In de industriële productie van vloeibare waterstof zijn er verschillende cruciale stappen die essentieel zijn voor het bereiken van een efficiënt en veilig proces. De eerste stap is de zuivering en droging van waterstof, gevolgd door de compressie van de gasvormige waterstof. Na de compressie wordt de waterstof verder gekoeld, wat essentieel is om de temperatuur van het gas te verlagen en het om te zetten naar de vloeibare toestand. De volgende stap is de expansie of throttling, waarbij de waterstof verder gekoeld wordt door de Joule-Thomson-effect, wat resulteert in de vloeibare waterstof. Ten slotte wordt de omzetting van ortho-para waterstof uitgevoerd, wat een cruciale eigenschap is voor de stabiliteit van vloeibare waterstof.

Er zijn twee belangrijke cyclusprocessen voor de vloeibaarmaking van waterstof: de Linde-Hampson cyclus en de Claude cyclus. De Linde-Hampson cyclus werd in 1895 gepatenteerd door de Duitse ingenieur Linde en de Britse ingenieur Hampson. Het proces is gebaseerd op het afkoelen van waterstofgas door middel van een expansieklep, waarbij het gas door verschillende warmtewisselaars wordt geleid en in de laatste fase door middel van de Joule-Thomson-effect in vloeibare waterstof wordt omgezet. Dit proces is relatief eenvoudig, maar heeft een lage efficiëntie, en is voornamelijk geschikt voor kleine schaal toepassingen, zoals in wetenschappelijke experimenten.

De Claude cyclus, ontwikkeld door de Franse ingenieur Claude in 1902, biedt een efficiënter alternatief. In dit proces wordt een expansie-effect gebruikt om waterstofgas af te koelen, waarbij een expander wordt ingezet die de interne energie van het gas gebruikt om het af te koelen. Het voordeel van dit proces is dat er geen gebruik wordt gemaakt van vloeibare stikstof of gecomprimeerd stikstofgas als koelmiddel, wat leidt tot een lagere energieverbruik per eenheid en dus beter geschikt is voor grotere commerciële toepassingen. De Claude cyclus wordt daarom vaak gebruikt in commerciële waterstoffabrieken voor de productie van vloeibare waterstof op grotere schaal.

Een belangrijk aspect van de opslag van vloeibare waterstof is de bescherming tegen warmteoverdracht. Aangezien vloeibare waterstof extreem koud is (−253°C), is het noodzakelijk om te zorgen voor een efficiënte isolatie om te voorkomen dat het gas verdampt. De opslag wordt meestal gerealiseerd in dubbelwandige containers met een vacuüm tussen de binnen- en buitenwand. Deze constructie minimaliseert de warmteoverdracht door geleiding, convectie en straling. Dit is de sleuteltechnologie voor het ontwerpen van waterstofopslagcontainers, aangezien de latente warmte van verdamping van vloeibare waterstof uiterst laag is en elke onbedoelde warmteoverdracht tot verdamping zou kunnen leiden.

Het gebruik van hoogwaardige isolatiematerialen, zoals koolstofvezelversterkte composieten, speelt een belangrijke rol in het verminderen van de thermische geleiding. Aangezien straling het grootste risico vormt voor warmteoverdracht, moet dit aspect uiterst zorgvuldig worden beheerd. De straling is volgens de Stefan-Boltzmann-wet afhankelijk van de vierde macht van het temperatuurverschil, wat betekent dat de warmteoverdracht door straling bij extreem lage temperaturen veel groter is dan bij normale cryogene gassen.

In vloeibare waterstofopslagsystemen, zoals tankwagens, tankcontainers of tankstations, zijn de gebruikte materialen en structuren essentieel om de temperatuur laag genoeg te houden voor een efficiënte opslag en transport. De isolatie en het ontwerp moeten daarom altijd de hoogste standaarden volgen, rekening houdend met zowel mechanische sterkte als thermische isolatiecapaciteiten.

Endtext

Hoe kan vloeibare waterstof efficiënt worden opgeslagen en getransporteerd?

Vloeibare waterstof wordt steeds vaker gezien als een veelbelovende energiedrager, niet alleen vanwege zijn potentieel als brandstof, maar ook vanwege de mogelijkheid om grote hoeveelheden waterstof over lange afstanden te vervoeren. In 2021 werd het eerste vloeibare waterstof transportschip in Japan in gebruik genomen. Dit schip, dat in staat is om vloeibare waterstof te vervoeren, speelt een sleutelrol in de wereldwijde energiehandel. Vloeibare waterstof, die eerst in een 19 meter brede, 2500 m³ grote bolvormige tank aan boord wordt opgeslagen, wordt vervolgens via invoerapparatuur naar transportvoertuigen overgebracht en naar verschillende eindgebruikers getransporteerd. De lancering van dergelijke transportmethoden maakt een nieuw hoofdstuk op in de wereldwijde waterstofhandel. Vloeibare waterstof kan in de toekomst, net als vloeibaar aardgas, duizenden kilometers over zee worden vervoerd door schepen met een capaciteit van duizenden kubieke meters. Dit maakt het de meest efficiënte methode voor het opslaan en transporteren van waterstof.

Het multimodale transport van vloeibare waterstof behelst een reeks complexe stappen. Het proces begint met de levering van vloeibare waterstof via een schip naar een ontvangststation, waarna de waterstof verder wordt getransporteerd naar tankwagens en uiteindelijk naar waterstoftankstations of verdampingstations. Aangezien de temperatuur van vloeibare waterstof ver onder het vriespunt van lucht ligt, vergroot iedere extra overdracht het risico op verontreiniging door lucht, die kan leiden tot de vorming van vaste deeltjes. Bovendien vereist elke overdracht een zekere hoeveelheid waterstof om het systeem te reinigen, wat leidt tot energieverlies.

Echter, het multimodale transport biedt voordelen. Wanneer vloeibare waterstofcontainers op de juiste manier worden ingezet bij waterstoftankstations of verdampingstations, kunnen ze fungeren als vaste opslagcapaciteit, waardoor het aantal overdragen tot drie wordt beperkt. Dit bespaart zowel kosten als energie. Deze aanpak kan zelfs voordeliger blijken dan het gebruik van vloeibare waterstofschepen, vooral wanneer de offshore productie van vloeibare waterstof nog niet op grote schaal is ontwikkeld. De multimodale aanpak versnelt de industrialisering van de waterstofketen en bevordert de economische haalbaarheid.

Wat betreft de veiligheid van landtransport van vloeibare waterstof, is de bescherming van tankcontainers in feite veel robuuster dan die van tankwagens. Tankcontainers moeten worden beschermd door een frame, wat de veiligheid verhoogt bij mogelijke verkeersincidenten, zoals een botsing of omvallen. Tankwagens hebben vaak geen dergelijke bescherming, wat kan leiden tot lekkage en secundaire branden of explosies, zoals bleek uit de tankwagenexplosie in Wenling in 2020. Het verbeteren van de veiligheid van transportmiddelen en het verminderen van de kans op ongelukken zijn cruciale factoren voor de gezonde en snelle ontwikkeling van de waterstofindustrie.

Het gebrek aan ontwikkelingen op het gebied van vloeibare waterstof technologie binnen de nationale industrie is duidelijk. De vooruitgang in de productie van middelgrote en grote waterstofverdampers, grote tanks voor vloeibare waterstof, hoge-druk pompen en tankcontainers voor vloeibare waterstof blijft achter in vergelijking met buitenlandse ontwikkelingen. Er is een dringende behoefte aan doorbraken in het ontwerp en de productie van deze kritieke procesapparatuur.

Om vloeibare waterstof effectief te vervoeren, moeten de productie, opslag en distributie goed op elkaar worden afgestemd. Innovaties in de isolatie van tanks, de implementatie van vacuümtechnologieën en de ontwikkeling van nieuwe materialen spelen hierbij een essentiële rol. De technologie die nodig is voor het efficiënt transporteren van vloeibare waterstof is nog niet op grote schaal ontwikkeld, maar de wereldwijde trend wijst op een toenemende vraag naar technologieën die de opslag en distributie van vloeibare waterstof verbeteren. Er is een duidelijk vooruitzicht dat het gebruik van vloeibare waterstof zal toenemen, maar de industrie moet zich blijven inzetten voor het oplossen van de uitdagingen op het gebied van veiligheid, transportinfrastructuur en kosten.

Wat zijn de uitdagingen en vooruitzichten van vloeibare organische waterstofdragers (LOHC's) voor waterstofopslag en -transport?

De dehydrogenatie van alicyclische koolwaterstoffen, zoals methylcyclohexaan, biedt veelbelovende mogelijkheden voor waterstofopslag. Dit proces wordt vaak uitgevoerd in reactors met verschillende katalysators, waarbij de temperatuur, de druk en het type katalysator bepalende factoren zijn voor de conversie en selectiviteit. Een van de meest onderzochte systemen betreft de methylcyclohexaan (MCH)/tolueen (TOL) waterstofopslag, waarbij methylcyclohexaan in vloeibare toestand verkeert bij kamertemperatuur, met een kookpunt van 100,9 °C. Thermodynamisch gezien geldt dat lagere reactiedrukken gunstiger zijn voor de conversie van methylcyclohexaan naar tolueen. Onder de juiste operationele omstandigheden is het dan ook wenselijk om de druk in het reactiesysteem zo veel mogelijk te verlagen.

De dehydrogenatie van methylcyclohexaan wordt bij hoge temperaturen een gasfase-reactie. De controle van de poriegrootte van het substraat is van groot belang om een effectieve katalysator te verkrijgen. Zo ontwikkelde Okada een Pt/Al2O3 katalysator met een gecontroleerde poriegrootte, die een conversiegraad van 95% bereikte bij een selectiviteit voor tolueen van 99% en een waterstofproductie van 50 Nm3/h. Diverse andere materialen zoals La2O3, ZrO2 en TiO2 kunnen ook worden gebruikt als dragers voor de platinumkatalysatoren, waardoor de katalytische activiteit verder geoptimaliseerd kan worden. Een innovatieve aanpak was het gebruik van een palladiummembraanreactor, waarmee waterstof continu en selectief uit het systeem wordt verwijderd, wat de chemische evenwichtsconversie kan verhogen.

Een ander interessant systeem betreft de naphthaleen/decahydronaphthaleen (NAP/DEC) waterstofopslag, waarbij naphthaleen bij kamertemperatuur een vaste stof is en een smeltpunt van 80 °C heeft. Het dehydrogenatieproces van decahydronaphthaleen is echter irreversibel, wat complicaties veroorzaakt bij de dehydrogenatie/hydrogeneratie cycli. Dit resulteert in de noodzaak om verse naphthaleen toe te voegen bij elke cyclus, wat de efficiëntie van dit systeem reduceert. Verschillende verwarmingsmethoden, zoals mikrogolf en elektrische verwarming, vertonen grote verschillen in conversiesnelheid en rendement, waarbij de conversie aanzienlijk afneemt onder

Wat is de invloed van temperatuur en poriegrootte op de waterstofopslagcapaciteit van geactiveerd koolstof?

De waterstofopslagcapaciteit van geactiveerd koolstof is sterk afhankelijk van verschillende factoren, zoals de temperatuur, de druk, en de poriegrootte van het materiaal. Verschillende studies tonen aan dat de prestaties van geactiveerd koolstof in termen van waterstofopslag variëren naargelang deze omstandigheden. Het is van belang dat de juiste poriegrootte en het specifieke oppervlak worden bereikt om een optimaal rendement te behalen.

Onderzoek toont aan dat de opslagcapaciteit van waterstof aanzienlijk toeneemt bij lagere temperaturen. Bijvoorbeeld, Carpetis en anderen onderzochten de waterstofopslagcapaciteit van geactiveerd koolstof bij 65 K en 41,5 bar, waarbij ze een opslagcapaciteit van 5,2 gewichtspercent vertoonden. Ze merkten op dat bij temperaturen onder de 150 K de opslagcapaciteit sterker toeneemt. Dit benadrukt de invloed van temperatuur op de efficiëntie van geactiveerd koolstof als adsorptiemateriaal voor waterstof.

Zhou et al. gingen verder door de rol van de poriegrootte en de specifieke oppervlakte van het adsorptiemateriaal te onderzoeken bij 77 K. Ze ontdekten dat een grotere microporeuze volume en een hogere stapeldichtheid van geactiveerd koolstof de opslagcapaciteit verbeteren, omdat deze factoren de hoeveelheid waterstof die wordt geabsorbeerd beïnvloeden. Tegelijkertijd verhoogt de volumetrische dichtheid van het materiaal de hoeveelheid vrijgegeven waterstof bij een vast volume, wat bijdraagt aan een verbeterde opslagcapaciteit.

Sevilla en anderen breidden deze bevindingen uit door geactiveerd koolstof uit eucalyptuszaagsel te produceren, wat resulteerde in een waterstofopslagcapaciteit van 6,4 gewichtspercent bij 77 K en 2 MPa. De correlatie tussen de poriegrootte en de opslagcapaciteit van waterstof werd verder onderstreept, waarbij ze concludeerden dat kleinere poriën, met een diameter kleiner dan 1 nm, de opslagcapaciteit significant verbeteren.

Ondanks de vooruitgang in lage-temperatuur waterstofopslag, is het nog steeds een uitdaging om een hoge opslagcapaciteit bij kamertemperatuur te behalen. Gao et al. gebruikten een stoom- en KOH-activatiemethode voor het bereiden van viscose-gebaseerde koolstofvezels, met als resultaat een opslagcapaciteit van 7,01 gewichtspercent bij 77 K en 4 MPa. Bij kamertemperatuur (298 K) was de opslagcapaciteit echter slechts 1,46 gewichtspercent. Deze vermindering wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de lage isostatische warmte van waterstofadsorptie bij kamertemperatuur, die de absorptie van grote hoeveelheden waterstofmoleculen niet bevordert.

Om dit probleem aan te pakken, wordt het modificeren van geactiveerd koolstof door bijvoorbeeld het doperen met metalen zoals platina en palladium steeds belangrijker. Li en Yang onderzochten het effect van platina-doping op geactiveerd koolstof en vonden een verdubbeling van de opslagcapaciteit bij kamertemperatuur (1,2 gewichtspercent bij 298 K en 10 MPa) in vergelijking met ongeëxtraheerd geactiveerd koolstof. Het doperen van koolstofmaterialen met metalen kan de waterstofadsorptiecapaciteit vergroten door de "spillover"-effecten, waarbij waterstofatomen van het metaaloppervlak naar het koolstofoppervlak migreren.

Xia en anderen bevestigden verder dat het ontwikkelen van microporiën met een diameter van ongeveer 1,2 nm een sleutelrol speelt in het verbeteren van de waterstofopslagcapaciteit bij kamertemperatuur. Dit werd gedemonstreerd met koolstofmaterialen die een complexe poriestructuur bevatten, bestaande uit zowel microporiën als mesoporën.

Naast de invloed van de poriegrootte en temperatuur op de opslagcapaciteit van waterstof, moet ook de mechanische stabiliteit van geactiveerd koolstof in overweging worden genomen. Een te grote dichtheid van microporiën kan de mechanische sterkte van het materiaal verminderen, wat de duurzaamheid van de koolstof in langdurige opslagtoepassingen kan beïnvloeden. Daarom is het essentieel om een balans te vinden tussen porositeit en mechanische eigenschappen om langdurige en efficiënte waterstofopslag mogelijk te maken.

De vooruitgang in het modificeren van de oppervlakte-eigenschappen van geactiveerd koolstof, zoals het doperen met metalen of het ontwikkelen van geavanceerde poriestructuren, biedt veelbelovende mogelijkheden voor de verbetering van waterstofopslagtechnologieën. Dit maakt het mogelijk om de opslagcapaciteit niet alleen bij lage temperaturen, maar ook bij kamertemperatuur aanzienlijk te verhogen, wat essentieel is voor de praktische toepassing van waterstofopslag in energieopslagsystemen.

Hoe beïnvloeden verschillende factoren de prestaties van atleten op de Olympische Spelen?
Wat is de betekenis van oude Engelse runen in het licht van christelijke invloeden?
Waarom de confrontatie met de Pawnees onvermijdelijk was
Wat is de betekenis van de ‘dood-uur’ en hoe beïnvloedt dit het lot van de slachtoffers?