De technologieën voor waterstofopslag en -transport bevinden zich in een fase van continue ontwikkeling. De keuze voor geschikte opslagmethoden speelt een cruciale rol in de transitie naar een schonere en duurzamere energievoorziening. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem zijn de Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), maar ook vloeibaar ammoniak wordt steeds meer gepromoot als een efficiënte en veilige opslagoptie voor waterstof.

LOHC-technologieën maken gebruik van organische vloeistoffen, zoals toluene of methylcyclohexaan, die waterstof kunnen absorberen en vervolgens onder specifieke omstandigheden weer kunnen afgeven. Dit proces biedt aanzienlijke voordelen, zoals de mogelijkheid om waterstof bij atmosferische druk op te slaan en te transporteren, wat de veiligheid verhoogt en de complexiteit van infrastructuur vereenvoudigt. De huidige technologieën bevinden zich echter nog in de demonstratiefase, waarbij grote bedrijven zoals de Japanse Chiyoda Corporation en de Duitse Hydrogenious Technologies pionieren met nieuwe systemen.

In 2017 ontwikkelden deze bedrijven, onder begeleiding van de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), een waterstofopslagsysteem op basis van het TOL/MCH-systeem. Dit systeem maakt gebruik van methylcyclohexaan (MCH) als draagvloeistof voor waterstof. In 2019 werd voor het eerst een demonstratieproject uitgevoerd waarbij waterstof via dit systeem over lange afstanden werd vervoerd, van Brunei naar Kawasaki in Japan, met een verwachte jaarlijkse leveringscapaciteit van 210 ton. Deze doorbraak suggereert dat het op grote schaal transporteren van waterstof in de vorm van MCH haalbaar is, en bevestigt dat bestaande infrastructuren, zoals die voor het vervoer van olie, kunnen worden hergebruikt voor waterstofopslag en -transport.

De voordelen van LOHC-technologie zijn onder andere de veiligheid en het relatief lage kostenplaatje. In vergelijking met andere waterstofopslagmethoden, zoals vloeibaar waterstof of ammoniak, biedt LOHC-technologie kostenbesparingen voor langeafstandstransporten. De kosten voor het transport van LOHC-waterstof liggen bij landtransport binnen een straal van 500 km slechts rond de 0,8 USD per kg H2. Dit maakt LOHC een aantrekkelijke optie voor zowel lokaal als internationaal transport van waterstof, mits de hoge energievereisten voor de dehydrogenatieprocessen kunnen worden verminderd.

Echter, de technologie heeft enkele belangrijke uitdagingen die nog opgelost moeten worden. De kosten voor het dehydrogeneren van waterstof uit LOHC-middelen liggen momenteel tussen de 35 en 40% van de totale energie-inhoud van het opgeslagen waterstof. Daarnaast is het noodzakelijk om LOHC-materiaal terug naar de fabriek te sturen voor hergebruik, wat de transportkosten verhoogt. Ook de materialen zelf zijn prijzig, wat de economische haalbaarheid op grote schaal bemoeilijkt.

Ammoniak (NH3) is een andere veelbelovende optie voor waterstofopslag, die zijn oorsprong vindt in de zogenaamde "ammoniak-economie". Ammoniak biedt een hoge gravimetrische opslagdichtheid van waterstof, tot wel 17,6% van het totale gewicht, en een volumetrische opslagdichtheid van 108 g/L. De lage temperatuur van -33 °C (onder 1 atm) maakt het gemakkelijker om het vloeibaar te maken in vergelijking met de extreem lage temperatuur van -253 °C die nodig is voor vloeibaar waterstof. Bovendien heeft vloeibaar ammoniak een energie-inhoud van 22,5 MJ/kg, wat het een efficiënte manier maakt om grote hoeveelheden waterstof op te slaan en te transporteren.

Desondanks zijn er aanzienlijke nadelen verbonden aan het gebruik van ammoniak. Het is bijtend en toxisch, wat risico's inhoudt voor zowel de apparatuur als voor de menselijke gezondheid en het milieu. Het gebruik van ammoniak als waterstofdrager vereist strikte veiligheidsmaatregelen tijdens de opslag en het transport. Het op grote schaal gebruiken van ammoniak zal dus aanzienlijke investeringen in infrastructuur en technologie vereisen, waarbij zowel de veiligheidsaspecten als de milieu-impact in acht genomen moeten worden.

De keuze voor LOHC of ammoniak als opslag- en transportmethode voor waterstof zal afhangen van verschillende factoren, zoals kosten, veiligheid en de specifieke eisen van de applicatie. Beide technologieën bieden duidelijke voordelen, maar er zijn nog veel technische en economische obstakels die overwonnen moeten worden. De komende jaren zullen cruciaal zijn voor het uitrollen van schaalbare oplossingen die een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de wereldwijde waterstofeconomie.

Behalve de technologische ontwikkeling van LOHC- en ammoniakopslag is het van belang dat er voldoende aandacht wordt besteed aan de integratie van deze technologieën in bredere infrastructuren voor hernieuwbare energie. Het realiseren van een wereldwijde waterstofmarkt vereist een naadloze verbinding van productie, opslag, transport en distributie van waterstof. Daarom zal de samenwerking tussen industrieën en landen essentieel zijn om de benodigde investeringen in infrastructuur en technologie te waarborgen. De rol van overheden en internationale regelgevende instanties in het ontwikkelen van uniforme standaarden en richtlijnen zal hierbij niet te onderschatten zijn.

Hoe verhoudt zich de kosten van waterstofopslagtechnologieën zoals LOHC, Ammoniak en Methanol?

De keuze voor de juiste technologie voor waterstofopslag hangt af van verschillende factoren, zoals energieverbruik, kapitaalkosten en operationele vereisten. Het proces van waterstofopslag en -transport via vloeibare waterstofrijke verbindingen, zoals LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), ammoniak en methanol, heeft verschillende voor- en nadelen, afhankelijk van de gebruikte technologieën en de schaal van de toepassing.

De dagelijkse opslag van 500 ton waterstofgas vereist enorme hoeveelheden energie, wat blijkt uit de berekeningen van energieverbruik voor verschillende opslagtechnologieën. Het gebruik van ammoniak als opslagmedium voor waterstof vereist bijvoorbeeld ongeveer 100 MW aan elektriciteit voor de endotermische reactie van ammoniakdecompositie, terwijl het exotherme proces van ammoniaksynthese ongeveer 153 MW aan thermische energie oplevert. In tegenstelling, voor methanolopslag via CO2 Direct Air Capture (DAC) zijn de verbruiken zowel van warmte als elektriciteit aanzienlijk hoger, respectievelijk ongeveer 500 MW en 151 MW, met een thermisch vermogen van 92 MW en een elektrische output van 7 MW. Het DBT/H18-DBT-systeem voor waterstofopslag heeft daarentegen een veel lager elektrisch verbruik van slechts 0,35 MW, maar genereert een thermisch vermogen van 220 MW. Deze verschillen in energieverbruik hebben een directe invloed op de efficiëntie en de operationele kosten van de waterstofopslagsystemen.

Naast het energieverbruik spelen de kapitaalkosten van de waterstofopslagmaterialen en de bijbehorende systemen een cruciale rol. Meestal moeten chemische fabrieken waterstof opslaan in twee fasen: een kortetermijnopslag voor de dagelijkse werking (ongeveer 8 uur) en een langdurige opslag voor noodgevallen (tot 30 dagen). De opslagcapaciteit moet worden afgestemd op de vereisten van de continue processen van ammoniak-, methanol- en LOHC-synthese, waarbij grote hoeveelheden eindproducten zoals ammoniak, methanol en H18-DBT opgeslagen moeten worden.

De kapitaalkosten van de benodigde opslagsystemen variëren afhankelijk van de technologie. Voor ammoniak is de synthetische loop voor ammoniakconversie de duurste component, omdat deze bestaat uit verschillende compressoren, warmtewisselaars, pompen, reactoren en flash-tanks. Methanolopslag vergt aanzienlijke kosten voor de CO2-capturetechnologie (DAC), die een belangrijke kostenfactor is, omdat het proces van CO2-vangst kostbaar is. Er zijn echter studies die erop wijzen dat, wanneer de kosten van CO2-capture dalen, de kosten voor methanolproductie eveneens zouden kunnen afnemen, waardoor de technologie economisch aantrekkelijker wordt. LOHC-opslag is iets duurder dan ammoniak vanwege de hogere materiaalkosten, hoewel deze kosten mogelijk aanzienlijk kunnen afnemen door massaproductie en gebruik van het materiaal op grotere schaal.

Een andere belangrijke factor is de rol van katalysatoren in deze systemen. De kosten van katalysatoren worden meestal niet als een belangrijk onderdeel van de kapitaalkosten gerekend, omdat ze als verbruiksmateriaal worden beschouwd en dus onder de operationele kosten vallen. Voor LOHC-opslag wordt bijvoorbeeld aangenomen dat 1 kg van een platina-katalysator ongeveer 500 ton LOHC kan waterstofen, en de kosten van de katalysator kunnen variëren van 110 tot 2100 dollar per kilogram, afhankelijk van de concentratie van platina. Dit kan leiden tot aanzienlijke kosten voor grote schaal waterstofopslag.

In vergelijking met LOHC en ammoniak vereist de methanoltechnologie minder dure katalysatoren, aangezien er geen edelmetalen nodig zijn. Toch blijft de methanoltechnologie, ondanks de lagere katalysatorkosten, economisch gezien minder aantrekkelijk vanwege de hogere operationele kosten in verband met de CO2-vangst en -synthese. De LOHC-technologie biedt daarentegen een interessant voordeel voor grootschalige opslag en transport, zeker als de prijs van de gebruikte materialen verder daalt. Dit zou kunnen bijdragen aan een meer concurrerende waterstofopslagtechnologie op lange termijn.

Waterstofrijke vloeibare verbindingen, zoals benzeen, N-ethylcarbazool, vloeibare ammoniak en methanol, bieden voordelen zoals een hoge waterstofopslagdichtheid, hoge veiligheid en lagere transportkosten. Deze technologieën hebben echter ook belangrijke nadelen. De waterstofvulling en -onttrekking vereisen doorgaans dure edelmetaalkatalysatoren, wat leidt tot een hoger energieverbruik en een snellere afbraak van de katalysatoren. Daarnaast is de dehydrogenering vaak gekoppeld aan bijwerkingen, wat leidt tot onzuiverheden in het vrijkomende waterstof, die vervolgens gescheiden en gepureerd moeten worden, wat de kosten verder verhoogt. Desondanks worden waterstofrijke vloeibare verbindingen beschouwd als een haalbare optie voor grootschalige waterstofopslag en -transport, dankzij hun flexibele en gestandaardiseerde infrastructuur.

In de context van waterstofopslagtechnologieën blijft het belangrijk te begrijpen dat de economische haalbaarheid niet alleen afhankelijk is van de initiële kosten van de opslagmaterialen en de benodigde infrastructuur, maar ook van de efficiëntie van de processen, de levensduur van de katalysatoren, de mogelijkheid tot schaalvergroting en de potentieel dalende kosten van cruciale materialen zoals platina en CO2-captureapparatuur. Het succes van waterstofopslagtechnologie zal dus sterk afhangen van technologische innovaties, marktomstandigheden en de langetermijnontwikkeling van productiecapaciteit en opslagnetwerken.

Hoe Waterstof Opslag en Reiniging de Efficiëntie van Brandstofcellen Beïnvloeden

In de zoektocht naar efficiënte manieren om waterstof als energiebron te gebruiken, is de opslag en zuivering van waterstofgas een essentieel onderwerp. Vooral voor toepassingen in brandstofcellen, zoals die in voertuigen en andere energiebeheersystemen, is het van cruciaal belang om het waterstofgas te zuiveren van onzuiverheden die de levensduur en prestaties van de proton-uitwisselingsmembraan (PEM) brandstofcel kunnen verminderen. De onzuiverheden in waterstofgas bestaan vaak uit alkaliën, zoals natrium- en kaliumverbindingen, die zich kunnen ophopen en verstoringen veroorzaken in de werking van de brandstofcel.

Er zijn verschillende technieken ontwikkeld om deze onzuiverheden te verwijderen. In een veelgebruikte methode wordt het waterstofgas eerst door een wasbak geleid voor een zuur- of waterwasproces. Dit proces verlaagt de alkaliteit van het waterstofgas en koelt het af. De resterende alkali mist die niet volledig wordt geabsorbeerd, wordt vervolgens verwijderd door middel van een inertiaal gas-vloeistof scheider die centrifugale krachten gebruikt. Tot slot worden poreuze absorptiematerialen zoals actieve koolstof ingezet om de overgebleven alkaliën te absorberen. Dit zorgt ervoor dat de meeste verontreinigingen worden verwijderd en de zuiverheid van het waterstofgas behouden blijft.

Naast de zuiveringsprocessen speelt de compatibiliteit van het waterstofproductiesysteem met de brandstofcel zelf een belangrijke rol. Voor systemen die waterstof produceren door middel van natriumboraat (NaBH4) hydrolyse, bestaat het systeem uit meerdere componenten: een brandstoftank, een katalysatorreactor, een koelsysteem, een afvaltank, een waterstofgas tank, en een zuiveringsapparaat voor het waterstofgas. Voor systemen met een laag vermogen kan een enkele reactor worden gebruikt die zowel de brandstof- als de afvalkamer combineert. De geproduceerde waterstofgas en natriumboraat worden samen teruggevoerd naar de brandstoftank. Na initiële condensatie wordt de brandstofvloeistof weer gebruikt voor brandstofceltoepassingen.

In systemen met een hoger vermogen wordt de brandstoftank gescheiden van de hydrolyse reactor. Het residu van de reactie, samen met het geproduceerde waterstofgas, wordt teruggevoerd naar de brandstoftank en ondergaat een gas-vloeistof scheiding. Het gereinigde waterstofgas wordt vervolgens naar de PEM-brandstofcel geleid. Hoewel dit systeem veelbelovend is voor de productie van waterstof door NaBH4 hydrolyse, is de hoge prijs van commercieel NaBH4 momenteel een belangrijke belemmering voor de bredere toepassing van deze technologie. Daarnaast bevatten de gebruikte katalysatoren vaak edelmetalen zoals platina (Pt) en ruthenium (Ru), wat de kosten verder verhoogt.

Naast de hydrolyse van NaBH4 worden ook andere materialen, zoals aluminohydriden, bestudeerd voor waterstofopslag. Aluminohydriden, zoals LiAlH4 (lithiumaluminohydride) en NaAlH4 (natriumaluminohydride), hebben de mogelijkheid om waterstof op te slaan in hun kristallijne structuren, waarbij de waterstofatomen worden gebonden aan het aluminiumion. In LiAlH4, bijvoorbeeld, kan tot 10,5 gewichtsprocent waterstof theoretisch worden opgeslagen, met een experimenteel bereik van 7,9 gewichtsprocent. De ontleding van LiAlH4 bij verschillende temperaturen leidt tot de afgifte van waterstof, maar de benodigde temperaturen voor de ontleding zijn relatief hoog, wat de praktische bruikbaarheid beïnvloedt. Modificaties, zoals het toevoegen van overgangsmetalen of nanoschaling, worden onderzocht om de ontledingsdrempel te verlagen en de reversibiliteit van het proces te verbeteren.

Het toevoegen van bepaalde metalen, zoals titaniumcarbide (TiC), kan de waterstofafgifte temperatuur van LiAlH4 verlagen tot onder de 100°C. Dit kan de energieopslagcapaciteit van LiAlH4 aanzienlijk verbeteren, omdat het gemakkelijker wordt om waterstof weer op te nemen in het materiaal. Deze ontwikkelingen laten zien hoe materialen zoals LiAlH4 en NaAlH4 verder geoptimaliseerd kunnen worden om de prestaties van waterstofopslagsystemen te verbeteren. Zo kan door het toevoegen van nanodeeltjes van koolstofmaterialen de katalytische activiteit worden verhoogd en kan de afgifte van waterstof efficiënter plaatsvinden bij lagere temperaturen.

Er zijn echter aanzienlijke uitdagingen. De benodigde hoge drukken voor het herstellen van waterstof in materialen zoals LiAlH4 maken de technologie op dit moment technisch moeilijk uitvoerbaar, vooral gezien de veiligheids- en kostenaspecten. De vooruitgang in materiaalwetenschappen, gecombineerd met innovaties in katalysatoren en systeemontwerpen, is cruciaal om deze hindernissen te overwinnen en een bredere toepassing van waterstofopslagtechnologieën mogelijk te maken.

Hoe wordt waterstofopslag en -transport in de toekomst efficiënt?

De technologie voor waterstofopslag in vaste stof en transport is de laatste jaren aanzienlijk geëvolueerd. Diverse toepassingen van deze technologie zijn al in verschillende stadia van ontwikkeling, zowel nationaal als internationaal. Een van de vroege voorbeelden van commerciële toepassing is de lage-druk waterstofopslag legering brandstofcelbus, die als een van de eerste in zijn soort kan worden beschouwd (figuur 5.24a). Daarnaast is de waterstof brandstofcel aangedreven fiets ontwikkeld door het Jiangsu JITRI Advanced Energy Materials Research Institute (figuur 5.24b), die een bereik van 80 kilometer biedt en al wordt gebruikt in industriële parken. Dit laat zien hoe ver de integratie van waterstoftechnologie al in verschillende toepassingen is gevorderd.

In China hebben de Shanghai Jiao Tong University en Hydrexia een prototype voor waterstofopslag op basis van magnesium ontwikkeld (figuur 5.24c). Dit systeem biedt een schaal van 60 kilogram opslagcapaciteit en is ontworpen als een geïntegreerd waterstofsysteem dat gebruik maakt van zonne-energie, waterelektrolyse en magnesiumgebaseerde opslag. Het zogenaamde "Hydrogen Quadriga" systeem demonstreert de haalbaarheid van de technologie en biedt een interessante blik op de toekomst van waterstofopslag en -distributie.

Ondanks deze vooruitgangen bevindt de technologie voor waterstofopslag in vaste stof zich nog in een vroeg stadium van industrialisatie. Er moeten nog belangrijke uitdagingen worden overwonnen, zoals het kosteneffectief produceren van materialen op grote schaal, het ontwerpen van opslagtanks met grote capaciteit, en het integreren van thermische koppeling van restwarmte bij hoge temperaturen. De efficiëntie en veiligheid van de waterstofabsorptie en -afgifte van opslaglegeringen hangen af van het oplossen van deze technische kwesties.

Een solid-state waterstofopslag tank bestaat uit meerdere componenten die bijdragen aan het efficiënte functioneren van het opslagsysteem. Het omvat een solide waterstofopslagmateriaal, een omhulsel, gasleidingen, filters, vinnen, metaal-schuim, verwarmingsbuizen en andere media die de warmteoverdracht verbeteren. Het omhulsel is meestal cilindrisch vanwege de uitstekende afsluit- en drukweerstandseigenschappen. Gedurende het proces van het in- en uitladen van waterstof stroomt het gas door leidingen en wordt het gefilterd om te voorkomen dat de deeltjes van het opslagmateriaal de leidingen blokkeren.

De vinnen, metaal-schuim en verwarmingsbuizen spelen een cruciale rol in het verbeteren van de warmteoverdracht in de tank. Dit is noodzakelijk omdat de lage thermische geleidbaarheid van het poederbed van het opslagmateriaal leidt tot grote temperatuurfluctuaties tijdens het absorptie- en desorptieproces van waterstof. Dit kan de prestaties van de opslagtank aanzienlijk verminderen, daarom worden er vaak technieken zoals vinnen of metaal-schuimen toegepast om de warmteoverdracht te verbeteren.

Verder wordt er rekening gehouden met de volumevergroting en -krimp van het opslagmateriaal tijdens de waterstofabsorptie- en desorptieprocessen. Dit is een van de belangrijkste ontwerpconsideraties, aangezien de deeltjes onder stress kunnen verbrijzelen, wat leidt tot een verzwaring van de tankstructuur. Daarom is er vaak een vooraf gereserveerde ruimte van 10-20% in de tank, zodat de toegenomen volumegroei van het materiaal wordt gecompenseerd en de spanningen op de container worden verminderd.

Het ontwerp van de tank wordt veelal ondersteund door een combinatie van theoretische simulaties en praktische experimenten. Het belangrijkste wiskundige model dat gebruikt wordt voor de analyse van waterstofabsorptie- en desorptieprocessen houdt rekening met de chemische reacties en thermodynamica van de opslagmaterialen. De simulaties bieden een gedetailleerd overzicht van de variabelen zoals temperatuur, druk en waterstofinhoud, en stellen ingenieurs in staat om de efficiëntie van het systeem te optimaliseren.

Het proces van waterstofabsorptie en -desorptie wordt bepaald door de zogenaamde PCT-curve (druk-concentratie-temperatuur) van het waterstofopslagmateriaal. Deze curve beschrijft de relatie tussen de druk, temperatuur en waterstofinhoud en is van essentieel belang voor het bepalen van de prestatiegrenzen van het opslagsysteem. Het voorspellen van deze curve wordt vaak gedaan door middel van polynomiale benaderingen en het van ’t Hoff-vergelijking, maar ook door meer geavanceerde methoden zoals statistische thermodynamica en fasendiagrambenaderingen.

Er zijn verschillende manieren waarop de PCT-curve van het opslagmateriaal kan worden voorspeld. De eenvoudigste methode maakt gebruik van een enkele PCT-curve bij een referentietemperatuur en voorspelt de curve bij verschillende temperaturen met behulp van de van ’t Hoff-vergelijking. Een geavanceerdere methode houdt rekening met de microscopische structuur van het materiaal en voorspelt de verandering van de enthalpie om zo de PCT-curve nauwkeuriger te modelleren.

Naast de technische uitdagingen en ontwerpen moeten we ook de langetermijnimpact van waterstofopslagtechnologie in de bredere energietransitie in overweging nemen. De ontwikkeling van solide waterstofopslag kan een cruciale rol spelen in de realisatie van een duurzamer energiesysteem, waarin waterstof niet alleen als brandstof wordt gebruikt, maar ook als belangrijke energiedrager in systemen die gebruik maken van hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. De toekomst van waterstofopslag zal bepalend zijn voor de manier waarop we waterstof veilig, efficiënt en kosteneffectief kunnen opslaan en transporteren.

Hoe de Diversiteit van Zeeduiven en Hun Gedrag te Begrijpen
Hoe Werken Proportionele Vertragingen in Differentiaalvergelijkingen?
Hoe Werken Pointers in C en Wat Betekenen Ze voor Geheugenbeheer?
Hoe Werken Dinosauriër Fossielen en Wat Kunnen Ze Ons Leren?