Waterstof is zojuist aantrekkelijker geworden als energiebron dankzij de doorbraak op het gebied van insluiting

Waterstof, het lichtste element in het universum, wordt weergegeven door het symbool H. Het heeft een atoomnummer van 1 en is het meest voorkomende element. Het is het eenvoudigste chemische element, met slechts één proton en één elektron, en is kleurloos, smaakloos en geurloos. 

Interessant is dat waterstof naar schatting 75% van de massa van het universum voor zijn rekening neemt. Het omvat echter slechts ongeveer 0.14 gewichtsprocent van de aardkorst. Het komt van nature voor in samengestelde vorm met andere elementen in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. En in combinatie met zuurstof vormt deze brandbare stof water (H2O), en in combinatie met koolstof vormt het koolwaterstof, die voorkomt in aardolie en steenkool. Waterstof kan dus worden geproduceerd uit een aantal bronnen, waaronder hernieuwbare energie zoals zonne- en windenergie, kernenergie en aardgas. 

Opmerkelijk er zijn meerdere ontdekkingen gedaan van het op natuurlijke wijze vormen van waterstofgaszakken in landen als Australië, Nieuw-Zeeland, Canada, Frankrijk, Duitsland, Japan en Rusland. Momenteel onderzoeken wetenschappers de omvang van deze reserves in deze landen, samen met hun oorsprong en de potentiële effecten op de omringende omgevingen als ze worden gewonnen.

Waterstof als energiebron

De meest gebruikelijke methoden om waterstofbrandstof te produceren zijn onder meer thermische, elektrolyse, fotovoltaïsche elektrolyse, door zonne-energie aangedreven en biologische processen. 

Warmte-

Bij het thermische proces reageert stoom met een koolwaterstofbrandstof zoals diesel, aardgas, vergaste steenkool of vergaste biomassa om H te produceren. Met name wordt het merendeel (ongeveer 95%) van alle waterstof geproduceerd door stoomreforming van aardgas. 

electrolyse

Elektrolyse omvat ondertussen het scheiden van water in zuurstof en waterstof. Dit proces vindt plaats in een elektrolyseur en creëert waterstof uit watermoleculen.

Biologisch

Biologische processen maken gebruik van microben die niet met het blote oog kunnen worden gezien, zoals bacteriën, om waterstof te produceren. 

Zonne

Het door zonne-energie aangedreven proces maakt, zoals de naam al doet vermoeden, gebruik van licht voor de reproductie van H op verschillende manieren, zoals foto-elektrochemisch (gebruikt gespecialiseerde halfgeleiders om water te scheiden in H en O), fotobiologisch (gebruikt de natuurlijke fotosynthetische activiteit van bacteriën en groene algen) en thermochemische zonne-energie (gebruikt geconcentreerde zonne-energie om watersplitsingsreacties aan te sturen).

Naast al zijn kwaliteiten is waterstof ook een schone brandstof, wat betekent dat het alleen water, warmte en elektriciteit produceert als het in een brandstofcel wordt verbruikt. Dit maakt het een aantrekkelijke optie voor elektriciteitsopwekking en transport, inclusief auto's en raketten. De energiedichte en opslagbare substantie die geen broeikasgassen produceert, werd meer dan twee eeuwen geleden daadwerkelijk gebruikt om verbrandingsmotoren aan te drijven. 

Hieruit blijkt dat waterstof een van de belangrijkste opties is voor de opslag van hernieuwbare energie en ook in veel industrieën wordt gebruikt. Het echte potentieel moet echter nog worden gerealiseerd. Daarvoor moet waterstof economisch op schaal worden geproduceerd. Ook moet de huidige infrastructuur zich aanpassen aan waterstof, al kan het wel via gasleidingen worden getransporteerd.

Hoewel we de wonderen van het gebruik van waterstof als brandstof nog niet volledig hebben benut, zijn de mondiale uitgaven aan onderzoek en ontwikkeling om het volledige potentieel van waterstof als energiebron te verkennen door de jaren heen gestegen. Een recente studie heeft in dit opzicht zelfs een grote doorbraak bereikt, waardoor waterstof met hoge dichtheid kan worden opgeslagen voor toekomstige energiesystemen.

Kader voor de opslag van dicht opeengepakte waterstof

Gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry vorige maand, de studie: “hydridische raamwerken met kleine poriën slaan dicht opeengepakte waterstof op”, werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Research Foundation of Korea (NRF) en de German Research Foundation (DFG).

Hoewel nanoporeuze materialen veel aandacht hebben gegenereerd voor gasopslag, merkte de studie op dat het bereiken van een hoge volumetrische opslagcapaciteit een uitdaging blijft. Daarom kwamen verschillende onderzoekers van verschillende universiteiten samen om dit probleem aan te pakken.

Michael Hirscher, van het Japanse Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) aan de Tohoku Universiteit en het Duitse Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen, bedacht de originele ideeën en hield toezicht op het project. Ondertussen leidde Hyunchul Oh van het Koreaanse Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) dit project.

Interessant is dat in 2022 een team van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen, het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE), de Technische Universität Dresden en de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg vertoonde dat waterstof condenseert op een oppervlak bij een zeer lage temperatuur nabij het H2-kookpunt. Dit proces vormt een superdichte monolaag, die de dichtheid van vloeibare waterstof drie keer overtreft, waardoor het volume wordt teruggebracht tot slechts 3 liter per kilogram H5.

De laatste studie in kwestie onderzocht een raamwerk van magnesiumboorhydride door gebruik te maken van neutronenpoederdiffractie, inelastische neutronenverstrooiing, volumetrische gasadsorptie en berekeningen van de eerste principes. Het raamwerk heeft kleine poriën en een gedeeltelijk negatief geladen, niet-vlak interieur voor de opname van waterstof (H) en stikstof (N). 

Zowel stikstof als waterstof bezetten merkbaar verschillende adsorptieplaatsen in de poriën. Ze hebben beide ook zeer verschillende grenscapaciteiten van 0.66 N2 en 2.33 H2 per Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, voor het eerst ontdekt in 1950, staat bekend als een waterstofopslagmateriaal met hoge capaciteit dat bestaat uit zowel kristallijne polymorfen met nanoporeuze MOF-achtige structuren als zeer dichte polymorfen met extreme volumetrische waterstofdichtheid en hoge gravimetrische waterstofcapaciteit.

Dus als het om moleculaire waterstof gaat, is deze extreem dicht gepakt, met een dichtheid die ongeveer tweemaal zo groot is als die van vloeibare waterstof. 

Het team gebruikte vervolgens neutronenpoederdiffractie (NPD) om de positie van de waterstofatomen in de structuur te bepalen, samen met de adsorptieplaatsen van de moleculen. 

Uit de studie bleek dat er een penta-diwaterstofcluster (diwaterstof bestaat uit twee waterstofatomen verbonden door een enkele binding) werd gevonden waar H2-moleculen op één positie rotatievrijheid hebben. H2-moleculen op een andere positie hebben daarentegen een goed gedefinieerde oriëntatie en een directionele interactie met het raamwerk. Hieruit blijkt dat dicht opeengepakte waterstof daadwerkelijk kan worden gestabiliseerd in materialen met kleine poriën onder normale atmosferische druk.

Met deze onthulling heeft het team met succes de uitdaging van de beperkte waterstofopslagcapaciteit aangepakt door gebruik te maken van geavanceerde adsorptietechnologie met hoge dichtheid. 

Deze baanbrekende ontwikkeling werd gerapporteerd door professor Oh van de afdeling scheikunde van UNIST. Het innovatieve onderzoek markeert een aanzienlijke vooruitgang in toekomstige energiesystemen. 

Het mogelijk maken van grootschalige waterstofopslag

Als het gaat om het gebruik van waterstof in transport, stationaire energie en draagbare energie, speelt opslag een sleutelrol. Hoewel het element de hoogste energie per massa heeft, resulteert de lage omgevingstemperatuurdichtheid in een lagere energie per volume-eenheid. Daarom zijn geavanceerde opslagmethoden nodig om een ​​hogere energiedichtheid te bereiken.

Momenteel richt de opslagtechnologie zich vooral op moleculaire waterstofopslag in vloeibare of gasvorm. Maar er zijn natuurlijk grenzen aan deze huidige technologie in termen van volumetrische en gravimetrische (hoeveel energie per gram of kilogram kan worden opgeslagen) opslagdichtheid.

Voor de opslag van waterstof als gas zijn hogedruktanks nodig, terwijl voor vloeistoffen cryogene temperaturen nodig zijn. Het kan ook op het oppervlak of in een vaste stof worden opgeslagen via absorptie.

Als molecuul kan waterstof fysiek worden geadsorbeerd in een materiaal dat poriën (holtes) bevat door zwakke van der Waals-interacties (die relatief zwak en niet-ionisch van aard zijn) door middel van fysisorptie. Het verwijst naar een proces waarbij gasmoleculen zich hechten aan een vast oppervlak. Hoewel zeer poreuze materialen een hoge gravimetrische waterstofopname bieden, zijn er echter verbeteringen nodig in de volumetrische opslagcapaciteit.

Dit is waar nanoporeus kubisch magnesiumboorhydride, γ-Mg(BH4)2, geweldige resultaten biedt. Het heeft een dichtheid van ρ = 0.550 g cm−3 en een vrij poriënvolume van 33%. Dankzij een poriediameter van ~9 Å kan deze verbinding kleine moleculen zoals waterstof of stikstof adsorberen. Het is via het gedeeltelijk negatief geladen binnenoppervlak van dit poreuze hydride dat hydrideatomen worden blootgesteld aan de poriën.

De studie, mogelijk gemaakt door het Mid-Career Research Program van NFR en het Ministerie van Wetenschap en ICT (MSIT), synthetiseerde dit nanoporeuze complexe hydride dat bestaat uit magnesiumkationen (Mg+) en magnesiumhydride, en vast boorhydride (BH4)2.

Het resulterende materiaal maakt de opslag van vijf waterstofmoleculen in een 3D-opstelling mogelijk, waardoor een opmerkelijke waterstofopslag met hoge dichtheid wordt bereikt. Het toont verder een waterstofopslagcapaciteit van 144 g/l per volume poriën, wat de traditionele methoden ver overtreft. Op indrukwekkende wijze overtreft de dichtheid van waterstofmoleculen in het materiaal zelfs die van de vaste toestand.

Professor Oh beschrijft het materiaal als een ‘paradigmaverschuiving’ in de wereld van waterstofopslag en zei dat het ‘een overtuigend alternatief biedt voor traditionele benaderingen’. 

Deze ontwikkeling verbetert aanzienlijk de productiviteit en economische efficiëntie van het gebruik van waterstof als energiebron. Het pakt verder de uitdagingen aan van het op grote schaal opslaan van waterstof voor wijdverbreid gebruik in openbare en persoonlijke transporttoepassingen.

Bedrijven die van deze ontwikkeling kunnen profiteren 

Als we het hebben over de industrieën die kunnen profiteren van dergelijk onderzoek, dat de waterstofopslag transformeert, komen we een breed scala aan sectoren tegen, waaronder de chemie, de energiesector, de automobielsector, de techniek en de bouw. Laten we dus eens kijken naar enkele bedrijven die hiervan kunnen profiteren: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Het in Japan gevestigde autobedrijf heeft beloofd zijn CO2-uitstoot te verminderen en beweert een van de eerste bedrijven te zijn die zich richt op het potentieel van waterstofenergie. 

Om deze doelen te bereiken doet Honda Motor Company sinds de jaren tachtig onderzoek naar brandstofceltechnologieën voor een verscheidenheid aan toepassingen. 

Eerder dit jaar kondigde het bedrijf aan dat het in samenwerking met General Motors (GM) was begonnen met de productie van waterstof-brandstofceloplossingen voor verschillende producttoepassingen en wat zij ‘het begin van het waterstoftijdperk’ noemen.

Met een marktkapitalisatie van $64.85 miljard worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $36.93, een stijging van 19.22% sinds het begin van het jaar (YTD). Honda Motor heeft een omzet (TTM) geboekt van $128.49 miljard, een winst per aandeel (TTM) van 7.73 en een koers/winst (TTM) van 4.77. Het bedrijf keert bovendien een dividendrendement uit van 2.77%.

#2. Dow Chemical Company

The Dow Chemical Company is betrokken bij verschillende sectoren, waaronder Koolwaterstoffen & Energie. Onlangs werkte het samen met Linde (NYSE: LIN) om schone waterstof en stikstof te leveren voor zijn geïntegreerde ethyleenkraker en derivatenfabriek met netto nul-koolstofuitstoot in Canada. De deal voor het project ter waarde van $6.5 miljard werd eind vorig jaar afgerond. Als onderdeel van de deal zal het Linde's luchtscheidings- en auto-thermische reformertechnologie inzetten om het afgas van de kraker om te zetten in waterstof.

Met een marktkapitalisatie van ruim $39.9 miljard worden de aandelen van Dow Chemical verhandeld tegen $56.76, een stijging van 3.5% YTD. Dow Chemical heeft een omzet (TTM) geboekt van $44.62 miljard, een winst per aandeel (TTM) van 0.81 en een koers/winst (TTM) van 69.67. Het bedrijf keert bovendien een dividendrendement uit van 4.93%.

#3. McPhy Energy SA

Het in Frankrijk gevestigde bedrijf ontwikkelt oplossingen voor de productie en opslag van waterstof. Vorig jaar breidde McPhy zijn commerciële overeenkomst met Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS) uit, waarbij laatstgenoemde waterstofgerelateerde processen en apparatuur voor waterstofcompressie en waterstofliquefactie zal leveren. 

Recentelijk heeft het toonaangevende technologie- en productiebedrijf voor elektrolyzers een contract binnengehaald van het Zweedse AAK AB voor de levering van zijn 800-30 elektrolysator met een capaciteit van 4 MW en bijbehorende reserveonderdelen waarmee het Zweedse bedrijf koolstofarme waterstof als procesgas kan gebruiken. .

Met een marktkapitalisatie van 47.18 miljard euro worden de aandelen van het bedrijf (MCPHY-FR: Euronext Parijs) verhandeld tegen EUR 1.69, een daling van 49.97% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van -0.69 en een P/E (TTM) van -1. Vorige maand rapporteerde McPhy het resultaat van het boekjaar 2023, waarin het een jaarlijkse omzetgroei zag van +17% tot €18.8 miljoen en een zelfs hogere groei van +25% voor zijn elektrolyzeractiviteiten. Eind december rapporteerde het ook een kaspositie van ongeveer € 62 miljoen.

Conclusie 

De markt voor waterstofopslag is klaar voor een snelle groei, die naar verwachting zal worden overtroffen de waardering van $17.6 miljard Volgens Global Market Insights zullen overheden de komende acht jaar zwaar investeren in infrastructuur op basis van waterstof. Met name wordt verwacht dat het transportsegment een aanzienlijke groei zal bewerkstelligen, met een verwachte CAGR van 10%, aangewakkerd door de rol van waterstof bij het substantieel terugdringen van de COXNUMX-uitstoot binnen de industrie. 

Gezien het potentieel van waterstof als schonere en efficiëntere energiebron zal waterstof niet alleen in de transportsector, maar ook in andere industrieën worden toegepast. Met voortdurend onderzoek en nieuwe bevindingen zullen we eindelijk een veel bredere toepassing kunnen zien, waardoor we een netto nul-koolstofuitstoot kunnen bereiken.

Klik hier voor de lijst met de top vijf groene ammoniakvoorraden (de overige waterstof).