In Europa ligt de totale capaciteit voor waterstofproductie via pijpleidingen al boven de 50.000 Nm³/h, wat andere transportmethoden overstijgt. Het transport van waterstof via pijpleidingen zal in de toekomst de belangrijkste manier worden om waterstof op lange afstand te transporteren. Seizoensgebonden energieopslag speelt een cruciale rol in het ondersteunen van langdurige, grootschalige en brede energieoverdracht, en het vormt een sleuteltechnologie om lange onderbrekingen in de levering van energie, met name in systemen die voor een groot deel uit hernieuwbare energiebronnen bestaan, op te vangen.

De kosten van vaste energieopslag kunnen in het algemeen worden geanalyseerd vanuit twee perspectieven: investeringskosten en de kosten gedurende de gehele levenscyclus. Onderzoekers hebben de genivelleerde kosten van energieopslag (LCOS) voor verschillende opslagtechnologieën in 2020 en 2060 geanalyseerd en vergeleken. Ze ontdekten dat elektrochemische energieopslagtechnologieën, zoals lithium-ionbatterijen en natrium-ionbatterijen, aanzienlijke ruimte hebben voor kostenreductie en naar verwachting de goedkoopste technologie voor kortcyclische energieopslag zullen zijn vóór 2040. Echter, naarmate de ontlaadtijd toeneemt, stijgen de LCOS-kosten voor alle soorten energieopslagtechnologieën, waarbij de LCOS-kosten voor elektrochemische energieopslag een versneld oplopende trend vertonen, terwijl de LCOS-kosten van waterstofenergie, perslucht en pompopslag relatief langzaam toenemen. In het scenario van seizoensgebonden energieopslag is de huidige LCOS van elektrochemische energieopslag meer dan zes keer zo hoog als die van waterstofenergie, en tegen 2060 zal dit nog steeds vijf keer zo hoog zijn. Daarom wordt waterstofenergie de voornaamste methode voor seizoensgebonden energieopslag in de toekomst.

Solid-state waterstofopslagmaterialen en waterstofrijke vloeibare verbindingen hebben de potentie om een belangrijke rol te spelen in seizoensgebonden energieopslag vanwege hun lange-termijn opslagcapaciteiten. Met de verdere ontwikkeling van waterstoftechnologie en de toepassing ervan in transport, energieopslag, industrie en huishoudens, kan in de toekomst een uniform sociaal energiesysteem ondersteund door waterstofenergie worden gerealiseerd. Dit systeem omvat hernieuwbare energie-invoer, waterstofproductie (elektriciteit naar waterstof, P2H), waterstofopslag (HS), waterstofenergieconversie (waterstof naar elektriciteit, H2P), waterstof naar gas (H2G), waterstof naar waterstof (H2H), waterstof naar warmte (H2T), elektriciteit, warmte, aardgas, waterstoftransmissienetwerken en belasting. Het toekomstige energiesysteem, gekoppeld aan waterstof, biedt het potentieel voor een breed scala aan energiebehoeften, van elektriciteit tot warmte tot gas.

De primaire energiebronnen zullen bestaan uit windenergie, zonne-energie, kernenergie, waterkracht en andere hernieuwbare energiebronnen. Van deze bronnen hebben wind- en zonne-energie de meeste beschikbare middelen, hoewel ze te maken hebben met onzekerheden door hun intermittentie. Om de efficiëntie van wind- en zonne-energie te verhogen, wordt het generatoren gekoppeld aan elektrolysers die overtollige elektriciteit omzetten in waterstof. Stabiele en controleerbare energiebronnen, zoals kernenergie, dragen bij aan het basislastverbruik van het systeem, waardoor ze efficiënt kunnen werken en het brandstofverbruik van het systeem kunnen besparen. Waterstof kan worden ingezet als een betrouwbare en flexibele energiedrager die kan helpen bij het opvangen van fluctuaties in de energieproductie van wind- en zonne-energie.

Naast elektriciteit kan waterstof ook een belangrijke rol spelen in de verwarmingssector. Waterstof kan rechtstreeks worden verbrand in waterstofkachels of gecombineerd met technologieën zoals warmte-krachtinstallaties. Waterstofverwarming biedt een stabiele en controleerbare oplossing om de warmtebehoefte te ondersteunen, vooral wanneer andere hernieuwbare warmtebronnen zoals zonne-thermische energie onderhevig zijn aan fluctuerende prestaties. De combinatie van waterstof en hernieuwbare energiebronnen kan de basis vormen voor een flexibel en betrouwbaar verwarmingssysteem.

Waterstof speelt ook een belangrijke rol in de industriële en transportsector. Gasbronnen zoals elektriciteit en aardgas worden steeds meer vervangen door "groene waterstof", geproduceerd via elektrolyse van water door hernieuwbare energie. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het decarboniseren van zware industrieën en de transportsector. De integratie van waterstof in de gasinfrastructuur kan de basis leggen voor een duurzamer en betrouwbaarder energiesysteem.

Veiligheid in het proces van waterstofopslag en -transport is van essentieel belang. Corrosie, waterstofverzwakking, vermoeidheid en waterstofdiffusie kunnen de levensduur van opslagapparatuur verminderen, en in ernstige gevallen leiden tot lekkages en ongevallen. De explosieve aard van waterstof, die een breed brandbaar bereik heeft en lage ontstekingseisen, maakt het noodzakelijk om voortdurend te werken aan verbeterde detectie- en veiligheidsmaatregelen. In landen als China zijn er al standaarden geïmplementeerd voor de veiligheid van waterstofopslag en -transport, hoewel internationale normen op dit gebied doorgaans verder ontwikkeld zijn. Het ontwikkelen van betere technologieën voor het detecteren van waterstoflekken en het verbeteren van de infrastructuur voor waterstoftransport zal essentieel zijn voor de grootschalige toepassing van waterstofenergie.

In de toekomst zal waterstof dus een centrale rol spelen in het wereldwijd energiesysteem, niet alleen als een alternatieve energiedrager, maar ook als een opslagmiddel dat de fluctuaties in energieproductie kan afvlakken en bijdraagt aan het decarboniseren van verschillende sectoren. Het integreren van waterstof in bestaande en nieuwe energie-infrastructuren vereist echter aanzienlijke investeringen in technologie, veiligheid en regelgeving. Het ontwikkelen van robuuste systemen voor opslag, transport en distributie zal noodzakelijk zijn om de belofte van waterstof als duurzame energieoplossing volledig te realiseren.

Wat maakt TiFe-legeringen aantrekkelijk voor waterstofopslag en wat zijn de uitdagingen?

De TiFe-legering heeft een hogere omkeerbare waterstofopslagcapaciteit dan LaNi5, waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor waterstofopslagtoepassingen. Bij kamertemperatuur kan de TiFe-legering zowel waterstof absorberen als weer afgeven. De cyclustijd kan oplopen tot 2000 keer, wat de duurzaamheid van het materiaal benadrukt. Bovendien zijn de grondstoffen voor TiFe-legeringen goedkoper dan die voor LaNi5, wat de kosten voor productie verlaagt.

Echter, de TiFe-legering heeft verschillende nadelen. Het vormt gemakkelijk een dichte TiO2-laag, wat de activatie van de legering bemoeilijkt. Om de legering te activeren, zijn hoge temperaturen van ongeveer 400°C en een hoge druk van 5 MPa H2 vereist. Bovendien heeft het een zwakke weerstand tegen onzuiverheden; het wordt gemakkelijk vergiftigd en kan worden beïnvloed door H2O, O2 en andere gasonzuiverheden. Dit kan ervoor zorgen dat de waterstofopslagprestaties afnemen na herhaaldelijke absorptie- en afgiftecycli, waardoor de cyclustijd korter wordt.

Om de prestaties van TiFe-legeringen te verbeteren, wordt vaak elementvervanging toegepast. Het gebruik van overgangsmetalen zoals Mn, Cr, Zr en Ni om een deel van het Fe in TiFe-legeringen te vervangen, kan de waterstofopslagcapaciteit aanzienlijk verbeteren en de activatie vergemakkelijken. Dit biedt mogelijkheden om de stabiliteit en efficiëntie van TiFe-legeringen te verhogen, waardoor ze een aantrekkelijker alternatief worden voor waterstofopslagtoepassingen.

Een andere veelbelovende waterstofopslagtechnologie is de ontwikkeling van V-gebaseerde solid-solution legeringen. Deze legeringen bestaan uit één of meer waterstofabsorberende metalen die zijn opgelost in een ander metaal, waardoor een solide oplossing wordt gevormd. V-gebaseerde legeringen, zoals V-Ti-Ni en V-Cr-Mn, hebben uitstekende waterstofopslagcapaciteiten. In de structuur van deze legeringen kunnen waterstofatomen stabiel bestaan in tetraëdrische en octaëdrische tussenruimtes, wat de theoretische waterstofopslagcapaciteit verhoogt. Vanadiumhydriden hebben een hoge waterstofopslagcapaciteit, die kan oplopen tot 3,8 gewichtsprocent (wt%), hoewel het vrijkomen van waterstof bij kamertemperatuur moeilijk kan zijn door de stabiliteit van het hydride.

Het hydrideringsproces van vanadium verloopt in vier fasen: eerst worden waterstofmoleculen geadsorbeerd op het oppervlak van de legering en gescheiden in waterstofatomen. Deze atomen lossen op in de legering en vormen een solide oplossing. Verdere reactie van waterstof met de verzadigde oplossing leidt tot de vorming van een hydridefase, die vervolgens verder reageert. Het proces kan twee plateaus vertonen in de PCT-curve van het V-H-systeem, met verschillende fasen van waterstofopslag afhankelijk van de temperatuur en druk.

Vanadium-gebaseerde legeringen vertonen twee plateaus in hun waterstofabsorptie- en -afgiftecurves, waarbij de eerste fase moeilijk waterstof af te geven is vanwege de stabiliteit van het β1-fasehydride. De tweede fase laat de vorming van de γ-fase zien, maar de omkeerbare waterstofopslagcapaciteit is relatief laag (ongeveer 1,9 wt%). Het toevoegen van Ti aan het V-Ti-systeem kan de waterstofdruk verbeteren en de geschiktheid van de legering voor lagere temperaturen verbeteren, wat de toepassing in brandstofcellen en andere systemen vergemakkelijkt. Het mengen met 3d-overgangsmetalen zoals Cr, Mn, Fe, Co en Ni kan de waterstofabsorptie en de stabiliteit van de cyclus verbeteren. Bijvoorbeeld, het Ti43,5V49,0Fe7,5-legering heeft een effectieve waterstofopslagcapaciteit van 2,4 wt% en blijft na 1000 cycli goed presteren.

Naast de vanadiumlegeringen worden complexe hydrides steeds belangrijker voor waterstofopslag. Deze hydrides, zoals metal-aluminohydrides, boronhydrides en amiden, vertonen een hoge theoretische massa-waterstofopslagdichtheid. Hoewel ze thermodynamisch stabiel zijn, vertonen ze een trage reactiesnelheid en zijn ze thermisch instabiel, wat hun bruikbaarheid voor reversibele waterstofopslag beperkt.

Van de verschillende metalen borohydrides is LiBH4 de meest veelbelovende vanwege zijn hoge waterstofopslagcapaciteit van 18,36 wt%. Het komt voor in de vorm van een witte zoutachtige stof bij kamertemperatuur en heeft een smeltpunt van 275–278°C. Het nadeel van LiBH4 is echter dat het moeilijk te activeren is en hoge temperaturen vereist voor de waterstofafgifte, wat de praktische toepasbaarheid beperkt. Dit kan worden opgelost door gebruik te maken van composietsamenstellingen van LiBH4 met andere materialen om de kinetische prestaties te verbeteren en de activatie te vergemakkelijken.

De sleutel tot het verbeteren van de waterstofopslagcapaciteit en -efficiëntie ligt in het voortdurende onderzoek naar de verbetering van de materialen die we gebruiken, of het nu gaat om TiFe-legeringen, vanadium-gebaseerde systemen of complexe hydrides. Innovaties zoals de toevoeging van overgangsmetalen of de ontwikkeling van nieuwe legeringensystemen kunnen de prestaties van waterstofopslagmaterialen aanzienlijk verbeteren en bijdragen aan de bredere acceptatie van waterstof als schone energiebron.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen en mogelijkheden van waterstofopslag met behulp van ammoniakboranen?

Ammoniakborane (NH3BH3) is een veelbelovende verbinding voor waterstofopslag, voornamelijk door zijn theoretische waterstofopslagcapaciteit van 19,6 gewichtsprocent. Dit maakt het een van de meest efficiënte stoffen op het gebied van waterstofopslag. Het kristallijne poeder, dat stabiel blijft in droge lucht, heeft een bijzondere structuur waarbij de waterstofatomen verbonden aan het stikstofatoom een positieve lading dragen, terwijl die verbonden aan het booratoms een negatieve lading hebben. Deze ladingen zorgen voor een sterke elektrostatistische aantrekkingskracht, die bekendstaat als een dubbele waterstofbrug (N-H⋯H-B). Deze specifieke interactie speelt een cruciale rol in de stabiliteit en de chemische eigenschappen van ammoniakborane.

De reden waarom ammoniakborane stabiel blijft bij kamertemperatuur en druk, is de sterke aantrekkingskracht van de dubbele waterstofbrug die de moleculaire structuur van ammoniakborane stabiliseert. Bij de thermische ontleding van ammoniakborane, die waterstof vrijgeeft, wordt een exotherme reactie op gang gebracht, waarbij de bindingen tussen stikstof en boor worden omgezet in stabielere covalente bindingen. De ontledingsreactie van ammoniakborane gebeurt in drie fasen, waarbij de waterstofatomen geleidelijk vrijkomen bij oplopende temperaturen.

Hoewel ammoniakborane veelbelovend is, zijn er enkele belangrijke uitdagingen verbonden aan het gebruik ervan voor waterstofopslag. De thermische ontleding vereist aanzienlijke energie-invoer, wat betekent dat een hogere temperatuur nodig is om de ontleding efficiënt te laten verlopen. Meestal vindt de belangrijkste waterstofafgifte plaats bij temperaturen boven de 200°C. Bovendien, hoewel het mogelijk is om de hydrolyse van ammoniakborane te versnellen met behulp van katalysatoren, is de reactie zelf zonder katalysator relatief traag, wat de efficiëntie van waterstofproductie kan beïnvloeden.

De keuze van de katalysator speelt een essentiële rol in de snelheid van de dehydrogenatiereactie. In 2006 werd ontdekt dat edelmetalen zoals platina (Pt), rhodium (Rh) en palladium (Pd) zeer actieve katalysatoren zijn voor de hydrolyse van ammoniakborane, wat leidt tot de productie van waterstof. Platina blijkt de beste prestaties te leveren, met een minimale deactivatie bij herhaald gebruik. Edelmetalen zijn echter duur en schaars, wat hun grootschalige toepassing belemmert. Daarom wordt er steeds meer onderzoek gedaan naar goedkopere, niet-edelmetalen katalysatoren, zoals die op basis van nikkel (Ni), ijzer (Fe) en kobalt (Co). Kobalt blijkt bijzonder effectief te zijn, met een hoge katalytische activiteit bij lage concentraties.

Om de kosten van edelmetalen te verlagen, worden er combinaties van edel- en niet-edelmetalen ontwikkeld die een goede katalytische werking vertonen. Zo bleek uit onderzoek dat een combinatie van rutenium (Ru) en nikkel (Ni) de katalytische activiteit van ammoniakborane hydrolyse aanzienlijk kan verbeteren. De interactie tussen deze twee metalen bevordert de binding van ammoniakborane-moleculen en versnelt zo het dehydrogeneringsproces.

De rol van dragermaterialen is ook cruciaal voor het verbeteren van de katalysatorprestaties. Draagmaterialen zoals oxiden, koolstofmaterialen en metaal-organische raamwerken (MOF’s) kunnen helpen bij het voorkomen van de vorming van verontreinigingen op de nanopartikels en het voorkomen van agglomeratie. Deze materialen vergroten de actieve oppervlaktes van de katalysator en kunnen zo de algehele prestaties verbeteren. Onderzoek naar mesoporös koolstof-nitrogene materialen en MOF’s heeft al geleid tot de ontwikkeling van katalysatoren met uitstekende prestaties bij de hydrolyse van ammoniakborane, waarbij de turnoverfrequentie aanzienlijk hoger is dan bij traditionele katalysatoren.

Desondanks blijft de stabiliteit en de efficiëntie van de dehydrogenatie van ammoniakborane een uitdaging, vooral als het gaat om de technische schaalvergroting van dit proces. De snelheid van de reactie kan beperkt worden door de noodzaak van een geschikte katalysator en het gebrek aan schaalbare, goedkope alternatieven voor de huidige edelmetalen. Aanpassingen aan de reactorontwerpen en optimalisatie van katalysatorformuleringen kunnen mogelijk bijdragen aan de verbetering van de algehele efficiëntie van dit proces.

De mogelijkheden van ammoniakborane voor waterstofopslag en -transport zijn echter veelbelovend, mits de juiste technische barrières kunnen worden overwonnen. Belangrijke aandachtspunten voor toekomstig onderzoek moeten de verbetering van de katalysatorprestaties, de verhoging van de stabiliteit van de moleculen tijdens de waterstofafgifte en de kostenbeheersing zijn. De ontwikkeling van nieuwe materialen en reactorconcepten die efficiënter kunnen omgaan met de hoge temperaturen die nodig zijn voor de dehydrogenatie, zou de toepassingsmogelijkheden van ammoniakborane aanzienlijk kunnen uitbreiden.

Hoe combineer je complexe smaken in herfstsoepen en wat maakt ze voedzaam en smaakvol?
Wat biedt de theorie van vertaling volgens Orwell’s "1984" dat eerdere benaderingen niet boden?
Wat Zijn de Grondslagen van Coördinaatsystemen en de Belangrijke Eigenschappen van Curvilineaire Systemen?