De technologie voor het opslaan en transporteren van waterstof in gasvorm heeft zich de laatste jaren sterk ontwikkeld. Het gebruik van gasflessen onder hoge druk is daarbij essentieel. Momenteel zijn er verschillende toepassingen van deze technologie, waaronder de opslag van waterstof voor brandstofcelvoertuigen, de distributie via waterstofbuizen en het gebruik in stationaire waterstofsystemen. De innovatie op dit gebied, vooral in de productie van Type IV waterstofopslagflessen, heeft geleid tot grote vooruitgangen in de waterstofindustrie.

De Type IV waterstofopslagflessen, die wereldwijd het meest gebruikt worden, zijn ontworpen voor een hoge opslagcapaciteit van waterstof. Deze flessen, vaak opgebouwd uit vezelversterkt composietmateriaal, bieden een veilige en efficiënte manier om waterstof op te slaan bij hoge druk. Een voorbeeld hiervan is de tweede generatie Toyota Mirai, die uitgerust is met drie Type IV flessen van 70 MPa. In 2021 reed dit voertuig 1360 kilometer op een volle waterstoftank, waarmee het een Guinness World Record vestigde voor de langste rijafstand van een waterstofvoertuig.

De productie van dergelijke tanks is momenteel het domein van een aantal grote bedrijven wereldwijd. Het Noorse Hexagon Composites is een van de leiders in deze industrie en levert tanks voor autofabrikanten zoals Toyota, Honda en Mercedes-Benz. Ook bedrijven uit Frankrijk, Duitsland, Japan en Zuid-Korea, zoals Faurecia, NPROXX, JFE en ILJIN Composite, hebben de capaciteit om deze high-performance tanks te produceren. In China is de productie van Type IV tanks nog in een ontwikkelingsfase, maar Sylinda Anke is de eerste Chinese producent die een productielicentie heeft verkregen voor niet-metalen binnenbekleding van gasflessen en heeft met succes 70 MPa Type IV waterstofflessen ontwikkeld.

Hoewel de technologie zich blijft ontwikkelen, blijft er een kloof bestaan tussen China en andere landen op het gebied van de productie en fabricage van deze tanks. Om commerciële toepassingen op grote schaal te realiseren, is verdere technologische vooruitgang noodzakelijk. Dit geldt niet alleen voor de fabricage van de tanks zelf, maar ook voor de ondersteunende infrastructuur, zoals waterstofstations en distributienetwerken.

De toepassing van gasflessen onder hoge druk is momenteel het meest geavanceerd in drie belangrijke gebieden: het transport van waterstof via buizen, de opslag in voertuigen en de toepassing in stationaire systemen voor bijvoorbeeld waterstoftankstations. Van deze drie toepassingen is het transport via waterstofbuizen, het gebruik van waterstofflessen op voertuigen en de stationaire opslag in tankstations het meest ingeburgerd.

De techniek van het transporteren van waterstof via buizen bestaat uit het comprimeren van waterstof in verschillende stalen cilinders, die vervolgens worden aangesloten en gemonteerd in een trailer voor transport. Dit wordt vaak gedaan met zogenaamde 'tube trailers', die meerdere stalen cilinders verbinden via pijpen en afsluiters. Deze trailers zijn wereldwijd de meest gebruikelijke methode voor het transporteren van waterstof op grote schaal. De eerste tube trailer werd in de jaren ’60 in de Verenigde Staten ontwikkeld, en sindsdien is de technologie wereldwijd verder verfijnd. In China werd de eerste tube trailer in 1999 geproduceerd, en sindsdien is de productie in China sterk gestegen.

Er bestaan verschillende soorten tube trailers, waaronder de frame-tube trailers, die de cilinders in een frame fixeren, en de bundel-tube trailers, waarbij de cilinders direct op de trailer worden gemonteerd, wat de transportefficiëntie verhoogt. De laatste jaren is het gebruik van high-pressure tube trailers sterk toegenomen, met name in de regio’s van de Grote Rivieren en de Perzische Golf, waar de waterstofindustrie zich snel ontwikkelt.

De productie en het ontwerp van tube trailers is onderhevig aan strenge veiligheidsnormen. In China zijn er duidelijke richtlijnen voor de fabricage, het ontwerp en het testen van deze trailers, zoals vastgelegd in de Chinese industriestandaard NB/T 10354-2019. Deze normen zorgen ervoor dat de trailers voldoen aan de eisen voor het veilig transporteren van waterstof onder hoge druk. De cilinders die in de trailers worden gebruikt, moeten na productie zorgvuldig worden gecontroleerd en getest op luchtdichtheid, en moeten voldoen aan de nationale veiligheidsvoorschriften om ervoor te zorgen dat ze de druk veilig kunnen weerstaan.

De technische eisen voor de cilinders zijn streng, zowel wat betreft het materiaal als de lucht- en waterdichtheid. De kwaliteit van het materiaal is cruciaal voor de veiligheid van het transport, en er worden geavanceerde technieken gebruikt, zoals schotstraalen en fijnslijpen, om ervoor te zorgen dat de cilinders de hoogst mogelijke kwaliteit hebben. Het reinigen en testen van de cilinders, zoals het verwijderen van onzuiverheden en het verlagen van het vochtgehalte, is essentieel om de waterstofopslag te optimaliseren. Dit proces vereist nauwkeurige en langdurige bewerkingen om ervoor te zorgen dat de cilinders veilig en effectief kunnen worden gebruikt.

Met de voortdurende technologische vooruitgang in de productie van high-pressure waterstofopslagflessen en de bijbehorende infrastructuur zal de toepassing van waterstof als energiebron steeds breder worden ingezet. Dit geldt zowel voor voertuigen op waterstof als voor de grotere industriële toepassingen van waterstof, zoals tankstations en energieopslag. De komende jaren zullen meer bedrijven in staat zijn om geavanceerde waterstofopslagsystemen te produceren en de infrastructuur voor het transport en de opslag van waterstof verder te verbeteren, waardoor waterstof een steeds belangrijkere speler wordt in de wereldwijde energietransitie.

Hoe de productie van methanol via CO2-hydrogenatie wordt geoptimaliseerd met koper-gebaseerde katalysatoren

De productie van methanol via CO2-hydrogenatie heeft zich sinds de jaren 1960 sterk ontwikkeld, maar de zoektocht naar kostenefficiënte en milieuvriendelijke processen blijft voortduren. Het proces vereist niet alleen geavanceerde katalysatoren, maar ook een zorgvuldige afweging van de energieverbruikskosten en de operationele condities zoals druk en temperatuur. Sinds de ontwikkeling van koper-gebaseerde katalysatoren, zoals het Cu/ZnO-systeem dat in 1966 door de Britse Imperial Chemical Industries werd gepatenteerd, zijn er aanzienlijke vooruitgangen geboekt in de synthese van methanol. Het gebruik van CO2-rijke synthesegassen als grondstof heeft echter ook zijn eigen uitdagingen, vooral wat betreft de efficiëntie van de omzetting en de benodigde energie.

Het Cu/ZnO-katalysatorsysteem, dat onder omstandigheden van 250-300°C en 8-10 MPa werkt, heeft verschillende voordelen ten opzichte van eerdere katalysatoren, zoals zink-chroomverbindingen die tot de jaren 1960 in gebruik waren. Toch vereist het Cu/ZnO-systeem hoge temperaturen en druk, wat de algehele kosten van de methanolproductie verhoogt. Bovendien ligt de CO-enkelvoudige conversie bij dit systeem relatief laag (15-25%), wat de behoefte aan een efficiënter proces versterkt.

Recentere onderzoeken hebben zich gericht op het verbeteren van de methanolproductie door de toepassing van alcoholen als katalysatorpromotoren en oplosmiddelen, wat heeft geleid tot synthetisatie bij aanzienlijk lagere temperaturen (150-170°C). Tusbaki en zijn team hebben bijvoorbeeld met succes een solid-state methode ontwikkeld voor de synthese van Cu/ZnO-katalysatoren, waarbij ze de invloed van verschillende moleculaire verhoudingen en chelatagentypes onderzochten. De rol van ZnO in het Cu/ZnO-systeem wordt verklaard door drie belangrijke theorieën: de morfologietheorie, de spillover-theorie en de Cu-Zn legeringstheorie.

De morfologietheorie stelt dat ZnO helpt bij het disperseren van Cu-nanodeeltjes, waardoor hun oppervlakte-structuur verbetert, wat de activiteit van de katalysator verhoogt. De spillover-theorie suggereert dat ZnO fungeert als een waterstofopslagplaats, wat de waterstofatomen naar de Cu-oppervlakken leidt, waar de CO-hydrogenatie plaatsvindt. De Cu-Zn legeringstheorie verklaart hoe ZnO gedeeltelijk overgaat naar het Cu-oppervlak, waardoor actieve Cu+-O-Zn sites ontstaan, wat de algehele katalytische activiteit bevordert.

De keuze van de synthesetemperatuur en -druk blijft cruciaal voor de optimalisatie van het proces. Methanol kan via drie verschillende drukmethoden worden geproduceerd: de hogedrukmethode (19,6–29,4 MPa), de mediumdrukmethode (9,8–19,6 MPa) en de laagdrukmethode (4,9–9,8 MPa). De hogedrukmethode vereist grote investeringen en heeft een hoge energieconsumptie, terwijl de laagdrukmethode eenvoudiger en goedkoper is, maar minder geschikt voor grote productieschalen. De mediumdrukmethode heeft zich als de optimale oplossing bewezen voor grotere installaties, aangezien deze een evenwicht biedt tussen kosten, energieverbruik en schaalvoordelen.

Een van de bekendste technologieën voor methanolproductie is de DAVY-methode van het Britse Johnson Matthey, die voornamelijk gebruikmaakt van de laagdrukmethode. De DAVY-synthesetechnologie maakt gebruik van een serie- en parallelconfiguratie van radiale stromingsreactoren, waarbij het gas op een gecontroleerde manier door de katalysator stroomt. Dit zorgt niet alleen voor een efficiënte katalytische werking, maar ook voor een verbeterde warmteoverdracht en een lagere drukval, wat de energie-efficiëntie ten goede komt. De DAVY-technologie maakt ook gebruik van geavanceerde warmte- en gasbehandelingssystemen, waaronder een aparte gasontzwavelingsunit en een stoomsuperheater om de proceswarmte optimaal te benutten.

Naast de keuze van het proces is het belangrijk om de rol van CO2-hydrogenatie in de bredere context van duurzame energieproductie te begrijpen. Hoewel het gebruik van CO2 als grondstof voor methanolproductie een belangrijke stap is in de richting van koolstofreductie, blijft het energieverbruik voor het opvangen van CO2 en de daarna vereiste regeneratie van oplosmiddelen hoog. Methoden zoals directe luchtvangst (DAC) van CO2 vereisen bijvoorbeeld 300 kWh elektriciteit en 1800 kWh warmte om één ton CO2 vast te leggen. Dit benadrukt de noodzaak om niet alleen te investeren in effectievere katalysatoren, maar ook in energiezuinigere processen voor CO2-opslag en -hergebruik.

De wereldwijde methanolproductie wordt voor het grootste deel gedomineerd door middel- en laagdrukprocessen. Meer dan 80% van de methanolproductie komt uit deze methoden, die doorgaans goedkoper zijn en geschikt voor de massaproductie van methanol. Dit maakt ze tot een essentiële technologie voor zowel de chemische industrie als de opkomende markt voor alternatieve brandstoffen en chemische bouwstenen. De focus ligt hierbij niet alleen op het verbeteren van de katalysatoren, maar ook op de integratie van de methanolproductie in een circulaire economie die CO2-reductie en hergebruik mogelijk maakt.

De verdere vooruitgang in deze technologieën zal niet alleen afhangen van het verfijnen van de synthesereactoren en katalysatoren, maar ook van de integratie van duurzame energiebronnen in het productieproces. Dit is van cruciaal belang voor het verlagen van de algehele CO2-uitstoot van de methanolproductie en het maken van methanol tot een belangrijke schakel in de toekomstige koolstofarme economie.

Wat zijn de elektromagnetische krachten en koppelingen in ferromagneto-elastische geleiders?
Wat is de betekenis van het ultieme kwaad in het verhaal van Sindbad de Zeeman?
Hoe Burke’s Arbeid en Beloning de Grondslagen van Aristocratie en Markteconomie Doet Botsen
Hoe gebruikt Donald Trump bijnaamvorming om macht en invloed te structureren?