Principe, werking en productie

Principe, werking en productie

H2Fuel is een synthese met als hoofdbestanddeel NaBH4, waarin onder atmosferische omstandigheden waterstof is opgeslagen. De samenstelling is:

 

NaBH4 + H2O (UPW) waarbij in verpompbare vorm er ook een paar procent NaOH voor de stabiliteit zijn toegevoegd.

 

De synthese kan zowel gevormd worden in droge vorm (hoogste concentratie) of als een slurry (lagere concentratie) dan wel als een vloeistof (laagste concentratie en dan gereed voor gebruik). Middels toevoeging van UPW (Ultra Pure Water) worden de verschillende stadia bereikt.

 

Daarnaast is er een activator bestaande uit een sterk verdund zuur of een katalysator dan wel een combinatie hiervan.

 

Vanaf de plant worden de synthese en de activator in droge vorm naar een tankstation gebracht. Daar wordt UPW toegevoegd waardoor er een verpompbare slurry ontstaat. Deze slurry wordt gescheiden van de activator in de tank van de verbruiker getankt.

 

Deze tank kent 3 compartimenten, 1x voor H2Fuel, 1x voor de activator en 1x voor de spent fuel (reststoffen van de reactie).

 

Vanuit de tank worden de slurry en de activator onder toevoeging van UPW (dat afkomstig is van de fuel cell dat H2O als restproduct heeft) in een reactor gebracht. Door de toevoeging van het UPW krijgt de synthese de laagste concentratie en is dan gereed voor gebruik.

 

In de reactor vindt een exotherme reactie plaats, waarbij er 4H vrijkomt van de NaBH4. In dezelfde reactie komt er uit het UPW 2 O vrij, die zich aan het NaB binden, waardoor er uit het UPW ook 4H vrijkomen. Dit maakt dat er totaal 8H uit de reactie vrijkomen.

 

Gegeven het feit dat er in dit proces ook warmte (ca. 700C) vrijkomt, levert de reactie 8H en 40 MJ op bij een eindproductie van 0,5 kg H2 (dus 1 kg bij de verbruiker).

 

De restanten uit de reactie (spent fuel : NaOH + NaBO2 + H2O) worden teruggevoerd naar de tank van de verbruiker en vandaar naar het tankstation om in de plant na recycling weer te worden omgezet in NaBH4 voor hergebruik.

 

In een validatie op laboratoriumschaal door TNO is vast komen te staan, dat de vrijgave van waterstof ca. 98% van het theoretisch haalbare bedraagt en de reactie binnen seconden plaatsvindt.

 

Dit uitzonderlijk hoge rendement en de lage kostprijs (4H uit UPW en hergebruik van de spent fuel) alsmede het feit dat er in dit proces geen schadelijke emissies ontstaan (o.a. CO2) maakt H2Fuel economisch en ecologisch preferent.

 

De spent fuel kan hergebruikt worden als drager van waterstof door hieruit nieuwe NaBH4 te vormen. Hiervoor is toevoeging van 5% grondstoffen (recycleverlies), 4H, UPW en 57 MJ energie nodig.

 

Dit proces vindt plaats in een volumetrische cascade in een continu proces in de plant. Daarin vindt een reactie plaats gelijk aan die zoals hiervoor omschreven, waarbij het resultaat 8H en + 40 MJ (4H uit NaBH4  en 4H uit UPW) bedraagt.

 

De 8H wordt gesplitst en 2x 4H waarbij 4H naar een interne synthese wordt geleid en de andere 4H naar een externe synthese. De vrijgekomen warmte wordt naar de interne synthese geleid als aanvulling op de energievraag.

 

De interne synthese heeft tot doel de aanmaak van NaBH4 voor eigen gebruik, c.q. de NaBH4 welke weer naar de reactor wordt gevoerd voor de herhaling van het proces en de externe synthese is bestemd voor de verkoop c.q. verbruik door derden.

 

In de interne synthese wordt de spent fuel uit de reactie gebracht, UPW toegevoegd, 5% grondstoffen (recyclingverlies), de afgesplitste 4H alsmede energie (40 MJ uit de reactie wordt 27 MJ door verlies warmtewisselaar + 57 MJ aanvulling). De O wordt afgevoerd en kan voor een ander commercieel doel worden aangewend. Hieruit ontstaat weer NaBH4 welke naar de reactor wordt gevoerd voor een herhaling van het proces.

 

De andere afgesplitste 4H wordt naar de externe synthese gevoerd. Ook daar wordt de spent fuel (nu afkomstig van de uiteindelijke verbruikers) ingevoerd, UPW toegevoegd, 5% grondstoffen (recyclingverlies) en energie (nu 84 MJ aangezien de 40 MJ uit de reactie naar de interne synthese is gegaan). De O wordt ook hier afgevoerd. Zo ontstaat ook hier NaBH4 dat aangewend wordt voor de verkoop. Dit kan na indroging droog, als slurry of als vloeistof gebeuren. Indien na het reservoir nog een reactor zou worden geplaatst, kan ook verkoop als 8H plaatsvinden.

 

Let wel: deze 4H wordt in de reactie bij de verbruiker weer 8H (4H uit NaBH4 en 4H uit UPW) + 40 MJ + spent fuel.

 

Aangezien de energievraag in het proces een grote invloed heeft op de kostprijs, is gekozen voor eigen energieopwekking. Deze kan bestaan uit energiewinning uit eigen windmolens of zonnepanelen, maar ook door een uitbreiding van het systeem met een aanvullend circuit, de energiesynthese dan wel een combinatie van beiden.

 

Dit geschiedt op dezelfde manier als de productie van de interne synthese, waarbij nu de 8H welke vrijkomt uit de reactie wordt gesplitst in 4H voor de aanmaak van de NaBH4  (conform de interne synthese) en de andere 4H naar een brandstofcel wordt geleid. Hieruit wordt 42 MJ elektriciteit gewonnen (0.5KG H2 = 60MJ x 70%) welke gebruikt wordt voor de energievraag van het proces.

 

Ook biedt H2Fuel op deze manier de mogelijkheid om grootschalig elektrische energie op te slaan. Overtollige duurzame energie wordt aangewend als energiebron voor het maken van waterstof (NaBH4) en kan naar behoefte weer worden vrijgegeven middels een fuel cell. Daarbij kan het “energiesysteem” fungeren als rendementsverhoging op de momenten dat er geen overtollige energie wordt geleverd.

 

Evenzeer is het mogelijk opgewekte energie van een windmolen of zonnecel direct op te slaan om op een later moment vrij te geven. Hiervoor is de noodzaak van het distributienetwerk niet noodzakelijk. Swingmomenten zijn dan niet meer van invloed.

 

Ook bij groot- of kleinschalige warmteopwekking is het H2Fuel principe aanwendbaar. In plaats van de waterstof naar een brandstofcel te leiden, wordt deze dan over een katalysator gevoerd, waardoor warmte ontstaat.

 

Bij kleine systemen voor b.v. huishoudens kan H2Fuel gebruikt worden voor energie en warmte in 1 systeem, zonder enige schadelijke uitstoot. En zo zijn er wel meer voorbeelden: denk alleen al aan de automotive, scheepvaart- en luchtvaartindustrie.

 

 

Pompstation

Afbeelding1

Tank in Volume Cascade

Afbeelding2

 

 

Uit het productiesysteem wordt NaBH4 naar een binnentank gevoerd. Vanuit de binnentank wordt 50% van de aangevoerde NaBH4 teruggevoerd naar het productiesysteem als input voor nieuwe productie. De overige 50% wordt door overstroming vanuit het binnenvat naar het buitenvat gevoerd en is dan beschikbaar voor verkoop/gebruik. Aangezien 50% wordt teruggevoerd vindt vulling tot aan het moment van de overstroming vanuit het binnenvat naar het buitenvat (dus met 50%) plaats nadat 2x het volume van het systeem is aangewend. Dit betekent dus ook dat het binnenvat een volume heeft van 2x het volumesysteem.

 

Als de productie om welke reden dan ook wordt stilgezet, kan met de hoeveelheid NaBH4 welke resteert in het binnenvat de productie weer opgestart worden.

 

De NaBH4 kan vanuit het buitenvat vloeibaar worden verkocht, dan wel na indroging in droge vorm. Ook bestaat de mogelijkheid de NaBH4 vanuit het buitenvat naar een reactor te voeren waardoor waterstofgas (8H) kan worden geleverd.

 

De te verkopen NaBH4 zal door de verbruiker volgens het H2Fuel aanmaakprincipe in de reactie weer 8H leveren voor verbruik, aangezien naast de 4H uit de NaBH4 er ook hier weer 4H uit het UPW vrijkomt.

 

 

 

Opzet productie Cascade systeem, basis.

 

Afbeelding3 12.28.24

 

 

Opzet productie Cascade systeem met fuel cel voeding.

 

Afbeelding4

 

 

Afbeelding5 12.28.24

 

 

 

Chemisch opgeslagen waterstof versus brandstof karakteristieken.

 

Inleiding

 

Voor leken is het moeilijk het verband tussen de chemische omschrijving van opgeslagen waterstof, uitgedrukt in gewichtsprocenten waterstof, met de omrekening naar MJ in warmte en de energie in brandstof, uitgedrukt in MJ per kg, te kunnen volgen.

 

Synchronisatie van de chemisch opgeslagen waterstof en brandstof karakteristieken.

 

Om 1 kg waterstof op te wekken volgens het procedé van H2FUEL-SYSTEMS wordt de helft van die waterstof uit de NaBH4 gehaald en komt de andere helft uit het Ultra Puur Water. Hierbij wordt de NaBH4 chemisch omgezet in NaBO2. In deze reactie wordt het UPW volledig verbruikt en wordt gesproken over een stoichiometrische verhouding tussen beide componenten.

 

Nu heeft waterstof een Atomic Mass Unit van 1,0079 g/mol, NaBH4 een AMU van 37,832 g/mol en UPW van 18,015 g/mol.

1 mol is de hoeveelheid aan moleculen die de AMU in grammen geeft.

(Dit aantal is voor alle stoffen gelijk en wordt het Getal van Avogadro genoemd, NA = 6,022 x 1023 mol-1).

 

Voor 500 gram H2 uit NaBH4 is 496 mol H nodig.

Dit zit in 124 mol NaBH4 wat 124 x 37,832 g = 4,7 kg.

Voor 500 gram H2 uit H2O is 496 mol H nodig.

Dit zit in 248 mol H2O wat 248 x 18,015 g = 4,47 kg.

 

Energetisch verloopt de reactie van NaBH4 naar NaBO2 volgens het H2FUEL procedé met de energie-inhoud van de beide verbindingen.

-123,9 kJ/mol voor NaBH4 en -919,4 kJ/mol voor NaBO2.

De vrijkomende energie is -123,9 – -919,4 kJ/mol = 795,5 kJ/mol

 

In totaal wordt dit aan energie is 124 x 795,5 =  98.642 kJ = 98,64 MJ per geproduceerde kgH2.

Om het UPW te splitsen is een energie nodig van 237,1 kJ/mol. Gesplitst moet worden 248 mol.

 

Dit kost 248 x 237,1 = 58.801 kJ = 58,8 MJ

 

Dit betekent een overschot van 39,84 MJ per geproduceerde kgH2, welke energie inzetbaar is voor andere doeleinden.

 


Hoe moet energie technisch de NaBH4 worden geclassificeerd?

 

Uit 4,7 kg NaBH4 komt 1 kgH2, volgens waterstof norm is dit 21,3 %wt.

NaBH4 heeft een AMU van 37,832. 4H met een AMU van 1,0079 hetgeen 10,66 %wt betekend.

 

Bij brandstoffen is de standaard dit uit te drukken in de energiecomponent MJ/kg.

Bij het toepassen van de H2Fuel techniek wordt het waterstofgas ter plekke geproduceerd uit NaBH4. Uit 4,7 kg NaBH4 wordt 0,5 kg H2 vrijgemaakt. Daarnaast komt energie vrij welke aangewend wordt voor het vrijmaken van het waterstofgas uit het UPW.

 

Na aanwending van de daartoe benodigde energie resteert een overschot aan energie; groot 40 MJ/kgH2.

 

Het gebruik van de waterstof kan bij:

– High Heating Value (thermisch):   141 MJ/kgH2.

– Low Heating Value (elektrisch):    120 MJ/kgH2.

– Warmte Kracht Koppeling:         141 MJ/kgH2. (Hoge temperatuur fuel cel)

 

Hetgeen leidt tot de volgende eindconclusie:

De totale warmte inhoud bedraagt 141 + 40 = 181 MJ/kgH2.

 

Bij het gewicht van 1 kg (NaBH4) betekent dit 38,5 MJ/kg (l).

 

 

Fysische eigenschappen componenten

 

Afbeelding6 12.28.24

 

 

Positionering H2FUEL techniek t.o.v. geaccepteerde technieken.

 

Afbeelding7 12.28.24

 

Vergelijk Veiligheidsbladen Waterstof chemisch opgeslagen met Diesel

 

Afbeelding8

 

H226        Ontvlambare vloeistof en damp.

H260       In contact met water komen ontvlambare gassen vrij die spontaan kunnen ontbranden.

H301        Giftig bij inslikken.

H304        Kan dodelijk zijn als de stof bij inslikken in de luchtwegen terechtkomt.

H311        Giftig bij contact met de huid.

H314        Veroorzaakt ernstige brandwonden.

H315        Veroorzaakt huidirritatie.

H332        Schadelijk bij inademing.

H351        Verdacht van het veroorzaken van kanker.

H373        Kan schade aan organen veroorzaken bij langdurige of herhaalde blootstelling.

H411        Giftig voor in het water levende organismen, met langdurige gevolgen.

P210        Verwijderd houden van warmte/vonken/open vuur/hete oppervlakken. – Niet roken

P223        Contact met water vermijden in verband met een heftige reactie en een mogelijke wolkbrand.

P231        Onder inert gas werken.

P232        Tegen vocht beschermen.

P261        Inademing van stof/rook/gas/nevel/damp/spuitnevel vermijden.

P280        Beschermende handschoenen / beschermende kleding / oogbescherming / gelaatsbescherming dragen.

 

Voorzorgsmaatregelen:

P301        NA INSLIKKEN:

P310        Onmiddellijk een ANTIGIFCENTRUM of een arts raadplegen.

P370        In geval van brand:

P378        Blussen met Poeder

P422        Onder stikstof bewaren.

P501        Inhoud/verpakking afvoeren naar…

 

R 20         Schadelijk bij inademing

R 38         Irriterend voor de huid

R 40         Carcinogene effecten zijn niet uitgesloten

R 51/53   Vergiftig voor in het water levende organismen; kan in het aquatisch milieu op lange termijn schadelijke effecten veroorzaken

R 65         Schadelijk: kan longschade veroorzaken na verslikken

 

Vergelijk NaBH4 – Diesel: Fysische omschrijving

Afbeelding9

 

 

Vergelijk NaBH4 – Diesel:

Schermafbeelding 2016-11-06 om 11.06.35

NB is Niet Bepaald.

 

Conclusie:

NaBH4 heeft een risicoprofiel dat gelijk of lager is aan diesel



Home » Background » Principe, werking en productie

1