Von Solarenergie und Photovoltaik zur Wasserstoff-Energiezivilisation – ein neuer Absatzmarkt für die Leistungselektronik

Wenn es um Wasserstoff geht, kennen sich alle Kinder damit aus.

Er ist leicht und der Wasserstoffballon macht Spaß.

Bin versehentlich in den Himmel geflogen.

Wasserstoff ist leicht zu beschaffen. Es kann durch die Reaktion von Metallen mit stärkerer Aktivität als Wasserstoff mit Säuren ersetzt werden. In Experimenten in der Mittelstufe wird Zink mit verdünnter Schwefelsäure zur Reaktion gebracht, wobei Wasserstoff entsteht: Zn+H2SO4=ZnSO4+H2. Natürlich können Sie auch Metalle wie Kalium, Kalzium und Natrium mit verdünnter Säure reagieren lassen, aber möglicherweise sind Sie mit der Intensität der Reaktion nicht zurechtgekommen.

In kommerziellen Anwendungen wird Aluminium mit Natriumhydroxidlösung umgesetzt, um Folgendes zu erzeugen:

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2 ↑

Der Nulldruck-Wasserstoffautomat, der zum Verkauf von Ballons am Straßenrand verwendet wird, produziert auf Basis der Reaktion zwischen Aluminium und Natriumhydroxid Wasserstoff zum Befüllen der Ballons. Durch die Öffnung erfolgt gleichzeitig der Materialaustrag und die Befüllung der Kugeln. Im Inneren der Maschine herrscht kein Luftdruck, daher ist der Sicherheitsfaktor höher.

Wasserstoff ist leicht zu beschaffen. Es entsteht bei der Stahlproduktion, in der chemischen Industrie usw. Außerdem entsteht es als Nebenprodukt bei der Chloralkaliproduktion und beim Cracken leichter Kohlenwasserstoffe. Dieser Wasserstoff kann mit dem Stadtgas vermischt und verbrannt werden. Ist das nicht schade? Wasserstoff ist ein sehr guter Brennstoff mit einem Heizwert von bis zu 1,4*108J/kg, während Erdgas 8,5*107J/kg hat. Darüber hinaus ist die Verbrennung von Wasserstoff die umweltfreundlichste Methode, da dabei nur Wasser entsteht und keinerlei Kohlenstoffemissionen entstehen.

Die Fackel für unsere Winterspiele wird mit emissionsfreiem Wasserstoff betrieben.

Wie viel unserer Wärme stammt also aus Wasserstoff?

Beginnen wir mit dem Sternenhimmel~

Wenn man in den Nachthimmel schaut, sieht man, wie die Sterne funkeln und Wasserstoff in Helium umwandeln. Unsere Sonne verbraucht Tag und Nacht jede Sekunde 600 Millionen Tonnen Wasserstoff und wandelt ihn in 596 Millionen Tonnen Helium um. Wohin gehen die 4 Millionen Tonnen Materie, die jede Sekunde verloren gehen, nachdem Wasserstoff zu Helium geworden ist? Nach Einsteins Formel E=mc² wird es in Energie umgewandelt, wobei etwa 1,5 kg Wasserstoff Wärme erzeugen, die auf unsere Erde herabfällt und uns Licht und Energie gibt. Alles wächst dank der Sonne und der Kernfusion von Wasserstoff.

Wasserstoff ist ein grüner Brennstoff, freier Wasserstoff kommt auf der Erde und in der Erdatmosphäre jedoch nur äußerst selten vor. In der Erdkruste macht Wasserstoff 1 % der Gesamtmasse aus, wenn er nach der Masse berechnet wird, und 17 %, wenn er nach dem Atomprozentsatz berechnet wird. Wasserstoff ist in der Natur weit verbreitet und Wasser ist das „Lager“ des Wasserstoffs – der Massenanteil von Wasserstoff im Wasser beträgt 11 %. Auch Erdöl, Erdgas, Tiere und Pflanzen enthalten Wasserstoff. Wasserstoff ist in der Luft nur in geringen Mengen vorhanden und macht etwa fünf Zehnmillionstel des Gesamtvolumens aus. Im gesamten Universum ist Wasserstoff gemessen am Atomprozentsatz das am häufigsten vorkommende Element. Untersuchungen zufolge besteht die Sonnenatmosphäre zu 81,75 Atomprozent aus Wasserstoff. Im Universum ist die Zahl der Wasserstoffatome etwa 100-mal größer als die Summe der Atome aller anderen Elemente.

Obwohl Wasserstoff in der Natur nur in sehr geringen Mengen vorkommt,

Aber Sie können Wasser um Wasserstoff bitten.

Wassergas-Verfahren

Wassergas ist ein Gas, das entsteht, wenn Wasserdampf durch glühenden Koks strömt. Seine Hauptbestandteile sind Kohlenmonoxid und Wasserstoff.

C+H2O(g)=(Hochtemperatur)CO+H2↑

Durch die Zugabe eines Katalysators kann aus einem Teil Kohle die doppelte Menge Wasserstoff gewonnen werden.

C+2H2O(g)=(hohe Temperatur)CO2+2H2↑

Die Herstellung von Wasserstoff aus Kohle ist sehr praktisch und kostengünstig, verbraucht jedoch fossile Energiekohle und erzeugt Kohlendioxid. Diese Art von Wasserstoff hat jetzt einen neuen Namen – grauer Wasserstoff.

Da Wasserstoff sehr umweltfreundlich ist, entsteht bei der Verbrennung lediglich Wasser und es entstehen keinerlei Kohlenstoffemissionen. Wenn bei der Herstellung von Wasserstoff kein Kohlendioxid entsteht, ist der gesamte ökologische Prozess perfekt.

Wir können Wasserstoff auch „reinigen“, das entstehende Kohlendioxid auffangen, speichern und nutzen. Wir nennen das sauberen Wasserstoff. Das abgeschiedene Kohlendioxid kann zum Laden von Koks oder zur Synthese biologisch abbaubarer Kunststoffe verwendet werden …

Unser Ziel ist die Entwicklung von grünem Wasserstoff,

Nutzen Sie neue Energie zur Stromerzeugung und Wasserstoffproduktion.

Unter Stromerzeugung aus neuer Energie versteht man die Stromerzeugung aus Windkraft, Photovoltaik und Wasserkraft. Der Prozess verbraucht weder Kohle noch Öl und erzeugt kein Kohlendioxid.

Für die Elektrolyse von Wasserstoff wird lediglich Wasser benötigt. Elektrizität zerlegt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Das heißt, wir speichern elektrische Energie in Form von Wasserstoff und wandeln diese in Wasserstoffenergie um.

2H2O=2H2↑+O2↑

Wir haben Wasserstoff, aber welchen Nutzen hat Wasserstoff?

Chemische Rohstoffe

Derzeit sind die vier wichtigsten Einzelanwendungen von Wasserstoff: Ölraffination, synthetisches Ammoniak, synthetisches Methanol und Direktreduktion von Eisenerz zur Stahlherstellung. Es gibt unzählige weitere Verwendungsmöglichkeiten. China verbraucht jährlich 20 Millionen Tonnen Wasserstoff.

Wasserstoff kann als sauberer neuer Energieträger in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Erneuerbare Energien wie Sonnenenergie und Windenergie können in Wasserstoff gespeichert und in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen genutzt werden.

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind der umgekehrte Prozess der Wasserstoffelektrolyse. Bei der Stromerzeugung entsteht ausschließlich reines Wasser, was sehr umweltfreundlich ist. Darüber hinaus kann das Tanken von Wasserstoff genauso schnell und bequem sein wie das Auftanken.

H2+1/2O2==H2O

Brennstoffzellen sind keine neue Technologie und ihre Prinzipien sind nicht allzu kompliziert. Sie sind bereits Bestandteil des Unterrichts und experimenteller Inhalte in der Mittelstufe. Wenn die Brennstoffzelle arbeitet, zersetzt sich der Wasserstoff an der Anode unter der Einwirkung des Katalysators in Wasserstoffionen und Elektronen. Die Wasserstoffionen gelangen durch die Protonenaustauschmembran zur Kathode und die Elektronen gelangen über den externen Stromkreis zur Kathode (positive Elektrode), um Strom zu erzeugen. An der Kathode reagiert der Sauerstoff der Luft mit Wasserstoffionen und Elektronen und es entsteht Wasser.

Aus Brennstoffzellen lassen sich, genau wie aus Batterien, Energiespeicher bauen. Sie können Wasserstoff auch zu Hause durch Elektrolyse herstellen und Wasserstofftanks füllen. Der Strom kann aus Solarenergie stammen, was sehr praktisch erscheint.

Brennstoffzellen-Powerbank, Ausgangsleistung 2 Watt

Haushalts-Wasserstoffelektrolysegerät, 23 W, produziert 3 Liter Wasserstoff pro Stunde

Doch ganz so einfach ist das Hochleistungs-Brennstoffzellensystem für Autos nicht; Es handelt sich um ein komplexes Stromerzeugungssystem. Es erfordert Luftkompressoren, Wasserstoffpumpen, Ventilatoren, Wasserpumpen usw. Das System erfordert Motortreiber und verschiedene Sensoren.

Die Stromerzeugung durch Brennstoffzellen wird nicht durch den Carnot-Zyklus des Motors begrenzt. Theoretisch kann der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung 85 bis 90 % erreichen. Aufgrund des Stromverbrauchs der Hilfssysteme des Systems beträgt der derzeitige Energieumwandlungswirkungsgrad von Brennstoffzellen jedoch etwa 40 bis 60 %. Bei Kraft-Wärme-Kopplung kann der Gesamtbrennstoffnutzungsgrad bei über 85 % liegen. Dieses System wurde für den Einsatz in japanischen Haushalten industrialisiert. Seit der ersten Hälfte des Jahres 2019 wurden in Japan mehr als 300.000 ENE·FARM-Brennstoffzellensysteme für den Haushalt verkauft.

Brennstoffzellen mit Kraft-Wärme-Kopplung sind eine effektive Möglichkeit, Gas effizient zu nutzen. Die folgende Abbildung zeigt, dass von 1.000 Kubikmetern Erdgas 27 GJ zur Wärmestromerzeugung verwendet werden, mit einem Wirkungsgrad von 58,5 %. Durch den Einsatz von Brennstoffzellen können stattdessen aus 40,6 GJ Erdgas 15,8 GJ Strom und 22,8 GJ Wärme erzeugt werden, wobei nur 2 GJ ungenutzt bleiben. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 95 %.

Wasserstoff in jedem Haushalt ist die Entwicklungsrichtung einer Hocheffizienzgesellschaft.

Wasserstoff ist eine grüne Energie und auch ein Träger grüner Energie. Von der Stromerzeugung durch neue Energien, Elektrolyse und Wasserstoffproduktion bis hin zur Stromerzeugung durch Brennstoffzellen bildet es die grüne Energiekette der neuen Welt.

Wir freuen uns auf Autos, Flugzeuge, Schiffe und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Wasserstoffbrennstoffzellen ... das Zeitalter der Wasserstoffenergie-Zivilisation steht vor der Tür.