De wereld staat voor een uitdaging op het gebied van energiebehoeften – het in evenwicht brengen van vraag en aanbod, kosten en milieu-impact – en een mogelijke oplossing voor dit probleem is waterstof.
Waterstof is veelbelovend als brandstofbron voor verbrandingsmotoren, brandstofcellen en als alternatief voor aardgasverwarming. Het enige overblijfsel van de verbranding is water en er zijn verschillende manieren om het gas te produceren zonder de dreiging van koolstofemissies.
Zuiver waterstofgas is echter duur om duurzaam te produceren en nog duurder om op te slaan en te vervoeren in vergelijking met traditionele fossiele brandstoffen. Energieonderzoekers hebben geprobeerd de beste manieren te vinden om waterstof te kopen en de meest praktische methoden voor het transport ervan, zodat het een echte concurrent kan worden van aardgas of petrochemie. Er zijn een paar manieren om dit probleem aan te pakken, lees hieronder meer.
Voor al zijn toepassingen heeft pure diatomische waterstof beperkingen waardoor het niet praktisch is op grotere schaal. De productie van waterstofbrandstof is niet strikt vrij van broeikasgassen en er zijn zowel duurzame als niet-duurzame methoden van productie waar rekening mee moet worden gehouden. Het meest kansrijk op dit moment is de elektrolytische splitsing van water (met behulp van hernieuwbare energie), waarbij waterstof- en zuurstofgassen ontstaan.
Nu het probleem van de productie is opgelost, wordt het probleem van efficiëntie werkelijkheid: bij omgevingsdruk en -temperatuur is er simpelweg niet genoeg energie per volume-eenheid waterstofgas om een vergelijkbare maatstaf te bieden tegen fossiele brandstoffen. De energiedichtheid van waterstofgas per kilogram is bijna drie keer dat van traditionele brandstoffen, maar de realistische energiecapaciteit per liter ordes van grootte kleiner is.
Hoewel het waterstofgas onder hoge druk kan worden gecomprimeerd, vereist dit gespecialiseerde apparatuur en zelfs nog meer energie om dit te doen, en kan nog steeds slechts ongeveer 5% waterstof per gewichtseenheid worden bereikt (waarbij de resterende 95% het gewicht is van het vat onder druk). ). Hetzelfde kan gezegd worden voor vloeibare waterstof die een temperatuur van -253°C of kouder vereist, waardoor koelapparatuur en extra vermogen nodig zijn.
De beste oplossing voor efficiënt gebruik en transport van waterstof die wetenschappers hebben gevonden, is eigenlijk helemaal geen zuivere waterstof. Er zijn alternatieven die veel potentieel hebben, namelijk chemische opslag en fysieke opslag.
Chemische opslag is waar de waterstofatomen worden opgeslagen in moleculen door middel van chemische bindingen, om pas vrij te komen nadat een chemische reactie heeft plaatsgevonden. Er zijn veel mogelijke opties voor chemische dragers van waterstof, zoals metaalhydriden of organische moleculen (bijv. alcoholen, koolhydraten).
Om het meest effectief te zijn, moet een materiaal een waterstofcapaciteit van ten minste 7 gewichtsprocent hebben en een werktemperatuur tussen 0 en 100°C hebben. Veel metaalhydriden hebben een temperatuur van minimaal 200°C nodig om waterstof vrij te maken. Organische koolwaterstoffen bevinden zich in een vergelijkbare positie, met als bijkomend nadeel dat ze CO uitstoten2 als reactieproduct.
Dankzij fysieke opslagmogelijkheden kan waterstof in veel grotere hoeveelheden op het oppervlak van een materiaal worden geadsorbeerd dan dat het gas alleen achterblijft. De meest voorkomende hiervan zijn zeer poreuze sponsachtige materialen, zoals actieve kool of metaal-organische raamwerken (MOF's). Een in 2020 gerapporteerde MOF bleek een uitstekende waterstofcapaciteit van 14 gewichtsprocent te bereiken. De beperking van veel MOF's is echter dat ze adsorptie het beste uitvoeren bij zeer lage temperaturen (veel rond -200°C) en hun werkzaamheid verliezen naarmate de temperatuur stijgt.
Ammoniak heeft al naam gemaakt als essentieel onderdeel van meststoffen, met een wereldwijde jaarlijkse productie van meer dan 200 miljoen ton in 2021. Het heeft ook tot inspiratie geleid als methode voor chemische waterstofopslag.
De huidige ammoniakproductiemethode is niet groen - het Haber-proces houdt in dat stikstofgas en waterstofgas samen reageren bij hoge temperaturen en drukken, waarbij de waterstof in kwestie meestal afkomstig is van fossiele brandstoffen. Energiewetenschappers boeken echter vooruitgang met alternatieve productiemethoden, zoals brandstofcellen en membraanreactoren, die ammoniak een groenere voetafdruk kunnen geven voor brandstoffen, kunstmest en meer.
Ammoniak is een anorganisch molecuul, bestaande uit één stikstofatoom en drie waterstofatomen. Deze waterstofdichtheid maakt het een aantrekkelijke chemische drager van waterstof voor energiedoeleinden, als alternatief voor het transporteren van pure vloeibare waterstof. In plaats van temperaturen onder -253°C te vereisen, is ammoniak een vloeistof bij slechts -77°C bij atmosferische druk, of tot -10°C bij iets hogere drukken. Bovendien bevat ammoniak geen koolstof, dus het heeft een groot potentieel als koolstofneutrale brandstofbron. Het kan worden gesplitst in waterstof- en stikstofgassen in een omgekeerde brandstofcel, waar diatomische stikstof eenvoudig weer in de atmosfeer terecht kan komen zonder nadelige gevolgen voor het milieu.
Als u meer wilt weten over verschillende soorten chemicaliën, of hoe u risico's kunt minimaliseren tijdens het werken met chemicaliën, zijn wij er om u te helpen. We hebben tools om u te helpen met verplichte rapportage en het genereren van SDS en risicobeoordelingen. We hebben ook een bibliotheek van webinars met betrekking tot wereldwijde veiligheidsvoorschriften, softwaretraining, geaccrediteerde cursussen en etiketteringsvereisten. Neem voor meer informatie vandaag nog contact met ons op via: sales @chemwatch.net.
Bronnen:
