Universiteit Utrecht Archieven - Utilities

Volgens veel wetenschappers is de beoogde ‘waterstofeconomie’, waarin waterstof de belangrijkste drager van duurzaam opgewekte energie moet gaan worden, onvermijdelijk. Maar aan het gebruik van waterstof zijn risico’s verbonden, omdat het brandbaar en moeilijk te detecteren is. Betrouwbare sensoren die de aanwezigheid van waterstof aantonen zijn daarom essentieel. Wetenschappers van de Universiteit Utrecht, de TU Delft en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble hebben nu een sensor ontwikkeld die van kleur verandert bij blootstelling aan waterstof.

Het onderzoek waarover de wetenschappers in Nature Communications schrijven, is gericht op een combinatie van de chemische elementen yttrium en zirkoon, twee zogeheten ‘overgangsmetalen’. Het grote voordeel van die samenstelling is dat het materiaal van kleur verandert op het moment dat de hoeveelheid opgenomen waterstof stijgt. Hiermee heeft het onderzoek naar de overgangsmetalen een waterstofsensor opgeleverd die met het blote oog af te lezen is.

De sensor kan de vorm aannemen van een strip die eenvoudig te bevestigen is op plekken waar de waterstofdruk gemeten moet worden. Lekkages kunnen op die manier eenvoudig worden gedetecteerd, en ook kan met zo’n strip gemeten worden of de waterstofdruk in een installatie nog hoog genoeg is.

Verstrooiing

Het achterliggende principe van de nieuwe sensor is de atomen in het metaalrooster ruimte moeten maken voor de opname van waterstof, aldus de Utrechtse scheikundige Peter Ngene, eerste auteur van de publicatie. Dat kost een bepaalde hoeveelheid energie. Hoe groter de benodigde hoeveelheid energie, des te hoger de druk van het waterstof moet zijn om dit proces plaats te laten vinden. De veranderende kleur is een gevolg van het feit dat de hoeveelheid opgenomen waterstof in het materiaal bepaalt in welke mate licht wordt verstrooid.

De wetenschappers tonen met dit onderzoek aan dat de druk waarbij waterstof wordt opgeslagen en afgegeven in een rooster van Yttrium en Zirkonium nauwkeurig in te stellen is door een bepaalde verhouding tussen de beide materialen te kiezen. Met het aanpassen van de verhouding tussen de metalen verandert ook de benodigde energie. Hoe gevoelig de sensor is, is dus in te stellen door een bepaalde verhouding tussen yttrium en zirkoon te kiezen. Op die manier kan een druk van tussen de 0,1 mbar en 10.000 mbar gemeten worden.

Waterstofauto’s

Het onderzoek zou ook gevolgen kunnen hebben voor de opslag van waterstof voor gebruik in voertuigen. ‘Nu wordt waterstof opgeslagen in zware 700-bar-cilinders’, zegt prof. dr. Bernard Dam van de TU Delft, die ook meewerkte aan het onderzoek. ‘Idealiter zou je waterstof opslaan in een licht metaal, zoals magnesium. Alleen is de evenwichtsdruk van magnesium veel te laag, waardoor er bij het gebruik van magnesium niet genoeg flow van waterstof is om een brandstofcel aan te drijven.’

De wetenschappers denken dat het wellicht mogelijk is om een overgangsmetaal aan magnesium toe te voegen, en zo de evenwichtsdruk te verhogen tot minstens één bar. Dat zou magnesium tot een geschikt opslagmetaal, en een lichter alternatief voor de cilinders die nu worden gebruikt, maken. Verder onderzoek moet uitwijzen of dit idee uitvoerbaar is.

De mondiale uitstoot van broeikasgassen is in 2016 opnieuw gestegen, met in totaal een half procent. Dat blijkt uit cijfers van het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL). Opbeurend is wel dat de uitstoot van CO2, (of koolstofdioxide), het bekendste broeikasgas, voor het tweede jaar op rij stabiel is gebleven. “Dat is op zich hoopgevend, maar er moet echt nog een tandje bij”, zegt atmosfeeronderzoeker Maarten Krol van de Universiteit Utrecht als reactie op dit nieuws.

Het feit dat de CO2-uitstoot stabiel is gebleven, is vooral toe te schrijven aan een lager gebruik van kolen en een toename aan hernieuwbare elektriciteit. In Rusland, de VS en Japan daalde de CO2-uitstoot, in de EU en China bleef de uitstoot gelijk aan die van vorig jaar. “En dat is een trendbreuk”, zegt atmosfeeronderzoeker Maarten Krol van de Universiteit Utrecht. “Want de economie is wel gegroeid. Je zou dus kunnen concluderen dat het wat betreft de CO2-uitstoot langzaam de goede kant op gaat.”

Smartphone

Toch moet er nog veel werk verzet worden, om een aantal redenen. In een land als India steeg de uitstoot van koolstofdioxide met bijna vijf procent – een trend die ook in andere opkomende economieën te zien is. “Maar het is niet eerlijk om alleen die landen daar de schuld van te geven”, zegt Krol. “Want als wij een nieuwe smartphone kopen, dan wordt die daar geproduceerd. Wij outsourcen onze productie en daarmee ook een deel van onze uitstoot. Het is dus net zo goed ons probleem.”

‘De veestapel in China en India zal gaan groeien en daarmee ook de methaanuitstoot ook’

Daarnaast is het zo dat de uitstoot van CO2 dan wel stabiel gebleven is, de concentratie van koolstofdioxide in de atmosfeer stijgt nog steeds. “Voor het industriële tijdperk was het aantal CO2-deeltjes ongeveer 270 op één miljoen. We zitten nu op ongeveer 400 deeltjes per miljoen en dat aantal stijgt ieder jaar met twee. Als we de opwarming van de aarde willen tegenhouden, dan moeten we terug onder de 400.”

Probleem

Eveneens zorgwekkend is het feit dat er in 2016 een procent meer methaan werd uitgestoten dan in 2015. Methaan is een wat minder bekend broeikasgas, maar veel schadelijker dan koolstofdioxide. “De vleesindustrie is verantwoordelijk voor een groot deel van de methaanuitstoot. En als landen als India en China welvarender worden, zullen hun inwoners steeds vaker vlees willen eten. De veestapel zal groeien en de methaanuitstoot ook – dat wordt een groot probleem”, zegt Krol. “Het enige voordeel is dat methaan binnen tien jaar uit de atmosfeer is verdwenen. Dus als we de emissies omlaag krijgen, dan zijn we ook redelijk snel van het probleem af.”