Hoe werkt de technologie voor de opslag en het transport van vloeibare waterstof?

De technologie voor de opslag en het transport van vloeibare waterstof speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van waterstof als duurzame energiebron. Het proces van vloeibare waterstofopslag begint met het koelen van waterstofgas tot onder zijn vloeipunt. Hierdoor wordt het gas omgezet in vloeibare toestand, wat de opslagdichtheid aanzienlijk verhoogt. Dit heeft voordelen in termen van opslagcapaciteit, vooral voor transportdoeleinden, aangezien vloeibare waterstof een veel hogere massadichtheid heeft dan gasvormige waterstof.

De techniek wordt momenteel voornamelijk gebruikt in specifieke sectoren, zoals de lucht- en ruimtevaart, waar de voordelen van vloeibare waterstof, zoals hoge opslagdichtheid en lange transportafstanden, opwegen tegen de nadelen. In China wordt vloeibare waterstof bijvoorbeeld voornamelijk gebruikt in ruimtevaarttoepassingen, en het wordt opgeslagen in gespecialiseerde, goed geïsoleerde tanks voor transport via vrachtwagens, treinen of schepen naar de uiteindelijke bestemmingen.

Desondanks is er een toenemende interesse in het verbeteren van de technologie om de energie-efficiëntie te verhogen en de kosten te verlagen. Een belangrijke stap in deze richting is de integratie van hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie. Door vloeibare waterstofproductiecentrales in de nabijheid van wind- en zonneparken te plaatsen, kan de benodigde elektriciteit voor het vloeibaar maken van waterstof goedkoop worden verkregen. Dit kan de totale energieconsumptie van het vloeibaar maken van waterstof verminderen. In stedelijke gebieden waar veel waterstofgebruikers zich bevinden, kan het energieverbruik voor het bevoorraden van waterstoftankstations door vloeibare waterstof als een efficiëntere oplossing worden beschouwd dan de opslag van waterstof onder hoge druk.

Hoewel de energieconsumptie voor de productie van groene waterstof via elektrolyse aanzienlijk hoger is (45-55 kWh per kilogram), blijft de energieconsumptie voor het vloeibaar maken van waterstof slechts een klein percentage daarvan, wat de vloeibare waterstofopslag tot een aantrekkelijke optie maakt. De huidige ontwikkelingen tonen aan dat het schaalvoordeel van waterstofvloeistofproductie niet alleen de kosten verlaagt, maar ook de energie-efficiëntie verhoogt.

Naast de technologische uitdagingen speelt de veiligheid een belangrijke rol. Vloeibare waterstof is uiterst vluchtig en vereist daarom strengere veiligheidsmaatregelen, vooral bij transport en opslag. Dit geldt des te meer voor de enorme schaal waarop vloeibare waterstof momenteel wordt geproduceerd en opgeslagen. In de nabije toekomst kunnen verbeteringen in de technologie en de implementatie van nieuwe veiligheidsnormen ervoor zorgen dat vloeibare waterstof op grotere schaal beschikbaar komt voor commercieel gebruik.

De recente ontwikkelingen in China op het gebied van vloeibare waterstofproductie zijn veelbelovend. Het Aerospace Information Research Institute (AIR) heeft bijvoorbeeld in 2021 een waterstofvloeibaaringssysteem ontwikkeld op basis van een helium-expansiekoelsysteem. Dit systeem heeft een efficiëntie van 80% en kan tot 2 ton vloeibare waterstof per dag produceren. Bovendien wordt het grootste vloeibare waterstofopslagsysteem van China, dat 300 m³ waterstof kan bevatten, gebruikt voor raketlanceringen. Deze vooruitgangen maken het mogelijk om vloeibare waterstof op grotere schaal te produceren en te gebruiken.

Het gebruik van vloeibare waterstof zal zich verder uitbreiden naarmate de technologie zich ontwikkelt en nieuwe oplossingen voor de kosten en de opslagcapaciteit worden gevonden. De komende jaren zullen cruciaal zijn voor de acceptatie van vloeibare waterstof in commerciële en industriële toepassingen, evenals voor de integratie in grotere energienetwerken die afhankelijk zijn van hernieuwbare energie.

Wat zijn de belangrijkste technologieën voor de opslag en het transport van waterstofrijke vloeistoffen in de methanolproductie?

Deze technologieën kunnen sterk variëren, afhankelijk van de gebruikte systemen en de specifieke eisen van de productie-installatie. Zo is de methanolproductie via LURGI’s lage-druk technologie, die in de jaren '70 werd ontwikkeld, een van de meest befaamde systemen. Het biedt aanzienlijke voordelen, zoals snellere reacties en een hogere conversie, wat leidt tot een efficiënter energieverbruik. De unieke processen van LURGI zijn gericht op het optimaliseren van de katalysatorprestaties en het verminderen van de circulatiegasvolumes, wat de algehele energie-efficiëntie verhoogt. Toch zijn er nadelen aan dit systeem, zoals de verhoogde drukval door het gebruik van watergekoelde reactors, die de prestatie van de installatie kunnen beïnvloeden.

Een ander proces dat in de methanolproductie wordt gebruikt, is de directe methanolkraking (DE), die de chemische bindingen in de methanolmoleculen afbreekt om waterstof te verkrijgen. Dit endotherme proces vereist hoge temperaturen, maar de thermodynamische efficiëntie kan worden verhoogd door de optimalisatie van katalysatoren die een hogere selectiviteit voor waterstof bieden en een betere thermische stabiliteit vertonen. Cu/ZnO en Cu/Cr-katalysatoren zijn hierbij de meest onderzochte systemen. Ondanks hun potentieel, zijn er nog steeds uitdagingen in het verbeteren van de stabiliteit en selectiviteit van deze katalysatoren.

Hoewel elk van deze technologieën zijn voordelen en beperkingen heeft, zijn ze alle gericht op het verbeteren van de waterstofproductie door de optimalisatie van de thermodynamica van de reacties, de katalysatoren en de reactorontwerpen. Dit maakt methanol omzetten naar waterstof een krachtige optie voor de ontwikkeling van waterstofgebaseerde energieoplossingen, met een breed scala aan toepassingen in de industrie, de mobiliteit en de energiewereld.

Bij het ontwerpen van dergelijke systemen is het van cruciaal belang dat ingenieurs en wetenschappers niet alleen letten op de conversie-efficiëntie en het energieverbruik, maar ook de impact op het milieu en de economische haalbaarheid van de technologieën. Dit omvat zowel de kosten van de grondstoffen (zoals methanol en waterstof) als de benodigde investeringen in infrastructuur voor de opslag en het transport van waterstofrijke vloeistoffen. Gezien de groeiende wereldwijde vraag naar schone energie, blijft methanolproductie via waterstof een veelbelovende technologie voor de toekomst.

Wat zijn de voor- en nadelen van verschillende waterstofopslagtechnologieën?

De opslag van waterstof is een essentieel onderdeel van de overgang naar duurzame energiebronnen. In dit verband zijn er verschillende technologieën die het mogelijk maken om waterstof efficiënt op te slaan en te transporteren. Een van de veelbelovende benaderingen is het gebruik van vloeibare organische waterstofdragers (LOHC's), zoals H0-BT. De theorie achter deze technologieën is gebaseerd op het vermogen van bepaalde verbindingen om waterstof op te nemen en deze later weer af te geven, wat een veelbelovende oplossing biedt voor de opslag en het transport van waterstof op grote schaal.

De waterstofopslag in LOHC's zoals H0-BT is gebaseerd op het proces van waterstofatomen die chemisch binden aan organische moleculen. Dit proces kan bij relatief milde omstandigheden plaatsvinden, zoals bij lage temperaturen en atmosferische druk, wat de techniek een significant voordeel biedt ten opzichte van andere opslagmethoden die afhankelijk zijn van hoge druk of lage temperaturen. Het belangrijkste voordeel van LOHC-technologie is de mogelijkheid om waterstof op te slaan in vloeibare vorm, wat het transport en de opslag vergemakkelijkt zonder de noodzaak van dure infrastructuren zoals cryogene tanks.

In de praktijk houdt de waterstofopslag via LOHC's in dat de waterstofmoleculen chemisch worden gebonden aan een organische drager (zoals H0-BT), waarna deze verbindingen kunnen worden getransporteerd en later in een geschikte faciliteit kunnen worden gedecomprimeerd en gedesorbeerd, zodat de waterstof vrijkomt voor gebruik. De theoretische massa- en volumetrische opslagdichtheid van waterstof in H0-BT kan worden berekend door de massa van de waterstof die wordt geabsorbeerd door de drager te vergelijken met het totale gewicht van de verbinding. Deze opslagdichtheid hangt af van de specifieke eigenschappen van de drager en de omstandigheden van de opslag.

Naast LOHC-technologieën zijn er ook alternatieven zoals ammoniak voor waterstofopslag. Ammoniak heeft een hoge gravimetrische waterstofopslagdichtheid van maximaal 17,6 wt%, maar de afbraak van ammoniak vereist hoge temperaturen, hoge druk en dure katalysatoren, wat de technologie minder economisch maakt. Er is echter onderzoek naar manieren om de afbraak van ammoniak te verbeteren, bijvoorbeeld door middel van elektrochemische methoden die bij lagere temperaturen kunnen werken. Het ontwikkelen van goedkopere en efficiëntere katalysatoren voor ammoniakdecompositie is dan ook een belangrijk aandachtsgebied voor de toekomst van waterstofopslagtechnologieën.

Metanol wordt ook beschouwd als een alternatieve waterstofdrager, die een gravimetrische opslagdichtheid van 12,5 wt% biedt. Door gebruik te maken van katalytische reformering van methanol met water kan deze opslagdichtheid echter worden verhoogd tot 18,75 wt%. Dit proces heeft het potentieel om de theoretische limieten van waterstofopslag per massa-eenheid te doorbreken en is een van de redenen waarom methanol als een veelbelovende oplossing voor waterstofopslag wordt beschouwd. Dit proces van methanolreforming levert extra waterstof op, wat de totale opslagcapaciteit vergroot.

Naast de chemische aspecten van deze technologieën moet echter ook rekening worden gehouden met de milieu-impact en de kosten van de benodigde infrastructuur. Het gebruik van edelmetalen als katalysatoren, bijvoorbeeld voor dehydrogenering of ammoniakdecompositie, verhoogt de kosten en beperkt de schaalbaarheid van sommige van deze technieken. De zoektocht naar goedkopere en duurzamere katalysatoren is daarom een andere belangrijke factor bij de ontwikkeling van waterstofopslagtechnologieën.

In de toekomst zal het noodzakelijk zijn om de efficiëntie van deze systemen verder te verbeteren, zowel op het gebied van opslagcapaciteit als energieverbruik. Het succes van deze technologieën zal afhangen van de mogelijkheid om de kosten te verlagen, de operationele efficiëntie te verbeteren en de compatibiliteit met bestaande energie-infrastructuren te waarborgen. Ook moet er aandacht zijn voor het ontwikkelen van duurzame en niet-giftige materialen voor waterstofopslag, om de milieu-impact te minimaliseren en de acceptatie van deze technologieën te bevorderen.

Wat zijn de verschillende methoden voor waterstofopslag en -transport?

Waterstofopslag en -transport zijn twee fundamentele aspecten van de waterstofenergie-infrastructuur. Er zijn verschillende technieken voor zowel opslag als transport van waterstof, afhankelijk van de fysieke toestand van de waterstof en de toepassingsscenario's. De belangrijkste methoden zijn vloeibare waterstofopslag en -transport, gasvormige waterstofopslag onder hoge druk, en vaste stoffen opslag via waterstofrijke verbindingen. Elke techniek heeft zijn eigen voordelen en beperkingen, die de keuze voor een specifieke oplossing in verschillende toepassingen beïnvloeden.

Vloeibare waterstofopslag vereist dat waterstof wordt gekoeld tot -253°C om het vloeibaar te maken. Dit maakt transport en opslag gemakkelijker, aangezien vloeibare waterstof dichter is dan gasvormige waterstof. Aan de andere kant is er een ander type opslag waarbij waterstof wordt opgeslagen in waterstofrijke vloeibare verbindingen zoals vloeibare ammoniak, methanol, tolueen en andere verbindingen. Deze verbindingen stellen waterstof in staat om op een efficiënte manier opgeslagen en getransporteerd te worden door middel van katalytische hydrogenering en dehydrogenering.

Vaste stoffen waterstofopslag wordt steeds belangrijker, waarbij de waterstof wordt opgeslagen in vaste materialen, zoals waterstofopslagalliages en metalen hydrides. Dit kan materialen omvatten zoals tiëtrium, magnesium, en complexe hydrides, waaronder LiAlH4 en NaBH4. Een andere veelbelovende benadering zijn metaal-organische raamwerken (MOF's) en koolstofmaterialen zoals grafene en nanotbuus. Hoewel deze technologieën momenteel nog in een vroege fase van industriële ontwikkeling verkeren, bieden ze veel potentieel voor de toekomst van waterstofopslag, vooral op het gebied van energie-efficiëntie en opslagsnelheid.

Er zijn twee hoofdcategorieën van opslagcontainers voor gasvormige waterstof: stationaire en transporteerbare containers. Stationaire opslag wordt vaak gebruikt in waterstoftankstations en voor de productie van groene waterstof. Deze containers moeten voldoen aan de eisen voor grootschalige opslag tegen lage kosten, en de keuze van de technologie is afhankelijk van de vraag naar volume en druk. Een voorbeeld is de toepassing van naadloze stalen waterstofopslagcontainers van 45 MPa, die wereldwijd worden gebruikt in verschillende waterstoftankstations. Deze technologie is al wijdverbreid in Europa en de VS, maar in China is de toepassing van waterstoftankstations op basis van deze technologie nog relatief beperkt.

In tegenstelling tot stationaire opslag is transporteerbare waterstofopslag gericht op het transport van waterstof van productie- naar gebruikslocaties, zoals waterstoftankstations. Dit wordt meestal gedaan door middel van vrachtwagens met lange buizen die meerdere waterstofopslagcontainers bevatten. In het verleden werden vaak buizen gebruikt die door spinnen waren verwerkt om waterstof onder hoge druk te transporteren. Hoewel dit momenteel de meest gebruikte technologie is, zijn er ontwikkelingen in lichtgewicht opslagcontainers voor voertuigen, die de mobiliteit van waterstofvoertuigen bevorderen.

Hoewel gasvormige waterstofopslag onder hoge druk de meest toegepaste technologie is, is het belangrijk op te merken dat de andere methoden, zoals vloeibare waterstofopslag en vaste stof opslag, potentieel hebben om een bredere rol te spelen in de toekomstige infrastructuur van waterstofenergie. De keuze voor de juiste technologie hangt af van de specifieke toepassing en de technische, economische en logistieke vereisten.

In de toekomst zullen de meeste toepassingen in China, volgens het “Middellange- en Lange-Termijn Plan voor de Ontwikkeling van de Waterstofenergie-industrie (2021-2035)”, waarschijnlijk gericht zijn op waterstofopslagtechnologieën die gekarakteriseerd worden door hoge dichtheid, lichtgewicht, lage kosten en diversiteit. Dit vereist een goed overwogen keuze van opslagmethode afhankelijk van de verschillende behoeften in verschillende toepassingen, van voertuigvoeding tot industriële energievoorziening.