De snelle opkomst van de waterstofindustrie vereist een grondige herziening van hoe talent wordt opgeleid en ontwikkeld. De internationale gemeenschap, en specifiek China, erkent de enorme potentie van waterstof als een schone energiebron en als een sleutelcomponent in de overgang naar een koolstofarme toekomst. De verschuiving naar waterstofenergie is niet alleen een technische uitdaging, maar ook een vraag naar goed opgeleid personeel dat de innovaties kan ondersteunen en versnellen.

In 2021 werd het “Carbon Neutrality Technology Innovation Action Plan for Higher Education Institutions” gepresenteerd, gevolgd door het “Work Plan for Strengthening the Talent Cultivation System in Carbon Peak and Carbon Neutrality Higher Education” in 2022. Beide plannen zijn gericht op het versterken van de talentontwikkeling in de waterstofindustrie, waarbij nadruk wordt gelegd op het opleiden van professionals die in staat zijn om de technologieën van waterstofproductie, opslag, transport en toepassing te beheersen.

De waterstofindustrie vereist een breed scala aan deskundigen, van ingenieurs tot beleidsmakers, die een stevige theoretische basis combineren met praktische ervaring. Dit maakt de opleiding van interdisciplinair talent essentieel, en het moet niet alleen gericht zijn op technische kennis, maar ook op de toepassing daarvan in de industrie. Waterstof is een secundaire energiebron met diverse herkomstmogelijkheden, efficiënte toepassingen en aanzienlijke milieuvriendelijke voordelen. Daarom is de ontwikkeling van nieuwe opleidingen, zoals de recent goedgekeurde bacheloropleiding "Hydrogen Energy Science and Engineering", een belangrijke stap.

De groeiende vraag naar waterstoftechnologie heeft geleid tot een toename van de belangstelling voor technische opleidingen die studenten voorbereiden op de uitdagingen van deze nieuwe industrie. De publicatie van de boekenreeks “Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Application Talent Training Series” speelt hierin een cruciale rol. Deze serie, samengesteld door experts uit de academische wereld, industrie en bedrijven, biedt een educatief kader voor het opleiden van praktisch personeel in de waterstofsector. De serie richt zich op onderwerpen zoals waterstofproductie, opslag en transport, brandstofceltechnologie en veiligheid, en wordt beschouwd als een waardevolle bijdrage aan de talentontwikkeling in de sector.

Naast technische kennis is de integratie van de onderwijs-, talent- en industrieketen van groot belang. Dit betekent dat de samenwerking tussen universiteiten, onderzoeksinstellingen en bedrijven moet worden versterkt om een innovatief ecosysteem te creëren dat in staat is om de snelle technologische vooruitgang in de waterstofsector bij te houden. In dit verband speelt de oprichting van innovatieplatforms en onderzoekshubs een sleutelrol. Het is van essentieel belang dat de opleiding niet alleen theoretisch blijft, maar een sterk praktijkgerichte benadering hanteert die studenten voorbereidt op de realiteit van de industrie.

De dynamiek van de waterstofindustrie verandert snel, en de talentbehoefte groeit parallel. Van hoge prioriteit zijn professionals met een stevige theoretische basis en de praktische vaardigheden die nodig zijn voor het omgaan met de complexe technische aspecten van waterstofopslag en -transport, de werking van waterstofstations, en de test- en onderhoudsprocedures van waterstofbrandstofcelvoertuigen. Deze specifieke vaardigheden zullen in de nabije toekomst steeds belangrijker worden, naarmate waterstof op grotere schaal wordt toegepast in de industrie en het transport.

Naast de technische opleidingen, wordt de opleiding van hooggeschoold talent in de nieuwe energietechnologieën ondersteund door het beleid van de Chinese overheid, dat benadrukt hoe belangrijk het is om vaktechnisch geschoold personeel te ontwikkelen. Het versterken van deze talenten is essentieel voor het versterken van de technologische innovaties in de industrie, het verbeteren van de concurrentiekracht op internationaal niveau en het bijdragen aan de duurzame ontwikkeling van de wereldwijde energiemarkt.

Waterstofenergie heeft de potentie om de energiemarkt te transformeren en biedt unieke mogelijkheden voor landen die willen bijdragen aan de wereldwijde overgang naar een koolstofarme samenleving. De sleutel tot het succes van deze transformatie ligt echter in het vermogen van de industrie om hoogopgeleid, goed geïnformeerd en goed voorbereid personeel te genereren, dat in staat is om de technologieën van morgen te ontwikkelen en te implementeren. Daarom moeten onderwijsinstellingen, bedrijven en overheden nauw samenwerken om een efficiënt en effectief systeem van talentontwikkeling op te zetten.

Het is belangrijk te realiseren dat de transitie naar waterstofenergie niet alleen een technologische of industriële verandering is. Het is een complexe uitdaging die samenwerking vereist over verschillende disciplines heen en die op verschillende niveaus, van lokaal tot internationaal, impact zal hebben. De ontwikkeling van het juiste talent is een onmiskenbare sleutel tot het succes van deze transitie, en het blijft een dynamisch proces dat voortdurende aanpassing en innovatie vereist.

Wat zijn de strategische voordelen van het gebruik van ammoniak en methanol als waterstofopslagmaterialen?

China heeft een goed ontwikkeld systeem voor het transport en de distributie van ammoniak, wat betekent dat eenzelfde volume vloeibare ammoniak minstens 60% meer waterstof bevat dan vloeibare waterstof. Dit biedt duidelijke economische voordelen, waardoor de opslag en aanvoer van waterstof in ammoniak of via ammoniakvervanging potentieel belangrijke ontwikkelingsrichtingen voor waterstofenergie zijn. De integratie van ammoniak en waterstof is een vooruitstrevende, disruptieve en strategische technologische ontwikkeling op het gebied van internationale schone energie. Het is een effectieve manier om de grote opslag- en transportbelemmeringen die de ontwikkeling van waterstofenergie belemmeren op te lossen. Bovendien is het een belangrijke technische route voor het bereiken van hoogtemperatuur-zero-carbon brandstoffen.

Hoewel in sommige buitenlandse landen al ammoniak-waterstofintegratieprojecten zijn gestart, blijven nationale onderzoeks- en toepassingsinitiatieven beperkt. Er bestaan bovendien fundamentele knelpunten en technische uitdagingen bij de toepassing van ammoniak als brandstof. Ten eerste is de verbrandingkinetiek van ammoniak laag en de calorische waarde aanzienlijk lager dan die van waterstof, wat industriële toepassingen minder efficiënt maakt. Ten tweede is ammoniak moeilijk te ontsteken en vergt het een stabiele verbranding. Om grote hoeveelheden ammoniak-waterstofomzetting, opslag en transport mogelijk te maken, zijn verdere doorbraken nodig in de ontwikkeling van apparatuur voor grote opslagcapaciteit, transporttechnologieën en katalysatoren.

Methanol, een veelbelovend alternatief voor waterstofopslag, biedt verschillende voordelen. Methanol, ofwel xylitol, is een kleurloze, vluchtige en brandbare vloeistof met de molecuulformule CH3OH en een molecuulgewicht van 32. Het heeft een kookpunt van 64,7°C bij normale druk en is oplosbaar in water en veel organische vloeistoffen, zoals ethanol en ether. Methanol kan goed water, kooldioxide en andere onzuiverheden absorberen. Bij de opslag van waterstof in methanol wordt het energiepotentieel van de vloeistof benut, waarbij de energie dichtheid van methanol 21,6 MJ/kg bedraagt, wat overeenkomt met een gravi-metrische waterstofopslag van 12,5 wt% en een volumetrische waterstofopslag van 99 g/L.

De productie van waterstof uit methanol kan plaatsvinden via katalytische reformering, een proces waarbij methanol reageert met water bij een temperatuur van 200-300°C. In vergelijking met andere brandstofreformeringsprocessen is de katalytische reactie sneller en milder, wat helpt om de CO-concentratie in het geproduceerde gas te reduceren. Dit proces heeft het potentieel om de theoretische waterstofopslagdichtheid per eenheid massa van methanol te doorbreken, en kan in ideale omstandigheden 18,75 wt% waterstof leveren. Het gebruik van methanol in deze toepassing zou de noodzaak voor complexe waterstofscheiding- en zuiveringsprocessen elimineren, wat het mogelijk maakt om waterstof direct in brandstofceltechnologieën te gebruiken.

Daarnaast biedt methanol als opslagdrager voor waterstof ook economische voordelen. In vergelijking met waterstoftransport via gasvormige waterstof of vloeibare/vaste waterstof, biedt methanol kostenvoordelen bij het transport over lange afstanden (meer dan 200 km). De kosten van methanoltransport en de bijbehorende waterstofproductie via methanol zijn aanzienlijk lager dan die van de traditionele waterstofopslagtechnologieën. De kosten voor het ombouwen van bestaande tankstations tot methanol/tankstations zijn ook relatief laag, wat methanol een competitief alternatief maakt voor andere waterstofopslag- en distributiesystemen.

Hoewel de technologie van methanolreforming met waterstofopslag veelbelovend is, zijn er belangrijke technische uitdagingen die overwonnen moeten worden. De integratie van methanolreforming met brandstofceltechnologieën, zoals de hoogtemperatuurprotonuitwisselingsmembraanbrandstofcel (HT-PEMFC), vereist verdere verfijning. Het succes van deze technologie is afhankelijk van het verbeteren van de katalysatoren en het optimaliseren van de reactieomstandigheden om de efficiëntie te verhogen en de economische haalbaarheid te waarborgen. De inzet van methanol als waterstofopslagcarrier kan echter leiden tot bredere toepasbaarheid van waterstofenergie, zonder dat nieuwe, dure waterstoftankstations moeten worden gebouwd.

Bij de productie van methanol wordt vaak gebruik gemaakt van hernieuwbare energiebronnen of methaan, dat via verschillende chemische processen kan worden omgezet in methanol. De traditionele productie via methaansteamreformering is energie-intensief en veroorzaakt aanzienlijke CO2-uitstoot. Alternatieve methoden zoals CO2-waterstofatie zijn in ontwikkeling, maar blijven kostbaar en energieverbruikend. Het ontwikkelen van kostenefficiënte en duurzame productieprocessen zal cruciaal zijn voor de toekomstige inzet van methanol als waterstofdrager.

In de toekomst zal de sleutel tot het succes van waterstofopslag en -transporttechnologieën liggen in de technologische integratie en het vermogen om bestaande infrastructuren aan te passen voor nieuwe toepassingen. Het gebruik van methanol en ammoniak biedt veel potentieel, maar het vereist voortdurende innovatie om de beperkingen van verbranding, opslag en transport effectief te overwinnen.

Wat is de rol van legeringen en metalen hydrides voor waterstofopslag?

De ontwikkeling van effectieve en efficiënte waterstofopslagmaterialen is cruciaal voor de toepassing van waterstof als schone energiebron. Metalen hydrides bieden een veelbelovende oplossing, met name vanwege hun hoge waterstofopslagcapaciteit en praktische bruikbaarheid. Een van de voornaamste benaderingen voor het verbeteren van waterstofopslag is het gebruik van legeringen die speciaal zijn ontworpen om grote hoeveelheden waterstof op te slaan onder gematigde druk- en temperatuuromstandigheden.

Een belangrijke techniek in dit gebied is de directe bereiding van magnesium-gebaseerde hydrides via een eenstaps hydrideverbrandingsreactie. Hierbij wordt de warmte die vrijkomt door de reactie tussen magnesium (Mg), het overgangsmetaal nikkel (Ni) en waterstof (H₂) optimaal benut om de reactie te bevorderen. Het resultaat is een product dat geen verdere activering vereist, wat het proces efficiënter maakt. Deze methode heeft al succesvolle toepassingen gevonden bij de productie van Mg₂NiH₄, Mg₂FeH₆ en Mg₂CoH₅, waarbij de resulterende producten niet alleen hoge zuiverheid vertonen, maar ook een uitstekende cyclusstabiliteit en hoge reactiesnelheid.

Een ander veelbelovend type hydride zijn de AB₅-type legeringen, die al sinds de vroege jaren van onderzoek op het gebied van waterstofopslag worden bestudeerd. Deze legeringen bestaan uit een combinatie van zeldzame aardmetalen (zoals lanthanum, cerium, praseodymium of neodymium) aan de 'A'-kant en overgangsmetalen die geen waterstof absorberen, zoals nikkel, kobalt, mangaan of aluminium, aan de 'B'-kant. De kristalstructuur van AB₅-type legeringen is doorgaans gebaseerd op de CaCu₅-structuur, met een ruimtelijke groep P6/mmm. Het typische voorbeeld van deze legeringen is LaNi₅, waarvan het waterstofabsorptieproduct de hexagonale structuur LaNi₅H₆ is, waarin de waterstofatomen zich bevinden in de octaëdrische interstices van de kristallen. Dit type legering biedt een behoorlijke waterstofopslagdichtheid van ongeveer 1,38 gew.% en een relatief lage absorptie-entropie, wat het geschikt maakt voor gebruik bij kamertemperatuur.

LaNi₅ heeft verschillende voordelen: het vertoont milde waterstofabsorptie- en -afgifteomstandigheden, snelle kinetiek en is niet gevoelig voor onzuiverheden. Toch is er een nadeel: de volumevergroting van 24% na waterstofabsorptie, wat leidt tot het verkruimelen van het materiaal en daardoor slechte cyclusstabiliteit. Daarnaast is de hoge kostprijs een beperking voor de praktische toepassing van LaNi₅. Desondanks zijn er verschillende methoden ontwikkeld om de waterstofopslagcapaciteit van deze AB₅-type legeringen te verbeteren, zoals optimalisatie van de samenstelling, structurele controle en het aanpassen van de stoichiometrische verhoudingen.

De optimalisatie van de samenstelling is de meest gebruikte methode om de prestaties van AB₅-legeringen te verbeteren. Hierbij worden zeldzame aardmetalen zoals cerium, praseodymium, neodymium en andere elementen toegevoegd om de mechanische eigenschappen van de legering te verbeteren. Het toevoegen van cerium bijvoorbeeld, verhoogt de taaiheid van de legering en vermindert de kans op verkruimelen. Tegelijkertijd kan een te hoog gehalte cerium de stabiliteit van de legering verminderen en de waterstofopslagcapaciteit verlagen. Verder heeft de vervanging van nikkel door elementen zoals kobalt of mangaan aangetoond dat dit de volumevergroting tijdens de waterstofabsorptie vermindert en de weerstand tegen verkruimelen vergroot, wat de cycluslevensduur ten goede komt. De toevoeging van kobalt vormt bovendien een beschermende laag op het oppervlak van de legering, wat de corrosie vermindert en de stabiliteit van de legering verhoogt.

Een andere veelbelovende strategie is de microstructurele controle. De kristalstructuur van AB₅-legeringen heeft vaak interne spanningen en onregelmatigheden die kunnen leiden tot segregatie van componenten en defecten. Snelle afkoeling en gloeiprocessen kunnen de legering verbeteren door deze naar een nanostructuur of amorfe staat te brengen, wat de structurele stabiliteit bevordert en de cyclusprestatie verbetert. Nanoschaalstructuren verbeteren de vorming van hydrides en dragen bij aan een verhoogde waterstofopslagcapaciteit.

Bovendien is er steeds meer aandacht voor het onderzoek naar niet-stoichiometrische verhoudingen van de legeringselementen. Dit houdt in dat de verhouding tussen de A- en B-componenten afwijkt van de stoichiometrische waarden, wat kan leiden tot de vorming van een tweede fase. De samenstelling, grootte, vorm en verdeling van deze tweede fase kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de prestaties van de legering. Het is bijvoorbeeld aangetoond dat LaNi₅.₂ een langere cycluslevensduur heeft dan LaNi₅, doordat de tweede fase de stabiliteit van de legering verbetert.

Magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen bieden aanzienlijke voordelen vanwege hun hoge opslagcapaciteit en het relatief lage kostenniveau. De gravimetrische waterstofdichtheid van magnesiumhydride (MgH₂) bedraagt ongeveer 7,6 gew.%, wat het een zeer veelbelovende kandidaat maakt voor grootschalige waterstofopslag. De MgH₂/Mg-systeemreactie, die omkeerbare waterstofabsorptie en -afgifte mogelijk maakt, maakt gebruik van een eenvoudige chemische reactie: Mg + H₂ ⇌ MgH₂. Dit systeem biedt de mogelijkheid om waterstof efficiënt op te slaan, hoewel de relatief hoge ontlaadtemperaturen en de lange reactiesnelheden een beperking vormen voor onmiddellijke toepassingen.

Het verbeteren van de prestaties van zowel AB₅-type legeringen als magnesium-gebaseerde hydrides vereist voortdurende innovaties in materiaalwetenschappen, waaronder het verfijnen van de legeringssamenstelling, het verbeteren van de microstructuur en het optimaliseren van de waterstofabsorptie- en -afgifteomstandigheden. Door deze benaderingen verder te ontwikkelen, kunnen deze materialen bijdragen aan het realiseren van duurzame en efficiënte waterstofopslagoplossingen voor de toekomst.

Hoe Vliegen Vogels? De Wonderen van Migratie en Tuinieren voor Vogels
Hoe kwam het DACA-beleid tot stand en wat zijn de gevolgen?
Hoe Donald Trump zijn Stijl van Stellingname verschilt van andere Kandidaten