De technologie van waterstofcompressie speelt een cruciale rol in de werking van waterstofstations, die de infrastructuur vormen voor de levering van waterstof als brandstof voor voertuigen en industriële toepassingen. De verschillende soorten compressoren die worden gebruikt, kunnen aanzienlijke variaties vertonen in termen van prestaties, efficiëntie en toepasbaarheid voor specifieke situaties.

In China is er bijvoorbeeld een waterstofcompressor van het type diafragma die het hoogste continue bedrijfstijdrecord heeft, met een uitlaatdruk tussen de 20 en 45 MPa. Deze compressoren hebben zich bewezen in de praktijk, vooral in combinatie met de vooruitgang in de ontwikkeling van hogere drukcompressoren, zoals de 70 MPa- en 90 MPa-systemen. Het gebruik van een 90 MPa waterstofdiafragma-compressor, zoals die ontwikkeld door het Beijing Tiangao en Tongji University team onder het “863 Programma” (High-Tech Development Plan van de staat), wordt steeds relevanter. Dit prototype voldoet aan de operationele eisen voor waterstofstations met een 70 MPa uitlaatdruk, maar de betrouwbaarheid moet nog verder worden geoptimaliseerd voor commerciële toepassingen.

In andere landen, zoals de Verenigde Staten en Duitsland, zijn waterstofcompressoren met een aanzienlijk hogere uitlaatdruk ook beschikbaar. PDC Machines uit de VS produceert bijvoorbeeld waterstofcompressoren die werken met een metalen diafragma met een driedelige structuur, en kunnen drukken tot meer dan 85 MPa bereiken. Dit maakt hen bijzonder geschikt voor toepassingen met hoge drukvereisten, zoals in tankstations voor waterstof. In Duitsland produceert HOFER GmbH compressoren die drukken van tot wel 300 MPa kunnen bereiken, wat een indicatie is van de enorme capaciteit en mogelijkheden van waterstofcompressie in de toekomst.

Daarnaast zijn er verschillende soorten compressoren, zoals de olievrije boostercompressoren, die voornamelijk worden gebruikt in containerstations. Deze worden aangedreven door hydraulische systemen en kunnen drukken tot 100 MPa halen. Een ander type, de ioncompressor, bevindt zich nog in een experimenteel stadium. Het werkingsprincipe van een ioncompressor maakt gebruik van een ionvloeistof die de rol van de zuiger overneemt, en dit systeem kan worden aangedreven door hydraulische systemen. Het voordeel van ioncompressoren is dat ze hogere compressiesnelheden kunnen bereiken, met een beter vermogen om hoge drukken te realiseren en aan te passen aan de dynamische omstandigheden van waterstofstations.

De ontwikkeling van waterstofcompressiecapaciteiten is niet alleen van belang voor de praktische toepassing van waterstof als brandstof, maar ook voor het oplossen van technische uitdagingen die verband houden met de opslag en het transport van waterstof. Deze uitdagingen worden voornamelijk veroorzaakt door de fysische eigenschappen van waterstofgas, zoals zijn lage dichtheid, wat betekent dat het gas onder hoge druk moet worden opgeslagen om nuttig te zijn in de transportinfrastructuur. Compressoren spelen een sleutelrol bij het comprimeren van waterstof tot een voldoende hoge druk, zodat het efficiënt kan worden opgeslagen in tanks en later kan worden getransporteerd naar verschillende stations.

De toepassing van ioncompressoren kan daarnaast belangrijke voordelen bieden, zoals een lager energieverbruik door de verminderde wrijvings- en warmteontwikkeling. Dit systeem kan ook helpen bij het verminderen van de kosten die gepaard gaan met de koeling van traditionele compressoren, aangezien de ionvloeistof tegelijkertijd fungeert als een soort smeermiddel en koelmiddel.

Wat echter van groot belang is bij de ontwikkeling van compressortechnologieën, is het effect van waterstofembrittlement op de materialen die in de compressoren worden gebruikt. Waterstofembrittlement kan de sterkte van metalen aanzienlijk verminderen, wat kan leiden tot scheuren en breuken in de structuren van drukvaten. Dit verschijnsel is vooral relevant voor materialen zoals koolstofstaal en laaggelegeerd staal, die veel gebruikt worden in de constructie van compressoren. Het proces van waterstofembrittlement wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van waterstof in de materiaaldelen van de metalen, wat uiteindelijk kan leiden tot een afname van de taaiheid en plastische eigenschappen van het materiaal. Daarom moeten materialen die worden gebruikt in de constructie van waterstofcompressoren speciaal worden behandeld om de effecten van embrittlement te minimaliseren en de levensduur van de compressor te waarborgen.

Wat verder belangrijk is, is dat de verschillende compressortechnologieën niet alleen technologische uitdagingen met zich meebrengen, maar ook vragen opwerpen over de operationele betrouwbaarheid en de kosten van waterstofinfrastructuur. De keuze voor een specifiek type compressor heeft invloed op de energie-efficiëntie, de kosten van tankstations en de snelheid waarmee waterstof kan worden geleverd aan voertuigen en andere eindgebruikers. Het verhogen van de uitlaatdruk kan bijvoorbeeld de prestaties van het tankstation verbeteren, maar dit gaat vaak gepaard met hogere kosten voor zowel de apparatuur als het onderhoud. Het is daarom essentieel om de juiste balans te vinden tussen prestatievereisten en operationele kosten bij het selecteren van de compressortechnologie voor een bepaald project.

Hoe kunnen bestaande aardgaspijpleidingen worden aangepast voor waterstoftransport?

Vanwege de hoge initiële kosten voor de aanleg van langeafstands-waterstofpijpleidingen wordt er wereldwijd steeds meer aandacht besteed aan de mogelijkheid om bestaande aardgaspijpleidingen te gebruiken voor het transport van waterstof of waterstof-verrijkt aardgas. Aangezien de infrastructuur voor aardgas al grootschalig aanwezig is, biedt dit een versneld pad richting een functionele waterstofeconomie, mits de technische uitdagingen beheersbaar zijn.

In vergelijking met aardgaspijpleidingen is het huidige wereldwijde netwerk van waterstofpijpleidingen beperkt van omvang. De diameters en ontwerpdrukken van bestaande waterstofpijpleidingen zijn significant kleiner dan die van aardgas. Waar aardgaspijpleidingen vaak een diameter hebben tussen 1016 en 1420 mm en ontwerpdrukken tot 20 MPa aankunnen, zijn waterstofpijpleidingen doorgaans beperkt tot 304–914 mm en drukken van 2 tot 10 MPa. De totale lengte van operationele aardgaspijpleidingen wereldwijd bedraagt ongeveer 1.270.000 km, tegenover amper 6000 km aan waterstofpijpleidingen.

Een van de eerste praktijkvoorbeelden van aanpassing van een aardgaspijpleiding naar een waterstofpijpleiding vond plaats in 2019 tussen Dow Benelux en Yara. In China werd in 2018 het Chaoyang-project gestart, waarbij groene waterstof wordt geproduceerd uit hernieuwbare energie via elektrolyse, en vervolgens tot 10% wordt gemengd met aardgas voor gebruik in ketels. Dit systeem werd gedurende een jaar veilig geëxploiteerd, wat aantoont dat dergelijke mengtoepassingen technisch haalbaar zijn. Toch blijven dit voorlopig vooral experimentele projecten.

De fysieke eigenschappen van waterstof verschillen fundamenteel van die van aardgas. Hoewel waterstof een lagere dichtheid heeft, bezit het een veel hogere verbrandingswaarde per kilogram. Daarnaast is waterstof aanzienlijk makkelijker ontvlambaar en heeft het een veel snellere vlamvoortplanting. Deze eigenschappen maken de omgang met waterstof technischer risicovoller dan met aardgas. Het diffuseert ook gemakkelijker door metaal, wat leidt tot waterstofbrosheid — een fenomeen dat bij aardgastransport verwaarloosbaar is.

Vanwege deze eigenschappen kunnen waterstofpijpleidingen niet worden ontworpen volgens de bestaande normen voor aardgaspijpleidingen. De belangrijkste internationale normen voor het ontwerp van waterstofpijpleidingen zijn ASME B31.12 (2019) en CGA G-5.6 (2005). Deze zijn gericht op zowel langeafstandstransport als lokale distributienetwerken. In landen zoals China ontbreken nog robuuste standaarden voor langeafstandstransport van waterstof, al zijn er ontwerpen in ontwikkeling die specifiek rekening houden met de invloed van waterstof op het mechanische gedrag van staal.

De ontwerpformule voor waterstofpijpleidingen bevat daarom een extra parameter: de materiaaleigenschapscoëfficiënt. Deze coëfficiënt weerspiegelt de degradatie van materiaaleigenschappen onder invloed van waterstof en resulteert in een aangepaste wanddikte en lagere ontwerpdrukken. Dit verhoogt de structurele veiligheid, maar heeft directe gevolgen voor materiaalkeuze, kosten en dimensionering. Hogere staalsterktes (zoals X70 en X80), die gangbaar zijn in aardgastransport, vertonen een lagere toelaatbare druk onder waterstofinvloeden, wat wijst op een behoefte aan nieuwe staalsoorten of beschermende coatings.

Een ander cruciaal aspect is compressie. Aangezien waterstof een extreem lage moleculaire massa heeft, brengt dit specifieke uitdagingen met zich mee bij grootschalig transport via pijpleidingen. Traditionele compressoren, zoals zuiger- of centrifugaalcompressoren, moeten speciaal worden aangepast. Zuigercompressoren zijn technisch rijp maar potentieel vervuilend, tenzij olie-vrij ontworpen. Centrifugaalcompressoren kampen met lage efficiëntie en hoge kosten door de vele benodigde compressiestappen. Membranen en metaallegeringen bieden interessante alternatieven. Vooral metaallegeringcompressoren, die gebaseerd zijn op waterstofabsorptie en -desorptie, zijn compact, onderhoudsarm en stil, maar momenteel nog niet geschikt voor grootschalige toepassingen.

Naast technische kwesties van pijpleidingontwerp en compressie is ook de standaardisatie van groot belang. Het ontbreken van uniforme internationale standaarden belemmert de opschaling van waterstofinfrastructuur. Zonder duidelijke richtlijnen voor materiaalkeuze, ontwerpdruk, veiligheidsfactoren en onderhoudsstrategieën, blijft elk project sterk afhankelijk van individuele risicoanalyses en ad-hoc engineeringoplossingen.

Het gebruik van bestaande aardgasinfrastructuur voor waterstoftransport is strategisch aantrekkelijk, maar vereist een fundamenteel andere benadering van ontwerp, materiaalkeuze en operationele veiligheid. Een oppervlakkige conversie is niet mogelijk zonder compromissen aan veiligheid en duurzaamheid. Bovendien moeten de thermodynamische, chemische en mechanische interacties tussen waterstof en leidingmaterialen integraal worden meegenomen bij ontwerpbeslissingen.

Wat eveneens belangrijk is, is de economische context: zelfs als de technische haalbaarheid wordt aangetoond, zal de marktontwikkeling afhangen van de schaalbaarheid van productie van groene waterstof, prijsstructuren, regulering van bijmenging, en investeringsbereidheid van netwerkbeheerders. Ook moet worden gelet op grensoverschrijdende compatibiliteit van leidingen, vooral binnen de EU, waar waterstoftransmissie zich zal moeten verhouden tot bestaande energie-infrastructuren, emissiedoelstellingen en energiemarkten.

Hoe kan vloeibare ammoniak bijdragen aan de toekomst van energieopslag en -productie?

Vloeibare ammoniak heeft het potentieel om een cruciale rol te spelen in de toekomstige energiemarkt, vooral als opslag- en transportmiddel voor waterstof. Ammoniak kan via een katalysator worden omgezet in waterstof, opgeslagen en vervoerd in de vorm van vloeibare ammoniak, waarna waterstof kan worden vrijgegeven voor gebruik onder invloed van dezelfde katalysator. Dit proces maakt gebruik van de voordelen van een gemakkelijke brandstofvoorziening, een volwassen infrastructuur voor vloeibaar transport, lage kosten en nul koolstofemissies. Gecombineerd met de hoge energie-efficiëntie en dichtheid van brandstofcellen kan de toepassing van koolstofvrije ammoniakbrandstofcellen in cyclische stroomgeneratie toepassingen, zoals water-elektrolyse en stikstofreductieprocessen, gerealiseerd worden.

De uitdaging hierbij is echter dat ammoniak schadelijk kan zijn voor protonenwisselingsmembranen (PEMFC) van brandstofcellen, zoals de NafionTM membranen, en dus niet direct in deze systemen kan worden gebruikt. Dit maakt de technologie voor waterstofopslag via ammoniak afhankelijk van efficiënte ontleding van ammoniak en de scheiding van waterstof van ammoniak voordat het in brandstofcellen gebruikt kan worden. Om de volledige "ammoniak-economie" te realiseren, moeten verschillende technische en operationele kwesties worden opgelost. Ten eerste, moet er een technologie ontwikkeld worden voor de efficiënte ontleding van ammoniak bij lage temperaturen (tussen de 80 en 150 °C) en de zuivering van waterstof om dit geschikt te maken voor toepassing in PEM-brandstofcellen of directe verbrandingsapplicaties. Ten tweede, is er de ontwikkeling van efficiënte groene ammoniak-synthesetechnologie, waarbij stikstof uit de lucht en water direct worden omgezet in vloeibare ammoniak. Dit zou de energieconsumptieproblemen die gepaard gaan met water-elektrolyse voor waterstofproductie en de synthese van ammoniak kunnen vermijden.

De apparatuur voor de productie van ammoniak voor waterstofopslag en de decompositie van ammoniak voor de vrijgave van waterstof moet bovendien worden geïntegreerd met industriële eindgebruikapparatuur. De rol van vloeibare ammoniak in de energietransitie is dus afhankelijk van verschillende technologische doorbraken, vooral als het gaat om de efficiëntie van de productieprocessen en het gebruik van hernieuwbare energiebronnen.

Wat betreft de productie van ammoniak, wordt momenteel de meeste ammoniak gesynthetiseerd via het Haber-Bosch-proces, dat in 1905 werd ontwikkeld door de Duitse chemici Fritz Haber en Carl Bosch. Dit proces is nog steeds het meest gangbare proces voor ammoniakproductie, met een jaarlijkse productie van ongeveer 200 miljoen ton, waarvan meer dan 85% wordt gebruikt voor de landbouw en de rest voor de chemische industrie. Het Haber-Bosch-proces is echter energie-intensief: het verbruikt wereldwijd ongeveer 1–2% van het totale energieverbruik en produceert jaarlijks 400–500 miljoen ton CO2. De synthese van ammoniak via dit proces is een exothermische reactie waarbij stikstof en waterstof reageren om ammoniak te vormen. De reacties worden uitgevoerd onder hoge druk (20–30 MPa) en hoge temperaturen (300–500 °C) om de reactiesnelheid te verhogen. De reactie zelf heeft echter slechts een rendement van 10–20%, waardoor het proces op industriële schaal veel energie vereist.

Als alternatief zijn er nieuwe technologieën die proberen de efficiëntie van de ammoniakproductie te verbeteren. Eén hiervan is de chemische looping ammoniak-synthese (CLAS), een technologie die wordt gebruikt voor de conversie van koolstofvoorraden naar chemische producten of energie. CLAS-technologieën omvatten verschillende benaderingen: de H2O-CLAS, H2-CLAS en AH-CLAS, die verschillende bronnen van waterstof en stikstof gebruiken om ammoniak te synthetiseren. De H2O-CLAS-technologie, bijvoorbeeld, maakt gebruik van water en metalen nitriden als bronnen voor waterstof en stikstof, maar vereist zeer hoge temperaturen van meer dan 1000 °C, wat leidt tot hoge energiekosten. De H2-CLAS-technologie maakt gebruik van waterstof om ammoniak te synthetiseren onder gematigder temperatuur- en drukomstandigheden, terwijl de AH-CLAS-technologie gebruik maakt van alkali- en aardalkalimetalen om ammoniak te produceren bij temperaturen van rond de 100 °C en 1 atmosfeer.

Electrochemische ammoniak-synthese (ECAS) is een andere veelbelovende technologie die kan bijdragen aan een duurzame ammoniakproductie. Deze technologie heeft als voordeel dat het mogelijk is om stikstof te activeren en om te zetten bij milde omstandigheden, wat de toepassing ervan op kleinere schaal of gedistribueerde productie, bijvoorbeeld op basis van hernieuwbare energie, vergemakkelijkt. Dit proces opent de deur naar kleinschalige productie van groene ammoniak, wat bijdraagt aan een duurzamer energiesysteem.

Het is van belang te begrijpen dat de overgang naar een ammoniak-gebaseerde economie, hoewel veelbelovend, afhankelijk is van de verdere ontwikkeling van de hierboven beschreven technologieën. De uitdaging ligt in het verbeteren van de energie-efficiëntie en het minimaliseren van de kosten van de benodigde processen, zodat deze op grote schaal kunnen worden toegepast. Dit vereist niet alleen technische innovatie, maar ook strategische samenwerking tussen industriële spelers, overheden en onderzoekers. Het combineren van ammoniak als energieopslagmiddel met de opkomst van hernieuwbare energiebronnen zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van een koolstofneutrale toekomst.

Welke kernfuncties vervult een Event Broker in een event-gedreven architectuur?
Hoe Herken je Zeldzame Veld- en Watervogels: Identificatie van de Grote Fazant, Baillon's Krake, en Anderen
Wat komt er tevoorschijn wanneer taalmodellen groter worden?