Chemische energieopslag
-
Lucas
Er is tegenwoordig veel debat over hoe we energie zullen moeten opslaan in elektrische auto’s.
Zijn er nog andere systemen dan een batterij?
-
Lisa
Ja er zijn nog veel energieopslagsystemen. Bij energieopslag denken we meteen aan de batterij, en dat is ook de meestvoorkomende.
Maar ook benzine, aardgas en aardolie zijn chemische vormen van energieopslag.
-
Lucas
Ik hoorde ook iets over de mogelijkheid om op waterstof te rijden?
-
Lisa
Dat kan ook. Dan is waterstof de energieopslag. Elk van deze opslagsystemen hebben voor- en nadelen.
In deze submodule behandelen we volgende onderwerpen:
- (Oplaadbare) batterijen
- Waterstof
- Power to Molecules
- Elektrische auto's
- Residentiële opslag
1. (Oplaadbare) batterijen
De Galvanische cel genereert elektrische energie door redoxreacties tussen de elektroden en het elektrolyt.
Bij de anode vinden oxidatiereacties plaats waarbij elektronen worden vrijgegeven, terwijl bij de kathode reductiereacties optreden waarbij elektronen worden opgenomen. Deze vrijgekomen elektronen stromen door een externe kring van de anode naar de kathode, deze elektrische stroom kan dan gebruikt worden om een machine of apparaat aan te drijven.
Een batterij bestaat uit één of meer galvanische cellen die elektrisch zijn verbonden. Batterijen kunnen zowel herlaadbaar als niet-herlaadbaar zijn.
Een herlaadbare batterij maakt gebruik van omkeerbare redoxreacties, terwijl deze reacties bij een niet oplaadbare batterij ook niet omkeerbaar zijn.
De Galvanische cel of voltaïsche cel
is een soort elektrochemische cel die chemische energie omzet in elektrische energie.
Het bestaat uit twee elektroden (een anode en een kathode) die
zijn ondergedompeld in een elektrolyt (een oplossing die ionen bevat die elektrische stroom kunnen dragen).
Enkele belangrijke types oplaadbare batterijen
Twee bekende voorbeelden van herlaadbare batterijen zijn:
Veelgebruikt in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons, laptops en elektrische voertuigen.
Vaak gebruikt in auto's, back-upvoedingssystemen en zonne-energieopslag.
Ze bestaan uit een lithiumkathode, een koolstofanode en een elektrolyt.
Ze bevatten een loodoxidekathode, een sponspoederanode en een zwavelzuurelektrolyt.
Hoewel deze batterijen verschillende chemische samenstellingen en configuraties hebben, zijn ze allemaal gebaseerd op
elektrochemische processen om elektrische energie op te slaan en vrij te geven.
Sectoren waar oplaadbare batterijen worden gebruikt:
Gebouwen
Batterijen kunnen worden gebruikt in woningen om overtollige zonne-energie op te slaan die overdag wordt
opgewekt voor gebruik tijdens de avonduren of 's nachts, waardoor de afhankelijkheid van het elektriciteitsnet
wordt verminderd.
Transport
Elektrochemische batterijen vormen tot op heden de belangrijkste energieopslagmethode van elektrische voertuigen,
variërend van personenauto's en bussen tot vrachtwagens en treinen. Wanneer batterijen worden opgeladen met
elektriciteit opgewekt door hernieuwbare energiebronnen, zorgt dit ervoor dat we geen CO2 uitstoot meer
veroorzaken tijdens het rijden.
2. Waterstof
Je hoort vaak over waterstof als nieuwe energiebron. In feite bedoelen we hiermee waterstofgas H2, en niet het atoom H.
We zullen voor het gemak verder de benaming waterstof blijven hanteren.
Met behulp van waterstof kan je elektriciteit opwekken, of nieuwe organische moleculen maken.
Waterstof komt maar zelden natuurlijk voor, daarom moeten we het halen uit andere moleculen zoals water en aardgas en hebben we
elektriciteit of warmte nodig om dit te bewerkstelligen.
Grijze, blauwe en groene waterstof
Je hoort ook spreken over verschillende kleuren waterstof, waarvan grijze-, blauwe- en groene de bekendste.
Dit heeft niets te maken met kleur, maar wel met de productie methode en de verwijzing naar hoe vervuilend deze methoden zijn
naar CO2 uitstoot.
Grijze waterstof
Op dit ogenblik wordt er in de industrie nog veel waterstof geproduceerd die niet CO2-neutraal is.
We noemen dit ‘grijze waterstof’.
Grijze waterstof wordt geproduceerd door het proces van ‘stoomreforming of kraken van aardgas’.
- Bij stoomreforming wordt stoom (aan een zeer hoge temperatuur en hoge druk) toegevoegd aan aardgas (CH4)
waarbij CO2 en waterstofgas (H2) wordt gemaakt.
Blauwe waterstof
Wanneer de gevormde CO2 bij de productie van grijze waterstof ondergronds wordt opgeslagen,
spreek je van ‘blauwe waterstof’, hier ontsnapt nog 10% CO2 in de atmosfeer.
Groene waterstof
Groene waterstof daarentegen stoot geen CO2 uit.
Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse.
- 2 metalen platen (elektroden) worden ondergedompeld in water en aangesloten op een spanningsbron.
- De elektriciteit wordt opgewekt door een hernieuwbare energiebron.
- Aan de elektrodes komen dan 2 gassen vrij : waterstofgas en zuurstofgas.
Helaas is dit proces nog vrij inefficiënt en duur.
Opdracht 2
Sleep de juiste termen bij de afbeeldingen.
Schrijf de chemische vergelijkingen uit met de juiste coëfficiënten en duidt aan of hitte of elektriciteit wordt gebruikt tijdens dit proces.
Uitbreiding
Eenmaal je over waterstof beschikt, kan je het opnieuw combineren met zuurstof in een brandstofcel.
Hierin zal er zich een soort omgekeerde elektrolysereactie voordoen, waar opnieuw elektriciteit wordt geproduceerd.
Wil je weten hoe een waterstofbrandstofcel werkt?
3. Power to Molecules
Fossiele brandstoffen zorgen momenteel niet alleen voor energie, ze zijn ook een veelgebruikte grondstoffen in verschillende
sectoren.
Door niet alleen water, maar ook stikstof, koolstofdioxide en zuurstof aan te wenden in de lucht, kunnen we d.m.v.
vernieuwende technieken van elektrolyse, waardevolle moleculen synthetiseren voor de industrie, de scheep- en luchtvaart
en de landbouw, bijvoorbeeld ethyleen, methanol en ammoniak.
4. Elektrische auto's
Residentiële opslag
Opdracht 3
- Beschouw een gezin met een gemiddeld elektriciteitsverbruik van ongeveer 3.500 kWh per jaar.
- Een thuisbatterij van 10kWh kost ongeveer 10000€.
- Reken dat je ongeveer 1m² vrij zal moeten hebben aan je muur om de batterij op te hangen en dat de batterij tot 100kg kan wegen.