In verschillende mobiele en industriële scenario’s zijn de energiebehoeften enorm, en daarom is er een toenemende vraag naar efficiënte en duurzame technologieën voor energieopwekking. Een technologie die hierin een belangrijke rol speelt, is de methanolreforming brandstofcel. Deze systemen worden breed toegepast, van brandstofcel aangedreven systemen, mobiele oplaadstations, militaire en civiele energiecentrales, tot 5G basisstations en noodhulpoperaties. Ze bieden ook oplossingen voor afgelegen eilanden zonder netverbinding. De flexibiliteit van deze technologie maakt het mogelijk om een breed scala aan toepassingen te ondersteunen in verschillende domeinen.

In september 2019 werd in de haven van Aalborg, Denemarken, de bouw gestart van de grootste methanolreforming brandstofcelproductiefaciliteit ter wereld, met een verwachte jaarlijkse output van 750 MW. Dit is gelijk aan de output van 50.000 brandstofcellen. De methanolreforming brandstofcel, ontwikkeld door Blue World Technologies in de Verenigde Staten, heeft het voordeel van nul schadelijke uitstoot, waardoor het systeem ideaal is voor de ontwikkeling van schone energieoplossingen. Vanuit het perspectief van de gehele industrie, van mijn tot wiel, wordt de CO2-uitstoot niet verhoogd, wat het tot een veelbelovende oplossing maakt voor wereldwijde luchtvervuiling en klimaatverandering. Deze technologie maakt gebruik van een gemengd configuratiesysteem van methanolreforming brandstofcellen en lithiumbatterijen. Dit systeem bevat onder andere een methanolreformer voor brandstofomzetting, een DC-DC converter, en een brandstofcelstack voor energieopwekking.

In oktober 2018 werd in Kunshan de wereld’s eerste lichte vrachtwagen op basis van methanolreforming waterstofbrandstofcellen in commercieel gebruik genomen. Deze vrachtwagen werd gezamenlijk geproduceerd door Dongfeng Special Vehicle Co., Ltd. en Suzhou Qingjie Power Supply Technology Co., Ltd., met de waterstofbrandstofcellen die werden geleverd door Shanghai Palcan New Energy Technology Co., Ltd. Dit voertuig is een type brandstofcelvoertuig, maar met methanol als brandstof in plaats van de gebruikelijke waterstof. Dit biedt een innovatieve oplossing voor de huidige problemen van beperkte waterstoftankstations en hoge kosten in China. Het systeem voor waterstofvoorziening is gebaseerd op het reformeren van methanol in een water-methanol mengsel, waarbij waterstof wordt geproduceerd op basis van vraag, met hoge efficiëntie en lage kosten.

In januari 2020 werd in Lanzhou New Area een demonstratieproject van 1000 ton groene waterstof op basis van zonne-energie en methanol succesvol getest. Dit project was een belangrijke stap richting de industriële productie van vloeibare methanolbrandstoffen uit zonne-energie. Het bestaat uit drie basiscomponenten: zonne-energie opwekking, een waterelektrolyser voor groene waterstofproductie, en CO2-waterstofering voor de synthese van methanol. Dit project wordt geleid door het Hualu Engineering & Technology Co., Ltd. en maakt gebruik van nieuwe elektrolysecatalysatoren die door de Academische Can Li van het Dalian Institute of Chemical Physics zijn ontwikkeld. Deze nieuwe technologie vermindert de energieverbruik voor waterstofproductie en verhoogt de efficiëntie van het proces, wat bijdraagt aan lagere kosten voor waterstofproductie.

Wat betreft de methanolproductie, is China de grootste producent en consument van methanol ter wereld, goed voor meer dan 50% van de wereldproductiecapaciteit. In 2017 bereikte de methanolproductiecapaciteit van China 83,51 miljoen ton per jaar en is het land nog steeds bezig met de uitbreiding van de methanolindustrie, met een verwachte bijkomende capaciteit van 20 miljoen ton per jaar. In de Chinese transportsector, die sterk afhankelijk is van ruwe olie en aardgas, kan het gebruik van methanolbrandstofcelsystemen een "brandstofceloplossing met Chinese kenmerken" bieden. Dit systeem combineert pure elektrische vrachtwagens met een methanolreforming waterstofbrandstofcelsysteem, waarbij vloeibare methanol wordt gebruikt om waterstof te produceren, elektriciteit te genereren en de batterijen op te laden, wat de levensduur van de batterijen verlengt en de belasting op de batterijen vermindert.

Desondanks zijn er nog steeds enkele belangrijke uitdagingen. De efficiëntie van de productie van groene methanol is momenteel laag, en de selectiviteit van de productie is nog steeds niet optimaal. De kosten voor de productie van groene methanol zijn hoog, en de energieverbruik is groot. Ook de efficiëntie van methanolreformingreactoren is suboptimaal, en de scheidingsapparatuur voor hoogzuivere waterstof is duur, wat leidt tot hoge operationele kosten en beperkte levensduur van de apparatuur. Daarnaast spelen er technische uitdagingen rondom de integratie van waterstofbrandstofcellen, zoals de zuiverheid van de waterstofvoorziening, katalysatorvergiftiging door CO, en de operationele levensduur van het systeem.

Naast de technologische vooruitgang in de methanolreforming brandstofcelindustrie is het belangrijk om de bredere context van de toepassing van dergelijke technologieën te begrijpen. De integratie van methanol als brandstof in diverse energieoplossingen biedt niet alleen voordelen op het gebied van schone energie, maar kan ook bijdragen aan het verlagen van de kosten en het verbeteren van de toegang tot hernieuwbare energiebronnen op grotere schaal. De rol van methanol in de wereldwijde energietransitie is cruciaal, maar het is ook essentieel om een goed begrip te hebben van de onderliggende technische, economische en operationele uitdagingen die nog moeten worden overwonnen om de technologieën op grote schaal te implementeren.

Wat zijn de voordelen en uitdagingen van NaAlH4 voor waterstofopslag?

NaAlH4 is een veelbelovend materiaal voor de opslag van waterstof, vooral vanwege zijn uitstekende reversibele waterstofabsorptie- en afgifte-eigenschappen. Het heeft het vermogen om tot ongeveer 4,5 gewichtsprocent waterstof te absorberen en weer af te geven bij temperaturen onder de 100°C, zonder nevenproducten en met een hoge zuiverheid van waterstof. Bovendien zijn de katalysatoren die hiervoor nodig zijn relatief goedkoop, wat het geschikt maakt voor toepassingen in waterstofbrandstofcellen voor voertuigen die werken bij middeltijdstemperaturen (tussen de 80 en 200°C). Desondanks is er momenteel geen praktische toepassing van NaAlH4 vanwege de hoge kosten van de grondstoffen.

Bij kamertemperatuur heeft NaAlH4 een lichaam-centrum tetragonale structuur, aangeduid als α-NaAlH4. Onder hoge druk ondergaat α-NaAlH4 een faseovergang naar de orthorhombische β-fase, wat het volume van NaAlH4 met ongeveer 4% vermindert. NaAlH4 kan worden bereid door mechanische balmaling van een mengsel van NaH en Al in een H2-atmosfeer. Het proces vereist ongeveer 50 uur balmaling bij een relatief lage druk van 2,5 MPa H2 om NaAlH4 van hoge zuiverheid te verkrijgen.

De massadichtheid voor waterstofopslag van NaAlH4 bedraagt 7,41 gewichtsprocent. Het proces van waterstofafgifte van NaAlH4 is opgedeeld in drie fasen, waarbij de eerste fase begint bij 180°C, de tweede fase boven de 260°C, en de derde fase bij temperaturen boven de 400°C. De eerste twee fasen bereiken al een waterstofopslagcapaciteit van 5,6 gewichtsprocent, wat de toepasbaarheid van NaAlH4 in praktische scenario's vergroot, hoewel de operabiliteit van vaste waterstofopslag bij hogere temperaturen aanzienlijk wordt verminderd.

De microstructurale evolutie tijdens het waterstofafgifteproces van NaAlH4 illustreert het belang van de veranderingen in de kristalstructuur. Na de omzetting van NaAlH4 naar Na3AlH6 ontstaan er poriën tussen de Na3AlH6-eenheden, en beginnen aluminiumatomen zich nabij deze poriën op te hopen. Dit proces gaat verder wanneer Na3AlH6 wordt omgezet in NaH, wat resulteert in een onregelmatige verdeling van aluminiumatomen. Vergeleken met andere vaste waterstofopslagmaterialen heeft NaAlH4 al goede thermodynamische eigenschappen voor waterstofafgifte.

Daarom richt het onderzoek naar NaAlH4 zich vooral op de verbetering van de kinetiek van waterstofafgifte en de cyclische prestaties. Het doel is om een stabiele cyclus van waterstofabsorptie en -afgifte te bereiken bij lagere temperaturen, wat NaAlH4 geschikt zou maken voor praktische toepassingen in waterstofopslag. De modificatie van NaAlH4 wordt vaak uitgevoerd door het doperen met katalysatoren, wat de activeringsenergie verlaagt en de snelheid van waterstofabsorptie en -afgifte aanzienlijk verhoogt. Er bestaan verschillende dopingmethoden, waaronder droge doping, semi-natte doping en natte doping, afhankelijk van de vorm van de dopanten.

Van deze drie dopingmethoden heeft droge doping de meeste aandacht gekregen, vanwege de effectiviteit en de eenvoud van de uitvoering. Katalysatorgedopeerde complexe hydrides die door balmaling worden bereid, vertonen goede prestaties op het gebied van waterstofopslag en kunnen stabiele waterstofabsorptie- en -afgiftecycli bereiken onder geschikte omstandigheden. Het kiezen van de juiste katalysator is de belangrijkste factor bij de modificatie van NaAlH4. De introductie van Ti als katalysator voor NaAlH4 door Bogdanovic et al. was een van de eerste succesvolle benaderingen, en sindsdien zijn ook andere elementen zoals V, Cr en Nb goed bevonden als katalysatoren.

Het katalytische mechanisme van het dopingproces omvat verschillende mechanismen: ten eerste kan de toegevoegde stof reageren met NaAlH4 tijdens de balmaling om een hydride te vormen, waardoor de stabiliteit van de Al-H binding in NaAlH4 afneemt en de waterstofafgifte verbetert. Ten tweede kunnen er metalen nanopartikels of intermetallische verbindingen ontstaan tijdens de balmaling, die een katalytische rol spelen in het proces van waterstofabsorptie en -afgifte. Ten derde kunnen de kationen in de additieven niet alleen de oppervlakte-eigenschappen van NaAlH4 veranderen, maar ook de kationen in NaAlH4 vervangen, wat de kristalroostersparameters verandert en de decompositie van NaAlH4 vergemakkelijkt, wat leidt tot effectievere waterstofafgifte.

De katalytische modificatie van NaAlH4 is een veelbelovende benadering om de prestaties van waterstofopslag te verbeteren en de praktische toepasbaarheid van dit materiaal te vergroten. Het gebruik van overgangsmetalen en hun verbindingen biedt een significante verbetering van de reversibele waterstofopslagcapaciteit van NaAlH4, wat de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van efficiëntere en goedkopere waterstofopslagsystemen.

Waarom is R Geschikt voor Culturele Data?
Hoe worden Graphene Quantum Dots gesynthetiseerd en welke methoden bepalen hun eigenschappen?
Hoe kan Generatieve AI het Onderwijs Hervormen?