) chemisch element in het universum en daarmee het lichtste en kleinste element in het periodiek systeem. Er zal dus nooit een te kort aan zijn.
Het bestaat uit een positief geladen kern – de proton – en een negatief elektron er omheen.
Henry Cavendish ontdekte in 1766 dat het een chemisch element betrof, nadat Robert Boyle het al in 1671 had ontdekt als brandbaar gas na reactie van een zuur met ijzer. Antoine Lavoisier gaf er in 1787 de oud Griekse naam Hydrogenium (H) aan , wat zoiets als “watermaker” betekent.
Het element waterstof is onder atmosferische omstandigheden gasvormig, en pas onder zeer hoge druk vloeibaar. Verder afgekoeld tot -269oC is het zelfs vast en gedraagt het zich als een metaal.
Het waterstofatoom H+ komt nooit op zichzelf voor maar altijd gebonden aan een ander waterstof atoom om hiermee een waterstof molecuul H2 te vormen.(=diwaterstof).
Waterstof reageert daarom makkelijk met oxidatiemiddelen. Het is verder niet giftig, niet oxiderend, niet radioactief en niet kankerverwekkend
De energie-inhoud van waterstof gas is maar liefst 130 MJ/kg(!!) in vergelijking met benzine 46MJ/kg en aardgas 50 MJ/kg. Dit is mede daarom een van de belangrijkste reden waarom we zo geïnteresseerd zijn in waterstof.
HOE KOMEN WE DAN AAN WATERSTOF?
Waterstof komt niet op zichzelf in de natuur voor, maar vrijwel altijd gebonden aan een ander element of molecuul zoals met stikstof(N) in ammoniak (NH3), of met koolstof (C) in aardgas (CH4).
Maar bovenal komt waterstof gebonden met zuurstof(O) voor in de vorm van water (H2O).
Wanneer waterstof met een andere molecuul reageert, komt er veel energie vrij. Vrijwel dezelfde energie is dan ook weer nodig om de verbinding op te heffen. Daarom worden grote hoeveelheden waterstof momenteel nog gemaakt dmv. stoomreforming van aardgas (CH4). Dit wordt dan grijze waterstof genoemd. Wanneer de ontstane kooldioxide (CO2) wordt opgevangen in bijvoorbeeld ondergrondse lege gasvelden, dan noemen we dit blauwe waterstof. Groene waterstof is het pas indien de benodigde energie uit hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie wordt verkregen. De opgewekte elektriciteit kan dan gebruikt worden om het door water te leiden waarbij het water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof in zogenaamde elektrolysers. Dit proces werd rond 1800 ontdekt door William Nicholsen en Anthony Carlisle. De wetenschapper Michel Faraday legde hiermee in 1834 elektrolysewetten vast als basis van de huidige elektrochemie.
Het produceren van waterstof d.m.v. elektrolyse in zg. elektrolysers geschiedt tegenwoordig met een rendement van ca 65%, de rest gaat verloren ‘in de vorm van’ warmte.
De ontwikkelingen op dit gebied gaan ook onverminderd door. Zo wordt er hard gewerkt aan nieuwe membranen en ook nieuwe en minder dure katalysatoren krijgen de aandacht.
WAT KUNNEN WE MET DEZE WATERSTOF?
De meest voor de hand liggende toepassing is het verbranden in een waterstof cv ketel om hiermee de woningen te verwarmen. Waterstof zou dan i.p.v. aardgas door ons bestaande gasnet gestuurd kunnen worden. Echter omdat het waterstofmolecuul zo klein is verwacht men lekkages door de stalen buis heen. Een coating van binnenuit zou dit moeten tegengaan. (Artikel Ad van Wijk, Algemeen Dagblad 14 februari 2018)
Ook kan men waterstof met behulp van een katalysator laten reageren met kooldioxide tot aardgas, alcohol of benzine, dit noemen we dan synthese brandstoffen. Voordeel hiervan is dat de bestaande infrastructuur behouden kan blijven.
Waterstof kan bij tal van chemische processen een rol (gaan) spelen , zoals de raffinage van ijzererts. Nu worden daar grote hoeveelheden cokes voor gebruikt wat lijdt tot grote CO2 emissies.
Echter, indien we waterstof en zuurstof gecontroleerd met elkaar laten reageren kunnen we er zelfs weer elektriciteit uit maken. Het enige verbrandingsproduct wat dan vrijkomt is zuiver water.
Dit kan in een zogenaamde brandstofcel (eng: fuel cell) welke voor het eerst in de ruimtevaart z’n praktische toepassing vond.
In 1838 ontdekte Christian Friedrich Schonbein dat hij elektriciteit had opgewekt uit een reactie van waterstof en zuurstof op plaatjes van platina. William Robert Grove besefte dat Schonbein een omgekeerde elektrolyse had uitgevoerd en bedacht een manier om de vinding praktische te benutten. In 1843 kwam hij met de eerste galvanische gasbatterij wat de voorloper is van de brandstofcel.
Pas later in 1932 werd het onderzoek weer opgepakt door Francis Thomas Bacon en in 1959 in tijden van de ruimtevaartwetloop werd een nieuw type alkaline brandstofcel geïntroduceerd voor het Apollo programma van de NASA. Mede omdat het ontstane verbrandingsproduct zuiver water betreft en kon worden gebruikt als drinkwater aan boord.
Pas in de jaren 80 van de 20ste eeuw werd een volgende technologische stap gemaakt met de uitvinding van Nafion®.
Eind jaren ‘60 ontdekte Walter Grot – die bij de firma DuPont werkte- ioniserende eigenschappen van een polymeer welke bestaat uit polytetrafluoretheen (Teflon) met een sulfongroep (SO3H), genaamd Nafion®. Het bleek dat een membraan van dit Nafion® alleen protonen kan doorlaten en geen anion of elektronen. Het heet daarom een Proton Exchange Membrane, afgekort PEM. Een brandstofcel gemaakt van dit type elektrolyt heet een PEM Fuelcell, afgekort PEMFC.
De spanning over 1 membraan is slechts zo’n 0.8 Volt. Een brandstofcel van dit type membraan bevat daarom meerdere in serie geschakelde elektroden en wordt een stack genoemd. Dit type brandstofcel wordt tegenwoordig gebruikt in waterstofauto’s, bussen en zelfs vliegtuigen vanwege het lage gewicht en relatief eenvoudige installatie.
Deel 2:
Het volgende deel gaat over andere typen brandstofcellen.
3 gedachten over “Water-Stof tot nadenken – deel 1”
Bestaan er al Waterstof gas Fornuizen/ Boijlers / combi ketels ?
Ik ga de vraag voorleggen aan de schrijver van het artikel, het antwoord volgt.
Het antwoord van Edwin:
Voor zover ik weet is Remeha bezig met een cv ketel op waterstof, hier zijn ook al op kleine schaal woonwijken van voorzien om kennis op te bouwen.
De brander van de ketel moest hiervoor aangepast worden.
Het lijkt mij daarom ook niet onmogelijk om ook een boiler of fornuis te voorzien van een waterstof-brander. Echter er zijn hiervoor betere alternatieven zoals een warmtepompboiler en een inductiekookplaat, welke veel duurzamer zijn. Immers ontstaat er bij verbranding van waterstof (ca 2000oC)ook de nodige stikstofoxiden omdat bij deze hoge temperaturen ook de stikstof en zuurstof uit de lucht met elkaar reageren. Vandaar dat het zinvoller is om waterstof in een brandstofcel te laten reageren met zuurstof uit de lucht bij ca. 80oC zonder nevenreacties en de opgewekte elektriciteit te gebruiken voor de inductiekookplaat, de warmtepompboiler en de elektrische auto.
Daarom liever wachten op de doorontwikkeling hiervan dan de m.i. de verkeerde weg inslaan.