Thomas Dalton
0 
3439
543
Ångledningar vid Wairakei Geothermal Generation Station.Det verkar som om det varje dag finns ett nytt tillkännagivande i nyheterna om bilar som drivs av bränsleceller. Löften är lockande, eftersom bränsleceller har potential att mycket snabbt fördubbla bilarnas effektivitet och samtidigt minska luftföroreningarna avsevärt.
Samtidigt har det funnits nyheter i årtionden om problemen med petroleum. Allt från oljeutsläpp till ozonvarningar till gl-obal uppvärmning får skylden på vårt beroende av fossila bränslen.
Dessa två krafter leder världen mot vad som i stort sett kallas väteekonomi. Om förutsägelserna är sanna, kommer vi under de närmaste decennierna att börja se en fantastisk förskjutning från den fossila bränsleekonomin vi har idag mot en mycket renare väteframtid.
Nästa upp
|
Kan samhället faktiskt göra denna förskjutning, eller kommer de tekniska, ekonomiska och politiska hinder att hålla oss bundna till petroleum och andra fossila bränslen under nästa århundrade och däremot? I den här artikeln kommer du att lära dig om fördelarna med en väteekonomi, tillsammans med dess potentiella problem. Vi kommer också att undersöka en del av tekniken som skulle göra övergången möjlig.
För närvarande är USA och det mesta av världen inlåst i det som kan kallas fossil bränsleekonomi. Våra bilar, tåg och flygplan drivs nästan uteslutande av petroleumprodukter som bensin och diesel. En enorm andel av våra kraftverk använder olja, naturgas och kol för sitt bränsle.
 |
Om flödet av fossila bränslen till Förenta staterna någonsin avbröts skulle ekonomin stoppa. Det finns inget sätt att transportera de produkter som fabriker producerar. Det finns inget sätt för människor att köra till jobbet. Hela ekonomin, och faktiskt hela det västra samhället, beror för närvarande på fossila bränslen.
Medan fossila bränslen har spelat en viktig roll för att få samhället till den punkt det är idag, finns det fyra stora problem som fossila bränslen skapar:
Luftförorening - När bilar bränner bensin skulle de helst bränna den perfekt och skapa ingenting annat än koldioxid och vatten i avgaserna. Tyvärr är inte förbränningsmotorn perfekt. I processen att bränna bensinen producerar den också:
- Kolmonoxid, en giftig gas
- Kväveoxider, den främsta källan till urbenssmog
- Obrända kolväten, den viktigaste källan till urban ozon
Katalytiska omvandlare eliminerar mycket av denna förorening, men de är inte perfekta. Luftföroreningar från bilar och kraftverk är ett verkligt problem i stora städer.
 |
Det är tillräckligt illa nu när många städer har farliga ozonhalter på sommaren.
Miljöförorening - Processen att transportera och lagra olja har stor inverkan på miljön när något går fel.
 Supertankers som laddas med olja i Saudiarabien |
Ett oljeutsläpp, rörledningsexplosion eller brunnar kan skapa en enorm röra. Exxon Valdez-spill är det mest kända exemplet på problemet, men mindre spill händer konstant.
Global uppvärmning - När du bränner en gallon gas i din bil släpper du ut cirka 2,3 kg kol i atmosfären. Om det var fast kol, skulle det vara extremt märkbart - det skulle vara som att kasta en 5-kilos påse socker ut genom bilens fönster för varje gallon gas som bränns. Men eftersom 5 kilo kol kommer ut som en osynlig gas, koldioxid, är de flesta av oss glömma bort det. Den koldioxid som kommer ut från varje bils bakrör är en växthusgas som långsamt höjer planetens temperatur. De ultimata effekterna är okända, men det är en stark möjlighet att det så småningom kommer att ske dramatiska klimatförändringar som påverkar alla på planeten. Om till exempel iskapslarna smälter kommer havsnivån att öka avsevärt och översvämma och förstör alla kuststäder som finns idag. Det är en stor biverkning.
Beroende - USA och de flesta andra länder kan inte producera tillräckligt med olja för att möta efterfrågan, så de importerar den från oljerika länder. Det skapar ett ekonomiskt beroende. När oljeproducenter i Mellanöstern beslutar att höja oljepriset har resten av världen inget annat val än att betala det högre priset.
I föregående avsnitt såg vi de betydande, globala problemen som skapats av fossila bränslen. Väteekonomin lovar att eliminera alla problem som fossilbränsleekonomin skapar. Därför inkluderar fördelarna med väteekonomin:
- Eliminering av föroreningar orsakade av fossila bränslen - När väte används i en bränslecell för att skapa kraft är det en helt ren teknik. Den enda biprodukten är vatten. Det finns inte heller några miljöfaror som oljeutsläpp att oroa sig med väte.
- Eliminering av växthusgaser - Om väte kommer från elektrolys av vatten, tillför väte inga växthusgaser till miljön. Det finns en perfekt cykel - elektrolys producerar väte från vatten, och väte återkombineras med syre för att skapa vatten och kraft i en bränslecell.
- Avskaffandet av det ekonomiska beroendet - Eliminering av olja betyder inget beroende av Mellanöstern och dess oljereserver.
- Distribuerad produktion - Väte kan produceras var du än har el och vatten. Människor kan till och med producera det i sina hem med relativt enkel teknik.
Problemen med fossil bränsleekonomi är så stora, och de miljömässiga fördelarna med väteekonomin så betydande, att drivet mot väteekonomin är mycket stark.
-| Visste du? Sensorerna som upptäcker potentiella läckor i en vätendriven förbränningsmotor utvecklades av NASA för att upptäcka vätgasläckor under rymdfärjestarter. Lär dig mer om andra NASA-innovationer i den här interaktiva animationen från Upptäcktskanal. |
Den stora frågan med väteekonomin är: "Var kommer vätet från?" Därefter kommer frågan om transport, distribution och lagring av väte. Väte tenderar att vara skrymmande och knepigt i sin naturliga gasform.
När båda dessa frågor har besvarats på ett ekonomiskt sätt kommer väteekonomin att vara på plats.
Vi tittar på var och en av dessa frågor separat i följande avsnitt.
--Ett av de mer intressanta problemen med väteekonomin är vätet självt. Var kommer det från? Med fossil bränsleekonomi pumpar du helt enkelt fossilt bränsle ur marken (se Hur oljeborrning fungerar) och förfina det (se -Hur oljeraffinering fungerar). Sedan bränner du det som en energikälla.
De flesta av oss tar olja, bensin, kol och naturgas för givet, men de är faktiskt ganska underbara. Dessa fossila bränslen representerar lagrad solenergi från miljoner år sedan. För miljontals år sedan växte växter med solenergi för att driva deras tillväxt. De dog och förvandlades så småningom till olja, kol och naturgas. När vi pumpar olja från marken utnyttjar vi det stora solenergilageret "gratis". När vi bränner en liter bensin släpper vi den lagrade solenergin.
I väteekonomin finns det inget lagerhus att utnyttja. Vi måste faktiskt skapa e-nergin i realtid.
Det finns två möjliga källor för väte:
- Elektrolys av vatten - Med hjälp av elektricitet är det lätt att dela vattenmolekyler för att skapa rent väte och syre. En stor fördel med denna process är att du kan göra det var som helst. Till exempel kan du ha en låda i ditt garage som producerar väte från kranvatten, och du kan bränna din bil med det väte.
- Reformering av fossila bränslen - Olja och naturgas innehåller kolväten - molekyler som består av väte och kol. Använda en enhet som kallas en bränsleprocessor eller en reformator, du kan dela vätet från kolet i ett kolväte relativt enkelt och sedan använda vätet. Du kastar kvar restkol till atmosfären som koldioxid.
-Det andra alternativet är naturligtvis något pervers. Du använder fossilt bränsle som källa till väte för väteekonomin. Den här metoden minskar luftföroreningarna, men det löser varken växthusgasproblemet (eftersom det fortfarande är kol som går ut i atmosfären) eller beroendet (du behöver fortfarande olja). Det kan dock vara ett bra tillfälligt steg att ta under övergången till väteekonomin. När du hör om "bränslecellsdrivna fordon" som utvecklas av bilföretagen just nu planerar nästan alla att få väte för bränslecellerna från bensin med en reformer. Anledningen är att bensin är en lättillgänglig vätekälla. Tills det finns "vätestationer" på varje hörn som vi har bensinstationer nu, är detta det enklaste sättet att få väte för att driva ett fordons bränslecell.
Det intressanta med det första alternativet är att det är kärnan i den verkliga väteekonomin. Att ha en ren väteekonomi, vätet måste härledas från förnybara källor snarare än fossila bränslen så att vi slutar släppa ut kol i atmosfären. Att ha tillräckligt med el för att separera väte och vatten och generera den elektricitet utan att använda fossila bränslen, kommer att vara den största förändringen som vi ser när vi skapar väteekonomin.
 Bayswater Power Station (New South Wales, Australien) skapar elektricitet genom att använda tryckånga för att driva turbogeneratorer. |
Var kommer elen för elektrolys av vatten från? Just nu kommer cirka 68 procent (referens) av el som produceras i USA från kol eller naturgas. All denna produktionskapacitet måste ersättas av förnybara källor i väteekonomin. Dessutom måste all den fossila bränslenergin som nu används för transport (i bilar, lastbilar, tåg, båtar, flygplan) omvandlas till väte och att väte skapas med el också. Med andra ord, den elektriska produktionskapaciteten i landet måste fördubblas för att ta på sig kraven på transporter, och då kommer det alla att behöva konverteras från fossila bränslen till förnybara källor. Vid den punkten, och bara vid den punkten, kommer flödet av kol till atmosfären att stanna.
Just nu finns det flera olika sätt att skapa elektricitet som inte använder fossila bränslen:
- Kärnkraft
- Vattenkraftsdammar
- Solceller
- Vindturbiner
- Geotermisk kraft
- Våg- och tidvattenkraft
- Samproduktion (till exempel kan ett sågverk bränna bark för att skapa kraft, eller en deponi kan bränna metan som det ruttna papperskorgen producerar.)
 Medsols uppifrån till höger: Solkraftverk; kärnkraftverk; hydroelektrisk damm; vindturbin |
I USA kommer cirka 20 procent av kraften för närvarande från kärnkraft och 7 procent kommer från vattenkraft. Sol-, vind-, geotermisk och andra källor genererar bara 5 procent av kraften - knappt tillräckligt för att spela.
I framtiden, med ett tekniskt genombrott, verkar det troligt att en av två saker kommer att hända för att skapa väteekonomin: Endera kommer kärnkraft eller solkraftproduktionskapacitet att öka dramatiskt. Kom ihåg att den elektriska genereringskapaciteten i en ren väteekonomi måste ungefär fördubblas eftersom all energi för transport som för närvarande kommer från olja måste ersättas med elektriskt genererad väte. Så antalet kraftverk kommer att fördubblas och alla fossila bränsleanläggningar kommer att ersättas.
Problemet med den elektriska produktionen är förmodligen den största hindern för väteekonomin. När tekniken har förfinats och blir billig kan bränslecellfordon som drivs med väte ersätta bensinförbränningsmotorer under ett decennium eller två. Men att byta kraftverk till kärnkraft och sol är kanske inte så lätt. Kärnkraft har politiska och miljömässiga problem, och solenergi har för närvarande kostnads- och platsproblem.
-| Öppet för handel Vätepåfyllningsstationer är redan öppna i flera länder inklusive USA, Island, Japan och Tyskland. Se FuelCells.org - Globala vätgasbränslestationer för att hitta en vätestation nära dig. |
-För tillfället är problemet med att sätta ren vätebilar på vägen lagrings- / transportproblemet. Väte är en skrymmande gas, och det är inte så lätt att arbeta med som bensin. Komprimering av gasen kräver energi-y, och komprimerat väte innehåller mycket mindre energi än samma volym bensin. Emellertid är lösningar på vätgaslagringsproblemet ytbelagda.
Till exempel kan väte lagras i fast form i en kemikalie som kallas natriumborhydrid, och denna teknik har dykt upp i nyheterna nyligen eftersom Chrysler testar den. Denna kemikalie skapas av borax (en vanlig ingrediens i vissa tvättmedel). När natriumborhydrid släpper ut sitt väte, förvandlas det till borax så att det kan återvinnas.
När lagringsproblemet är löst och standardiserat måste ett nätverk av vätgasstationer och transportinfrastrukturen utvecklas runt det. Den viktigaste hinder för detta kan vara den tekniska sorteringsprocessen. Stationer kommer inte att utvecklas snabbt förrän det finns en lagringsteknologi som tydligt dominerar marknaden. Till exempel, om alla vätgasdrivna bilar från alla tillverkare använde natriumborhydrid, kan ett stationsnät utvecklas snabbt; den typen av standardisering är osannolikt att hända snabbt, om historien är någon guide.
Det kan också finnas ett teknologisk genombrott som snabbt kan förändra spelplanen. Till exempel, om någon skulle kunna utveckla ett billigt laddningsbart batteri med hög kapacitet och en snabb laddningstid, skulle elbilar inte behöva bränsleceller och det skulle inte behövas väte på vägen. Bilar laddade direkt med el.
- Du kommer att höra mer och mer om väteekonomin i nyheterna under de kommande månaderna, eftersom trumfåget växer högre. Miljöproblemen i fossilbränsleekonomin kombineras med genombrott inom bränslecellsteknologi, och parningen gör att vi kan ta de första stegen.
Det mest uppenbara steget vi kommer att se är marknadsföringen av eldrivna fordon. Även om de initialt kommer att drivas av bensin och reformatorer, utgör bränsleceller två stora förbättringar jämfört med förbränningsmotorn:
- De är ungefär dubbelt så effektiva.
- De kan minska luftföroreningarna i städer avsevärt.
Flytta till en ren väteekonomi blir svårare. De kraftproducerande anläggningarna måste övergå till förnybara energikällor och marknaden måste komma överens om sätt att lagra och transportera väte. Dessa hinder kommer sannolikt att leda till att övergången till väteekonomin blir en ganska lång process.
För att lära dig mer om väteekonomin och teknologierna kring den, kolla in länkarna på nästa sida.
relaterade artiklar
- Fuel Cell Quiz
- -Hur bränsleceller fungerar
- Hur hybridbilar fungerar
- Hur elbilar fungerar
- Hur solceller fungerar
- Hur vattenkraftverk fungerar
- Hur bränsleprocessorer fungerar
- Hur katalytiska omvandlare fungerar
- Hur bensin fungerar
- Hur oljeraffinering fungerar
- Hur oljeborrning fungerar
- Hur gaspriser fungerar
- Har klimatskeptiker rätt?
Fler bra länkar
- National Hydrogen Association
- Väteålderns gryning
- Rocky Mountain Institute
- Hydrogen Energy Center
- Ovonics energiomvandlingsenheter
- Elgenerering - PDF
- FuelCellStore.com: Hydrogen Storage
- Natriumtetrahydridoborat
- Elektrolys av vatten med en elektrisk ström - använder labbutrustning
- Elektrolys: Få väte från vatten
- Kemisk energi - PDF