In China werd recentelijk een demonstratie van een waterstofvulstation uitgevoerd, waarbij de operationele situatie positief werd beoordeeld. Het opslagvat voor waterstof in dit station is uitgerust met een stalen liner en een volledig met koolstofvezel gewikkelde structuur. Het fenomeen van waterstofbrosheid in waterstofopslagvaten is een belangrijk onderwerp in de ontwerp- en fabricageprocessen van waterstoftanks voor vaste stations. Waterstofbrosheid verwijst naar het proces waarbij waterstof zich infiltreert in het metaal van een opslagtank. Onder invloed van zowel stress als de waterstof zelf kan de concentratie van waterstof op een lokaal niveau een kritieke waarde bereiken, waardoor de taaiheid en rekbaarheid van het metaal afnemen, of zelfs waterstof-geïnduceerde vertraagde breuk kan optreden. Dit effect is van cruciaal belang voor het behalen van de vereiste 'lek vóór breuk' veiligheidseis voor deze tanks.

Waterstofbrosheid in omgevingen met hoge druk betreft verschillende mechanismen zoals de oplossing, diffusie en agglomeratie van waterstof, welke kunnen leiden tot scheurvorming in de metalen constructies. Testmethoden voor het testen van de waterstofbrosheid van metalen materialen kunnen in twee hoofdcategorieën worden onderverdeeld: de eerste is gericht op het snel screenen van materialen om te bepalen of deze geschikt zijn voor toepassingen waarbij ze in contact komen met waterstof, bijvoorbeeld met behulp van schijftesten en tests voor het stressintensiteitsfactor-drempel van waterstof-geïnduceerde scheuren. De tweede categorie richt zich op in-situ testen van de mechanische eigenschappen van materialen, zoals traag-strain-snelheid trekproeven en vermoeidheidslevenstests, die belangrijk zijn voor het ontwerp en de beoordeling van materialen die blootgesteld worden aan waterstofomgevingen.

In tegenstelling tot waterstoftanks voor voertuigen, worden stationaire waterstofopslagvaten blootgesteld aan een veel groter aantal drukfluctuaties, tot wel 10^3 tot 10^5 keer, met fluctuaties van 20-80% van de ontwerppressie. Dit betekent dat naast waterstofbrosheid ook vermoeidheidsfalen in lage cycli in aanmerking moet worden genomen bij het ontwerp van stationaire opslagvaten. Het ontwerp van dergelijke vaten in China volgt voornamelijk de voorschriften en normen zoals TSG 21-2016, en GB/T 34542 voor waterstofopslagsystemen, waarbij de nadruk ligt op het gebruik van geschikte materialen en de juiste verwerkingstechnieken om falen door waterstofbrosheid of vermoeidheid te voorkomen.

Een ander belangrijk aspect van waterstofopslag en -transport is het gebruik van pijpleidingen voor de distributie en het transport van waterstofgas. Er zijn twee hoofdcategorieën van waterstofpijpleidingen: de langeafstandstransportpijpleidingen en de distributiepijpleidingen voor kortere afstanden. Langeafstandspijpleidingen hebben hogere drukken en grotere diameters, en worden voornamelijk gebruikt voor het transport van waterstofgas op grote schaal tussen productie-eenheden en waterstofstations. Distributiepijpleidingen hebben doorgaans lagere drukken en kleinere diameters, en zijn bedoeld voor het vervoeren van waterstof tussen stations en gebruikers op middelgrote en lage druk. De aanlegkosten voor langeafstandspijpleidingen zijn aanzienlijk hoger dan die van aardgasleidingen, waarbij de kosten van waterstofpijpleidingen ongeveer 630.000 USD per kilometer bedragen, vergeleken met ongeveer 250.000 USD voor aardgasleidingen.

Internationaal gezien is de ontwikkeling van waterstofpijpleidingen al langer gaande. Al in 1939 werd in Duitsland een waterstofpijpleiding van ongeveer 208 kilometer lang aangelegd, met een werkdruk van 2 MPa. In Europa omvat het netwerk aan waterstofpijpleidingen tot 2017 ongeveer 1598 kilometer, met werkdrukken tussen de 2 en 10 MPa. In de Verenigde Staten is de meeste waterstofpijpleiding te vinden in Texas, Louisiana en Californië, met een totaal van bijna 2600 kilometer. De waterstofpijpleidingen in de VS gebruiken voornamelijk stalen buizen met een druk van ongeveer 6,9 MPa. De verwachte levensduur van deze pijpleidingen is tussen de 15 en 30 jaar. In China staat de ontwikkeling van waterstofpijpleidingen nog in de kinderschoenen, met een totaal van ongeveer 400 kilometer pijpleidingen, waarvan de langste in de provincie Henan 25 kilometer lang is, met een druk van 4 MPa en een jaarlijkse transportcapaciteit van 100.400 ton waterstof.

Wat betreft de toekomst van waterstoftransport via pijpleidingen wordt verwacht dat het netwerk in China tegen 2030 zal uitbreiden naar 3000 kilometer. Dit toont aan hoe essentieel het is om bij de aanleg en het onderhoud van waterstofpijpleidingen niet alleen rekening te houden met de technologische uitdagingen, maar ook met de economische aspecten, zoals de hogere kosten in vergelijking met aardgasleidingen. De ontwikkeling van een betrouwbaar en kosteneffectief netwerk voor waterstofdistributie is dus van cruciaal belang voor de verdere uitrol van waterstof als een duurzame energiebron.

Hoe Verbeteren en Versterken We de Isolatieprestaties van Vloeibare Waterstof Tanks?

De isolatiematerialen voor vloeibare waterstoftanks spelen een cruciale rol bij het handhaven van de noodzakelijke temperaturen voor het opslaan en transporteren van vloeibare waterstof. De isolatie is van vitaal belang voor het minimaliseren van het warmteverlies naar de omgeving, aangezien de temperatuur van vloeibare waterstof extreem laag is, rond de 20 K (-253°C). Deze tanks zijn uitgerust met geavanceerde isolatiestructuren die gebruik maken van verschillende soorten reflecterende schermen, thermische barrières en adsorberende materialen om de prestaties te optimaliseren.

Een van de meest gebruikte materialen voor reflecterende schermen in deze tanks is aluminiumfolie of dubbelzijdig met aluminium gecoat folie. Dit materiaal is populair vanwege zijn lage kosten, lichte gewicht en de relatief hoge emissiviteit. Aluminiumfolie heeft echter een hogere emissiviteit en is effectiever in het creëren van een temperatuurgradiënt aan de warme kant van de tank, terwijl dubbelzijdig aluminium gecoat folie efficiënter is aan de koude kant, waar de temperatuur veel lager is. Het gebruik van dubbelzijdig aluminium gecoat folie helpt om een groter temperatuurverschil aan de koude kant te creëren, wat essentieel is voor het verbeteren van de isolatieprestaties van vloeibare waterstoftanks. Dit verschil in effectiviteit neemt echter af wanneer het aantal reflecterende schermen in de structuur toeneemt. Zodra er meer dan 30 lagen reflecterende schermen worden gebruikt, is het verschil in prestaties tussen aluminiumfolie en dubbelzijdig aluminium gecoat folie minimaal. Bij een hoger aantal lagen ligt de keuze voor het materiaal meer in lijn met de procesbehoeften, zoals de vereiste sterkte van het scherm of de vereisten voor de verwarmingstemperatuur tijdens het vacuümproces.

Een ander essentieel materiaal dat vaak wordt gebruikt voor de isolatie van vloeibare waterstoftanks is het scheidingsmateriaal, dat helpt de thermische weerstand te verhogen en de warmtegeleiding te verminderen. Bij voorkeur worden materialen met een korte vezellengte en lage thermische geleidbaarheid gekozen, zoals glasvezelpapier, chemisch vezelpapier en plantvezelpapier. Deze materialen zijn licht, sterk, maar hebben een beperkte hoge-temperatuurbestendigheid. Bij een baktemperatuur van 150°C of hoger, vooral als de temperatuur langer dan vier uur wordt gehandhaafd, kunnen ze namelijk verkolen, vergelen of bros worden. Daarom wordt over het algemeen aanbevolen dat de baktemperatuur tijdens het vacuümproces niet hoger is dan 120°C. Glasvezelpapier heeft een sterkere isolerende werking als het ultrafijne glasvezel bevat, maar dit gaat gepaard met een verminderde sterkte, waardoor het materiaal breekbaar is en gevoelig voor stofvorming, wat schadelijk is voor de gezondheid.

Om de productie-efficiëntie en de structurele prestaties van tanks te verbeteren, wordt het gebruik van quilts in de isolatiestructuur steeds gebruikelijker. Een isolatiequilt bestaat uit een combinatie van reflecterende lagen en isolatiematerialen die met elkaar worden verbonden door middel van stiksels. Deze quilts dragen bij aan de stabiliteit en dichtheid van de isolatiestructuur, en verminderen het risico op losraken van de isolatie door trillingen. Het gebruik van isolatiequilts helpt ook om het vacuüm sneller te creëren, omdat de quilts beter bestand zijn tegen de druk van luchtgaten die nodig zijn om de vacuümkwaliteit te behouden. Deze quilts worden op maat gesneden en geïnstalleerd op basis van de grootte van de tank, waarbij de edge-effecten van de multilayer structuur worden gecompenseerd om de algehele isolatiecapaciteit te waarborgen.

Wanneer het vacuüm in de isolatielaag niet goed gehandhaafd wordt, kan de effectiviteit van de thermische isolatie exponentieel afnemen, vooral in vacuümomgevingen van 10−2 Pa of lager. Het in stand houden van een optimaal vacuüm is daarom van groot belang voor het verbeteren van de prestaties van vloeibare waterstoftanks. Het vacuüm wordt echter in de loop van de tijd onvermijdelijk aangetast door lekken in de binnenste of buitenste liner, en door gasafgifte uit de isolatiematerialen zelf. De belangrijkste gassen die in de isolatielaag kunnen lekken, zijn stikstof (N2), zuurstof (O2) en waterstof (H2), afkomstig van de externe en interne materialen. Om de isolatiecapaciteit te behouden, worden adsorptiematerialen zoals geactiveerde koolstof en moleculaire zeven gebruikt om deze restgassen te absorberen. Geactiveerde koolstof heeft bijvoorbeeld een uitstekende capaciteit om waterstofgas te adsorberen bij lage temperaturen, terwijl palladiumoxide wordt gebruikt voor adsorptie bij kamertemperatuur.

Het gebruik van geavanceerde technologieën en materialen zorgt ervoor dat vloeibare waterstoftanks steeds beter presteren, met een onderhoudstijd van 5 tot 15 dagen of langer, afhankelijk van de gebruikte isolatiestructuur. In sommige gevallen, zoals bij tanks die voor maritiem transport worden gebruikt, kunnen nog complexere en duurdere isolatiesystemen nodig zijn, die meerlagige metalen schermen en vloeibare stikstofbescherming gebruiken om de isolatieprestaties te optimaliseren en de onderhoudstijd te verlengen.

Het begrijpen van de dynamiek van vacuümisolatie, adsorptie van gassen, en de keuze van materialen is essentieel voor het ontwikkelen van efficiënte en veilige vloeibare waterstoftanks. Het verbeteren van de isolatieprestaties is een combinatie van materiaalkeuze, procesoptimalisatie en innovatieve technologieën die gezamenlijk bijdragen aan het succes van de vloeibare waterstofopslag en -transport.

Wat maakt de technologie van vloeibare organische waterstofdragers (LOHC) aantrekkelijk voor energieopslag en transport?

De technologie van vloeibare organische waterstofdragers (LOHC) biedt veelbelovende mogelijkheden voor de opslag en het transport van waterstof. Een van de belangrijkste voordelen van LOHC's is hun hoge gravimetrische waterstofopslagdichtheid, wat betekent dat ze in staat zijn om grote hoeveelheden waterstof per eenheid massa te bewaren. Dit maakt ze veelbelovend als een efficiënte oplossing voor het langdurig en op grote schaal opslaan van waterstof.

Cyclohexaan, een veelgebruikte LOHC, kan bijvoorbeeld 3 mol waterstof per mol cyclohexaan dragen, en de benodigde energie voor het dehydrogeneren van cyclohexaan is veel lager dan de energie die vrijkomt bij de verbranding van waterstof. Dit betekent dat LOHC's een relatief overvloedige waterstofenergie kunnen leveren. Daarnaast zijn benzene en zijn dehydrogenatieproduct, cyclohexaan, vloeibaar bij normale temperatuur en druk, wat betekent dat ze eenvoudig kunnen worden opgeslagen en getransporteerd met behulp van bestaande infrastructuur voor vloeibare brandstoffen.

Een ander belangrijk voordeel van LOHC's is hun gebruiksgemak. Materialen zoals tolueen en methylcyclohexaan kunnen vloeibaar worden opgeslagen bij normale temperaturen en drukken, vergelijkbaar met benzine. Dit betekent dat ze kunnen worden opgeslagen en getransporteerd via de bestaande olie-infrastructuur, wat hen een veilige en praktische keuze maakt voor langeafstandstransporten. Bovendien kunnen de waterstofatomen in LOHC's worden vrijgegeven door een omkeerbare dehydrogeneratie-reactie, wat de mogelijkheid biedt om ze te recyclen en herhaaldelijk te gebruiken. Hierdoor kunnen LOHC's bijdragen aan een duurzamer gebruik van waterstof.

In tegenstelling tot andere vormen van waterstofopslag, zoals vloeibare waterstof of metaallhydride-systemen, bieden LOHC's zowel een hoge gravimetrische als volumetrische opslagdichtheid, wat ze effectiever maakt in termen van ruimte en gewicht. Dit maakt LOHC's een concurrerende keuze in de context van energieopslag en transport. Het gebruik van LOHC's kan het probleem van ongelijke energieverdeling, bijvoorbeeld in landen met grote afstanden tussen productie en gebruik, effectief aanpakken. Door waterstof in vloeibare vorm te transporteren, kunnen regio’s die onvoldoende infrastructuur hebben voor gasvormige waterstof of vloeibare waterstof op lage temperatuur, effectief worden bediend.

Hoewel LOHC's veel voordelen bieden, zijn er ook nadelen en technische uitdagingen. Een belangrijke beperking is de noodzaak van strikte operationele voorwaarden voor het katalytisch waterstoferen en dehydrogeneren van de dragers. De dehydrogeneratie-reactie vereist hoge temperaturen en vaak lage druk, wat de efficiëntie van het proces kan beïnvloeden. Dit, in combinatie met de vereisten voor specifieke katalysatoren (zoals nikkel of platina), maakt het proces energie-intensief en kostbaar. Bovendien kan de efficiëntie van dehydrogeneratie afnemen na meerdere cycli door onvolledige dehydrogeneratie, wat leidt tot een afname van de waterstofopslagcapaciteit. Dit is een belangrijk aandachtspunt voor de commerciële toepassing van LOHC's.

Daarnaast kan de waterstof die vrijkomt bij de dehydrogeneratie reactie niet altijd in pure vorm zijn. De aanwezigheid van nevenproducten en onzuiverheden kan de kwaliteit van de vrijgekomen waterstof verlagen, wat de efficiëntie van brandstofcellen, die afhankelijk zijn van zuivere waterstof, kan beïnvloeden. Het beheer van deze bijproducten en het verbeteren van de katalytische processen zijn daarom cruciaal voor de verdere ontwikkeling van LOHC-technologie.

Hoewel de LOHC-technologie veel potentieel biedt, moet er aandacht worden besteed aan de technische en economische uitdagingen die ermee gepaard gaan. De technologie kan echter een aanzienlijke bijdrage leveren aan de opkomst van waterstof als een alternatieve energiedrager, met toepassingen variërend van transport tot grootschalige energieopslag. De ontwikkelingen in de katalyse, procesoptimalisatie en opslagsystemen zullen de haalbaarheid van LOHC's als een betrouwbare waterstofopslagoplossing verder verbeteren.

Hoe werkt de opslag en het transport van waterstof in hogedrukcontainers?

Hogedrukwaterstofopslag is een cruciaal element voor de transport en distributie van waterstof als brandstof. Waterstof heeft bij kamertemperatuur en atmosferische druk een extreem lage dichtheid, wat het moeilijk maakt om het in grote hoeveelheden op te slaan en te vervoeren. Daarom wordt waterstof vaak onder hoge druk opgeslagen, waarbij speciale containers en technologieën worden ontwikkeld om aan de eisen van opslagcapaciteit, veiligheid en kosteneffectiviteit te voldoen.

De ontwikkeling van hogedrukopslag voor waterstof heeft een lange weg afgelegd. Sinds het begin van de 21ste eeuw zijn er aanzienlijke vooruitgangen geboekt in de technologie van hogedrukcontainers, en diverse bedrijven wereldwijd hebben verschillende ontwerpen en materialen onderzocht om de opslagcapaciteit te verhogen en de kosten te verlagen. In 2008 ontwikkelde Spencer Composites Corporation bijvoorbeeld een low-cost hogedrukwaterstofcontainer met een volledige wikkelingsstructuur van glasvezel, terwijl Hexagon Lincoln Composites in Noorwegen een carbonvezel-wikkelingsstructuur toepaste, wat resulteerde in grotere opslagcapaciteit en verbeterde prestaties.

Op dit moment zijn de ontwerpvereisten voor waterstofopslag bij voertuigen bijzonder streng. De Amerikaanse Department of Energy (DOE) stelde een technische doelstelling voor de opslagdichtheid in voertuigen: in 2020 moest de massadichtheid van waterstof 4,5 gewichtspercent H2 bereiken, met een volumetrische dichtheid van 30 g/L. Dit doel werd later aangepast, en tegen 2025 zou de massadichtheid moeten toenemen naar 5,5 gewichtspercent en de volumetrische dichtheid naar 40 g/L, met een uiteindelijke doelstelling van 6,5 gewichtspercent en 50 g/L. Om deze ambitieuze doelen te bereiken, moeten de containers niet alleen licht zijn, maar ook in staat zijn om waterstof onder hoge druk op te slaan zonder verlies van efficiëntie of veiligheid.

Hogedruk waterstofopslagcontainers zijn meestal vervaardigd van composietmaterialen zoals carbonvezels of glasvezel, die een hoge sterkte en lichtheid combineren, terwijl ze bestand zijn tegen de hoge drukken die nodig zijn voor een efficiënte opslag. De Japanse Automobiel Onderzoeksinstituut, bijvoorbeeld, ontwikkelde composiet hogedrukwaterstofopslagcilinders met werkdrukken van 35 en 70 MPa. Echter, ondanks de toename van de druk, blijkt dat de opslagcapaciteit van de 70 MPa tanks slechts 60% groter is dan die van de 35 MPa tanks. Er zijn nog steeds uitdagingen om de prestaties en de afdichtingscapaciteit van de containers verder te verbeteren.

De opslag en het transport van waterstof zijn niet zonder hun eigen technologische uitdagingen. De gascompressie van waterstof volgt niet altijd de ideale gaswet, vooral bij lagere temperaturen en hogere drukken. In dergelijke gevallen moet de compressibiliteitsfactor van het gas in aanmerking worden genomen, wat betekent dat hogere drukken nodig zijn om waterstof efficiënt op te slaan, wat vervolgens hogere eisen stelt aan de technologie en het ontwerp van de opslagcontainers.

In China werd het onderzoek naar en de ontwikkeling van on-board waterstofopslag pas tijdens het "Tiende Vijfjarenplan" gestart, later dan in andere landen. Toch heeft China aanzienlijke vooruitgang geboekt, met de ontwikkeling van containers die werken bij drukken tot 70 MPa. De introductie van de volledig gewikkelde carbonvezelversterkte containers voor het opslaan van gecomprimeerde waterstof maakt het mogelijk om de opslagcapaciteit van voertuigen verder te vergroten. In feite worden deze containers steeds gebruikelijker in de auto-industrie, met voertuigen zoals de Toyota Mirai 2 en de Hyundai Nexo die zijn uitgerust met 70 MPa hogedrukwaterstofopslagtanks, wat zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de waterstofopslagcapaciteit.

Desondanks blijft het transport van waterstof een uitdaging. Hoewel hoge-druk waterstofopslag een effectievere manier van opslag biedt, is de massa die kan worden geladen in transportcontainers slechts een klein percentage van de totale massa van het transportmiddel zelf. Dit betekent dat transport van waterstof via hogedrukcontainers alleen geschikt is voor kortere afstanden en situaties met een lage vraag. De transportkosten kunnen bovendien verder oplopen door verlies van waterstof via permeatie, wat resulteert in economische nadelen bij langere transporttijden of grotere afstanden.

Belangrijk is dat de ontwikkeling van technologieën voor waterstofopslag en -transport nauw verweven is met de vooruitgang in andere technologieën, zoals brandstofcellen en de integratie van waterstof in het bredere energie-ecosysteem. De toekomstige evolutie van waterstofopslagtechnologie zal niet alleen afhangen van de verbetering van materialen en ontwerp, maar ook van de integratie van waterstofinfrastructuren in steden en transportnetwerken, die de efficiëntie en kosten kunnen optimaliseren.

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?