Waarom Raman-spectroscopie belangrijk is voor de waterstofcondensatie en kwaliteitsborging

Omdat de wereldwijde vraag toeneemt, wordt het transport van waterstof van de productielocaties naar de eindgebruikers een centrale uitdaging. Waterstof in zijn natuurlijke gasvormige toestand heeft een lage volumetrische energiedichtheid, wat wil zeggen dat deze een groot volume heeft ten opzichte van de hoeveelheid energie die deze bevat. Zonder verdere bewerking is opslag en transport hierdoor zeer inefficiënt.

Om deze beperkingen te overwinnen, is er steeds meer de neiging om waterstof vloeibaar te maken, iets dat in de aardgasindustrie als lang gebeurt (bv. LNG). Bij vloeibaarmaking wordt de waterstof afgekoeld tot extreem lage temperaturen (20 K of –253 °C), waardoor het volume met een factor 800 wordt gereduceerd. Door deze indrukwekkende reductie is het veel pratischer om:

• Waterstof over lange afstanden per schip, vrachtwagen of trein te transporteren
• Grote hoeveelheden op centrale knooppunten op te slaan
• Waterstof te distribueren naar industrieën en tankstations als onderdeel van een toekomstige wereldwijde waterstofeconomie

Als zodanig opent de vloeibaarmaking van waterstof mogelijkheden voor wereldwijde toeleveringsketens en toepassing op grote schaal.

Waterstof groeit snel als een belangrijke factor bij de wereldwijde energietransitie, met name in branches als de kunstmestproductie, raffinage en chemische productie.

Waterstof gedraagt zich echter uniek bij cryogene temperaturen. Deze bestaat in twee spinisomeren:

• Orthowaterstof (ortho-H₂) – dominant bij omgevingstemperatuur (~75%)
• Parawaterstof (para-H₂) – dominant bij cryogene temperaturen (>99% bij 20 K)

Tijdens de vloeibaarwording komt er warmte bij de ortho-naar-para-conversie vrij; als deze niet volledig is als de waterstof wordt afgekoeld, kan de restreactie boil-off gas (BOG) en productverlies in de toeleveringsketen veroorzaken. Voor operators van vloeibaarmakings-, opslag- en transportsystemen is een nauwkeurige, realtime kwantificering van waterstofisomeren essentieel voor de procesefficiëntie en -veiligheid.

Raman-spectroscopie is uniek geschikt voor het meten van de ortho/para-verhouding van waterstof, omdat deze de meleculaire vingerafdruk van elke isomeer direct registreert. Terwijl de LH₂-productie en -behandeling toeneemt, wordt deze mogelijkheid — in combinatie met een gebruiksklaar systeem — steeds belangrijker voor operators die moeten beschikken over een nauwkeurig, realtime inzicht in de isomeersamenstelling.

Waar bij andere technologies alleen para-H₂ wordt gemeten, kan Raman-spectroscopie ortho-H₂ en para-H₂ onderscheiden door het meten van beide kenmerken binnen één enkel spectrum. Hierdoor hoeft niet meer te worden vertrouwd op indirecte inferentiemethoden waarbij onzekerheid of fouten kunnen ontstaan.

In tegenstelling tot laboratoriumtechnieken of indirecte analytische technieken, is bij Raman-spectroscopiesystemen het volgende mogelijk:

• Continue in-proces-bewaking
• Niet-invasieve meting
• Geen monsterconditionering
• Geen verstoring van de procesomstandigheden

Hierdoor hebben operators direct inzicht in isomeerverhoudingen en wordt een proactieve procesregeling ondersteund.

Met Raman-spectroscopie is parawaterstof-kwantificering bij omgevingsomstandigheden mogelijk, terwijl de werkelijke ortho/para-verhouding die is bereikt tijdens de vloeibaarwording behouden blijft. In een werkelijke waterstofcondensatiefabriek wordt het gas afgekoeld in meerdere fasen met verschillende katalysatoren sie de spin-isomeerconversie stimuleren. Raman-spectroscopie kan worden toegepast in elke fase voor het verifiëren van de efficiëntie van de ortho-para-conversie; omdat reconversie (para → ortho) extreem langzaam verloopt zonder katalysator is het warmer worden van het waterstofmonster niet van invloed op de meetbare samenstelling. Dit gedrag:

• Zorgt dat cryogene analytische setups niet meer nodig zijn
• Verhoogt de veiligheid en de snelheid
• Vermindert de meetcomplexiteit

Traditionele methoden, die vaak zijn gebaseerd op indirecte metingen van de fysieke eigenschappen, zijn onder andere:

• Calorimetrie
• Thermische geleidbaarheid
• Meten met geluidssnelheid

Deze methoden hebben te maken met bekende uitdagingen, zoals:

• Hoge gevoeligheid voor temperatuur- en drukschommelingen
• Onvermogen om echte parawaterstof te scheiden van meetfouten
• Lage betrouwbaarheid als de katalysatorprestaties afnemen

Raman-spectroscopie daarentegen:

• Detecteert ortho- en para-H₂ direct tegelijkertijd
• Levert directe verificatie van onvolledige vloeibaarwording
• Helpt bij het herkennen van procesafwijkingen door instrument- of katalysatorproblemen
• Vat alle Raman-actieve eenheden in één verwerving

• Beproefde nauwkeurigheid en herhaalbaarheid in ortho- en para-H₂-kwantificering voor een strikte controle tijdens de waterstofcondensatie en -opslag
• Betrouwbare realtime-inzichten voor procesoptimalisatie om verliezen te verminderen en de productkwaliteit te beschermen
• Minimaal onderhoud en operationele eenvoud zonder cryogene analyseapparatuur voor snellere en veiligere workflows

Waterstof wordt een steeds belangrijkere component bij de wereldwijde transitie naar schonere, duurzamere energiesystemen. Terwijl landen en industrieën de inspanningen versterken voor het verminderen van koolstofemissies en minder afhankelijk worden van fossiele brandstoffen, onderscheidt waterstof zich als een veelzijdige en krachtige energiedrager die deze transformatie kan ondersteunen.

Terwijl waterstof verandert van beperkt industrieel gebruik tot een wereldwijd gebruikte energiedrager, zal de condensatie een steeds grotere rol spelen bij het vervoer en de opslag. Deze verandering vergroot het belang van nauwkeurig inzicht en regeling van het rendement van de comversie van ortho- naar parawaterstof — een parameter die direct van invloed is op de efficiëntie, het boil-off-gedrag en de veiligheid in de LH₂-toeleveringsketen.

Raman-spectroscopie biedt een uniek krachtige, praktische en toekomstbestendige oplossing voor deze meetbehoefte, waardoor operators de isomeersamenstelling in realtime kunnen bewaken zonder cryogene behandeling en met de duidelijkheid die nodig is voor een snel groeiende waterstofeconomie.

1. "Hydrogen liquefaction: a review of the fundamental physics, engineering practice and future opportunities." Energy & Environmental Science, RSC Publishing, DOI:10.1039 /D2EE00099G.
2. “Hydrogen liquefaction, Storage, Transport and Application of Liquid Hydrogen.” Wasserstoff‑Leitprojekte
3. "Liquid Hydrogen: A Review on Liquefaction, Storage, Transportation, and Safety."
4. "Liquid Hydrogen Delivery." U.S. Department of Energy.
5. "Liquefying Hydrogen for Storage & Transport." Linde.
6. National Aeronautics and Space Administration. Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems: Guidelines for Hydrogen System Design, Materials Selection, Operations, Storage and Transportation (NSS 1740.16). NASA Technical Reports Server.
7. “Ortho‑Para Hydrogen Conversion.” Sustainability Directory, ESG Directory.
8. "Quantitative In-situ Monitoring of Parahydrogen Fraction Using Raman Spectroscopy."
9. Weitzel, D.H., Loebenstein, W. V., Draper, J. W., & Park, O. E. “Ortho-Para Catalysis In Liquid-Hydrogen Production.” Journal of Research of the National Bureau of Standards, vol. 60, nr. 3, 1958, pp. 221-226. NIST.
10. Wijnans, S. “Smart Management of Boil‑Off Gas Across the LH₂ Supply Chain.” Shell TechXplorer Digest, 2024.