Wat zijn de voordelen van methanol en vastestoffen waterstofopslag voor energieopslag en -transport?

Methanol (CH3OH) is een cruciaal grondstof in de chemische technologie en speelt een belangrijke rol in de opslag van waterstof en de productie van bio-energie. Als een vloeibaar fase waterstofopslagmateriaal heeft methanol een hoge massadichtheid van waterstofopslag (12,5 wt%) en een volumetrische dichtheid van 99 g/L. Door middel van een katalytische reformeringsreactie met water kan methanol extra waterstof verkrijgen, waardoor de waterstofopslagdichtheid per eenheid massa kan oplopen tot 18,75 wt%. Dit maakt methanol niet alleen efficiënt als opslagmateriaal, maar ook aantrekkelijk voor gebruik in systemen voor waterstofproductie.

Echter, ondanks de voordelen, zijn er enkele belangrijke uitdagingen bij het gebruik van methanol als waterstofopslagmateriaal. De lage efficiëntie van de productie van groene methanol, de lage selectiviteit van het proces, de hoge kosten van de productie en de energie-intensiteit van de methanolreformeringsreactor vormen nog steeds significante obstakels. Daarnaast zijn de kosten voor het verkrijgen van zuivere waterstof via scheidingstechnologieën hoog, en de levensduur van deze systemen is vaak beperkt. Deze problemen moeten worden aangepakt om de toepassing van methanol als waterstofdrager op grote schaal haalbaar te maken.

In de zoektocht naar efficiëntere en duurzamere methoden voor waterstofopslag wordt solid-state waterstofopslag steeds meer verkend. Solid-state opslag verwijst naar het proces waarbij waterstof wordt opgeslagen in vaste materialen, wat significant andere voordelen biedt ten opzichte van gas- of vloeibare waterstofopslag. Deze technologie maakt gebruik van waterstofopslagmaterialen die de waterstof als het ware "vastleggen" in hun structuur. Dit proces maakt het mogelijk om waterstof op te slaan in een vaste toestand, wat de veiligheid van de opslag en het transport aanzienlijk verhoogt, aangezien er slechts een minimale hoeveelheid elementaire waterstof in de opslagcontainers aanwezig is.

Een van de voordelen van solid-state waterstofopslag is de hoge veiligheid. Het materiaal zelf is in staat de waterstof op te slaan zonder het risico van gas- of vloeistoflekken, wat vaak een probleem is bij traditionele opslagmethoden. Ook de onderhoudskosten zijn vaak lager, omdat de systemen minder complex zijn en minder onderhoud vereisen. Daarnaast biedt deze technologie de mogelijkheid om waterstof op te slaan bij lagere druk en bij hogere veiligheid.

Solid-state waterstofopslagmaterialen zijn veelzijdig en kunnen worden toegepast in verschillende scenario's. In gedistribueerde energieproductie, bijvoorbeeld, kunnen solid-state materialen helpen bij het opslaan van energie uit hernieuwbare bronnen zoals zonne-energie of windenergie. Dit maakt het mogelijk om energie op te slaan voor later gebruik, bijvoorbeeld tijdens piekverbruik of voor nood- en back-upsituaties. Materialen zoals magnesiumhydride zijn in staat om waterstof op te slaan met een hoge energiedichtheid en kunnen worden ingezet voor toepassingen in noodstroomvoorzieningen, maritieme toepassingen of zelfs onbemande luchtvaartuigen.

Samenvattend kunnen methanol en solid-state waterstofopslagtechnologieën als veelbelovende oplossingen voor de waterstofeconomie worden gezien, maar de efficiëntie en kosten moeten nog verder geoptimaliseerd worden om hun toepassingen te maximaliseren. Behalve de voordelen van veiligheid en lagere onderhoudskosten van solid-state opslag, is het van belang dat deze technologieën ook economisch haalbaar blijven voor grootschalig gebruik, met een focus op de ontwikkeling van meer kosteneffectieve materialen en methoden voor waterstofopslag en -transport.

Wat zijn de uitdagingen bij de opslag en het transport van vloeibare waterstof bij lage temperaturen?

Vloeibare waterstofopslag is een technologische benadering waarbij waterstofgas wordt gecondenseerd tot vloeistofvorm voor opslag. In deze toestand heeft waterstof een veel hogere dichtheid dan in gasvorm, wat het mogelijk maakt om grotere hoeveelheden waterstof op een kleinere ruimte op te slaan. Bij atmosferische druk heeft vloeibare waterstof een temperatuur van 20,37 K (−252,78 °C) en een dichtheid van ongeveer 70,85 kg/m³, wat ongeveer 790 keer de dichtheid is van waterstofgas bij standaardomstandigheden. Echter, de lage kritische temperatuur van vloeibare waterstof (33,19 K of −239,97 °C) maakt het veel complexer om waterstof in vloeibare vorm op te slaan dan bij andere gassen. Deze uitdaging wordt versterkt door de noodzaak om waterstof te koelen tot onder de conversietemperatuur, waarna het verder gekoeld moet worden door isentrope expansie of isenthalpische throttling om het te laten liquefiëren.

Tijdens het proces van vloeibaar maken is er een belangrijk fenomeen: de conversie tussen ortho-waterstof en para-waterstof. Waterstof bestaat in twee verschillende spin-isomeren: ortho-waterstof, waarbij de atomaire kernen parallel draaien, en para-waterstof, waarbij de atomaire kernen tegenovergestelde spins hebben. Hoewel deze isomeren chemisch identiek zijn, verschillen ze fysisch, waarbij ortho-waterstof een hogere energie heeft dan para-waterstof. Dit verschil in energie heeft invloed op de manier waarop vloeibare waterstof zich gedraagt bij verschillende temperaturen.

Bij kamertemperatuur bevat waterstofgas ongeveer 75% ortho-waterstof en 25% para-waterstof. Echter, wanneer de temperatuur daalt tot ongeveer 120 K, begint ortho-waterstof langzaam om te zetten naar para-waterstof, een proces dat warmte vrijgeeft. Deze warmte moet zorgvuldig worden beheerd tijdens het opslaan van vloeibare waterstof, omdat anders verdamping kan optreden. Wanneer de temperatuur verder daalt tot ongeveer 20 K, bereikt de verhouding van para-waterstof in thermisch evenwicht 99,8%, wat betekent dat bij deze temperaturen bijna alle waterstofmoleculen zich in de para-vorm bevinden.

Het probleem met deze omzetting is dat de snelheid van de ortho-para conversie bij lage temperaturen extreem langzaam is zonder menselijke interventie. Dit vertraagt de efficiëntie van het vloeibaar maken en de opslag van waterstof. Om deze reden moet de meeste omzetting van ortho naar para-waterstof al tijdens het productieproces plaatsvinden, zodat er bij opslag minimaal warmteverlies optreedt door het conversieproces.

Bovendien vereist de productie van vloeibare waterstof aanzienlijke energie-input, vooral vanwege de lage temperatuur die nodig is voor de vloeibaarmaking. Dit maakt het proces duur, en de kosten van vloeibare waterstof moeten concurreren met andere energie-opslagmethoden, zoals batterijen of fossiele brandstoffen. De huidige onderzoeken richten zich dan ook niet alleen op het verbeteren van de efficiëntie van het vloeibaar maken, maar ook op het verlagen van de kosten en het vergroten van de duurzaamheid van deze technologie.

In de toekomst zal de ontwikkeling van nieuwe materialen, zoals verbeterde isolerende omhulsels en effectievere warmtewisselaars, waarschijnlijk bijdragen aan het verbeteren van de opslagcapaciteit en het verlagen van de kosten van vloeibare waterstof. Daarnaast speelt de standaardisatie van veiligheidsnormen een sleutelrol in de wereldwijde acceptatie en implementatie van vloeibare waterstofopslagtechnologieën. Het is van belang dat wetgeving en normen rondom de opslag en het transport van vloeibare waterstof internationaal worden gecoördineerd om de veiligheid en efficiëntie van het systeem te waarborgen.

Kan ammoniak een levensvatbare vector zijn voor waterstofopslag en -productie?

De zoektocht naar efficiënte, betaalbare en duurzame methoden voor waterstofopslag en -transport brengt ammoniak steeds vaker naar voren als een veelbelovende vector. Traditionele technologieën zoals palladium-zilvermembranen en tantaal-nanobuisdragers zijn echter kostbaar en technisch complex, wat de schaalbaarheid belemmert. Daarom is de ontwikkeling van goedkopere en selectievere membranen en dragers cruciaal om het potentieel van ammoniak te realiseren.

Een innovatieve benadering die in 2017 werd voorgesteld door Nagaoka en zijn team is de thermo-oxidatieve afbraak van ammoniak. Hierbij wordt gebruikgemaakt van partiële oxidatie met behulp van een zure RuO₂/γ-Al₂O₃-katalysator, waardoor de reactie exotherm wordt (−75 kJ/mol). Dit staat in contrast met de endotherme aard van conventionele thermische ammoniakafbraak (45,9 kJ/mol). Dankzij deze zelfverhitting kan de reactie in principe plaatsvinden zonder externe warmtebron, wat de energie-input drastisch reduceert. Toch gaat bij deze oxidatieve aanpak een derde van de potentiële waterstof verloren, omdat één waterstofatoom per ammoniakmolecule wordt omgezet in water. Daardoor daalt de theoretische opslagcapaciteit naar 11,8 wt%. Bovendien bemoeilijkt de introductie van zuurstof het reactieproces, verhoogt het de productie van bijproducten, en maakt het de zuivering van waterstof technisch complexer en duurder.

Om deze beperkingen te omzeilen ontwikkelde Ichikawa en zijn team een technologie gebaseerd op directe elektrolyse van vloeibare ammoniak, waarbij platinumelektroden en alkali-metaalamidezouten als elektrolyt worden ingezet. In dit systeem worden ammoniakmoleculen op de kathode gereduceerd tot waterstof, terwijl op de anode amide-ionen worden geoxideerd tot stikstof. Hoewel dit conceptueel aantrekkelijk is, vereist het extreem anhydre en zuurstofvrije omstandigheden, hoge druk (tot 100 atm) en spanningen van 1–2 V, wat de praktische toepasbaarheid ernstig beperkt door de hoge complexiteit en veiligheidsvereisten.

Naast deze benaderingen bestaan ook plasmatechnologieën en fotokatalytische routes voor ammoniakdecompositie, maar deze bevinden zich nog in een pril onderzoeksstadium met weinig experimentele output en complexe reactiemechanismen.

Ondanks deze technische uitdagingen blijft ammoniak aantrekkelijk vanwege bestaande infrastructuur. Wereldwijd zijn er gevestigde logistieke systemen voor de productie, opslag en distributie van ammoniak, met lagere kosten dan voor waterstof. Als groene waterstof wordt gebruikt om groene ammoniak te synthetiseren, wordt een volledig koolstofvrije cyclus bereikt. Het verbranden van ammoniak produceert uitsluitend stikstof en water, zonder CO₂-uitstoot. Dit maakt ammoniak tot een veelbelovende energiedrager in de wereldwijde overgang naar koolstofneutraliteit.

Het directe gebruik van ammoniak als brandstof brengt echter zijn eigen obstakels met zich mee. De ontstekingssnelheid van ammoniak is aanzienlijk lager dan die van waterstof of aardgas, en de verbrandingswaarde is eveneens beperkt. Dit maakt het moeilijk om stabiele en continue verbranding te realiseren, wat essentieel is voor grootschalige energieopwekking.

Ondanks deze beperkingen omarmen steeds meer landen de potentie van ammoniak. In het kader van hun groene strategieën investeren Japan, Zuid-Korea, Australië en de EU grootschalig in ammoniakgebaseerde energieoplossingen. Japan streeft ernaar om tegen 2040 volledig over te schakelen naar elektriciteitsproductie op basis van pure ammoniakverbranding. Zuid-Korea plant de commercialisering van ammoniakgestookte energiecentrales tegen 2030. Australië stimuleert de samenwerking tussen industrie en overheid om ammoniakveiligheid en -technologie te ontwikkelen.

De technologische vooruitgang op het gebied van ammoniakdecompositie, elektrolyse en grootschalige energieopwekking is dus onmiskenbaar. Toch blijft de kloof tussen theoretisch potentieel en commerciële toepasbaarheid groot. De kern van de uitdaging ligt in het optimaliseren van reactiesystemen, het verlagen van bedrijfskosten en het verbeteren van veiligheid en efficiëntie. Alleen dan kan ammoniak werkelijk uitgroeien tot een strategisch inzetbare vector voor waterstof in een duurzame energie-economie.

Wat essentieel is om te begrijpen, is dat de rol van ammoniak in de toekomstige energiemarkt niet enkel afhankelijk is van chemische of technologische innovaties. Het succes ervan hangt ook af van wereldwijde coördinatie op het vlak van regelgeving, investeringen in infrastructuur en acceptatie door industrie en samenleving. Ammoniak is geen wondermiddel, maar wel een realistisch tussenstation op weg naar een koolstofvrije toekomst, mits het wordt benaderd met een geïntegreerde en systemische strategie waarin veiligheid, schaalbaarheid en duurzaamheid voorop staan.

Hoe kunnen nieuwe materialen voor waterstofopslag de efficiëntie van voertuigen verbeteren?

De zoektocht naar efficiënte materialen voor waterstofopslag is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van duurzame energietechnologieën, met name op het gebied van voertuigen. In dit kader is een breed scala aan legeringen en verbindingen onderzocht, waarvan de eigenschappen van de waterstofopslag bepalend zijn voor hun toepassingen in energieopslag en -transport. Titanium-ijzer gebaseerde legeringen, zoals FeTi, worden al lange tijd onderzocht vanwege hun vermogen om waterstof op te slaan. De eigenschappen van deze legeringen, zoals de mate van hydrogene absorptie en desorptie, worden nauwkeurig bestudeerd om te bepalen hoe ze zich gedragen onder verschillende omstandigheden van druk en temperatuur.

Bijvoorbeeld, de legering FeTi1.14O0.03 heeft uitstekende waterstofabsorptie-eigenschappen, zelfs in aanwezigheid van onzuiverheden zoals CO, CO2 en zuurstof. Dit maakt het een veelbelovend materiaal voor gebruik in voertuigen die gebruik maken van waterstof als brandstof. Er is echter een probleem van oppervlaktevergiftiging, vooral door de aanwezigheid van zuurstof, koolstofmonoxide (CO), en water, die de prestaties van de materialen kunnen verminderen. Het is dan ook essentieel om de stabiliteit van deze materialen te verbeteren door ze te beschermen tegen dergelijke vergiftigingseffecten.

Lithiummetaalverbindingen, met name LiBH4, zijn een ander veelbelovend materiaal voor waterstofopslag. Dit borohydride heeft een hoge theoretische waterstofdichtheid en kan grote hoeveelheden waterstof opslaan bij relatief lage temperaturen. Er is echter een belangrijke uitdaging in het verbeteren van de desorptie-eigenschappen van LiBH4. Onderzoek heeft aangetoond dat het materiaal niet altijd effectief waterstof desorbeert onder de gewenste temperatuur- en drukomstandigheden, waardoor de praktische toepassing ervan beperkt is.

Om de prestaties van deze materialen te verbeteren, zijn verschillende benaderingen onderzocht. Een van de effectiefste methoden is nanoconfinement, waarbij de waterstofopslagmaterialen in nanostructuren worden ingesloten. Dit verhoogt de oppervlakte-interactie en verbetert de kinetische eigenschappen van de waterstofabsorptie en desorptie. In het geval van LiBH4 wordt bijvoorbeeld aangetoond dat het materiaal in een poreuze TiO2-microbuisstructuur wordt geconfinieerd, wat de dehydrogenerende prestaties aanzienlijk verbetert. Evenzo kan de toevoeging van nanomaterialen zoals koolstof of nanodeeltjes zoals TiF3 de prestaties van materiaal zoals LiAlH4 verbeteren door de reactiesnelheid en reversibiliteit te verhogen.

Het effect van doping en het gebruik van verschillende katalysatoren wordt ook uitgebreid onderzocht. Elementen zoals Ni, Mn, en Ti worden toegevoegd aan materialen zoals V-Ti-Cr-Fe-legeringen om de waterstofopslagcapaciteit te verbeteren en de reversibiliteit van waterstofdesorptie te verhogen. De toevoeging van bepaalde katalysatoren kan ook de reactiekinetiek verbeteren, wat leidt tot snellere ontlading van waterstof bij lagere temperaturen.

Wat belangrijk is voor de lezer om te begrijpen, is dat de keuze van het materiaal voor waterstofopslag niet alleen afhankelijk is van de theoretische opslagcapaciteit, maar ook van de praktische eigenschappen zoals stabiliteit, reversibiliteit, en snelheid van de waterstofopname en -afgifte. Veelbelovende materialen moeten niet alleen in staat zijn om grote hoeveelheden waterstof op te slaan, maar ook het vermogen hebben om deze efficiënt en herhaaldelijk te desorberen zonder significante verlies van capaciteit of veiligheid.

In dit kader speelt de interactie tussen chemische samenstellingen en de nanostructuur van materialen een sleutelrol. Het begrip van deze interacties en het vermogen om de eigenschappen van waterstofopslagmaterialen te optimaliseren, zal essentieel zijn voor de komende vooruitgangen in waterstoftechnologieën. Als de technologieën rondom deze materialen verder worden ontwikkeld, kan dat bijdragen aan de commercialisering van waterstof als een schone en hernieuwbare energiebron, niet alleen voor voertuigen, maar voor vele andere toepassingen in de energietransitie.