Waterstofopslag is van cruciaal belang voor het succes van waterstof als duurzame energiebron. In de afgelopen decennia is er veel vooruitgang geboekt in de technologieën die worden gebruikt om waterstof efficiënt en veilig op te slaan en te transporteren. Fysieke adsorptie van waterstof, bijvoorbeeld, wordt steeds meer gezien als een veelbelovende methode voor opslag, waarbij materialen zoals koolstofmaterialen, zeolieten en metaalschommelingen op organische frameworks (MOFs) de boventoon voeren. De studie van waterstofadsorptie begon al in het begin van de twintigste eeuw, en sinds die tijd zijn er aanzienlijke verbeteringen geweest in de chemische en thermische stabiliteit van deze materialen. Het gebruik van koolstofmaterialen biedt voordelen zoals goedkope en eenvoudige productieprocessen, en bovendien kan koolstof op industriële schaal worden geproduceerd. Het is dus een ideale kandidaat voor grootschalige waterstofopslag. Bovendien behouden deze materialen hun stabiliteit bij het absorberen en vrijkomen van waterstof, wat de betrouwbaarheid van opslag- en transportsystemen vergroot.

Met het oog op de toekomstige implementatie van waterstoftechnologieën voor industriële en commerciële toepassingen, zijn metaalschommelingen (MOFs) erg belangrijk. MOFs zijn verbindingen die bestaan uit metalen en organische zuren. Deze materialen hebben bijzondere eigenschappen die ze in staat stellen om veel waterstof te adsorberen bij relatief milde omstandigheden. Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, ontwikkelden bijvoorbeeld Ni2(m-dobdc), een materiaal dat in staat is om een effectiever volume van waterstof op te slaan (tot 23 g/L bij 10 MPa). De mogelijkheid om waterstof op te slaan bij zulke hoge volumetrische capaciteiten is essentieel voor toepassingen waarbij ruimte en gewicht een rol spelen.

Desondanks zijn er beperkingen aan de opslagcapaciteit bij fysieke adsorptie, vooral bij lage temperaturen. Dit maakt dat de kosten van opslag onvermijdelijk stijgen, wat een significante uitdaging vormt voor de implementatie van deze technologie in grootschalige toepassingen. Het huidige onderzoek richt zich dan ook op het verbeteren van de operationele temperatuur van materialen om de kosten te verlagen en de efficiëntie van waterstofopslag te verbeteren.

Wanneer we de verschillende methoden van waterstofopslag en -transport vergelijken, zien we dat er meerdere technologieën beschikbaar zijn, elk met hun eigen voordelen en nadelen. De technologie van waterstofopslag in gasvormige toestand onder hoge druk is momenteel de meest volwassen en wijdverbreide technologie. Deze techniek heeft echter beperkingen in termen van opslagdichtheid en veiligheid. Een ander veelbelovend alternatief is het transport van waterstof via pijpleidingen, dat zeer kosteneffectief is bij grootschalige toepassingen, maar een aanzienlijke investering vereist in infrastructuur, waardoor het minder haalbaar is in gebieden waar waterstof nog niet wijdverspreid wordt gebruikt.

Daarnaast is er de technologie van vloeibare waterstof, die het voordeel heeft van een hoge opslagdichtheid per volume-eenheid. Deze technologie is echter enerzijds zeer energie-intensief vanwege het proces van vloeibaar maken, en anderzijds vereisen de opslagcontainers voor vloeibare waterstof uitzonderlijk hoge isolatiecapaciteiten, wat de kosten verder verhoogt. Dit maakt het transport van vloeibare waterstof momenteel een kostbare onderneming.

Er zijn ook innovaties in waterstofopslag en -transport via waterstofrijke verbindingen, maar deze technologie staat nog in de kinderschoenen. De hoge energiekosten, de zuiverheidsvereisten van de waterstof en de beperkte levensduur van katalysatoren blijven belangrijke obstakels voor grootschalige commerciële toepassing.

De keuze van de juiste waterstofopslag- en transporttechnologie hangt sterk af van het specifieke gebruiksdoel. Voor waterstofgebruik in voertuigen, bijvoorbeeld, worden brandstofcelsystemen steeds gebruikelijker. Deze systemen kunnen efficiënt energie omzetten met een rendement van 45-55%. In vergelijking met voertuigen die gebruik maken van traditionele verbrandingsmotoren, bieden waterstofvoertuigen aanzienlijke voordelen op het gebied van energie-efficiëntie. De kosten van waterstof blijven echter een belemmering voor de brede acceptatie, vooral in sectoren zoals het openbaar vervoer en vrachtvervoer, waar de kosten van waterstof concurreren met die van diesel.

Daarnaast speelt de prijs van waterstof een cruciale rol in de economische haalbaarheid van waterstoftechnologie. Als de kosten van waterstofproductie, -opslag en -transport kunnen worden verlaagd, kan waterstof als energiebron een economische revolutie teweegbrengen in verschillende industrieën, van de mobiliteit tot de chemische en zware industrie.

Een belangrijk aspect dat vaak over het hoofd wordt gezien, is dat de technologieën voor waterstofopslag en -transport constant in ontwikkeling zijn. Nieuwe materialen en processen worden voortdurend getest en geoptimaliseerd. Dit betekent dat er nog veel ruimte is voor innovatie en dat de kosten van opslag en transport in de toekomst mogelijk zullen dalen. Het blijft dan ook essentieel dat wetenschappers en ingenieurs blijven zoeken naar efficiëntere, goedkopere en veiligere methoden voor waterstofopslag en -transport, zodat deze technologieën uiteindelijk breed toegepast kunnen worden in de maatschappij.

Hydrogenopslag en -transporttechnologieën met waterstofrijke vloeibare verbindingen: Uitdagingen en vooruitzichten

De opslag en het transport van waterstof vormen cruciale onderdelen van de waterstofeconomie, vooral gezien de verschillende vormen van opslag die beschikbaar zijn. Naast gasvormige waterstof onder hoge druk en vloeibare waterstof bij lage temperaturen, bieden waterstofrijke vloeibare verbindingen, zoals organische vloeistoffen en ammoniak, een alternatief voor chemische waterstofopslag. Dit biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van opslagdichtheid en transportgemak. Het gebruik van dergelijke verbindingen als opslagdragers vereist echter geavanceerde technologieën om waterstof efficiënt te extraheren en opnieuw in te sluiten, wat de belangrijkste focus is van de huidige onderzoeksinspanningen.

Een van de veelbelovende categorieën waterstofopslagmaterialen zijn vloeibare organische waterstofdragers (LOHC’s). Deze stoffen kunnen waterstof opslaan door een waterstofatomaire binding aan een onverzadigd koolstof-zuurstof- of koolstof-koolstof-verbinding te maken, gevolgd door een ontgassingsreactie die het waterstof weer vrijgeeft. De belangrijkste voordelen van LOHC-technologie zijn de hoge energieopslagdichtheid en de mogelijkheid om waterstof onder milde omgevingsomstandigheden op te slaan. Een van de meest gebruikte verbindingen in LOHC-technologie is tolueen, dat kan worden gehydrogeneerd tot methylcyclohexaan (MCH), een verbinding die onder atmosferische druk vloeibaar is en relatief veilig in transport is.

Hoewel LOHC's aanzienlijke voordelen bieden, zijn er ook uitdagingen. De waterstofafgifte vereist warmte en katalysatoren, wat energie-intensief kan zijn. Dit verhoogt de operationele kosten en bemoeilijkt het gebruik in brandstofceltoepassingen, waar het behoud van efficiëntie en kostenbeheersing essentieel is. Daarnaast kunnen de bijproducten die vrijkomen bij de dehydrogeneratie van organische verbindingen zoals ethanol en dimethyl ether de kosten verder verhogen vanwege de vereiste scheidingsprocessen.

Methanol en ammoniak zijn andere veelbelovende waterstofdragers. Methanol heeft bijvoorbeeld de capaciteit om waterstof te extraheren via stoomreforming, wat de theoretische gravimetrische waterstofopslagdichtheid kan verhogen tot 18,75 wt%. Liquid ammonia daarentegen biedt theoretisch een nog hogere waterstofdichtheid van 17,6 wt%, maar de toepassing ervan wordt beperkt door de noodzaak van een directe dehydrogenatie en de uitdagingen van het omgaan met een dergelijke bijtende stof. Beiden kunnen worden geclassificeerd als circulaire waterstofdragers (CHC), omdat ze de nodige grondstoffen uit de lucht halen en deze na gebruik weer in de atmosfeer worden afgegeven.

In de praktijk is het gebruik van vloeibare organische waterstofdragers zoals methanol en ammoniak, ondanks hun hoge theoretische waterstofopslagdichtheid, sterk afhankelijk van de katalytische reformeringstechnieken om waterstof efficiënt vrij te geven. De technologieën voor deze processen zijn inmiddels goed ontwikkeld en worden in diverse delen van de wereld steeds meer geoptimaliseerd. In Japan bijvoorbeeld heeft men toluene-gebaseerde LOHC-technologie gebruikt om de eerste internationale waterstofleveringsketen op te zetten, die Brunei en Kawasaki met elkaar verbindt. In Europa, en met name in Duitsland, wordt er ook veel vooruitgang geboekt op het gebied van dibenzyltolueen-gebaseerde opslagtechnologie.

Naast de opslagtechnologieën moet men zich echter bewust zijn van de bredere impact van waterstofopslag op de energiemarkt. De processen die nodig zijn om waterstof op te slaan en te transporteren kunnen aanzienlijk bijdragen aan de totale kosten van waterstof als energiebron. Dit maakt de ontwikkeling van efficiënt werkende katalysatoren en warmterecuperatiesystemen van essentieel belang voor de verdere commercialisering van waterstof als een duurzame energiebron. Het verbeteren van de efficiëntie van de dehydrogeneratie, evenals het verminderen van de operationele kosten, blijft een belangrijke uitdaging die moet worden aangepakt in de komende jaren.

De ontwikkeling van deze technologieën is niet alleen van belang voor de waterstofindustrie zelf, maar kan ook breed invloed hebben op sectoren zoals de chemische industrie, transport en zelfs de voedselproductie. Waterstofrijke vloeibare verbindingen zouden bijvoorbeeld kunnen bijdragen aan de decarbonisatie van zware industrieën door hun potentieel als schone brandstoffen en chemische grondstoffen. De vooruitgang die momenteel wordt geboekt in de opslag- en transporttechnologieën kan dan ook de deur openen voor bredere industriële toepassingen, die de overgang naar een duurzamere energievoorziening zullen versnellen.

Hoe kunnen Ammoniakboranen en hun Derivaten bijdragen aan Waterstofopslag en -productie?

Ammoniakboranen (AB) en hun derivaten hebben zich bewezen als veelbelovende materialen voor zowel de productie van waterstof als voor de opslag ervan. In het bijzonder blijkt het hydrolyseproces van ammonia borane een hoge katalytische activiteit te vertonen, wat resulteert in een efficiënte productie van waterstof. De TOF (Turnover Frequency) waarde van een katalysator in dit proces kan bijvoorbeeld oplopen tot 231 mol H2/(molRu⋅min), wat aangeeft hoe effectief de katalysator is in het omzetten van ammonia borane naar waterstof. Wanneer de reactie onder lichtomstandigheden wordt uitgevoerd, kunnen halfgeleiders fotogegeneerde elektronen en fotogegeneerde gaatjes (e−-h+) genereren. Deze kunnen zich naar het oppervlak van de katalysator verplaatsen en bijdragen aan redoxreacties, wat de hydrolyse van ammonia borane verder bevordert en leidt tot een verhoogde waterstofproductie.

Onder invloed van zichtbaar licht blijkt de snelheid van waterstofproductie uit ammonia borane drie keer te verhogen, met een snelheid van 426 mol H2/(molcat⋅min). Dit effect is te danken aan het versterkte elektrische veld op het oppervlak van de katalysator, waarbij hete elektronen zich concentreren aan de randen en punten van de cellen, wat de negatieve lading van de B-N binding verzwakt en de aanval door watermoleculen vergemakkelijkt. Het gebruik van licht in dit proces biedt niet alleen een hogere efficiëntie, maar is ook een milieuvriendelijke benadering die de energieconsumptie van het systeem vermindert.

Er zijn verschillende belangrijke richtingen voor de toekomst van waterstofproductie uit ammonia borane, waarbij de nadruk ligt op het ontwikkelen van goedkopere katalysatoren met ongelijke ladingsverdelingen, terwijl de recycleerbaarheid en duurzaamheid van de katalysator behouden blijven. Het gebruik van magnetische materialen of integraal metalen schuimkatalysatoren kan bijvoorbeeld de effectiviteit en levensduur verbeteren. Bovendien biedt de lichtgeïnduceerde benadering een kans om semiconductors te ontwikkelen die niet alleen de hydrolyse bevorderen, maar ook de energie-efficiëntie verhogen door gebruik te maken van zonlicht.

Naast de hydrolyse van ammonia borane zelf, is het belangrijk om ook de regeneratie van ammonia borane te overwegen. Omdat de dehydrogeneratie van ammonia borane een exotherme reactie is, zijn er thermodynamische beperkingen voor het realiseren van reversibele waterstofopslag. Het regenereren van ammonia borane uit de dehydrogeneerde producten is dus een cruciaal aspect voor de toekomst van dit materiaal als een duurzame oplossing voor waterstofopslag.

De verschillende derivaten van ammonia borane, zoals metaal-ammoniakboranen (MAB), bieden een andere benadering voor waterstofopslag. Deze derivaten worden gevormd door het vervangen van waterstofatomen verbonden aan het stikstofatoom van ammonia borane door metaalionen, zoals alkali- en aardalkalimetalen. Het resultaat is een verbeterde waterstofafgifte en een verminderde vorming van gasverontreinigingen. Bij het combineren van MAB met andere stoffen, zoals H-bevattende groepen (bijvoorbeeld NH3 of BH4), kunnen nieuwe derivaten ontstaan die bijzondere waterstofopslagcapaciteiten bezitten.

Met betrekking tot de synthese van MAB zijn er twee belangrijke methoden: vaste-stof mechanische bal-maling en nat-chemische synthese. De eerste methode maakt gebruik van bal-maling om de deeltjesgrootte van de reactanten te verminderen en de materiaaldiffusie te versnellen, wat resulteert in meer reactieve oppervlakken. De nat-chemische methode wordt uitgevoerd in vloeistoffen en zorgt voor verbeterde materiaaldiffusie, maar kent het nadeel dat de oplossing moeilijk te zuiveren is door de sterke bindingen tussen de metaalionen en de oplosmiddel. De reactie van het corresponderende metaalhydride met ammonia borane resulteert in de vorming van MAB, waarbij de reactieformule wordt weergegeven als:

MHn + nNH3BH3 → MNH2BH3 + nH2

De karakteristieke eigenschappen van MAB, zoals de kortere B-N binding en de grotere M-B binding in vergelijking met ammonia borane, dragen bij aan een verbeterde waterstofafgifte. Bijvoorbeeld, LiAB komt al in een relatief lage temperatuur (91°C) in de waterstofafgifte, waarbij de afgiftesnelheid significant is en tot 8% H2 na 1 uur kan vrijkomen. KAB komt daarentegen al op ongeveer 80°C tot 6,5% H2 binnen drie uur.

De toepassing van bimetalen in MAB-derivaten kan de prestaties verder verbeteren. Bimetalen zoals Na en K in combinatie met een ander metaal zoals Mg bieden vaak betere thermische decompositie-eigenschappen dan enkelvoudige metalen. Dit komt doordat bimetalen een unieke coördinatiestructuur creëren die directe M-H bindingen mogelijk maakt en de dehydrogenering vergemakkelijkt. Dit verlaagt de temperatuur waarop waterstof vrijkomt en minimaliseert tegelijkertijd de hoeveelheid bijproducten zoals ammoniak (NH3).

Naast de bovengenoemde derivaten zijn er andere derivaten zoals LiAB⋅AB en LiNH3BH4 die ook specifieke voordelen vertonen in bepaalde omstandigheden. LiAB⋅AB bijvoorbeeld heeft een lage dehydrogeneringstemperatuur en kan tot 6% H2 afgeven bij 57°C, wat ver onder de 500°C ligt die nodig is voor de volledige afgifte van waterstof uit ammonia borane.

Ondanks de hoge waterstofopslagcapaciteit en relatief lage afgifte-temperaturen van de metalen ammonia boranen en hun derivaten, blijft de onomkeerbaarheid van de waterstofafgifte een uitdaging voor de herbruikbaarheid van deze materialen. Dit betekent dat de algehele energie-efficiëntie van cycli laag is, waardoor ammonia borane voorlopig voornamelijk in laboratoriumomstandigheden wordt onderzocht en ontwikkeld.

Jak MathComp-Analysis využívá klasické axiomy a teorie množin
Jak najít správného učitele a třídu pro váš zdravý životní styl
Jak dětská zvědavost vede k nečekaným následkům