De vloeibaarmaking van waterstof is een complex proces dat veel energie vereist en waarbij verschillende thermodynamische principes een rol spelen. Een van de belangrijkste aspecten van dit proces is de ortho-para conversie van waterstof. Dit proces, waarbij de spinconfiguratie van waterstofatomen verandert, heeft een directe invloed op de stabiliteit en efficiëntie van vloeibaar waterstof. De overgang van ortho-waterstof naar para-waterstof komt met een aanzienlijke energieafgifte van ongeveer 1,42 kJ/mol. Ter vergelijking: de latente warmte van verdamping van vloeibaar waterstof bij 20 K is slechts 0,89 kJ/mol. Dit betekent dat de energie die vrijkomt bij de conversie van verzadigd vloeibaar ortho-waterstof naar para-waterstof het vermogen heeft om het geheel te laten verdampen. In de praktijk is het dus van cruciaal belang om het ortho-para waterstofevenwicht te handhaven om verdamping te voorkomen en de opslagduur van vloeibaar waterstof te verlengen.

In experimenten is aangetoond dat de warmte die vrijkomt door de verandering in spinconfiguratie van waterstof binnen een uur voldoende is om 1% van het vloeibare waterstof te laten verdampen. Dit maakt duidelijk dat vloeibaar waterstof, dat niet in thermisch evenwicht is, snel in hoeveelheid kan afnemen. Dit fenomeen is een belangrijke overweging voor zowel de productie als de opslag van vloeibaar waterstof. Daarom is het van belang dat de para-waterstofinhoud in vloeibaar waterstof, geproduceerd in fabrieken, minimaal 95% bedraagt, en dat deze voor lange termijnopslag en -transport zelfs 98% moet zijn.

Om dit te bereiken, wordt tijdens het vloeibaarmakingsproces van waterstof een ortho-para waterstofomvormer geplaatst in de waterstofvloeibaarheidsinstallatie. Deze omvormer is ondergedompeld in het vloeibare waterstof, zodat de bij de conversie vrijkomende warmte door het omringende vloeibare waterstof kan worden geabsorbeerd. Om de conversie te versnellen, wordt een katalysator gebruikt. Efficiënte katalysatoren voor dit proces zijn voornamelijk chroom-nikkel katalysatoren en ijzerhydroxiden, zoals Cr2O3 + NiO en Fe(OH)3. Deze katalysatoren moeten vooraf worden geactiveerd. De activering van de chroom-nikkel katalysator vereist het verwarmen van de reactor en de katalysator samen tot 150 °C en het blazen van waterstof erdoorheen. De activering van de ijzerhydroxide katalysator vereist een verhitting tot 130 °C in de reactor onder vacuümcondities gedurende 24 uur, waarna de vacuüm wordt vervangen door waterstof bij kamertemperatuur.

In de praktijk wordt vaak gekozen voor de ijzerhydroxide katalysator, die minder efficiënt is maar minder gevoelig voor vergiftiging. Voor grootschalige waterstofvloeibaarheidsprojecten wordt de ortho-para conversie vaak in twee of meer fasen uitgevoerd om de efficiëntie te verbeteren. In de eerste fase, bij een temperatuur van 80 K, wordt de omgevingswarmte van ortho-waterstof geabsorbeerd door voorgekoelde vloeibare stikstof of koude waterstofgas. In de tweede fase, bij een temperatuur van 20 K, wordt het merendeel van het ortho-waterstof omgezet in para-waterstof.

Een ander belangrijk thermodynamisch principe dat betrokken is bij de vloeibaarmaking van waterstof, is het Joule-Thomson-effect. Dit effect houdt in dat, onder isenthalpische omstandigheden, wanneer een gas door een poreuze plug of een smalle opening stroomt, de druk afneemt door volumevergroting, wat resulteert in een temperatuurverandering. De meeste gassen, zoals stikstof en zuurstof, koelen af bij een drukverlaging, terwijl enkele gassen, zoals waterstof en helium, opwarmen onder dezelfde omstandigheden. Dit effect is vooral relevant voor waterstof, aangezien het een lage Joule-Thomson-omschakelingstemperatuur heeft van slechts 204,6 K bij standaard atmosferische druk. Dit betekent dat de temperatuur van waterstof zal stijgen bij expansie bij kamertemperatuur, wat een belangrijk aspect is bij de hoge-druk tankprocessen van waterstof. Daarom moet waterstof voor deze processen voldoende worden gekoeld om een effectieve afkoeling en vloeibaarmaking te bereiken.

De vloeibaarmaking van waterstof zelf vereist aanzienlijke hoeveelheden energie. Het grootste deel van de benodigde energie gaat naar het koelen van waterstof en de conversie van ortho-waterstof naar para-waterstof, terwijl andere energieverliezen voornamelijk verband houden met de compressie van het gas. Hoewel theoretisch de minimale energieverbruik voor de vloeibaarmaking van waterstof 3,92 kW h/kg H2 is, variëren de werkelijke energieverliezen tussen 6,5 en 15 kW h/kg H2, afhankelijk van de schaal en efficiëntie van het systeem. Dit proces vereist ook een systeem met uitstekende isolatie om energieverlies te minimaliseren, en de materialen moeten bestand zijn tegen de extreem lage temperaturen van vloeibaar waterstof, die vaak lager zijn dan de temperatuur van de meeste andere gassen.

De vloeibaarmaking van waterstof is een zeer energie-intensief proces, maar het biedt belangrijke voordelen voor de opslag en het transport van waterstof. Het stelt ons in staat waterstof in vloeibare toestand op te slaan, wat de transport- en opslagcapaciteit vergroot. Daarom is het van essentieel belang dat de technologie en processen voor waterstofvloeibaarmaking voortdurend worden geoptimaliseerd en dat we begrijpen hoe thermodynamische principes zoals de ortho-para conversie en het Joule-Thomson-effect van invloed zijn op de algehele efficiëntie en effectiviteit van dit proces.

Toepassingen van vloeibare waterstofopslag- en transporttechnologie

In de afgelopen jaren zijn er aanzienlijke vooruitgangen geboekt in de ontwikkeling van vloeibare waterstof en de technologieën die nodig zijn voor het transporteren en opslaan van deze energiedrager. Vloeibare waterstof biedt een veelbelovende oplossing voor de vergroening van de transportsector, en belangrijke stappen zijn gezet om de integratie van waterstofbrandstofcellen in zware vrachtwagens en commerciële voertuigen mogelijk te maken.

Op 11 september 2021 voltooiden de eerste vloeibare waterstof brandstofcel aangedreven vrachtwagens in China hun volledige testprogramma. Deze voertuigen slaagden voor tests die betrekking hadden op de isolatie, bijvullen en verdampingssnelheid van de on-board vloeibare waterstof brandstofcelsystemen, evenals de algehele voertuigprestaties. Dit markeerde een belangrijke overgang van onderzoek naar industriële toepassing, waarbij de praktische haalbaarheid van vloeibare waterstof als brandstof voor zware voertuigen bewezen werd.

Vloeibare waterstofopslag- en vulstations zijn een essentieel onderdeel van deze ontwikkeling. Wereldwijd zijn er inmiddels meer dan 120 vloeibare waterstofopslag- en vulstations in gebruik, wat meer dan een vijfde van het totaal aantal waterstofstations wereldwijd vertegenwoordigt. Het eerste vloeibare waterstofvulstation in China werd gebouwd in november 2021 in de provincie Zhejiang. Dit station is ontworpen voor het bijvullen van voertuigen die gebruik maken van waterstofbrandstofcellen en heeft een capaciteit van 1000 kg waterstof per dag.

Wat betreft het transport van vloeibare waterstof, zijn er drie belangrijke modaliteiten te onderscheiden: landtransport, transport over waterwegen en multimodaal transport van vloeibare waterstof in tankcontainers. Vloeibare waterstof wordt als gevaarlijke stof geclassificeerd volgens de nationale normen van China. Dit betekent dat het transporteren van vloeibare waterstof streng gereguleerd is en voldoet aan de veiligheidsnormen die door de overheid zijn vastgesteld.

Vloeibare waterstof kan worden vervoerd in tankcontainers, die kunnen worden geladen, gelost en vervoerd via vrachtwagens of treinen. De tankcontainers hebben gestandaardiseerde afmetingen, wat massaproductie en wereldwijd gebruik mogelijk maakt. Het grootste voordeel van tankcontainers is de flexibiliteit en de veiligheid die ze bieden in vergelijking met tankwagens. Hoewel tankcontainers doorgaans minder volume kunnen vervoeren dan tankwagens, biedt de stalen frameconstructie een betere bescherming voor het tanklichaam.

Daarnaast speelt waterwegtransport een belangrijke rol in de handel en distributie van vloeibare waterstof. De Verenigde Staten waren pioniers op dit gebied tijdens het Apollo Space Program in de jaren 1960 en 1970, waarbij vloeibare waterstof werd vervoerd via binnenvaartschepen van Louisiana naar het Kennedy Space Launch Center in Florida. Dit bleek efficiënter en veiliger te zijn dan landtransport. In 2019 werd het eerste speciaal gebouwde schip voor het transport van vloeibare waterstof in gebruik genomen door Kawasaki Heavy Industries in Japan. Het schip, de “Suiso Frontier”, kan 2.500 m³ vloeibare waterstof vervoeren en vertegenwoordigt een belangrijke stap in de ontwikkeling van vloeibare waterstof maritiem transport.

Bovendien is vloeibare waterstof als energiebron essentieel voor de ondersteuning van de energietransitie, met name in sectoren die moeilijk te de-carboniseren zijn, zoals de zware industrie en transport. De mogelijkheid om vloeibare waterstof via verschillende transportmodaliteiten te vervoeren, maakt het mogelijk om grote hoeveelheden waterstof naar regio’s met een hoge vraag te brengen, zowel voor energieproductie als voor industriële toepassingen. Het uitbreiden van de infrastructuur voor zowel opslag als transport is van cruciaal belang voor het succes van waterstof als alternatieve energiebron.

Om de ontwikkeling van vloeibare waterstof verder te bevorderen, moeten er niet alleen technologische innovaties plaatsvinden, maar ook significante investeringen in infrastructuur. De samenwerking tussen overheden, onderzoeksinstituten en de industrie is essentieel om de technologieën verder te optimaliseren en wereldwijd uit te rollen. Het is van belang te begrijpen dat de overgang naar een waterstofgebaseerde economie niet alleen draait om de productie van waterstof, maar ook om het creëren van betrouwbare en efficiënte netwerken voor opslag, transport en distributie.

Hoe kan de elektrochemische ammoniumsynthese bijdragen aan duurzame waterstofproductie zonder koolstofemissies?

De elektrochemische synthese van ammoniak biedt een oplossing voor het probleem van koolstofemissies bij de traditionele waterstofproductie via syngas. Door water te gebruiken als waterstofbron wordt het proces koolstofneutraal, wat een aanzienlijke stap voorwaarts is in de zoektocht naar milieuvriendelijke energieoplossingen. Echter, de elektrochemische productie van ammoniak kent nog steeds verschillende uitdagingen die de efficiëntie beperken. De belangrijkste obstakels zijn de beperkte effectiviteit van de katalysatoren voor het activeren en breken van de N≡N drievoudige binding in stikstofmoleculen en de lage selectiviteit voor de waterstof evolutie reactie (HER).

In het algemeen zijn alkalische elektrolyten beter geschikt voor elektrochemische stikstoffixatie, omdat ze water als protonbron kunnen gebruiken en non-precious metalen kunnen worden toegepast voor de zuurstof evolutie reactie (OER), wat de HER onderdrukt. Dit maakt ze veelbelovend voor de productie van ammoniak zonder de noodzaak voor dure edelmetalen. Desondanks wordt ook het gebruik van zure elektrolyten vaak toegepast, gezien hun hogere affiniteit voor ammoniakadsorptie (ten opzichte van N2H2). Echter, de HER is in zure elektrolyten veel sterker aanwezig dan in alkalische, wat de efficiëntie van het proces in dergelijke omgevingen beperkt. De keuze tussen alkalische en zure elektrolyten hangt af van de specifieke doelstellingen van het proces, waarbij de voordelen van alkalische elektrolyten in termen van kosten en efficiëntie doorgaans de overhand hebben.

Het commerciële gebruik van elektrochemische ammoniumsynthese vereist dat de productie van ammoniak minimaal 10⁻⁶ mol/(cm²∙s) is, met een Faraday-efficiëntie van ten minste 90% en een energiebenutting van meer dan 60%. Heden ten dage is de Faraday-efficiëntie in vrijwel alle systemen echter minder dan 1%. De ontwikkeling van geavanceerde electrocatalysatoren die de HER kunnen onderdrukken en tegelijkertijd de stikstofreductie reactie (NRR) kunnen bevorderen, is daarom cruciaal voor het succes van elektrochemische ammoniumsynthese. De zoektocht naar nieuwe, efficiënte katalysatoren is dan ook een van de belangrijkste onderzoeksvelden binnen dit domein.

Daarnaast is de productie van vloeibare ammoniak een veelbelovende technologie, vooral als energieopslag en als waterstofdrager. De thermodynamische reacties bij de ontleding van ammoniak zijn echter endotherm, wat betekent dat de reactie veel energie vereist, met een hoge kinetische barrière die de snelheid van de waterstofproductie beperkt. Hoewel het bij 450°C mogelijk is om een conversie van 99% te bereiken, blijft de praktische snelheid van de reactie een uitdaging. Ammoniakdecompositie in combinatie met waterstofbrandstofcellen kan echter een significante bijdrage leveren aan de vermindering van koolstofemissies, terwijl het probleem van koolmonoxidevergiftiging van de edelmetalen katalysatoren in brandstofcellen wordt vermeden.

De ontwikkeling van ammonia-decompositietechnologie voor waterstofproductie heeft de laatste jaren wereldwijd veel aandacht gekregen. Japan en Zuid-Korea hebben aanzienlijke investeringen gedaan in onderzoek en commercialisatie van brandstofceltechnologieën die ammoniak als bron van waterstof gebruiken. Japan heeft zelfs het eerste commerciële micro-CHP-brandstofcelsysteem op de markt gebracht, dat inmiddels wereldwijd duizenden eenheden heeft verkocht. Dit soort systemen, die ammoniak gebruiken voor de productie van waterstof, kunnen aanzienlijke bijdragen leveren aan de decarbonisatie-doelen van landen, waarbij Japan zich richt op het behalen van een ammoniakbrandstofgebruik van 2 miljoen ton per jaar tegen 2030.

In Australië is er ook substantieel geïnvesteerd in de commercialisatie van ammoniakdecompositietechnologieën voor waterstofproductie, waarbij een proces wordt ontwikkeld dat gebruik maakt van ruthenium-katalysatoren en edelmetaalmembranen (Pd/Ag) voor de efficiënte scheiding van waterstof. Deze technologieën zijn van groot belang voor de toepassing van ammoniak als energiebron in brandstofcellen. De productie van waterstof uit ammoniak vereist echter nog aanzienlijke verbeteringen, zowel in termen van kostenefficiëntie als van de technologische complexiteit.

Er wordt veel onderzoek gedaan naar nieuwe katalysatoren die de decompositie van ammoniak kunnen versnellen bij lagere temperaturen en energieverbruik, met het gebruik van bijvoorbeeld kobalt- of nikkelgebaseerde katalysatoren, die zowel goedkoper als gemakkelijker te verkrijgen zijn dan de edelmetalen zoals ruthenium. De uitdaging ligt echter in het verbeteren van de decompositietemperatuur en -efficiëntie van deze goedkopere katalysatoren, wat hen wellicht niet in staat stelt om de prestaties van ruthenium te evenaren.

Een belangrijke ontwikkeling in dit veld zijn membraamreactoren die het mogelijk maken om de geproduceerde waterstof voortdurend te verwijderen, waardoor het evenwicht van de decompositie-reactie wordt verstoord en de ammoniakconversie aanzienlijk wordt verhoogd. Door de waterstof efficiënt af te scheiden, wordt de noodzaak voor extra waterstofzuiveringsapparatuur geëlimineerd, wat de operationele kosten vermindert.

In de toekomst zal de sleutel tot succes in de toepassing van ammoniak als waterstofdrager niet alleen liggen in de verbetering van de katalysatoren, maar ook in de optimalisatie van de reactorontwerpen, de efficiëntie van de elektrolyseprocessen en het beheer van de ammoniakconcentraties in de waterstofgasstroom. Verdere technologische vooruitgang is nodig om de schaalbaarheid van deze processen te verbeteren en de kosten van zowel de katalysatoren als de apparatuur te verlagen. De focus moet liggen op het ontwikkelen van groenere, duurzamere oplossingen die kunnen bijdragen aan een koolstofarme energietoekomst.

Waarom is waterstofenergie cruciaal voor de toekomst van duurzame energie?

Waterstof wordt beschouwd als een van de veelbelovendste nieuwe energiebronnen, met een breed scala aan toepassingen die het potentieel hebben om de energiemarkt wereldwijd te transformeren. Het milieuvriendelijke karakter van waterstof maakt het een ideale kandidaat voor de verschuiving naar duurzame energie. Met zijn hoge calorische waarde, lage productiekosten en nul koolstofemissies, biedt waterstof een krachtige oplossing voor diverse energiebehoeften, van opslag en elektriciteitsproductie tot transport en huishoudelijk gebruik.

De verscheidenheid aan toepassingen van waterstof maakt het tot een onmisbare energiebron in de overgang naar hernieuwbare energie. Het kan dienen als een efficiënte energiedrager voor de opslag van hernieuwbare energie, die vaak variabel is, zoals zonne- en windenergie. Bovendien wordt waterstof steeds belangrijker als schone brandstof voor voertuigen, waaronder zware vrachtwagens, en biedt het mogelijkheden voor energieopwekking in industriële processen. Het is een sleutelcomponent in de herstructurering van de mondiale energiesector, wat leidt tot een aanzienlijk lagere afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.

Op wereldwijd niveau wordt waterstofenergie steeds vaker erkend als een cruciaal instrument voor het behalen van ambitieuze klimaatdoelen, zoals de “tweevoudige koolstof”-doelen van China, waarbij de nadruk ligt op het bereiken van een diepgaande decarbonisatie in de industrie, transport, elektriciteitsproductie en bouwsector. Verschillende landen, zoals Nederland, Duitsland, Frankrijk en de Verenigde Staten, hebben nationale strategieën ontwikkeld om de waterstofindustrie te bevorderen, met de focus op de productie, opslag, transport en het gebruik van waterstof.

In Nederland werd bijvoorbeeld in april 2020 het nationale waterstofenergiebeleid gepresenteerd, met als doel 50 waterstoftankstations te bouwen, 15.000 brandstofcelvoertuigen en 3.000 zware voertuigen in gebruik te nemen tegen 2025, en tegen 2030 300.000 brandstofcelvoertuigen operationeel te hebben. Dit is slechts een voorbeeld van de ambitieuze plannen die veel landen en regio’s hebben om de waterstofindustrie te ontwikkelen en tegelijkertijd de economische heropleving na de pandemie te stimuleren.

China heeft ook een belangrijke positie ingenomen in de ontwikkeling van waterstofenergie. De Chinese Nationale Ontwikkelings- en Hervormingscommissie en de Nationale Energieadministratie hebben gezamenlijk een langetermijnplan voor de ontwikkeling van de waterstofindustrie goedgekeurd, met als doel de drie strategische doelen van waterstofenergie: het integreren van waterstof in het nationale energiesysteem, het bevorderen van een groene en koolstofarme transformatie, en het positioneren van de waterstofindustrie als een strategisch emergente sector voor de toekomst. Het verwachte output van de Chinese waterstofindustrie zal tussen 2020 en 2025 oplopen tot 1 biljoen yuan en tussen 2026 en 2035 zelfs tot 5 biljoen yuan.

De waterstofindustrie bestaat uit verschillende fasen, van productie en opslag tot transport en benutting. De productie van waterstof kan op verschillende manieren worden gerealiseerd, waaronder het gebruik van fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas, elektrolyse van water en andere technologieën zoals biologische en fotokatalytische productie. De opslag van waterstof is een ander belangrijk aspect van de waterstofketen, waarbij momenteel de meeste waterstof wordt opgeslagen in gasvorm onder hoge druk, maar er zijn veelbelovende ontwikkelingen op het gebied van vloeibare en solide opslagmethoden. De transporttechnologieën zijn eveneens in ontwikkeling, van gastransport via pijpleidingen tot vloeibare waterstoftransport en opslag in metalen hydrides.

Het tanken van waterstof, hoewel het nog in de kinderschoenen staat, is een cruciaal onderdeel van de waterstofinfrastructuur. Waterstoftankstations zullen in de nabije toekomst een essentieel netwerk vormen, niet alleen in China, maar ook in andere landen. Tegen 2025 wordt verwacht dat China minimaal 1000 tankstations zal hebben. Waterstof wordt voornamelijk gebruikt als brandstof in brandstofcellen of verbrandingsmotoren, die elektriciteit of kinetische energie opwekken voor voertuigen, seizoensgebonden energieopslag en gedistribueerde energieproductie. Daarnaast heeft het toepassingen in de chemische industrie, zoals waterstofmetaalwinning en andere industriële processen.

De opslag en het transport van waterstof vormen echter de grootste technische uitdaging voor de industrie. De keuze van de opslagmethode beïnvloedt de transportmogelijkheden, en elk van de technologieën heeft zijn eigen voordelen en beperkingen. De opslag en het transport van waterstof kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdmethoden: gasvormige waterstofopslag onder hoge druk, vloeibare waterstofopslag en -transport, en de opslag van waterstof in vaste stoffen, zoals metalen hydrides en chemische verbindingen.

Het is essentieel om te begrijpen dat, ondanks de veelbelovende vooruitzichten, de waterstofindustrie nog steeds wordt geconfronteerd met technologische en economische uitdagingen. De kosten van waterstofproductie moeten verder worden verlaagd, de infrastructuur voor opslag en transport moet worden uitgebreid, en de efficiëntie van waterstoftoepassingen moet worden verbeterd. Bovendien vereist de bredere acceptatie van waterstof als energiebron samenwerking tussen de publieke en private sectoren, evenals internationale samenwerking om de noodzakelijke normen en regelgeving te ontwikkelen.

Een belangrijk aspect van de ontwikkeling van waterstofenergie is de noodzaak van een robuuste en flexibele infrastructuur. Het wereldwijde waterstofnetwerk moet snel worden uitgebreid om de groeiende vraag naar waterstof te ondersteunen, vooral in industriële en transporttoepassingen. Dit zal niet alleen de energietransitie versnellen, maar ook de economische ontwikkeling stimuleren door nieuwe banen te creëren en investeringen in schone energie te bevorderen. De waterstofindustrie biedt enorme kansen, maar alleen met een strategische, goed gecoördineerde aanpak kunnen de volledige voordelen ervan worden gerealiseerd.

Wat zijn de meest voorkomende fouten bij vetverlies en spieropbouw?
Verraadt spontane spraak leeftijdsgebonden achteruitgang in taalvaardigheid?
Wat zijn de effecten van zowel interne als externe resonanties op stochastische systemen met Hamiltoniaanse dynamica?
Hoe de Strategie van Kennan de Koude Oorlog Vormde en de Les die We Nu Kunnen Leren van de Benadering van China