Hoe waterstofopslag en -transport de toekomst van duurzame energie kan hervormen

Waterstof wordt wereldwijd erkend als een cruciaal element in de overgang naar een schone en duurzame energievoorziening. Als veelzijdige energiebron biedt waterstof de mogelijkheid om verschillende sectoren te decarboniseren, van de zware industrie tot het transport en de bouw. In landen zoals China is waterstof niet langer een concept van de toekomst, maar een praktische oplossing die al volop in ontwikkeling is. De rol van waterstof als energieopslagmedium is van vitaal belang voor het succes van hernieuwbare energiebronnen, die vaak onderhevig zijn aan schommelingen in de beschikbaarheid, zoals de variabiliteit van zon en wind.

De sleutel tot de succesvolle implementatie van waterstoftechnologieën ligt in de opslag en het transport van waterstof. Waterstof is een licht gas dat bij kamertemperatuur en -druk moeilijk op te slaan is. Om waterstof bruikbaar te maken voor industriële en commerciële toepassingen, moeten innovatieve technieken worden ontwikkeld voor veilige en efficiënte opslag en transport. Er zijn verschillende methoden om waterstof op te slaan: in gasvormige toestand onder hoge druk, als vloeistof bij lage temperaturen, of gebonden aan andere stoffen in de vorm van metalen hydride of organische vloeistoffen.

Tegelijkertijd wordt de rol van waterstof als opslagmedium voor hernieuwbare energie steeds duidelijker. Omdat waterstof kan worden geproduceerd via elektrolyse van water, een proces dat elektriciteit vereist, biedt het een manier om overtollige energie van zonne- en windparken op te slaan voor gebruik wanneer de vraag toeneemt. Dit proces speelt een cruciale rol in het stabiliseren van netwerken die afhankelijk zijn van variabele energiebronnen. Waterstof kan dus fungeren als een buffer voor de fluctuaties van hernieuwbare energie en tegelijkertijd een schone brandstofbron bieden voor verschillende toepassingen.

China heeft zich gepositioneerd als een wereldleider op het gebied van waterstofontwikkeling, met ambitieuze doelstellingen die vastgelegd zijn in het “Medium and Long-Term Hydrogen Energy Industry Development Plan” (2021–2035). Dit plan voorziet in een aanzienlijke uitbreiding van de waterstofinfrastructuur en de productie van waterstofvoertuigen, met een brandstofcelvoertuigenbestand van ongeveer 50.000 eenheden tegen 2025. Ook wordt verwacht dat tegen 2030 een volledige technologische innovatiesystematiek voor waterstof wordt opgebouwd en tegen 2035 een divers ecosysteem voor waterstoftoepassingen is gecreëerd.

De productie van waterstof speelt een fundamentele rol in de transformatie van de industriële sectoren naar een koolstofarme toekomst. Waterstof is een essentiële grondstof voor de decarbonisatie van de staalindustrie, een sector die een groot aandeel heeft in de wereldwijde CO2-uitstoot. Waterstof kan ook zwaar transport, zoals vrachtwagens en schepen, helpen om over te schakelen van fossiele brandstoffen naar schone energie. Daarnaast is waterstof cruciaal voor de ontwikkeling van zero-carbon gebouwen en gemeenschappen, waar het kan worden gebruikt in combinatie met andere hernieuwbare energiebronnen om de energiebehoefte van gebouwen te dekken.

De integratie van waterstof in de energievoorziening vereist echter aanzienlijke investeringen in infrastructuur en technologie. Waterstoftankstations moeten worden gebouwd, transportmethoden moeten worden geoptimaliseerd en er moet voldoende productiecapaciteit voor waterstof worden gecreëerd. Deze uitdagingen worden steeds urgenter, aangezien landen over de hele wereld hun nadruk leggen op de urgentie van de overgang naar duurzame energiebronnen om de klimaatdoelen te bereiken.

Naast de technologische en infrastructurele uitdagingen is er ook een groeiende behoefte aan gespecialiseerde arbeidskrachten om de waterstofindustrie te ondersteunen. Het ontwikkelen van een systeem van talentontwikkeling is essentieel voor het succes van de waterstofindustrie. In landen zoals China wordt een significante nadruk gelegd op de opleiding en ontwikkeling van wetenschappers en ingenieurs die de waterstoftechnologieën kunnen verbeteren en implementeren.

Waterstof is dus niet alleen een energiebron, maar ook een katalysator voor het wereldwijde streven naar verduurzaming. Als de technologische en economische uitdagingen met betrekking tot de opslag en het transport van waterstof kunnen worden overwonnen, kan waterstof een spil worden in het realiseren van een wereld zonder fossiele brandstoffen. De ontwikkeling van de waterstofindustrie zal niet alleen bijdragen aan de verduurzaming van de energiemarkt, maar ook nieuwe economische mogelijkheden creëren, waarbij China zich als voorbeeld stelt voor andere landen die de transitie naar schone energie willen maken.

Hoe het verbeteren van de thermodynamische en kinetische prestaties van MgH2 kan bijdragen aan efficiënte waterstofopslag en -transport

De efficiëntie van waterstofopslag is een van de grootste uitdagingen in de zoektocht naar duurzame energiebronnen. In dit verband is magnesium hydride (MgH2) een veelbelovende kandidaat vanwege zijn hoge waterstofopslagcapaciteit. Het verbeteren van de thermodynamische en kinetische prestaties van MgH2 is essentieel voor het optimaliseren van de opslag en het gebruik van waterstof in verschillende toepassingen, zoals brandstofcellen, voertuigenergie en gedistribueerde energieproductie.

De nanoschaal bewerking van MgH2 is een veelbelovende benadering om de prestaties van deze materialen te verbeteren. Het nanoschalen van MgH2 kan zowel de enthalpieverandering (ΔH) als de activatie-energie (Ea) wijzigen, wat resulteert in verbeterde thermodynamische en kinetische eigenschappen. Er zijn verschillende methoden voor het bewerken van MgH2 tot nanodeeltjes, waaronder hoge-energie balmolen (high-energy ball milling), chemische reductie, hydridering, dampdepositie en smelten.

De hoge-energie balmolen is een veelgebruikte techniek voor het bereiden van nanodeeltjes van magnesiumgebaseerde materialen, maar het heeft beperkingen in de nauwkeurigheid van het deeltjesgroottebereik. Ondanks deze beperking wordt deze methode vaak toegepast vanwege zijn effectiviteit bij het verminderen van de deeltjesgrootte tot het nanoniveau. Een alternatieve benadering is de chemische reductiemethode, waarbij metaalachtige magnesium nanokristallen worden verkregen door Mg2+ precursoren te reduceren. Dit kan leiden tot nanodeeltjes met een verhoogde oppervlakte en verbeterde waterstofopslagcapaciteit.

De hydrideringsmethode is een andere interessante aanpak. Hier worden magnesiumzouten direct gehydrideerd tot MgH2 onder hoge waterstofdruk (3-8 MPa). Een voorbeeld hiervan is de reactie van dibutylmagnesium met waterstofgas, die resulteert in de vorming van MgH2. Deze techniek kan leiden tot de productie van zeer kleine en goed verdeelde MgH2-nanodeeltjes, die uitstekend presteren bij herhaalde cyclusprocessen van waterstofabsorptie en -desorptie. Dit maakt het mogelijk om materialen met een hoge massa waterstofopslagdichtheid te verkrijgen, wat gunstig is voor toepassingen die lange levenscycli vereisen.

In een andere benadering kan de toevoeging van grafen of koolstofnanobuizen (CNT's) als ondersteunend materiaal de prestaties van MgH2 verder verbeteren. Deze materialen helpen niet alleen de structuur van het materiaal te stabiliseren, maar kunnen ook de kinetiek van de waterstofabsorptie en -desorptie verbeteren. Xia et al. demonstreerden bijvoorbeeld de verbetering van de prestaties van MgH2 door het gebruik van grafeen-ondersteunde MgH2 nanodeeltjes. De resultaten toonden een uitstekende stabiliteit na 100 cycli van waterstofabsorptie en -desorptie.

Een andere veelbelovende benadering is het gebruik van de plasmaverstuivingsmethode, waarbij een hoog temperatuurplasma wordt gegenereerd om het metaal snel te verdampen, en vervolgens nano-grootte deeltjes worden gevormd in een waterstofomgeving. Deze methode maakt het mogelijk om Mg nanopoeier en nanodraden met diameters van 30-170 nm te produceren, wat kan bijdragen aan de ontwikkeling van efficiënte waterstofopslagmaterialen.

Het is echter belangrijk om op te merken dat de integratie van template-materialen in de productie van magnesiumhydride kan leiden tot de introductie van "dode massa". Dit zijn delen van het materiaal die geen waterstof adsorberen of desorberen en daardoor de totale waterstofopslagcapaciteit verminderen. Dit is een uitdaging voor de opschaling van de productie van magnesiumhydride-materialen, die nog verder geoptimaliseerd moet worden.

Naast de traditionele vormen van waterstofopslag via absorptie, wordt ook de waterstofafgifte via hydrolyse onderzocht. De hydrolyse van MgH2 produceert Mg(OH)2, dat geleidelijk de oppervlakken van MgH2 bedekt en de voortgang van de hydrolyse vertraagt. Door de deeltjesgrootte van MgH2 te verkleinen en katalysatoren toe te voegen, kan de hydrolyseprestaties echter worden verbeterd. Het aanpassen van de pH-waarde van de oplossing door het toevoegen van sterke zuren zoals HCl of H2SO4 versnelt de hydrolyse, maar het gebruik van te veel zuur kan de economische voordelen verminderen.

Daarnaast kunnen toevoegingen zoals metalen zouten, bijvoorbeeld FeCl3 of TiCl3, de hydrolyseprestaties verbeteren door de vorming van M(OH)x neerslag en het genereren van H+ ionen, die het oplossen van het Mg(OH)2 op het oppervlak bevorderen. Dit proces kan de efficiëntie van de waterstofproductie via hydrolyse verder verbeteren. In een brandstofcelsysteem dat werkt op waterstof vrijgegeven door de hydrolyse van magnesiumhydride, kan de geproduceerde waterstof worden gebruikt om elektriciteit te genereren. Het grote voordeel van dergelijke systemen is de hoge energiedichtheid, de veiligheid en de niet-giftige, recycleerbare aard van de Mg(OH)2-bijproducten.

Het ontwikkelen van waterstofopslagsystemen op basis van magnesiumhydride en hydrolyse blijft echter gepaard met uitdagingen, zoals het beheersen van de kinetiek van de hydrolyse-reactie en de integratie van apparaten. Er zijn nog belangrijke technische obstakels, zoals het hoge waterverbruik, onstabiele waterstofproductiesnelheden en onverwachte nevenreacties. Onderzoekers werken wereldwijd aan het optimaliseren van de materialen en het nauwkeurig beheersen van de toevoer van water om een stabiele en gecontroleerde waterstofproductie mogelijk te maken.