Wat is de toekomst van waterstofopslag in voertuigen en industrieën?

De ontwikkeling van waterstofopslag is van cruciaal belang voor de uitbreiding van waterstofenergie in zowel de transport- als de industriële sector. In de afgelopen jaren hebben verschillende bedrijven en onderzoeksinstellingen wereldwijd aanzienlijke vooruitgangen geboekt in het ontwikkelen van technologieën voor de opslag en het transport van waterstof. De focus ligt daarbij op het verbeteren van de energieopslagcapaciteit en de veiligheid van waterstofsystemen.

Een van de opmerkelijke innovaties in dit gebied is de lancering van een draagbare brandstofcelvoeding op basis van magnesiumhydride-hydrolyse door Shanghai Jiaotong University in samenwerking met Shanghai Magnesium Power Technology Co., Ltd. en Shanghai Yuji Power Technology Co., Ltd. Dit systeem, met een energie-dichtheid van 600 W·h/kg, is in staat om te functioneren bij temperaturen van -40 tot 50 °C, wat het geschikt maakt voor gebruik in extreme klimaatomstandigheden. Dit is slechts een voorbeeld van de vele ontwikkelingen die plaatsvinden in de wereld van waterstofbrandstofcellen.

De vraag naar solid-state waterstofopslag groeit nu snel. Dit komt doordat solid-state materialen een aanzienlijke energiedichtheid en veiligheidsvoordelen bieden, wat hen geschikt maakt voor middelgrote en zware voertuigen, zoals bussen en vrachtwagens die lange afstanden moeten afleggen. Bovendien wordt waterstofopslag steeds belangrijker voor de waterstofchemische industrie, waar het gebruik van waterstof in de productie van staal een revolutie teweegbrengt. In mei 2021 werd in Zhangjiakou, Hebei, het eerste wereldwijde demonstratieproject voor waterstofrijke gasdirectreductie gelanceerd door de HBIS Group, en in december van dat jaar startte China Baowu Steel Group Corporation de bouw van een million ton waterstofgas vertical furnace direct reduction project.

In de toekomst zullen solid-state waterstofopslagsystemen waarschijnlijk de basis vormen voor grootschalige waterstofopslag en -vervoer. Een innovatief voorbeeld hiervan is het project van Shanghai Jiaotong University en H2 Store (Shanghai) Energy Tech. Co., Ltd., die samen de eerste magnesium-gebaseerde solid-state waterstofopslagprototype in China ontwikkelden, met een capaciteit van 70 kg. Dit systeem kan worden gebruikt voor grootschalige waterstofopslag en transport, met als doel de technologie verder te ontwikkelen voor bredere toepassingen.

Daarnaast zijn er waterstofvulstations op basis van solid-state waterstofopslagalloyen die aanzienlijke voordelen bieden in termen van veiligheid en kosten. Een van de eerste stations werd gebouwd in Liaoning door Shenzhen Up Power Technology Co., Ltd. in 2019. Dit station werkt met een lage druk en heeft geen hoge-drukcompressoren of opslagtanks nodig, waardoor de initiële investering laag is en het station kleiner is dan traditionele stations. De technologie biedt echter ook uitdagingen, zoals de relatief hoge kosten en het gewicht van de opslagsystemen.

De technologie van waterstofopslag op basis van metalen hydrides heeft echter ook zijn beperkingen. De expanderende kristalstructuur bij de absorptie van waterstof kan leiden tot mechanische spanning en het uiteenvallen van de legering, wat de levensduur van het materiaal vermindert. De ontwikkeling van nieuwe legeringen en optimalisatie van de materialen zal de prestaties van deze systemen in de toekomst verder verbeteren.

Het is essentieel om te begrijpen dat, hoewel waterstofopslag via metalen hydrides aanzienlijke voordelen biedt, de technologische ontwikkelingen nog niet volledig zijn uitgeput. Het gebruik van verschillende soorten legeringen, zoals AB5, AB2, en Ti-gebaseerde legeringen, hangt sterk af van de specifieke eisen van de toepassing, of het nu gaat om voertuigen, industriële processen of energieopslag. Verder onderzoek naar de kosteneffectiviteit, de duurzaamheid van materialen en de schaalbaarheid van de productieprocessen is van groot belang om deze technologieën commercieel levensvatbaar te maken.

Hoe kunnen we de efficiëntie en veiligheid van waterstoftransport via pijpleidingen verbeteren?

Waterstoftransport via pijpleidingen is een essentiële en strategische technologie voor de waterstofeconomie. De effectiviteit van dit systeem hangt echter sterk af van de keuze van compressoren, pijpleidingmaterialen en de mate van menging van waterstof in aardgas. In dit kader is de rol van waterstofcompressoren, die de druk van waterstof verhogen om het via lange afstanden te transporteren, van cruciaal belang. Deze compressoren moeten zorgvuldig worden geselecteerd op basis van specifieke parameters zoals de doorstroomcapaciteit, aanzuigdruk en uitlaatdruk.

Een van de belangrijkste uitdagingen in de bouw van nieuwe waterstofpijpleidingen is de hoge kosten. Dit vormt een aanzienlijke belemmering voor grootschalige implementatie. Toch zal de voortdurende ontwikkeling van de waterstofindustrie, samen met de groeiende vraag naar waterstof, leiden tot aanzienlijke vooruitgangen in pijpleidingtechnologieën. Het onderzoek naar mengsystemen van waterstof en aardgas, de ombouw van bestaande aardgasinfrastructuren voor waterstoftransport en de ontwikkeling van nieuwe compressoren zullen de toekomst van waterstoftransport via pijpleidingen aanzienlijk verbeteren. Deze technologieën zullen niet alleen de efficiëntie verhogen, maar ook de kosten verlagen.

Bij de analyse van de geschiktheid van materialen voor waterstoftransport wordt gekeken naar de staalsoort, de maximale operationele druk (MAOP) en de chemische samenstelling van het staal. Bij hogere waterstofconcentraties moeten er extra veiligheidsmaatregelen worden genomen om te waarborgen dat de pijpleiding bestand is tegen waterstofverzwakking en scheurvorming, veroorzaakt door de interactie tussen waterstof en het staal. Dit proces wordt aangeduid als waterstofverspreiding, wat kan leiden tot verminderde mechanische eigenschappen van het materiaal, zoals verminderde taaiheid en verhoogde kwetsbaarheid voor scheurvorming.

Waterstofverspreiding kan op verschillende manieren optreden, maar wordt meestal geclassificeerd in drie hoofdtypen: scheurvorming door diffusie van waterstof, lokale deformatie door waterstof en de vorming van gasbellen die kunnen leiden tot interne drukverhoging en breuken in het materiaal. Het is van vitaal belang dat de materialen die in waterstofpijpleidingen worden gebruikt, voldoen aan specifieke eisen met betrekking tot chemische samenstelling, korrelgrootte en de hardheid van lassen en haarscheuren (HAZ), die gevoelig kunnen zijn voor waterstofbeschadiging.

Naast de technische aspecten van de pijpleidingen en compressoren, speelt ook de methodologie voor het testen van materialen en pijpleidingen een grote rol. Zo moeten pijpleidingen regelmatig worden getest om de maximale bedrijfsdruk en de weerstand tegen waterstofverzwakking te bepalen. De normen zoals de KD-10 regelgeving en ASME B31.12-2014 bieden een gedetailleerde aanpak voor het beoordelen van de geschiktheid van materialen en het uitvoeren van sterkteanalyses, met als doel een veilige en efficiënte werking van waterstofpijpleidingen op lange termijn.

Tegenwoordig is er een groeiende behoefte aan verbeterde materialen die bestand zijn tegen de effecten van waterstof. Deze materialen moeten niet alleen sterk en duurzaam zijn, maar ook in staat om waterstof op een veilige en efficiënte manier door pijpleidingen te transporteren. Nieuwe technologieën en innovaties in het ontwerp van compressoren en pijpleidingen zullen essentieel zijn voor de toekomst van waterstoftransport, waarbij kostenbesparing en maximale veiligheid de belangrijkste prioriteiten blijven.

Het is belangrijk te begrijpen dat de ontwikkeling van waterstoftransporttechnologie niet alleen afhankelijk is van technische innovaties, maar ook van een breed scala aan economische en beleidsmatige factoren. De kosten van nieuwe pijpleidingen, de keuze van materialen en de implementatie van nieuwe technologieën zullen sterk beïnvloed worden door de marktvraag en overheidsbeleid. In de toekomst zullen we waarschijnlijk een verschuiving zien naar meer gestandaardiseerde en goedgekeurde technologieën die de kosten zullen verlagen en de toegankelijkheid van waterstoftransport zullen verbeteren.

Wat zijn zeldzame aardmetaal-magnesium-nikkel waterstofopslaglegeringen en hun toepassingen?

In de laatste jaren is een nieuwe soort waterstofopslaglegering op basis van zeldzame aardmetalen, magnesium en nikkel ontwikkeld. Deze legering heeft de unieke eigenschap dat de kristalstructuur gevormd wordt door het stapelen van twee verschillende subeenheden, namelijk [A2B4] en [AB5], langs de c-as. Dit maakt het mogelijk om een algemeen formule te formuleren als ABy  A2B4  x AB5 x  1,2,3,4. De typische superroosterstructuren van deze legeringen zijn onder andere AB3, A2B7, A5B19 en AB4. Bijvoorbeeld, de AB3-structuur kan worden uitgedrukt als A2B4  AB5  A3B9  3AB3 x  1.

Deze legeringen combineren de hoge capaciteitseigenschappen van AB2-type legeringen met de gemakkelijk te activeren voordelen van AB5-type legeringen. De superroosterstructuur van elk type zeldzame aardmetaal-magnesium-nikkellegering kan worden verdeeld in twee categorieën, afhankelijk van de samenstelling van de subeenheden. Wanneer de [A2B4] subeenheid een MgZn2-type structuur vormt, heeft de resulterende superroosterstructuur een P63/mmc ruimtegroepstructuur (2H-type). Als de subeenheid een MgCu2-type structuur is, heeft het een R-3m ruimtegroepstructuur (3R-type). Dit betekent dat voor elk type superroosterlegering er twee verschillende fasen bestaan: de 2H-type en de 3R-type. Bijvoorbeeld, AB3-type legeringen kunnen worden onderverdeeld in de CeNi3-type (2H-type) en de PuNi3-type (3R-type), terwijl A2B7-type legeringen kunnen worden verdeeld in de Ce2Ni7-type (2H-type) en de Gd2Co7-type (3R-type).

In de bereidingsfase van deze legeringen kunnen verschillen in de thermodynamische stabiliteit van de verschillende superroosterstructuren leiden tot diverse kristalstructuren. Dit resulteert vaak in de vorming van meerdere fasen binnen dezelfde legering. Het is ook mogelijk dat niet-superroosterstructuren, zoals de CaCu5-type AB5 fase, in de legering verschijnen. Dit maakt het mogelijk dat verschillende fasen naast elkaar bestaan en in elkaar overgaan, wat het gedrag en de eigenschappen van de legering verder complex maakt.

Om het waterstofopslagvermogen van deze legeringen verder te verbeteren, gingen wetenschappers over op het vervangen van zwaardere zeldzame aardmetalen door lichtere metalen, zoals Ca en Mg. Hierdoor werden legeringen ontwikkeld die hogere waterstofopslagcapaciteiten vertoonden, zoals de (Y0.5Ca0.5)(MgCa)Ni9 legering met een reversibele capaciteit van 2 wt% bij 263 K. Andere legeringen, zoals de (La0.65Ca0.35)(Mg1.32Ca0.68)Ni9, toonden een verhoogde waterstofabsorptiecapaciteit van 1,87 wt%, met een uitstekende cyclusstabiliteit van ongeveer 1,61 wt% na 2000 cycli van absorptie en desorptie.

Wat belangrijk is om te begrijpen bij het werken met deze zeldzame aardmetaal-magnesium-nickel legeringen, is dat de verschillende fases en fasetransformaties binnen een enkele legering van invloed kunnen zijn op zowel de waterstofopslagcapaciteit als de stabiliteit tijdens herhaaldelijke cycli. Het verkrijgen van legeringen met een hoge stabiliteit en een goed gedoseerde waterstofcapaciteit vereist gedetailleerde controle over de kristalstructuur en chemische samenstelling. De aanwezigheid van meerdere fasen binnen een enkele legering is niet ongebruikelijk, en deze fasen kunnen van invloed zijn op de praktische bruikbaarheid van de legering in industriële toepassingen.

Bij het ontwerpen van deze materialen is de juiste thermische behandeling van cruciaal belang. Bijvoorbeeld, door snel te koelen (snelle afkoeling) of door het legeringsmateriaal op hoge temperatuur te behandelen (gloeien), kan de kristalstructuur worden gehomogeniseerd. Dit proces onderdrukt elementsegratie en zorgt voor een uniformere legering, wat de eigenschappen van de legering, zoals de waterstofopslagcapaciteit en de cycluslevensduur, aanzienlijk verbetert.

Wat zijn de belangrijkste ontwikkelingen in magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen?

Magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen zijn de laatste jaren onderwerp van intensief onderzoek vanwege hun potentieel voor efficiënte en duurzame energieopslag. Magnesium (Mg) en zijn legeringen hebben unieke eigenschappen die hen geschikt maken voor waterstofopslag, zoals hoge theoretische opslagcapaciteit en een relatief lage prijs in vergelijking met andere materialen. Het gebruik van Mg-gebaseerde nanocomposieten heeft de prestaties van deze materialen aanzienlijk verbeterd, wat hen tot een aantrekkelijke keuze maakt voor zowel industriële als onderzoeksdoeleinden.

Een van de belangrijkste benaderingen in de optimalisatie van Mg-gebaseerde materialen is de combinatie van nanoschaling en interfaciale effecten. Deze benadering verbetert niet alleen de kinetiek van de waterstofopname en -afgifte, maar verlaagt ook de desorptietemperatuur, wat essentieel is voor praktische toepassingen. Onderzoekers zoals Liu et al. (2014) hebben de voordelen van Mg-gebaseerde nanocomposieten benadrukt, waarbij het gebruik van nanodeeltjes en specifieke dopanten de prestaties bij waterstofopslag aanzienlijk verbeteren.

Naast de verbetering van de opslagcapaciteit zijn er ook talrijke studies naar de structurele eigenschappen van Mg-gebaseerde materialen. Zo is er veel aandacht voor het gebruik van kernen en schelpen in nanostructuren, waarbij bijvoorbeeld een Mg-Ni nano-composiet is ontwikkeld met verhoogde waterstofopnamecapaciteit. Het toevoegen van overgangsmetalen zoals Ti, Ni, Co en Fe blijkt ook gunstig te zijn voor het verbeteren van de kinetiek van de waterstofopname en -afgifte. Dit komt doordat deze metalen fungeren als katalysatoren die het dehydrogeneren van MgH2 vergemakkelijken, wat een essentieel proces is voor de praktische toepassing van Mg-gebaseerde waterstofopslagmaterialen.

Een andere veelbelovende benadering is de integratie van zeldzame aardmetalen (Rare Earth Elements, REE) in Mg-gebaseerde legeringen. Onderzoekers zoals Zhang et al. (2016) hebben de toepassing van REE in waterstofopslagmaterialen onderzocht, en vonden dat deze elementen de stabiliteit van de hydrideverbindingen kunnen verbeteren, evenals de thermodynamische eigenschappen die de opslagcapaciteit beïnvloeden. Het gebruik van REE in combinatie met Mg verhoogt de waterstofopname en -afgifte efficiëntie, wat het commerciële potentieel van deze materialen verder vergroot.

De hydrolyse van MgH2 is een andere innovatieve benadering die de waterstofopslagcapaciteit kan verbeteren. Dit proces maakt gebruik van waterstofafgifte door middel van een chemische reactie, waarbij magnesiumhydride reageert met water. Het gebruik van additieven, zoals ammoniumchloride, kan de kinetiek van dit proces verder verbeteren, wat resulteert in snellere waterstofafgifte. Dit biedt mogelijkheden voor toepassingen in brandstofcellen en andere energieopslagtoepassingen die snelle en betrouwbare waterstofafgifte vereisen.

Naast de structurele en chemische verbeteringen zijn er ook vooruitgangen geboekt in de synthetische methoden voor het vervaardigen van Mg-gebaseerde waterstofopslagmaterialen. Het gebruik van technieken zoals de plasmamethode heeft geleid tot de ontwikkeling van nanocomposieten met verbeterde opslagcapaciteit. Door het nauwkeurig controleren van de nanostructuur kunnen wetenschappers de eigenschappen van het materiaal optimaliseren, wat resulteert in een betere prestatie in de waterstofopslag.

Het is belangrijk te benadrukken dat, hoewel magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen veelbelovend zijn, er nog aanzienlijke uitdagingen zijn die moeten worden overwonnen voordat ze op grote schaal kunnen worden toegepast. Een van de grootste uitdagingen is het verbeteren van de desorptie-eigenschappen, omdat de temperatuur voor waterstofafgifte momenteel nog relatief hoog is in vergelijking met andere waterstofopslagmaterialen. Verder blijft het verbeteren van de cyclische stabiliteit van Mg-gebaseerde materialen een prioriteit, aangezien de prestaties van deze materialen na meerdere laad- en ontlaadcycli vaak afnemen.

In de nabije toekomst zal de combinatie van nanotechnologie, katalytische verbeteringen en de ontwikkeling van geavanceerde synthetische methoden waarschijnlijk de sleutel zijn tot het oplossen van de huidige beperkingen van Mg-gebaseerde waterstofopslagmaterialen. Het vooruitzicht van goedkope, efficiënte en duurzame waterstofopslagtechnologieën zal de weg banen voor een bredere toepassing van waterstof als schone energiebron.