Hydride: het metaal dat waterstof opzuigt als een spons
Een hydride is een chemische verbinding waarin waterstof zich bindt aan een ander element, meestal een metaal. Vergelijk het met een spons die water opneemt: het metaal 'zuigt' waterstofgas op en houdt de losse waterstofatomen vast in de piepkleine ruimtes tussen zijn eigen atomen. Het resultaat is meestal een grijs poeder of een compact blokje dat er heel gewoon uitziet, maar van binnen boordevol waterstof zit.
Dat is nuttig, want los waterstofgas is lastig te bewaren: het neemt enorm veel ruimte in en moet daarom meestal onder hoge druk (soms zevenhonderd keer de luchtdruk) of extreem koud als vloeistof (min 253 graden Celsius) worden opgeslagen. Een metaalhydride werkt bij veel mildere druk en temperatuur, ongeveer zoals een campinggasfles compacter is dan een grote ballon vol gas bij lage druk. Verwarm je het hydride voorzichtig, dan laat het metaal de waterstof weer los, klaar om bijvoorbeeld in een brandstofcel te worden gebruikt.
Wat is het precies?
Metalen zoals magnesium, lanthaan of titanium hebben een kristalstructuur met minuscule holtes tussen hun atomen. Onder de juiste druk en temperatuur kruipen waterstofatomen in die holtes en vormen ze een chemische binding met het metaal. Dit proces heet absorptie. Het omgekeerde, waarbij het hydride wordt verwarmd en de waterstof weer als gas vrijkomt, heet desorptie.
Er bestaan grofweg twee hoofdtypen. Bij metaalhydriden, zoals magnesiumhydride (MgH2) of de legering lanthaan-nikkelhydride (LaNi5H6), is het proces omkeerbaar: je kunt ze duizenden keren vullen en leegmaken, ongeveer zoals een oplaadbare batterij. Bij chemische hydriden, zoals natriumboorhydride (NaBH4), komt waterstof vrij via een reactie met water, maar het restproduct moet elders weer chemisch worden omgezet voordat het opnieuw bruikbaar is. Dat laatste is dus eerder eenmalig gebruik dan opladen.
Hoeveel waterstof een hydride kan bevatten, drukken onderzoekers uit in gewichtsprocent (wt%): het aandeel van het totale gewicht dat uit waterstof bestaat. Lichte metalen zoals magnesium halen relatief hoge percentages, tot ongeveer 7,6 wt% voor zuiver MgH2. Zwaardere metaallegeringen zoals LaNi5 komen niet verder dan ongeveer 1,4 wt%, simpelweg omdat het metaal zelf veel weegt. Zogeheten complexe hydriden, zoals boorhydriden en alanaten, beloven hogere percentages, maar zijn in de praktijk vaak lastiger om weer volledig en snel te laten reageren.
Een tweede belangrijke eigenschap is de kinetiek: hoe snel een materiaal waterstof opneemt en weer afgeeft. Sommige hydriden hebben temperaturen van meerdere honderden graden Celsius nodig voordat ze hun waterstof loslaten. Dat kost extra energie en maakt gebruik in bijvoorbeeld personenauto's lastiger dan in toepassingen waar snelheid minder telt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangstelling voor hydriden komt voort uit de bredere ambitie om waterstof een grotere rol te geven in een klimaatneutraal energiesysteem. Waterstof, geproduceerd met duurzame elektriciteit (vaak 'groene waterstof' genoemd), kan dienen als brandstof, als opslagmiddel voor overtollige zonne- en windenergie, of als grondstof voor de industrie. Dat werkt echter alleen als je waterstof ook veilig en compact kunt vervoeren en bewaren.
Hydriden beloven een aantal voordelen ten opzichte van de gangbare alternatieven: hogedrukvaten en vloeibare waterstof. Ze werken bij lagere druk, wat de kans op lekkage of explosie vermindert. Ze nemen relatief weinig volume in per hoeveelheid opgeslagen waterstof, en sommige varianten zijn stabiel bij kamertemperatuur, zodat koeling niet nodig is. Voor toepassingen waarbij veiligheid en compactheid zwaarder wegen dan totaalgewicht, zoals stationaire opslag naast een zonnepark, kunnen hydriden dus aantrekkelijk zijn.
Daarnaast worden hydriden al lang gebruikt in oplaadbare batterijen. De bekende nikkel-metaalhydride batterij (NiMH) gebruikt een metaallegering die waterstof opneemt en weer afgeeft in plaats van lithium-ionen te verplaatsen, en wordt onder meer toegepast in hybride auto's.
Voorbeelden uit de praktijk
- Powerpaste (Fraunhofer IFAM, Duitsland, rond 2021): een pasta op basis van magnesiumhydride die waterstof compact vasthoudt en bedoeld is voor kleine elektrische voertuigen zoals e-scooters en drones, met een navulstation waarbij de pasta simpelweg wordt bijgevuld.
- McStore-systemen op het MYRTE-platform (McPhy Energy, Corsica, sinds ongeveer 2012): vaste-stof waterstofopslag op basis van magnesiumhydride, gekoppeld aan zonnepanelen en brandstofcellen om een elektriciteitsnet op een eiland te stabiliseren.
- Stationaire opslagsystemen van GKN Hydrogen (Nederland/Duitsland, vanaf begin jaren 2020): metaalhydride-tanks voor gebouwen en bedrijven, waarmee lokaal geproduceerde waterstof veilig bij lage druk kan worden bewaard voor later gebruik.
- HydroSTOR-proeven van Hydrexia (Australië, rond 2016-2018): magnesium-gebaseerde vaste opslag en transport van waterstof per vrachtwagen, als alternatief voor drukcilinders.
- Nikkel-metaalhydride batterijen in de Toyota Prius (sinds 1997, geproduceerd met Panasonic): een van de langstlopende praktijkbewijzen dat metaalhydride-elektroden decennialang betrouwbaar kunnen functioneren in miljoenen voertuigen.
Hoe ver is de techniek?
De volwassenheid van hydride-technologie loopt sterk uiteen per toepassing. Nikkel-metaalhydride batterijen zijn na meer dan dertig jaar gebruik in miljoenen voertuigen volledig ingeburgerd, al worden ze in nieuwe auto's steeds vaker vervangen door lithium-ionbatterijen vanwege het hogere energiegehalte van die laatste.
Voor grootschalige waterstofopslag staat de techniek minder ver. Het Amerikaanse ministerie van Energie hanteert al jaren streefwaarden voor waterstofopslag aan boord van voertuigen, in de orde van enkele procenten systeemgewicht aan waterstof. De meeste metaalhydriden komen daar nog niet aan, vooral omdat het dragende metaal zelf zwaar is en de waterstof maar een klein deel van het totale gewicht uitmaakt. Dat is de belangrijkste reden waarom waterstofauto's zoals de Toyota Mirai of Hyundai Nexo nog altijd kiezen voor drukvaten van rond de 700 bar in plaats van hydride-tanks.
Voor stationaire opslag, waar gewicht minder zwaar telt dan bij voertuigen, liggen de kansen gunstiger. Bedrijven zoals GKN Hydrogen en McPhy Energy hebben werkende, commercieel verkrijgbare systemen neergezet, al blijft de markt vooralsnog klein vergeleken met batterijopslag of opslag in drukvaten. Onderzoekers werken daarnaast aan complexe hydriden die in laboratoria hogere capaciteiten laten zien, maar vaak nog kampen met trage kinetiek, onvolledige omkeerbaarheid of hoge kosten van de gebruikte materialen.
Kort gezegd: als batterijmateriaal is hydride-technologie volwassen en bewezen, terwijl ze als grootschalige waterstofopslag zich nog in een actief, maar pril ontwikkelstadium bevindt met duidelijke technische knelpunten rond gewicht, snelheid en kosten.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar hydriden vindt verspreid over de wereld plaats. In Duitsland ontwikkelt het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Fraunhofer IFAM) de magnesiumhydride-pasta Powerpaste. In Nederland en Duitsland werkt GKN Hydrogen aan stationaire metaalhydride-opslagsystemen voor gebouwen en bedrijven. Frankrijk kent met McPhy Energy een van de langst actieve producenten van vaste-stof waterstofopslag, met praktijkervaring sinds het begin van de jaren 2010.
In de Verenigde Staten coördineert het Department of Energy via nationale laboratoria onderzoeksprogramma's naar nieuwe hydride-materialen, gericht op hogere capaciteit en snellere reactiesnelheid. Internationaal wisselen onderzoekers kennis uit via het Hydrogen-programma van het Internationaal Energieagentschap (IEA), waarbij tientallen landen zijn aangesloten en resultaten publiek worden gedeeld.
Op batterijgebied zijn het vooral gevestigde fabrikanten zoals Panasonic, die in samenwerking met Toyota decennialang ervaring hebben opgebouwd met metaalhydride-elektroden voor NiMH-batterijen, en die kennis blijven inzetten in nichetoepassingen waar robuustheid belangrijker is dan maximale energiedichtheid.