Een nieuw materiaal biedt uitzicht op een goedkope en milieuvriendelijke manier om waterstofgas af te koelen tot vloeistof.

In veel scenario’s voor de transitie naar duurzame energie speelt groene waterstof een grote rol. Om waterstof te maken is weliswaar energie nodig – het is geen energiebron maar een energiedrager – maar dan heb je ook een brandstof die je kunt bewaren en/of meenemen in auto’s of vliegtuigen, net als benzine, diesel en kerosine.

Dan is het alleen niet zo handig als de waterstof een gas is dat heel veel ruimte inneemt, zoals dat het geval is bij de druk en temperatuur die heerst aan het aardoppervlak. Om er een veel compactere vloeistof van te maken, moet de waterstof worden afgekoeld tot maar liefst 253 graden Celsius onder nul.

 Magnetocalorische koeling

De meest efficiënte methode om deze afkoeling te bereiken, is magnetocalorische koeling. Hierbij wordt gebruikgemaakt van materialen die sterk opwarmen in een magnetisch veld, en weer afkoelen als dit magnetische veld wordt verwijderd. Door de warmte af te voeren in de fase mét het magneetveld, en alleen de fase zonder magneetveld in de waterstof te laten plaatsvinden, is met deze techniek zo veel afkoeling te bereiken dat de waterstof vloeibaar wordt. Een ideale methode, ware het niet dat het benodigde materiaal zeldzame aardmetalen zoals gadolinium bevat, waarvan de winning veel energie kost en milieuproblemen met zich meebrengt.

Materiaal

Een team wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen heeft nu een materiaal ontwikkeld en getest, dat wel magnetocalorische eigenschappen bezit maar geen zeldzame aardmetalen bevat. De resultaten van de experimenten, onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications, tonen aan dat het koel-effect van dit nieuwe materiaal sterk genoeg is om waterstof vloeibaar te maken, en vergelijkbaar met de concurrerende materialen die wel zeldzame aardmetalen bevatten. Vorige week werd dit artikel uitgelicht op de website van de RUG.

Gelaagdheid

Het nieuwe materiaal is een hybride organisch-anorganisch materiaal, waarbij de anorganische lagen (kobalthydroxidesulfaat) van elkaar zijn gescheiden door organische lagen (ethyleendiammonium), als ware het een lasagneschotel.

‘We hebben het per toeval ontdekt’, vertelt chemicus Graeme Blake van de Rijksuniversiteit Groningen, die het onderzoek leidde. ‘We waren eigenlijk bezig een al bekend materiaal te reproduceren, maar in plaats daarvan ontstonden deze verbindingen.’

Opschaling

Als dit resultaat standhoudt, zou dat in de toekomst zowel de kosten als de milieu-impact van de koeltechniek van waterstof sterk verlagen. ‘Tot nu wordt magnetocalorische koeling alleen nog maar in prototype-apparaten op relatief kleine demo-schaal gebruikt’, zegt Blake.

‘Het lijkt goed te werken, maar het is nooit commercieel opgeschaald. Ik denk vanwege de kosten van de materialen en het gebrek aan financiering. Het is in potentie een “disruptieve” technologie, die de al ruim een eeuw gebruikte Joule-Thomson-methode zou kunnen vervangen.’ Die methode werkt niet met het aan- en uitzetten van een magneetveld, maar met het beurtelings comprimeren en weer laten uitzetten van een koelgas. ‘Dat kost veel meer energie’, zegt Blake, ‘en bovendien zijn die koelgassen vaak tevens broeikasgassen.’

In koelkasten kan de magnetocalorische koeling de komende vijf of tien jaar best eens een vlucht nemen, denkt Blake. Voor ingewikkelder projecten als het vloeibaar maken van waterstofgas, duurt dat vermoedelijk langer.

 

Openingsbeeld: Graeme Blake, Rijksuniversiteit Groningen