Was wäre der praktischste Rohbrennstoff für eine Wasserstoffwirtschaft?

Nuklear

Wenn ich Ihre Frage richtig verstehe, geht es im Wesentlichen darum, „was das effektivste Mittel zur Herstellung von Wasserstoffgas ist“, da Wasserstoffgas das angeborene Rückgrat einer Wasserstoffwirtschaft ist. Das bedeutet, dass Sie im Wesentlichen fragen, „was die praktischste Brennstoffquelle für Energie ist“, da eine Wasserstoffwirtschaft nur den Energieträger von Kohlenwasserstoffen auf Wasserstoff umstellt.

Es ist also nuklear. Kernenergie ist eine großartige Energiequelle, und wenn es nicht die inhärenten Risiken gäbe, die mit der Verwendung kleiner Plutoniumbrocken verbunden sind, um alles mit Strom zu versorgen, wäre ich für die Kernenergie von allem. Aber Kernenergie ist einfach die effizienteste Energiequelle, also brauchen Sie nur ein paar Kernkraftwerke, um Ihre Kanister mit kondensiertem Wasserstoffgas zu produzieren (vermutlich mit so etwas wie Hochtemperaturelektrolyse). Relevantes xkcd unten darüber, warum Atomkraft großartig ist.

Es gibt zwei gute Möglichkeiten, Wasserstoff zu erzeugen, und mehrere gute Möglichkeiten, sie mit Strom zu versorgen.

Um Wasserstoff zu erzeugen, möchten Sie entweder die Gasreformierung (von der es mehrere Arten gibt) oder die Elektrolyse verwenden. Diese haben eine ausreichend hohe Wirksamkeit, um praktisch zu sein . Welche Sie verwenden, spielt eigentlich keine große Rolle, da sie alle auf eine externe Energiequelle angewiesen sind, normalerweise Strom (diejenigen, die auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe angewiesen sind, können aufgrund der Anforderungen an die Erneuerbarkeit übersprungen werden, da sie nicht effizienter sind). Obwohl alle Formen der Reformierung auf Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner angewiesen sind, funktionieren biologisch hergestellte Kohlenwasserstoffe fast genauso gut. wahrscheinlich werden Sie alle in Verwendung sehen, abhängig von der Ressourcenverfügbarkeit eines Bereichs. Sobald Wasserstoff produziert ist, ist der Transport und die Verteilung unabhängig von der Quelle gleich, also ist es strittig.

Die Erzeugung des Stroms basiert auf den örtlichen Bedingungen , wobei die verfügbare Wasserkraft fast immer am besten ist, aber auch Wind, Sonne und Kernenergie funktionieren, ebenso wie eine Reihe anderer Quellen. Strom ist Strom, egal woher er kommt. Jede Quelle hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, Hydro ist bei weitem die effizienteste und beständigste, aber auch sehr standortspezifisch. Solar ist durch Klima, Zeit und Breitengrad begrenzt, aber am richtigen Standort ist es sehr effizient, vorausgesetzt, Sie haben ein Speichersystem. Wind wird durch lokale Windmuster eingeschränkt und hat derzeit technologische Langlebigkeitsbeschränkungen, die den Preis in die Höhe treiben, aber es gibt vielenutzbarer Standorte. Kernkraft funktioniert überall, kann auf Abruf geliefert werden, ist sicherer und hat ungefähr die gleiche Effizienz wie Wind, hat aber hohe Einrichtungskosten und PR-Probleme. Ehrlich gesagt ist es unwahrscheinlich, dass nur einer verwendet wird, wahrscheinlicher werden ALLE verwendet, sie haben jeweils Standorte, an denen sie am besten funktionieren, und wie ich bereits sagte, ist es Wasserstoff egal, woher der Strom kommt, und er wird wahrscheinlich produziert An vielen Orten. Daher wird das verwendet, was für diesen Standort am besten funktioniert .

Kernkraft kann unsere Zivilisation sicherlich mindestens einige Jahrhunderte lang mit Energie versorgen. Der Wechsel von Uran zu Thorium würde bedeuten, dass der leicht verfügbare Brennstoff ausreicht, um jeden für mindestens ein paar tausend Jahre mit angemessenen Energiemengen zu versorgen. Das ohne ernsthaft unterschiedliche Reaktordesigns, nur Anpassungen an bekanntermaßen funktionierenden Designs.

Dann, je nachdem, wie weit in "naher" Zukunft, gibt es eine hübsche Lösung. Ihr könntet „sehr bald jetzt“ zulassen, jetzt zu sein, und die Fusion als eure Energiequelle nutzen.

Die "leichte" Reaktion für die Fusion ist DT. Sie erhalten das D aus der Verarbeitung von Wasser, um die Ds zu extrahieren, und Sie erhalten das Tritium, indem Sie Lithiumdecken um Ihren Fusionsreaktor legen. Die Primärbrennstoffe wären dann: Lithium und Deuterium.

Wenn man wirklich eine "Wasserstoffwirtschaft" haben will, sollte es kein verschwenderisches Stromnetz geben. In diesem Fall wäre die Wirtschaft rein "elektrisch", ohne dass ein anderes Energiemedium übertragen werden müsste. Das bedeutet, dass primäre Energiequellen an Orten sein sollten, an denen elektrische Leitungen eine schlechte Option sind, aber der Straßen-/Tanker-/Röhrentransport eine gute Option ist.

Also meine Präpositionen:

• Geothermische vollautomatische Wasserstofferzeugungsanlagen : Sie werden in Kilometer Tiefe platziert, produzieren nur Strom für sich selbst (für die Elektrolyse) und geben Wasserstoff (und Sauerstoff) an der Oberfläche ab. Sie müssen in ganz besonderen Gebieten platziert werden, vielleicht sogar unter dem Meer (+ seltene Metalle und Goldgewinnung aus Meerwasser).

• Ein einziges gefährliches, aber enorm starkes thermonukleares Kraftwerk . Auch meist automatisch. Mit einer Stromerzeugung, die alle Anforderungen der Menschheit vollständig abdeckt und mehr, aber nicht weniger. Es kann keine kleinen Mengen Strom produzieren – das macht es unmöglich, sich auf kleinere Kraftwerke „aufzuteilen“. Da es gefährlich ist, kann es nur weit entfernt von jeder Zivilisation platziert werden. Und da es sich um eine enorme Leistung handelt, ist es schwierig, ein Stromnetz aufzubauen, das eine solche Leistung weltweit überträgt.

• Orbitale/raumgestützte Energieerzeugung . Sagen wir, den Mond in einen großen Solarpark zu verwandeln oder alle Kernreaktoren auf die Umlaufbahn des Mondes zu bringen. In beiden Fällen sind Kabel keine Option und Wasserstoff ist eine gute Möglichkeit der Energieübertragung (und der dafür erforderliche Raketentreibstoff).

Kernfusion

Auch wenn wir immer noch nicht ganz herausgefunden haben, wie man es effizient macht, ist die Kernfusion ohne Zweifel die stärkste Energiequelle, die uns auf der Erde zur Verfügung steht und die wir länger als erwartet befeuern können. Wenn Sie also den spezifischen Produktionsprozess (die einzige verbleibende Hürde) von Hand bewegen können, dann ist dies definitiv der richtige Weg.

Kernspaltung

Zweiter Kandidat. Heutzutage wird die Atomkraft aus irgendeinem Grund dämonisiert, obwohl sie:

1. (Geld-)effizienter als fast alles andere, mit der möglichen Ausnahme von Öl (wenn die OPEC die Preise nicht erhöht hat)
2. Kann ohne Umweltauswirkungen erfolgen (im Gegensatz zu jeder anderen Quelle sind Abfallprodukte fest, können beispielsweise in alten Bergwerksschächten in geologisch stabilen Gebieten enthalten sein.) Dazu gehört die heutige Panik über CO2 und andere Treibhausgase, deren Produktion aufgrund künstlicher Mittel wird schwer fallen, wenn wir heute anfangen würden, es zu benutzen.
3. Ziemlich reichlich. Sie können es buchstäblich aus Meerwasser ernten . Diese Quelle behauptet, dass die Ozeane 500-mal so viel Uran enthalten wie Erze an Land, aber ich habe mir nicht die Mühe gemacht, es noch einmal zu überprüfen. Es ist die US-Regierung, machen Sie daraus, was Sie wollen.

Ich würde Solar vorschlagen.

Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten, ein elektrolytisches Wasserspaltungsschema mit Strom zu versorgen, aber alle erfordern eine anfängliche Stromquelle und eine Menge elektrischer Hardware sowie die zusätzlichen (wenn auch nicht allzu schwerwiegenden) Ineffizienzen der Wasserelektrolyse selbst.

Durch photokatalytische Wasserspaltung kann man sich den Mittelsmann sparen . Was Sie dann haben, ist eine Ladung vergleichsweise dummer Fotozellen, die in Wasser getaucht sind und Sonnenlicht ausgesetzt sind, die dann Gas entwickeln, das wie jede andere Wasserstoffquelle getrennt und gehandhabt werden kann. Die derzeitigen Wirkungsgrade sind nicht besonders hoch, aber es gibt keinen Grund, sie im Laufe der Zeit nicht zu steigern. Selbst bei geringeren Wirkungsgraden kann die größere Einfachheit der Anlagen, wenn die Kosten gering genug sind, den Ausschlag zu ihren Gunsten geben.

Das Problem ist natürlich, dass Sie sowohl eine gute Versorgung mit Wasser als auch eine gute Versorgung mit Sonnenlicht benötigen. Es gibt große Teile der Welt, die beides haben, aber es gibt viele Bevölkerungszentren weit weg von Orten mit wirklich hoher und zuverlässiger Sonneneinstrahlung.

Es wurde auch an der photochemischen Kohlendioxidreduktion gearbeitet . Die CO ₂ -Quelle dafür kann die Atmosphäre sein oder gelöste Karbonate im Meerwasser. Das Endprodukt der Reaktion ist Kohlenmonoxid. Mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben Sie Synthesegas , aus dem Sie eine ganze Reihe nützlicher Kohlenwasserstoffe (wie Methanol) synthetisieren können, die dann viel einfacher gespeichert, gepumpt oder anderweitig transportiert werden können als Wasserstoff, wodurch das ganze „Wie bekommt man Wasserstoff?“ gelöst wird Zentralkanada "oben angesprochenes Problem ... es kommt dort auf die gleiche Weise an, wie sie jetzt Öl, Benzin und Diesel bekommen. Mit diesen Kohlenwasserstoffen können auch Brennstoffzellen direkt betrieben werden, was bedeutet, dass die Fahrzeugbetankungsvorgänge wie bisher fortgesetzt oder zur Synthese komplexerer Chemikalien wie Harze für Klebstoffe oder Kunststoffe verwendet werden können.

Dies hat auch den erfreulichen Nebeneffekt, dass atmosphärisches CO ₂ verbraucht wird , wenn die Endprodukte nicht verbrannt werden.

Die Elektrolyse wird natürlich immer noch ihren Platz haben ... es gibt Orte, die über eine bequeme Versorgung mit sauberem und erneuerbarem Strom verfügen (wie Island), die das wirtschaftliche Gleichgewicht gegen die künstliche Photosynthese kippen könnten, und es wird Orte geben, die gerne Kernenergie nutzen würden Macht, deren Wirtschaftlichkeit sehr stark von der lokalen Politik abhängen wird. Es könnte möglich sein, sie auslaufen zu lassen, da Effizienz und Kosten der künstlichen Photosynthese mit der Zeit sinken.

In Bezug auf Ihre Folgefrage können Sie bedenken, dass überall, wo derzeit Photovoltaikzellen betrieben werden können, vernünftigerweise auch photosynthetische Zellen betrieben werden können, wenn auch mit geringeren Erträgen. Es besteht die Möglichkeit, kleine verteilte Wasserstoff- und Kohlenwasserstoffanlagen zu haben, die für den Gemeinschaftsgebrauch geeignet sind. Der äußerste Norden und Süden könnten dies nicht nutzen, aber sie sind für ihr weiteres Überleben bereits in hohem Maße von moderner Infrastruktur abhängig, sodass sie durch eine Umstellung auf einen auf Wasserstoff basierenden Kraftstoff nicht anfälliger werden Wirtschaft.

Lasersendesatelliten

Sie sind Satelliten, die Sonnenlicht sammeln und es buchstäblich in konzentrierter Form zur Erde strahlen. Wir sind gar nicht so weit davon entfernt, es entwickeln zu können, wenn wir wirklich darin investieren wollten.

https://www.energy.gov/articles/space-based-solar-power

Lasersendesatelliten, wie sie von unseren Freunden am LLNL beschrieben wurden, kreisen im niedrigen Erdorbit (LEO) etwa 400 km über der Erdoberfläche. Mit einem Gewicht von weniger als 10 Tonnen wiegt dieser Satellit nur einen Bruchteil des Gewichts seines Mikrowellen-Pendants. Dieses Design ist auch billiger; Einige sagen voraus, dass der Start und Betrieb eines mit Laser ausgestatteten SBSP-Satelliten fast 500 Millionen US-Dollar kosten würde. Es wäre möglich, den gesamten selbstmontierenden Satelliten in einer einzigen Rakete zu starten, was die Kosten und die Produktionszeit drastisch reduziert. Außerdem hat der Strahl durch die Verwendung eines Lasersenders nur einen Durchmesser von etwa 2 Metern anstelle von mehreren Kilometern, eine drastische und wichtige Reduzierung.

Um dies zu ermöglichen, verwendet das Solarenergie-Strahlsystem des Satelliten einen diodengepumpten Alkalilaser. Erstmals im Jahr 2002 am LLNL demonstriert – und dort derzeit noch in der Entwicklung – wäre dieser Laser etwa so groß wie ein Küchentisch und stark genug, um Energie mit einem extrem hohen Wirkungsgrad von über 50 Prozent zur Erde zu strahlen.

Obwohl dieser Satellit weitaus leichter, billiger und einfacher einzusetzen ist als sein Mikrowellen-Pendant, bleiben ernsthafte Herausforderungen bestehen. Die Idee von Hochleistungslasern im Weltraum könnte Ängste vor einer Militarisierung des Weltraums wecken. Diese Herausforderung könnte behoben werden, indem die Richtung begrenzt wird, in die das Lasersystem seine Leistung übertragen kann.

Bei seiner kleineren Größe ergibt sich eine entsprechend geringere Kapazität von etwa 1 bis 10 Megawatt pro Satellit. Daher wäre dieser Satellit am besten als Teil einer Flotte ähnlicher Satelliten geeignet, die zusammen verwendet werden.

Man könnte sagen, SBSP ist weit weg oder Zukunftsmusik (Wortspiele beabsichtigt) – und Sie würden weitgehend korrigieren. Aber es gibt bereits viele Technologien, um dies möglich zu machen, und viele sind nicht weit dahinter. Während das Energieministerium derzeit keine speziellen SBSP-Technologien entwickelt, könnten viele der verbleibenden Technologien, die für SBSP benötigt werden, in den kommenden Jahren unabhängig entwickelt werden. Und obwohl wir die Zukunft der aus dem Weltraum gewonnenen Energie nicht kennen, freuen wir uns darauf, Ideen wie diese zum Fliegen zu bringen (okay, letztes Wortspiel, versprochen).

Die gleiche Seite listet Mikrowellensender als Möglichkeit auf, aber sie wären im Vergleich riesig.

Dies hat einige enorme Vorteile gegenüber Atomkraft, weil es tatsächlich erneuerbar ist, während Atomkraft bedeutet, dass wir gefährliche Elemente ausgraben, sie verwenden und sie dann 100 Jahre lang in einen Pool werfen und hoffen, dass zukünftige Generationen eine Idee haben, was sie damit anfangen sollen.

Der einzige große Fehler, der ein gutes Buch oder einen guten Film ausmachen würde, ist, dass es sich um Schwärme von Satellitenwaffen handelt, die auf die Erde gerichtet sind. Jedes Land müsste damit einverstanden sein, dass diese Massenvernichtungswaffen unter der Kontrolle einer ausländischen Regierung herumschwirren.

Nun, zum Teufel, wenn wir sowohl die Schwierigkeit der Erzeugung als auch die Schwierigkeit der Speicherung von Hand abwägen, ist die Antwort offensichtlich: Antimaterie.

Der Grund, warum Kernenergie ein so enormes Energie/Brennstoffgewicht-Verhältnis hat, liegt darin, dass sie keine chemische Reaktion verwendet – sie verliert dabei tatsächlich 0,1 % ihrer Brennstoffmasse. Was sich vielleicht nicht nach viel anhört – ein Zehntel Prozent – ​​aber das reicht aus, um aus einem winzigen bisschen Kraftstoff eine enorme Menge an Leistung zu erzeugen. Wenn Sie ein kg Masse in die berühmte Gleichung e=mc^2 einsetzen, werden Sie sehen, dass selbst 1 kg "verlorene" Masse eine verrückt-dumme Anzahl von Joule (~90 Billiarden) erzeugt .

Verschmelzung? Diese Zahl stellt die Kernspaltung um eine Potenz von 7 in den Schatten. Ein Wasserstoff-Helium-Fusionsprozess beinhaltet den Verlust von 0,7 % seiner Masse.

... aber Sie werden vielleicht feststellen, dass diese Zahlen immer noch ... naja ... niedrig sind . Unter 1%. Was wäre, wenn Sie diese Zahl auf 100 % bringen könnten? Die gesamte Energie in einem Masseklumpen in Energie umwandeln ? Sie hätten etwas, das buchstäblich 1.000 Mal so stark ist wie Atomkraft. Buchstäblich 142-mal so stark wie eine Fusionsreaktion.

Genau das ist eine Materie-Antimaterie-Reaktion.

Der Grund, warum wir keine Antimaterie-Reaktoren haben, die unser Stromnetz mit Strom versorgen, ist: Wir können Antimaterie nicht leicht bekommen (bisher hat die Menschheit insgesamt nur ein paar Nanogramm davon produziert). Und wenn wir sie hätten, wäre es so schwierig zu lagern - es ist nicht so, dass Sie es in einem Behälter aus Materie aufbewahren können, für den Sie so etwas wie eine Penning-Falle benötigen.

Aber wenn wir diese beiden Probleme mit der Hand wegwinken? Wir können Materie leicht in ihre Antimaterie-Version umwandeln und effektiv speichern? Dann Antimaterie-Pflanzen für alle!

Hier geht es um Energieträger, nicht um Wasserstoff

Da Sie nicht alle Punkte interessieren, die Wasserstoff von anderen Energieträgern unterscheiden, bleibt die Frage nach dem besten Energieerzeuger.

Es wird eine Mischung sein.

Solar.
Wind.
Biogas.
Nuklear (obwohl dies umstritten ist).

Solange es Strom oder genug Wärme erzeugt, um einen Generator zu betreiben, können Sie damit Wasserstoff erzeugen.

Die Wasserstofferzeugung im großen Maßstab würde die Energiespeicheranforderungen für Wind und Sonne erfüllen, sodass nur die Kosten für die Erzeugung zählen.

Nuclear ist hier etwas speziell, da es viele einzigartige Hindernisse hat.
Lassen Sie mich sie etwas erweitern:

• Es ist langsam zu erforschen, nur weil Sie das Risiko ausschließen müssen, dass eine Versuchsanlage Radioaktivität in großen Mengen freisetzt. Das bedeutet, dass die anderen Technologien einen Forschungsgeschwindigkeitsvorteil haben. Wind und Sonne haben enorm von den Fortschritten der Materialwissenschaften profitiert, und im Moment sieht es so aus, als würde noch mehr kommen (bessere Solarernte, leichteres Rotormaterial und bessere Generatortechnologie für Wind); wie lange das dauern wird, kann sich niemand vorstellen, aber ich würde sagen, es sind mindestens ein Jahrzehnt. (Es gibt auch Forschung für Gas, aber nicht die Fortschritte bei der Änderung der Größenordnungen bei Sonne und Wind.)
• Die Risikoakzeptanz in der Bevölkerung und bei den Aufsichtsbehörden ist sehr unterschiedlich, je nachdem, wie lange die letzte Katastrophe zurückliegt. Angesichts der geringen Wahrscheinlichkeit, der hohen Schadenswirkung der Kernenergie ist ein gewisser Kreislauf am Werk: Unfall irgendwo auf der Welt – strengere Regulierung – nichts passiert – Regulierung wird schlampig – Sicherheit sinkt – ein weiterer Unfall irgendwo auf der Welt, zurück zur Hysterie. (Die Hysterie ist ein PR-Problem, aber die Hauptursache ist regulatorische Nachlässigkeit, und ich glaube, dass sie tief in der menschlichen Natur verwurzelt ist.) Die
  Zykluszeit scheint etwa ein Jahrzehnt zu betragen, mit insgesamt strengeren und strengeren Vorschriften, die Kostensteigerungen auferlegen; Derzeit sind die EPR-Kosten höher als die Solar- und Windkosten, wenn sie pro erwartetem Joule berechnet werden, das über die Lebensdauer erzeugt wird.
• Der Kapitalbedarf ist immens und benötigt mindestens ein Jahrzehnt zur Amortisation. Ein Jahrzehnt reicht aus, damit die Zinsen wieder steigen, denn nachdem Sie in ein Atomkraftwerk investiert haben, steht dieses Kapital nicht für eine andere Investition mit besserem ROI zur Verfügung.
• Kernkraft erfordert spezielle Fähigkeiten und spezialisierte Fabriken (als ich das letzte Mal nachgesehen habe, gab es weltweit nur eine einzige Schmiede, die tatsächlich einen Druckbehälter herstellen kann, der für diesen Zweck bekannt und zertifiziert ist). Das Hochfahren der Produktionskapazität wird etwa ein Jahrzehnt dauern, bis man alles in Mengen haben kann, dann ein weiteres Jahrzehnt, um die erste Generation von massenproduzierten Kernkraftwerken zu planen, zu bauen und zu regeln.

All diese Faktoren machen Kernenergie für Investoren weniger interessant.