Vaststof waterstofopslag- en transporttechnologie maakt gebruik van materialen die waterstofgas fysisch of chemisch adsorberen of hydrides vormen, om waterstof op te slaan en te transporteren. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn waterstofopslaglegeringen, complexe hydrides en metaal-organische raamwerken (MOF's). De voordelen van deze technologie liggen voornamelijk in de hoge waterstofopslagdichtheid, de lage werkdruk en de veiligheid. Het gebruik van waterstofopslag in vaste toestand elimineert het risico op explosies, maakt herhaalbare laad- en ontlaadcycli mogelijk en biedt een hoge zuiverheid bij de waterstofafgifte. Dit maakt het een uitstekende keuze voor diverse toepassingen, van waterstoftankstations tot energieopslag en voertuigen op waterstof.

Momenteel is de waterstofopslaglegering de meest praktische oplossing voor de opslag van waterstof. In dergelijke systemen wordt de waterstof in een speciaal opslagtank geplaatst, waar het kan worden opgeladen en ontladen. De waterstofopslaglegeringen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdgroepen, afhankelijk van de operationele temperatuur: laagtemperatuurlegeringen, zoals de LaNi5- en TiFe-serie, en hoogtemperatuurlegeringen, zoals de Mg-serie.

Laagtemperatuurwaterstofopslaglegeringen hebben een relatief lage gravimetrische waterstofopslagdichtheid van 1 tot 3,7 gewichtspercent, maar kunnen waterstof vrijgeven bij kamertemperatuur. Deze legeringen zijn dus geschikt voor toepassingen zoals waterstoftankstations, energieopslaginstallaties en voertuigen met vaste toepassing, zoals heftrucks. Ze worden gekarakteriseerd door hun eenvoud in ontwerp en betrouwbaarheid, wat ze ideaal maakt voor toepassingen waarbij een lage werkdruk voldoende is.

Aan de andere kant zijn de hoogtemperatuurwaterstofopslaglegeringen, zoals de Mg-serie, in staat om waterstof op te slaan en te transporteren bij normale temperatuur en druk, maar vereisen ze hogere temperaturen om waterstof vrij te geven (≥150 °C). De Mg-serie heeft een gravimetrische waterstofopslagdichtheid van 4 tot 7,6 gewichtspercent, wat het ideaal maakt voor toepassingen waarbij grote hoeveelheden waterstof nodig zijn, zoals in de metallurgie en grootschalige energieopslag.

Magnesium gebaseerde waterstofopslaglegeringen zijn bijzonder waardevol vanwege hun overvloedige grondstoffen en lage kosten, aangezien magnesium wereldwijd goed beschikbaar is, met China als de grootste producent. In de praktijk worden magnesiumopslagssystemen vaak gebruikt in toepassingen waarbij grote hoeveelheden waterstof moeten worden opgeslagen en getransporteerd, zoals in waterstof tankstations, en voor grootschalige energieopslag.

De toepassingen van vaststof waterstofopslagtechnologie zijn in de afgelopen jaren sterk gegroeid. In Europa heeft de HyCARE-project in 2020 bijvoorbeeld gebruik gemaakt van de TiFe-serie waterstofopslaglegeringen in combinatie met PEM-elektrolyzers en brandstofcellen om de efficiëntie van het energiegebruik te verbeteren. Andere landen, zoals Australië en Japan, hebben ook geavanceerde waterstofopslag- en transportsystemen ontwikkeld, zoals het H2One-systeem van Toshiba, dat werd ingezet in Singapore om betrouwbare back-upenergie te leveren.

Er zijn verschillende systemen voor waterstofopslag die in de toekomst verder geoptimaliseerd zullen worden, afhankelijk van de specifieke toepassingsscenario's. De keuze van het opslagmateriaal en de technologie moet zorgvuldig worden afgewogen op basis van de vereisten van de gebruiker, zoals opslagcapaciteit, veiligheid, kosten en gebruiksgemak.

Het gebruik van metaal-organische raamwerken (MOF's) in de waterstofopslagtechnologie biedt veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst. MOF's zijn poreuze materialen die waterstof met hoge dichtheid kunnen adsorberen bij relatief lage druk en temperatuur. Ze bieden veel voordelen, zoals een hogere opslagcapaciteit per volume-eenheid en het vermogen om snel waterstof op te nemen en vrij te geven, wat ze aantrekkelijk maakt voor gebruik in voertuigen en andere draagbare toepassingen. De verdere ontwikkeling van MOF-materialen zal een belangrijke rol spelen in de toekomst van de waterstofopslagtechnologie, zowel in termen van efficiëntie als energiegebruik.

Naast de materialentechnologie zelf is het essentieel om te begrijpen dat de opslagcapaciteit en de energie-efficiëntie nauw met elkaar verbonden zijn. Toekomstige onderzoeksinspanningen moeten beide aspecten zorgvuldig in overweging nemen om te zorgen voor de ontwikkeling van technologieën die zowel effectief als duurzaam zijn. Het verder verbeteren van de energie-efficiëntie van opslag- en transportsystemen, evenals de integratie van waterstofopslag in bredere energiesystemen, zal de toepassing van waterstof als schone energiebron enorm bevorderen.

Hoe wordt waterstof effectief getransporteerd over lange afstanden via pijpleidingen?

Waterstoftransport via pijpleidingen vereist een zorgvuldige afstemming van verschillende factoren, waaronder de druk, de temperatuur en de eigenschappen van de pijpleidingen. De drukdaling die optreedt tijdens het transport van gas, veroorzaakt door de viscositeit van de waterstof zelf en de wrijving binnen de pijpleiding, maakt het noodzakelijk om maatregelen te nemen om de efficiëntie te waarborgen. Om gas over lange afstanden efficiënt te vervoeren, is het van belang om zowel het minimale als het maximale drukniveau van het gas te reguleren. Gewoonlijk wordt elke 80–100 km een compressiestation geplaatst om het waterstof opnieuw samen te persen en zo een effectief transport te garanderen. Wanneer pijpleidingen met verschillende werkdrukken moeten worden verbonden, wordt een drukverlagingstation geïnstalleerd, waarbij de druk via een throttleklep wordt verlaagd om een parallelle aansluiting te realiseren.

De transportroute van waterstof is doorgaans complex en kan variëren afhankelijk van de herkomst van de waterstofproductie. Waterstof die centraal wordt geproduceerd, wordt opgepompt en via lange pijpleidingen naar gasdistributiestations getransporteerd, vanwaar het verder naar tankstations en andere verbruikers wordt vervoerd. Waterstof die door semi-centrale fabrieken wordt geproduceerd, kan rechtstreeks via het distributienetwerk worden vervoerd. Langeafstandspijpleidingen hebben doorgaans een grotere diameter, hogere werkdrukken en zijn bedoeld voor lange afstanden, terwijl distributiepijpleidingen doorgaans kleinere diameters en lagere werkdrukken hebben.

Naast de technische aspecten van het transport zijn er opslagmogelijkheden die belangrijk zijn voor het beheren van de variabiliteit in vraag naar waterstof, zoals seizoensgebonden fluctuaties. De waterstof die via gecentraliseerde productie wordt geproduceerd, kan bijvoorbeeld opgeslagen worden in ondergrondse zoutlagen, waterhoudende lagen, olie- en gasvelden of andere geologische structuren. Dit biedt flexibiliteit om de waterstof op te slaan voor momenten wanneer de vraag hoger is.

Wat betreft de ontwikkeling van waterstofpijpleidingen is de situatie wereldwijd gevarieerd. In de Verenigde Staten bijvoorbeeld was in december 2020 ongeveer 2500 km van de waterstofpijpleidingen in gebruik, voornamelijk langs de Golf van Mexico, in Texas, Louisiana en Alabama. Deze pijpleidingen bedienen vooral raffinaderijen en ammoniakfabrieken. In Europa bedraagt de lengte van waterstofpijpleidingen ongeveer 1600 km, met de langste pijpleiding die door Frankrijk, België en Nederland loopt, en die een totale lengte van 1100 km heeft. De Europese Unie heeft ambitieuze plannen gepresenteerd, zoals de “EU Waterstofstrategie” en de “EU Strategie voor Energiesysteemintegratie” van 2020, waarin wordt voorgesteld om tegen 2030 een waterstofnetwerk van 6800 km te bouwen, met een uitbreiding naar 23.000 km in 2040.

De normen voor waterstofpijpleidingen in Europa en de VS zijn redelijk goed ontwikkeld, met normen zoals ASME B31.12:2014 “Hydrogen Piping and Pipelines” van de American Society of Mechanical Engineers en IGC DOC 121/04/E “Hydrogen Transportation Pipelines” van de European Industrial Gases Association. In China staat het waterstofnetwerk nog in de kinderschoenen. Het totale aantal waterstofpijpleidingen in China bedraagt op dit moment ongeveer 100 km, met enkele van de belangrijkste pijpleidingen die waterstof leveren aan de chemische industrie. China heeft echter ambitieuze plannen voor de ontwikkeling van waterstofinfrastructuur, zoals het plan om tegen 2030 meer dan 3000 km aan waterstofpijpleidingen aan te leggen.

Een van de grootste uitdagingen bij het transporteren van waterstof via pijpleidingen is de impact van de hoge druk, de drukcycli en het risico van waterstofbrosheid, wat kan leiden tot een verminderde duurzaamheid van de staalpijpleidingen. Er is gedetailleerd onderzoek nodig naar het permeatiemechanisme van waterstof in de constructiematerialen, evenals naar geschikte materialen en het gebruik van de juiste productie- en warmtebehandelingsprocessen om de levensduur van de pijpleiding te verlengen en de onderhoudskosten te verlagen. Verder kunnen lekkages langs de pijpleiding, die branden of explosies kunnen veroorzaken, leiden tot storingen in het hele waterstoftransportnet. Het detecteren van lekkages over lange afstanden vereist technologieën die zowel kosteneffectief als nauwkeurig zijn. Hoewel lekdetectie voor aardgas pijpleidingen goed is ontwikkeld, moeten deze technologieën worden aangepast voor het gebruik in waterstofpijpleidingen.

Een ander technisch probleem betreft de waterstofcompressoren, die niet alleen duur zijn om te bouwen, maar ook hogere betrouwbaarheid vereisen. De smeermiddelen die in deze compressoren worden gebruikt, kunnen waterstof verontreinigen, wat mogelijk schadelijk is voor de efficiëntie van het transport. Onderzoekers richten zich op het verbeteren van het ontwerp van specifieke componenten, zoals diafragma’s en afdichtingen, en de ontwikkeling van nieuwe compressietechnologieën zonder smeermiddelen.

Naast de pijpleidingen is het belangrijk te begrijpen dat de opslag en de logistiek van vloeibare waterstof een alternatieve benadering zijn voor transport over lange afstanden. Vloeibare waterstof wordt verkregen door gasvormige waterstof af te koelen tot temperaturen van -253°C, een proces dat energie-intensief is. De theoretische energieverbruik voor waterstofvervlaging ligt tussen de 4 en 5 kWh/kg, maar in de praktijk varieert dit tussen de 6,5 en 20 kWh/kg, afhankelijk van de schaal van de waterstofvervlaging. De economische haalbaarheid van een waterstofvervlaging is het beste bij grote schalingsprojecten, waarbij de projectgrootte doorgaans meer dan 8-10 ton per dag bedraagt. Kleinere projecten zijn minder rendabel vanwege de hogere energiebehoefte.

In conclusie is de uitdaging van waterstoftransport niet alleen technisch, maar ook economisch. Het vereist vooruitgang in technologieën, regelgeving, en infrastructuur om waterstof als schone energiebron effectief op grote schaal te kunnen gebruiken.

Wat Zijn Tribrid Voertuigen en Hoe Kunnen Ze Duurzaam Vervoer Revolutioneren?
Hoe de Runenpoëzie de Wereld van de Oudnoorse Cultuur en Filosofie weerspiegelt
Hoe wordt de balans tussen creativiteit, economische haalbaarheid en sociale impact in de hedendaagse architectuur bereikt?
Wat maakt een smoothie bowl het perfecte gezonde ontbijt?
Wat is de werkelijke identiteit van de gasten aan de tafel?