De ontwikkeling van high-pressure waterstofopslagsystemen is een cruciaal aspect van de toekomst van duurzame energie, vooral in de context van waterstofbrandstof en de bijbehorende transport- en opslagtechnologieën. Het streven naar efficiëntere, veiligere en goedkopere opslagsystemen heeft geleid tot doorbraken in de technologieën van de waterstofopslag, variërend van MSLV (Multi-Stage Liquid Vessels) tot vezelgewonden opslagsystemen en mobiele containers.

Een van de belangrijkste innovaties op het gebied van waterstofopslag is de ontwikkeling van MSLV-systemen, die de voordelen van hoge druk combineren met relatief lichte constructies. Deze technologie is bijzonder geschikt voor toepassingen zoals het smelten van speciale roestvaststalen materialen voor waterstof, het evalueren van lasprocessen en het vervaardigen van hogedruk afdichtingsstructuren. Samenwerking tussen Zhejiang University en Juhua Company heeft geleid tot de succesvolle ontwikkeling van MSLV-systemen met een werkdruk van 42 MPa en een volume van 5 m³, die zelfs in de eerste waterstoftankstation van China in Zhongguancun in gebruik zijn genomen. In 2017 werd de hoogste werkdruk in waterstofopslagcontainers bereikt met een MSLV van 98 MPa, ontwikkeld voor het tankstation van Toyota in Changshu, Jiangsu.

Bij vervolgonderzoek naar containers met een werkdruk van 98 MPa stelde het team van Zhejiang University voor om het ontwerpveiligheidsfactor te verlagen en materialen van hogere sterkte te gebruiken om het gewicht van de containers te verminderen, zonder concessies te doen aan de veiligheid. Het resultaat was een 50 MPa en 7.3 m³ MSLV, wat bijdraagt aan de vooruitgang op dit gebied.

Naast MSLV-systemen worden vezelgewonden opslagsystemen steeds populairder. Deze systemen, die een interne cilinder gebruiken die compatibel is met waterstof en een vezelversterkte buitenlaag, bieden voordelen zoals lichter gewicht en vermijding van lasdefecten. Het gebruik van koolstofvezels verhoogt echter de kosten van de productie van deze containers aanzienlijk. Het gebruik van vezelgewonden containers is dan ook voorlopig beperkt tot Type II systemen, die voldoen aan de T/CATSI 05003-2020 norm. In 2016 werd de eerste grote-volume, vastgestelde waterstofopslagcontainer van Type III in China gebruikt in het Dalian Tongxin Waterstof Tankstation. Deze container, ontwikkeld in samenwerking met Shijiazhuang Anruico en Tongji University, loste meerdere technische problemen op, waaronder structureel ontwerp, vormingsproces, afdichting en waterstofbrosheid.

De ontwikkeling van mobiele waterstofopslagcontainers heeft ook aanzienlijke vooruitgang geboekt. Met de groeiende vraag naar waterstoftransport voor brandstofcellen en andere toepassingen zijn mobiele containers een belangrijke oplossing geworden. De TSG R0005-2011 regels definieëren mobiele drukvaten als transportmiddelen die permanent verbonden zijn met een tanklichaam, zoals trein- en vrachtwagen-tankwagens, lange buistrailers en buisbundelcontainers. De container die op dit moment het meest wordt gebruikt voor waterstoftransport is de buisbundelcontainer, die geschikt is voor transport over afstanden van maximaal 200 km, met kosten- en laadbeperkingen die de efficiëntie bepalen.

Naast de transportbeperkingen biedt de combinatie van vezelcomposieten en naadloze staalbuizen veel voordelen, zoals lagere massa en hogere opslagdrukken. Echter, hogere werkdrukken betekenen dikkere koolstofvezellaagjes en een toename van de containermassa, wat de transportkosten verhoogt. Uit berekeningen blijkt dat de optimale waterstofopslagdruk voor maximale gravimetrische dichtheid 40 MPa is. Sommige bedrijven, zoals CIMC Enric en Zhejiang Lenney, hebben al de capaciteit om containers voor waterstoftransport met hogere drukken te produceren, wat hen in staat stelt deze containers voor verschillende toepassingen, zoals scheepvaart en binnenvaart, te exporteren.

De ontwikkeling van lichte waterstofopslagcontainers voor voertuigen is een ander belangrijk gebied. Deze containers moeten voldoen aan verschillende eisen die specifiek zijn voor de automotive industrie. Ten eerste moeten ze klein en efficiënt zijn, zodat ze niet te veel ruimte in beslag nemen in de cabine van het voertuig. Het gewicht van de container speelt hierbij een cruciale rol, aangezien een zwaardere container het energieverbruik van het voertuig verhoogt en de rijafstand vermindert. Bovendien moet de container in staat zijn om een hoge waterstofopslagdichtheid te bieden om de actieradius van voertuigen met brandstofcellen te ondersteunen, met een druk van 35 MPa of zelfs 70 MPa. Veiligheid is uiteraard van het grootste belang, aangezien een voertuig een container niet mag verzwakken of lekken in geval van een ongeval.

Naast de technische eisen is de economische factor van groot belang. De kosten van de waterstofopslagsystemen moeten concurreren met de kosten van traditionele brandstoffen om massale adoptie mogelijk te maken. Volgens de DOE-doelen moeten de energieverhoudingen van waterstofopslagsystemen bereiken: 2.2 kWh/kg (6.5 wt%) en 1.7 kWh/L (50 gH2/L). De kosten van de systemen moeten dalen tot 8 dollar per kWh, terwijl de kosten van koolstofvezel voor waterstofopslagcontainers moeten dalen tot 13 dollar per kg. Het ontwikkelen van Type III en Type IV tanks voor voertuigen is dus een belangrijke focus voor de komende jaren, zowel voor bedrijven als onderzoeksinstellingen die zich richten op de ontwikkeling van waterstoftechnologie.

In China wordt de Type III tank al veelvuldig gebruikt voor voertuigen. Bijvoorbeeld, de SAIC Maxus EU-NIQ7, die in 2020 werd gepresenteerd, is uitgerust met drie 70 MPa Type III waterstofopslagtanks die samen 6,4 kg waterstof kunnen bevatten. Dit biedt een actieradius van 605 km volgens de NEDC-norm, en de tanks blijven intact na een volledige voertuigbotsingstest. Deze tanks vertegenwoordigen de toekomst van waterstofopslag voor voertuigen en kunnen dienen als model voor andere landen en bedrijven.

Wat zijn de thermodynamische en kinetische principes achter waterstofopslag in metalen hydrides?

De opslag van waterstof in metalen hydrides is een complex proces waarbij thermodynamische en kinetische aspecten een cruciale rol spelen. De thermodynamische prestaties van deze materialen kunnen worden beschreven met behulp van de van 't Hoff vergelijking, die de relatie tussen de druk, enthalpie (ΔH), entropie (ΔS) en temperatuur (T) van het waterstofabsorptie- en desorptieproces vastlegt. In deze formule wordt P0 weergegeven als de atmosferische druk (1,01 × 10⁵ Pa), terwijl ΔH en ΔS respectievelijk de veranderingen in enthalpie en entropie zijn bij het waterstofabsorptie- en desorptieproces. De temperatuur T staat voor de absolute temperatuur van de reactie.

Bij de meeste metalen hydrides zijn de waarden voor ΔH en ΔS negatief, wat betekent dat de waterstofabsorptie een exotherm proces is, terwijl de desorptie endotherm is. Dit heeft belangrijke implicaties voor het ontwerp en de werking van waterstofopslagsystemen. De verandering in enthalpie (ΔH) is bijvoorbeeld een belangrijke indicator voor de sterkte van de M-H-binding, wat van invloed is op de stabiliteit en de mate van moeilijkheid bij de waterstofafgifte. Hoe groter de absolute waarde van ΔH, hoe sterker de binding van de M-H-bond, waardoor het systeem moeilijker faalt en moeilijker waterstof vrijkomt. De verandering in entropie (ΔS) duidt op de richting van de reactie om metalen hydrides te vormen. Hoe groter de waarde van ΔS, hoe lager de evenwichtsdruk en hoe stabieler het gevormde hydride is.

Kinetische prestaties zijn eveneens van cruciaal belang voor de efficiëntie van waterstofopslag in metalen hydrides. De snelheid van de waterstofabsorptie- en desorptiereacties wordt bepaald door de activatie-energie van de reactie, zoals weergegeven in de Arrhenius-relatie. Deze relatie beschrijft hoe de reactiesnelheid (v) afhankelijk is van de activatie-energie (Ea) en de temperatuur (T). Wanneer de temperatuur van het systeem hoger is en de activatie-energie lager, verloopt de reactie sneller. Dit betekent dat voor een hogere reactiesnelheid bij lagere temperaturen, de activatie-energie verlaagd moet worden. De activatie-energie is een belangrijke parameter voor de kinetische prestaties, omdat deze de moeilijkheidsgraad van de faseovergang weerspiegelt. Hoe hoger de activatie-energie, hoe moeilijker de reactie zal verlopen.

Naast de thermodynamica en de kinetiek is ook het ontwerp van de materialen voor waterstofopslag van groot belang. De voorbereiding van waterstofopslagmaterialen (alliages) kan via verschillende methoden plaatsvinden, zoals inductiemelting, mechanische alliageermethoden, boogplasma-verdamping en hydride-verbranding. Elke methode heeft zijn eigen voordelen en beperkingen. Zo biedt de inductiemeltingmethode hoge productie-efficiëntie en stabiele controle over het temperatuurveld, terwijl de mechanische alliageermethode, zoals balmolen, het mogelijk maakt om metalen te mengen die normaal gesproken niet mengbaar zijn, en tegelijkertijd defecten introduceert die de waterstofdiffusie bevorderen.

Hoewel de mechanische alliageermethode eenvoudig is en het mogelijk maakt om verschillende metalen te mengen, kunnen de geproduceerde legeringen problemen vertonen zoals ongelijkmatige deeltjesgrootte, wat leidt tot een verminderde stabiliteit bij herhaalde cycli. In dit geval is het noodzakelijk om hulpstoffen toe te voegen of de procesparameters aan te passen om de stabiliteit en prestaties van het waterstofopslagsysteem te verbeteren.

De boogplasma-verdampingsmethode maakt gebruik van een boog tussen het metaal en de elektrode om het metaal te verdampen en wordt vaak gebruikt voor materialen met lage smelt- en kookpunten. Dit proces is efficiënt en kan leiden tot de vorming van unieke structuren, zoals nano-composieten of holle structuren, door het toevoegen van reactieve gassen zoals CH₄ of NH₃.

De hydride-verbrandingsmethode is een relatief nieuwe benadering voor de bereiding van magnesiumgebaseerde waterstofopslagmaterialen. Bij deze methode worden mengpoeders van magnesium en nikkel geplaatst in een waterstofrijke omgeving, waar ze reageren om een hydride te vormen. Dit proces biedt veelbelovende resultaten voor de productie van efficiënte en duurzame waterstofopslagmaterialen.

Naast de keuze van de synthesemethode is het van belang dat de thermodynamische en kinetische eigenschappen van de metalen hydrides grondig worden begrepen. Dit stelt ons in staat om het materiaalontwerp te optimaliseren en de prestaties van waterstofopslagsystemen verder te verbeteren. Elk van de hierboven beschreven methoden heeft specifieke toepassingsgebieden, afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het waterstofopslagsysteem en de operationele omstandigheden.

Om te begrijpen waarom de kinetische en thermodynamische eigenschappen van cruciaal belang zijn, moet de lezer erkennen dat de effectiviteit van waterstofopslag niet alleen afhangt van de hoeveelheid opgeslagen waterstof, maar ook van de snelheid en efficiëntie waarmee waterstof kan worden opgenomen en vrijgegeven. Het vermogen om de waterstofopslagmaterialen te synthetiseren met de juiste eigenschappen kan een aanzienlijk effect hebben op de algehele prestaties van de technologie.

Wat zijn de meest veelbelovende katalysatoren voor waterstofproductie uit ammoniak-boraan?

In de afgelopen jaren zijn er aanzienlijke vooruitgangen geboekt in de ontwikkeling van katalysatoren voor de waterstofproductie uit ammoniak-boraan (NH₃BH₃). Dit materiaal wordt gezien als een veelbelovende bron voor waterstofopslag, gezien zijn hoge waterstofdichtheid en relatieve stabiliteit onder normale omstandigheden. De katalytische ontleding van ammoniak-boraan biedt een efficiënte manier om waterstof te produceren voor verschillende energiebehoeften, maar de effectiviteit van deze processen hangt sterk af van de gebruikte katalysatoren. Er zijn verschillende soorten katalysatoren onderzocht, variërend van edele metalen tot complexere samengestelde materialen.

Een van de meest onderzochte categorieën van katalysatoren zijn nanodeeltjes van edele metalen zoals rhodium, palladium en ruthenium. Akbayrak et al. (2016) toonden aan dat ceria-ondersteunde rhodium nanodeeltjes uitzonderlijke katalytische activiteit vertoonden bij de hydrolyse van ammoniak-boraan, wat leidde tot een significante waterstofproductie. De nanodeeltjes lijken een bijzonder hoge activiteit te vertonen, wat hen een aantrekkelijke keuze maakt voor de industriële toepassingen van waterstofproductie. Evenzo hebben Wei et al. (2018) mesoporositeit van koolstofnitriden gecombineerd met palladium- en palladium-nikkel nanodeeltjes onderzocht, wat resulteerde in een uiterst efficiënte katalyse voor de hydrolyse van ammoniak-boraan.

Naast edele metalen worden ook overgangsmetalen steeds populairder als katalysatoren. Zo werd in 2014 het gebruik van ruthenium, ondersteund op MIL-96, geïntroduceerd als een effectieve katalysator voor de dehydrogenatie van ammoniak-boraan, wat helpt bij de opslag van waterstof. De resultaten lieten zien dat ruthenium een prominente rol speelt in de efficiënte afgifte van waterstof. Deze bevindingen hebben geleid tot verdere onderzoeken naar de optimalisatie van dergelijke systemen voor grotere industriële toepassingen.

Een andere opmerkelijke richting van onderzoek is de gebruikmaking van nanostructuren zoals nanokernen en kern-schilstructuren. Rej et al. (2016) gebruikten goud-palladium kern-schil nanokatalysatoren om de waterstofproductie te verbeteren. Deze materialen vertoonden een facetafhankelijke activiteit, wat suggereert dat de specifieke oriëntatie van de kristalstructuur een belangrijke rol speelt bij de efficiëntie van de reactie.

Het is belangrijk op te merken dat naast de keuze van het katalysatormateriaal, de reactiesomstandigheden ook een grote invloed hebben op de prestaties van de katalysatoren. De temperatuur, druk en de aanwezigheid van specifieke liganden of oplosmiddelen kunnen de snelheid van de hydrolyse beïnvloeden. In veel gevallen blijken lagere temperaturen en specifieke oplosmiddelen de efficiëntie van de waterstofproductie te verhogen, wat cruciaal is voor praktische toepassingen.

Het gebruik van boranhoudende verbindingen, zoals ammoniak-boraan, heeft ook een invloed op de ontwikkelingsrichtingen van katalysatoren. Studies hebben aangetoond dat de stabiliteit van ammoniak-boraan onder verschillende omstandigheden een sleutelrol speelt in de effectiviteit van de katalytische systemen. Veranderingen in de chemische structuur van ammoniak-boraan, zoals in het geval van lithium- of magnesiumamido-boraanverbindingen, kunnen de ontledingseigenschappen aanzienlijk verbeteren, wat leidt tot snellere en meer gecontroleerde waterstofafgifte.

Met het oog op de toekomstige toepassing van deze katalysatoren voor duurzame energieproductie, is het essentieel te begrijpen dat de zoektocht naar de optimale katalysator niet alleen gaat om het verbeteren van de snelheid van de reactie, maar ook om de stabiliteit en de kosten-efficiëntie van de gebruikte materialen. Veelbelovende materialen moeten niet alleen zeer efficiënt zijn, maar ook goedkoop en beschikbaar in grote hoeveelheden. Dit vormt een van de grootste uitdagingen bij de opkomst van waterstof als belangrijke energiedrager in de toekomst.

Er is nog steeds veel onderzoek nodig om de juiste combinatie van materialen, structuren en reactieomstandigheden te vinden die de efficiëntie van de waterstofproductie uit ammoniak-boraan verder kan verbeteren. Daarnaast moeten we ook nadenken over de impact van deze technologie op de bredere energie-infrastructuur, vooral in termen van schaalbaarheid en energieopslag. De ontwikkeling van robuuste en kosteneffectieve katalysatoren zal cruciaal zijn voor het succes van waterstoftechnologieën in de wereldwijde energietransitie.

Hoe Optimaliseer je Temperatuur en Energieverbruik in Cryogene Systemen?
Hoe kan stationariteit in tijdreeksen worden getest en wat zijn de relevante statistische methoden?
Hoe De Noodzaak Als Sleutel Het Verhaal Vormt: De Allegorie van de Wet in Gottfried von Strassburg’s Tristan en Isolde
Hoe de omgeving van het Jura en Krijt de evolutie van dieren en planten beïnvloedde