Wat zijn de verschillende technologieën voor waterstofopslag en -transport en hoe kiezen we de juiste?

De opslag en het transport van waterstof is een complexe uitdaging die een sleutelrol speelt in de succesvolle integratie van waterstof als energiebron in de industriële en commerciële sectoren. De huidige technologieën die de transport- en opslagbehoeften van waterstof kunnen dekken, variëren sterk, van hogedruk gascilinders en pijpleidingen tot vloeibare waterstof, waterstofrijke vloeistofverbindingen en vaste waterstofopslagtechnologieën. Elk van deze benaderingen heeft zijn eigen kenmerken, voordelen en nadelen, die invloed hebben op de keuze van de technologie afhankelijk van de specifieke toepassing en de operationele omstandigheden.

De kosten van waterstofopslag en -transport zijn voornamelijk opgebouwd uit vaste kosten en operationele kosten. De vaste kosten omvatten de investering in apparatuur voor waterstofopslag en het benodigde systeem voor het vrijkomen van waterstof, terwijl de operationele kosten verband houden met het verbruik van energie voor het vullen, het transport en het vrijkomen van waterstof. Het is belangrijk te begrijpen dat de keuze van een bepaalde technologie niet alleen afhangt van de initiële investering, maar ook van de operationele efficiëntie en de lange-termijnkosten van energieverbruik.

De huidige ontwikkelingen wijzen erop dat er een duidelijke noodzaak is voor een geïntegreerde benadering waarbij de juiste technologie wordt gekozen op basis van de specifieke vereisten van de toepassing. Er zijn echter uitdagingen, zoals de hoge initiële kosten van pijpleidinginfrastructuren, de beperkte opslagcapaciteit van hogedrukcilinders, en de energie-intensieve processen die gepaard gaan met vloeibare waterstof. Vaste waterstofopslag lijkt veelbelovend vanwege de relatief lage veiligheidsrisico’s en de mogelijkheid om waterstof lange tijd op te slaan, maar de energiebehoeften voor het vrijgeven van waterstof blijven een uitdaging.

Wanneer we de verschillende technologieën vergelijken, blijkt ook dat de keuze van de opslagmethode sterk afhangt van de transportafstand. Voor korte afstanden blijven hogedruk gascilinders en pijpleidingen de meest voordelige keuzes, maar voor lange afstanden is vloeibare waterstof vaak de meest kostenefficiënte oplossing. De ontwikkeling van nieuwe, efficiëntere technologieën voor waterstofopslag en -transport zal waarschijnlijk bijdragen aan de vermindering van de operationele kosten op de lange termijn.

Het is ook essentieel te begrijpen dat de technologieën voor waterstofopslag en -transport niet in isolatie functioneren. Ze moeten worden gezien als een onderdeel van een groter energiesysteem dat rekening houdt met de schaal van de waterstofproductie, de distributie-infrastructuur en de specifieke behoeften van de eindgebruikers. Bovendien zijn er andere belangrijke overwegingen, zoals de veiligheid van de systemen, het milieu-impact van de gebruikte materialen, en de economische haalbaarheid op zowel korte als lange termijn.

In de toekomst zullen de keuze en de ontwikkeling van waterstofopslag- en transportmethoden een cruciale rol spelen bij de overgang naar een duurzame energie-economie. Naast technologische vooruitgang is het noodzakelijk om een holistische benadering te hanteren die rekening houdt met de sociale en economische impact van de waterstofinfrastructuur, inclusief de benodigde regelgeving en de ontwikkeling van markten voor waterstof.

Hoe wordt waterstof vloeibaar? Principes en processen van vloeibare waterstofproductie en -opslag

De vloeibaarmaking van waterstof is een essentieel proces voor het efficiënt opslaan en vervoeren van waterstofgas. Vanwege de lage dichtheid van waterstofgas is het moeilijk om grote hoeveelheden van dit gas in gasvorm op te slaan. Het gebruik van vloeibare waterstof maakt het mogelijk om de volumetrische energie-inhoud aanzienlijk te verhogen, waardoor het transport en de opslag van waterstof efficiënter worden.

Het principe van vloeibaarmaking van waterstof berust voornamelijk op het afkoelen van waterstofgas tot extreem lage temperaturen, waarbij de gasvormige waterstof overgaat in de vloeibare toestand. Dit proces vereist de beheersing van thermodynamische principes en fysieke verschijnselen die in de praktijk moeilijk te controleren zijn. Een van de fundamentele aspecten van dit proces is het omzetten van waterstof van de ortho- naar de para-vorm, wat van invloed is op het koelproces en de efficiëntie van de vloeibaarmaking.

Het Joule-Thomson-effect speelt een belangrijke rol in de vloeibaarmaking van gassen, waaronder waterstof. Het Joule-Thomson-effect beschrijft de verandering in temperatuur van een gas wanneer het door een nauwe opening of een klep wordt geleid bij constante enthalpie. Bij waterstof kan dit effect ervoor zorgen dat de temperatuur van het gas daalt wanneer het wordt samengeperst en vervolgens expandeert, wat helpt om de vloeibaarmaking van waterstof te realiseren. Dit effect is van cruciaal belang bij de toepassing van cryogene systemen, waar waterstof tot extreem lage temperaturen wordt gekoeld om het in een vloeibare staat om te zetten.

De opslag van vloeibare waterstof vereist speciale opslagtanks die bestand zijn tegen de extreem lage temperaturen van vloeibaar waterstof. Deze tanks moeten niet alleen de waterstof op een veilige manier opslaan, maar ook het thermische verlies minimaliseren. Verschillende isolatietechnieken worden toegepast om ervoor te zorgen dat de warmteoverdracht naar de vloeibare waterstof minimaal is, waardoor het risico op verdamping en verlies van waterstof wordt verminderd. Materialen die goed bestand zijn tegen de cryogene temperaturen van vloeibaar waterstof, zoals roestvrij staal en speciaal samengestelde legeringen, worden vaak gebruikt voor de constructie van deze opslagtanks.

Een belangrijk aspect van de opslagtechnologie is de isolatie van de opslagtanks. Cryogene isolatie is van cruciaal belang om de vloeibare waterstof in zijn vloeibare toestand te behouden. Een van de meest toegepaste methoden is de vacuümisolatie, waarbij de opslagtank wordt omgeven door een vacuümruimte die voorkomt dat er warmte naar de vloeibare waterstof kan overdragen. Daarnaast worden er vaak multi-layer isolatietechnieken toegepast, waarbij verschillende lagen van isolatiematerialen worden gebruikt om warmteverlies verder te minimaliseren.

Vloeibare waterstof heeft toepassingen in verschillende sectoren, zoals de luchtvaart, waar het wordt gebruikt als brandstof voor raketten en vliegtuigen, en in de energiewereld, waar het als een schone brandstof kan dienen voor het opwekken van elektriciteit. Het gebruik van vloeibare waterstof als energieopslagmedium heeft de potentie om een belangrijke rol te spelen in de energietransitie, aangezien het kan worden ingezet voor het opslaan van hernieuwbare energie en het transporteren van energie over lange afstanden.

Naast de technologische aspecten van waterstofopslag en -transport zijn er ook economische en milieuoverwegingen. De kosten van vloeibaar waterstofproductie en de benodigde infrastructuur voor opslag en transport zijn momenteel een van de grootste obstakels voor de brede acceptatie van waterstof als energiebron. Er worden echter steeds meer innovaties ontwikkeld die deze kosten kunnen verlagen, zoals verbeterde isolatiematerialen, efficiëntere vloeibaarmaakprocessen en nieuwe productiemethoden.

Hoewel waterstof een veelbelovende brandstof is, moet de infrastructuur voor waterstofproductie, -opslag en -transport nog verder worden ontwikkeld en geoptimaliseerd. De uitdagingen in het proces van vloeibaarmaking en opslag moeten worden overwonnen om waterstof als een praktische en haalbare energieoplossing op grotere schaal te kunnen implementeren. De voortdurende vooruitgang in technologie en de groeiende belangstelling voor schone energie geven echter hoop voor een toekomst waarin waterstof een grotere rol speelt in wereldwijde energieoplossingen.

Wat zijn de voordelen en beperkingen van fysische adsorptiematerialen voor waterstofopslag?

Fysische adsorptiematerialen, zoals microporeuze materialen, worden al geruime tijd onderzocht voor hun potentieel in waterstofopslag. Microporeuze materialen, gedefinieerd door de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), hebben doorgaans poriën kleiner dan 2 nm. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor het adsorberen van waterstofgas op de poriënwanden in de vorm van moleculen, voornamelijk door de zwakke van der Waals-interactie tussen het vaste oppervlak en de waterstofmoleculen. Deze eigenschap zorgt ervoor dat ze een hogere opslagdichtheid bieden dan vrije gassen.

Onderzoek in de jaren 80 toonde aan dat microporeuze materialen, zoals actieve kool, snel waterstof adsorberen en weer afgeven, met een uitstekende reversibiliteit. Dit betekent dat ze het vermogen hebben om waterstof op te slaan zonder het veelvoorkomende hysteresie-effect dat we zien bij metalen hydrides. Desondanks is hun toepassing beperkt, aangezien ze in de praktijk alleen effectieve opslagmogelijkheden bieden bij lage temperaturen, wat de kosten verhoogt en de mogelijkheden voor toepassing sterk belemmert.

Een ander belangrijk aspect is dat onderzoekers zich niet alleen richten op het vergroten van de maximale opslagcapaciteit van deze materialen, maar ook op het verhogen van hun werktemperatuur. Momenteel worden verschillende fysische adsorptiematerialen, waaronder koolstofmaterialen, zeolieten, metaal-organische netwerken (MOFs), covalente organische netwerken (COFs) en poreuze organische polymeren (POPs), veel bestudeerd als dragers voor waterstofopslag.

Koolstofmaterialen, zoals BPL-kool, hebben een hoge specifieke oppervlakte, thermische stabiliteit en chemische stabiliteit. Ze kunnen eenvoudig worden geproduceerd tegen lage kosten. De massale en volumetrische opslagcapaciteit bij 77 K en 8,5 MPa tot 0,5 MPa is respectievelijk 1,86 wt% en 16,5 g/L. Echter, de waterstofadsorptie is relatief zwak, de poriegrootte en -structuur zijn moeilijk te beheersen en de meeste koolstofmaterialen zijn niet-kristallijn.

Metalen-organische netwerken (MOFs) zijn kristallijne materialen die bestaan uit metalen ionen of clusters verbonden door organische liganden. MOFs zijn beroemd om hun ultrahoge oppervlakte, instelbare poriegrootte en verstelbare interne eigenschappen. Deze eigenschappen bieden veelbelovende vooruitzichten voor waterstofopslagtoepassingen. Een voorbeeld is NU-1501 (Al), dat bij temperaturen van 77 K tot 160 K en drukken van 10 MPa tot 0,5 MPa een massale opslagcapaciteit heeft van respectievelijk 14 wt% en 46,2 g/L. Helaas hebben MOF-materialen op kamertemperatuur een lage adsorptiecapaciteit en zijn ze moeilijk te verwerken.

Naast MOFs worden ook covalente organische netwerken (COFs) en poreuze organische polymeren (POPs) steeds vaker onderzocht als mogelijke materialen voor waterstofopslag. Deze materialen hebben echter te maken met het probleem van een lage waterstofadsorptiecapaciteit door een gebrek aan sterke waterstofadsorptieplaatsen.

Actieve kool kan op twee manieren worden geactiveerd: fysisch, met behulp van oxiderende gassen zoals lucht, zuurstof, koolstofdioxide of stoom, of chemisch, met verbindingen zoals KOH, NaOH, H3PO4 en ZnCl2. Het gebruik van een combinatie van beide activeringstechnieken kan de porositeit verder verbeteren en de poriegrootte verdelen. Organische producten zoals hout, kokosnootschalen en fruitpitten zijn goedkope en overvloedige grondstoffen voor het maken van actieve kool. Door deze methoden is actieve kool in staat om uitstekende waterstofopslagcapaciteiten te bieden, met name bij lage temperaturen.

De geschiedenis van waterstofopslag in actieve kool gaat terug tot de jaren 70, toen pioniers zoals Kidnay de waterstofadsorptie-isochoor van actieve kool onderzochten. Het werd duidelijk dat actieve kool goed presteerde in waterstofopslag bij lage temperaturen, maar de beperkte opslagcapaciteit bij hogere temperaturen bleef een uitdaging. Daarom is het verhogen van de werktemperatuur van deze materialen een belangrijke focus in de huidige onderzoeken.

Naast de zoektocht naar materialen met hogere opslagcapaciteit, is er ook veel aandacht voor het verbeteren van de structuureigenschappen van deze materialen. De uitdaging ligt in het optimaliseren van de poriegrootte en het creëren van sterkere interacties tussen de waterstofmoleculen en het materiaaloppervlak. Verdere vooruitgangen op het gebied van materiaalwetenschappen zullen waarschijnlijk nieuwe, efficiëntere methoden voor waterstofopslag mogelijk maken, waardoor de economische en praktische toepassingen van waterstofopslagsystemen in de toekomst beter haalbaar worden.