Waterstof is net aantrekkelijker geworden als energiebron dankzij doorbraak in opslag

Waterstof, het lichtste element in het universum, wordt aangeduid met 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 reukloos. 

Interessant genoeg levert waterstof naar schatting 75 % van de massa van het universum. Het vormt echter slechts ongeveer 0,14 % van de aardkorst naar gewicht. Het komt van nature voor in verbindingen met andere elementen in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. En wanneer het combineert met zuurstof, vormt deze brandbare stof water (H2O), en in combinatie met koolstof vormt het koolwaterstoffen, die in petroleum en steenkool worden aangetroffen. Waterstof kan dus uit verschillende bronnen worden geproduceerd, waaronder hernieuwbare energie zoals zon en wind, kernenergie en aardgas. 

Opmerkelijk is dat meerdere ontdekkingen zijn gedaan van natuurlijk gevormde waterstofgaspockets in landen zoals Australië, Nieuw-Zeeland, Canada, Frankrijk, Duitsland, Japan en Rusland. Momenteel onderzoeken wetenschappers de omvang van deze reserves in deze landen, evenals hun oorsprong en de mogelijke effecten op de omgeving als ze worden gewonnen.

Waterstof als energiebron

De meest voorkomende methoden om waterstofbrandstof te produceren omvatten thermisch, elektrolyse, door fotovoltaïsche elektrolyse, door zon aangedreven en biologische processen. 

Thermisch

In het thermische proces reageert stoom met een koolwaterstofbrandstof zoals diesel, aardgas, vergast kolen of vergaste biomassa om H te produceren. Opmerkelijk is dat de meerderheid (ongeveer 95 %) van alle waterstof wordt geproduceerd uit stoomreforming van aardgas. 

Elektrolyse

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 met het blote oog niet te zien zijn, zoals bacteriën, om waterstof te produceren. 

Zon

Het door zon aangedreven proces, zoals de naam al aangeeft, gebruikt licht voor de productie van H via verschillende methoden, zoals foto-elektrochemisch (gebruikt gespecialiseerde halfgeleiders om water te scheiden in H en O), fotobiologisch (maakt gebruik van de natuurlijke fotosynthetische activiteit van bacteriën en groene algen) en zon-thermochemisch (gebruikt geconcentreerde zonne-energie om watersplitsingsreacties aan te drijven).

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

Dit toont aan dat waterstof een van de leidende opties is voor het opslaan van hernieuwbare energie en wordt ook in veel sectoren gebruikt. Het ware potentieel is echter nog niet gerealiseerd. Hiervoor moet waterstof op schaal economisch worden geproduceerd. Bovendien moet de huidige infrastructuur zich aanpassen aan waterstof, hoewel het via gasleidingen kan worden getransporteerd.

Hoewel we de wonderen van het gebruik van waterstof als brandstof nog niet volledig hebben benut, is de wereldwijde uitgaven aan onderzoek en ontwikkeling om het volledige potentieel van waterstof als energiebron te verkennen in de loop der jaren gestegen. Een recente studie heeft zelfs een grote doorbraak bereikt op dit gebied, waardoor opslag van waterstof met hoge dichtheid voor toekomstige energiesystemen mogelijk wordt.

Kader om dicht opeengepakte waterstof op te slaan

Gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry vorige maand, werd de studie “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen”, gedeeltelijk gefinancierd door de National Research Foundation of Korea (NRF) en de German Research Foundation (DFG).

Hoewel nanoporieuze materialen veel aandacht hebben gekregen voor gasopslag, merkte de studie op dat het behalen van een hoge volumetrische opslagcapaciteit een voortdurende uitdaging blijft. Daarom bundelden verschillende onderzoekers van diverse universiteiten hun krachten om dit probleem aan te pakken.

Michael Hirscher, van het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) van de Tohoku Universiteit in Japan en het Max Planck Institute for Intelligent Systems in Duitsland, bedacht de oorspronkelijke ideeën en superviseerde het project. Ondertussen leidde Hyunchul Oh van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Korea dit project.

Interessant is dat in 2022 een team van wetenschappers van het Max Planck Institute for Intelligent Systems, het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE), de Technische Universität Dresden en de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg aantoonde dat waterstof op een oppervlak condenseert bij een zeer lage temperatuur nabij het kookpunt van H2. Dit proces vormt een superdichte monolaag, die de dichtheid van vloeibare waterstof met 3× overschrijdt, waardoor het volume wordt gereduceerd tot slechts 5 liter per kilogram H2.

Nu onderzocht de betreffende recente studie een magnesiumboorhydride‑kader met behulp van neutronpoederdiffractie, inelastische neutronverstrooiing, volumetrische gasadsorptie en berekeningen op basis van eerste principes. Het kader heeft kleine poriën en een gedeeltelijk negatief geladen niet‑vlakke binnenkant voor de opname van waterstof (H) en stikstof (N).

Zowel stikstof als waterstof bezetten duidelijk verschillende adsorptieplaatsen in de poriën. Ze hebben ook zeer verschillende limietcapaciteiten van respectievelijk 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 zowel bestaat als kristallijne polymorfen met nanoporieuze MOF‑achtige structuren als zeer dichte polymorfen met extreme volumetrische waterstofdichtheid en hoge gravimetrische waterstofcapaciteit.

Dus, wat moleculaire waterstof betreft, wordt deze extreem dicht verpakt, met een dichtheid die ongeveer twee keer zo hoog is als die van vloeibare waterstof.

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

De studie merkte op dat een penta-dihydrogencluster (dihydrogen bestaat uit twee waterstofatomen die door een enkele binding zijn verbonden) werd gevonden waar H2‑moleculen op één positie rotatieruimte hebben. Daarentegen hebben H2‑moleculen op een andere positie een goed gedefinieerde oriëntatie en een directionele interactie met het kader. Dit toont aan dat dicht opeengepakte waterstof daadwerkelijk kan worden gestabiliseerd in materialen met kleine poriën onder normale atmosferische drukken.

Met deze ontdekking heeft het team met succes de uitdaging van beperkte waterstofopslagcapaciteit aangepakt door geavanceerde hoogdichtheids‑adsorptietechnologie te gebruiken.

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

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, leidt de lage dichtheid bij kamertemperatuur tot een lagere energie per volume‑eenheid. Daarom zijn geavanceerde opslagmethoden nodig om een hogere energiedichtheid te bereiken.

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

Waterstof opslaan als gas vereist hogedruktanks, terwijl voor vloeistof cryogene temperaturen nodig zijn. Het kan ook aan het oppervlak of binnen een vaste stof via absorptie worden opgeslagen.

Als molecuul kan waterstof fysiek geadsorbeerd worden in een materiaal met poriën (holtes) via zwakke van‑der‑Waals‑interacties (die relatief zwak en niet‑ionisch van aard zijn) door fysische adsorptie. Dit verwijst naar een proces waarbij gasmoleculen zich hechten aan een vast oppervlak. Hoewel zeer poreuze materialen een hoge gravimetrische waterstofopname bieden, zijn verbeteringen nodig in de volumetrische opslagcapaciteit.

Hier komt nanoporieuze kubieke magnesiumboorhydride, γ‑Mg(BH4)2, goed van pas. Het heeft een dichtheid van ρ = 0,550 g cm⁻³ en 33 % vrij poriënvolume. Een poriediameter van ∼9 Å maakt het mogelijk dat deze verbinding kleine moleculen zoals waterstof of stikstof adsorbeert. Het is via het gedeeltelijk negatief geladen binnenoppervlak van dit poreuze hydride dat hydridische atomen aan de poriën worden blootgesteld.

Mogelijk gemaakt door het Mid‑Career Research Program van NFR en het Ministerie van Wetenschap en ICT (MSIT), synthetiseerde de studie dit nanoporieuze complexe hydride bestaande uit magnesiumkation (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 hoogdichtheids‑waterstofopslag wordt bereikt. Het toont bovendien een waterstofopslagcapaciteit van 144 g/L per poriënvolume, ver boven traditionele methoden. Indrukwekkend is dat de dichtheid van waterstofmoleculen binnen het materiaal zelfs de vaste toestand overtreft.

Professor Oh beschrijft het materiaal als een “paradigmaverschuiving” in de wereld van waterstofopslag en stelt dat het “een overtuigend alternatief biedt voor traditionele benaderingen.” 

Deze ontwikkeling verbetert de productiviteit en economische efficiëntie van het gebruik van waterstof als energiebron aanzienlijk. Bovendien pakt het de uitdagingen van grootschalige waterstofopslag aan voor breed gebruik in openbare en persoonlijke transporttoepassingen.

Bedrijven die van deze ontwikkeling kunnen profiteren

Als we het hebben over de sectoren die van dergelijk onderzoek kunnen profiteren, dat de waterstofopslag transformeert, komen er veel verschillende industrieën naar voren, waaronder chemie, energie, automotive, engineering en bouw. Laten we dus een kijkje nemen naar enkele bedrijven die hieruit kunnen profiteren: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Het in Japan gevestigde automobielbedrijf heeft beloofd zijn CO2‑emissies te verminderen en beweert een van de eerste bedrijven te zijn die zich richten op het potentieel van waterstofenergie. 

Om deze doelen te bereiken, onderzoekt Honda Motor (HMC ) Company sinds de jaren 80 brandstofceltechnologieën voor diverse toepassingen. 

Eerder dit jaar kondigde het bedrijf aan dat het de productie van waterstof‑brandstofcel‑oplossingen is gestart in samenwerking met General Motors (GM ) (GM) voor verschillende producttoepassingen en wat zij “het begin van het waterstoftijdperk” noemen.

Met een marktkapitalisatie van $64,85 mln worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $36,93, een stijging van 19,22 % jaar‑tot‑datum (YTD). Honda Motor rapporteerde een omzet (TTM) van $128,49 mln en heeft een EPS (TTM) van 7,73 en een P/E (TTM) van 4,77. Het bedrijf betaalt ook een dividendrendement van 2,77 %.

#2. Dow Chemical Company

The Dow Chemical Company is actief in verschillende sectoren, waaronder koolwaterstoffen & energie. Recentelijk ging het een partnerschap aan met Linde (NYSE: LIN) om schone waterstof en stikstof te leveren voor zijn netto‑nul‑koolstofuitstoot geïntegreerde ethyleen‑kraker‑ en derivatenlocatie in Canada. De overeenkomst werd eind vorig jaar afgerond voor het $6,5 miljard project. Als onderdeel van de deal zal het Linde’s lucht‑scheidings‑ en auto‑thermische reformertechnologie inzetten om het afvoergas van de kraker van de site om te zetten in waterstof.

Met een marktkapitalisatie van meer dan $39,9 mln worden de aandelen van Dow Chemical verhandeld tegen $56,76, een stijging van 3,5 % YTD. Dow Chemical rapporteerde een omzet (TTM) van $44,62 mln, een EPS (TTM) van 0,81 en een P/E (TTM) van 69,67. Het bedrijf betaalt ook een dividendrendement van 4,93 %.

#3. McPhy Energy SA

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

Recentelijk heeft het toonaangevende elektrolyzer‑technologie‑ en productiemaatschappij een contract gewonnen van de Zweedse AAK AB om hun 800‑30 elektrolyzer met een capaciteit van 4 MW en bijbehorende reserveonderdelen te leveren, zodat het Zweedse bedrijf laag‑koolstofwaterstof kan gebruiken als procesgas.

Met een marktkapitalisatie van 47,18 mln worden de aandelen van het bedrijf (MCPHY-FR: Euronext Paris) 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 de resultaten van het financiële jaar 2023, waarin het een jaarlijkse omzetgroei van +17 % tot €18,8 miljoen zag, en een nog hogere groei van +25 % voor zijn elektrolyzer‑activiteiten. Het meldde ook een kaspositie van ongeveer €62 miljoen aan het einde van december.

Conclusie 

De markt voor waterstofenergieopslag staat klaar voor snelle groei en zal naar verwachting de waardering van $17,6 mln binnen de komende acht jaar overschrijden, aangezien overheden zwaar investeren in waterstofgebaseerde infrastructuur, volgens Global Market Insights. Opmerkelijk is dat het transportsegment naar verwachting een aanzienlijke groei zal stimuleren, met een verwachte CAGR van 10 %, aangedreven door de rol van waterstof bij het aanzienlijk verminderen van de CO₂‑uitstoot in de sector. 

Gezien het potentieel van waterstof als schonere en efficiëntere energiebron, zal het niet alleen in transport, maar ook in andere industrieën blijven worden toegepast. Met voortgezet onderzoek en nieuwe bevindingen zullen we uiteindelijk een veel bredere adoptie zien, wat ons helpt om netto‑nul koolstofuitstoot te bereiken.

Klik hier voor de lijst van de top vijf groene ammoniak‑aandelen (de andere waterstof).