Hoe Verschillende Soorten Waterstofopslagvaten het Opslaan van Waterstof Beïnvloeden

Waterstofopslagvaten worden tegenwoordig in verschillende types geproduceerd, afhankelijk van de materialen en de fabricagetechnieken die worden gebruikt. De keuze van het type vat heeft een directe invloed op zowel de kosten als de prestaties van waterstofopslag, vooral als we kijken naar de toepassing van deze vaten in de brandstofceltechnologie en waterstofstations. Het ontwerp van drukvaten kan variëren van eenvoudige stalen vaten tot complexe composietmaterialen met versterkte vezels, wat hun capaciteit en duurzaamheid bepaalt.

De wikkelingen van vezels in Type III en IV vaten bieden de noodzakelijke versterking, waarbij vezels zoals glasvezel, siliciumcarbidevezel, boronvezel en koolstofvezel worden gebruikt om de sterkte en stabiliteit van het vat te waarborgen. Vooral koolstofvezel wint terrein als het materiaal van keuze voor de wikkeling, dankzij zijn uitstekende prestaties in termen van sterkte, gewicht en weerstand tegen externe invloeden. Dit maakt het mogelijk om de opslagcapaciteit van waterstof te verhogen zonder de structurele integriteit van het vat in gevaar te brengen. Er is echter altijd een risico van breuk of onregelmatigheden in de wikkeling, die de veiligheid van het opslagvat kunnen beïnvloeden.

Type V vaten, die momenteel nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase verkeren, zouden gebruik kunnen maken van koolstofvezel wikkelingen zonder de noodzaak van een liner (de binnenlaag van het vat). Dit zou het gewicht van het opslagvat verder verminderen, maar het is nog niet duidelijk hoe dit type vat zich verhoudt tot bestaande types op het gebied van veiligheid en drukweerstand. De veiligheid van dergelijke vaten blijft een onderwerp van studie, aangezien de fabricageprocessen nog niet volledig geoptimaliseerd zijn.

Wat betreft stationaire opslagvaten, die worden gebruikt in waterstoftankstations, moeten ze vaak hogere werkdrukken weerstaan dan de vaten die in voertuigen worden gebruikt. In de regel is de druk in deze vaten hoger dan die in mobiele tanks (35 MPa of 70 MPa), omdat ze dienen om waterstof snel en efficiënt te leveren aan voertuigen. Er zijn drie hoofdcategorieën van stationaire opslagvaten: naadloze stalen vaten, staalstrip-vaten en vezelgewonden vaten. De keuze van het type vat hangt af van de specifieke vereisten van het tankstation, zoals de opslagcapaciteit en het benodigde vulniveau.

Naadloze hoge-druk waterstofopslagvaten zijn vaak gemaakt van CrMo-staal, bijvoorbeeld het 4130X staal, vanwege de uitstekende mechanische eigenschappen en het vermogen om zowel sterkte als taaiheid te behouden bij hoge drukken. Dit type vat heeft echter enkele nadelen, zoals de gevoeligheid voor waterstofverbrokkeling, wat kan leiden tot het falen van het materiaal onder extreme omstandigheden. Ondanks deze beperkingen zijn ze nog steeds populair, aangezien ze minder kans hebben op defecten zoals scheuren en insluitsels, die vaak optreden bij lasverbindingen.

De capaciteit van naadloze vaten is vaak beperkt door de materiaaleigenschappen en de regelgeving voor de grootte van de vaten. Standaardregelgeving, zoals die van de Amerikaanse Society of Mechanical Engineers (ASME), beperkt de binnendiameter van naadloze vaten tot 600 mm, wat de waterinhoud van een enkel vat beperkt tot 2600 liter. Dit zorgt ervoor dat er meerdere vaten nodig kunnen zijn voor grotere opslagsystemen, wat weer leidt tot extra risico's voor waterstoflekkage en verhoogde complexiteit in het systeemontwerp.

Naast de voordelen van naadloze vaten zijn er ook de fiber-wound vaten, die gebruik maken van versterkte vezels om de sterkte van het vat te verbeteren zonder de nadelen van het zware gewicht. De vezels kunnen zo worden gewikkeld dat ze een uniforme en stabiele drukverdeling in het vat garanderen, waardoor de kans op een storing bij hoge druk wordt verminderd. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen in voertuigen en andere systemen waar gewicht en betrouwbaarheid cruciaal zijn.

De huidige trend in de waterstofindustrie is gericht op het ontwikkelen van grotere en efficiëntere opslagvaten. Bijvoorbeeld, bedrijven zoals Zhejiang Lenney Co., Ltd. hebben onlangs innovatieve oplossingen ontwikkeld voor de productie van naadloze vaten met hogere werkdrukken, zoals een 45 MPa vat. Dit zou de operationele efficiëntie van waterstofstations kunnen verbeteren door het verminderen van compressieverlies en het verhogen van de vulcapaciteit van waterstofsystemen.

Het ontwerp van waterstofopslagvaten, zowel mobiel als stationair, heeft een directe invloed op de algehele efficiëntie van waterstofopslagsystemen. De keuze van materialen, de fabricagetechnieken en de specifieke vereisten voor de toepassing moeten zorgvuldig worden afgewogen om zowel de veiligheid als de kosteneffectiviteit van de waterstofopslag te waarborgen. De continue ontwikkeling van nieuwe materialen en technologieën zal waarschijnlijk de toekomst van waterstofopslag bepalen, met als doel efficiëntere, duurzamere en veiligere opslagoplossingen.

Wat zijn de recente ontwikkelingen in waterstofproductie via ammoniakontleding?

De productie van waterstof door middel van ammoniakontleding is een veelbelovende technologie die aanzienlijke vooruitgangen heeft geboekt in de afgelopen jaren. Deze methode biedt niet alleen een potentiële oplossing voor de groene waterstofproductie, maar heeft ook de mogelijkheid om te functioneren in een gesloten, koolstofvrije energieketen. De kern van deze ontwikkeling is het gebruik van katalysatoren die ammoniak afbreken tot waterstof en stikstof, zonder dat CO₂ of andere schadelijke bijproducten vrijkomen.

Recent onderzoek heeft verschillende katalysatoren geïdentificeerd die de efficiëntie van de ammoniakontleding kunnen verbeteren. Zo wordt er steeds meer gebruik gemaakt van ruthenium (Ru)- en nikkel (Ni)-gebaseerde katalysatoren, die bij lagere temperaturen de ontleding van ammoniak mogelijk maken. Dit maakt de technologie veelbelovend voor commerciële toepassingen. Ammoniak, bestaande uit stikstof en waterstof, wordt beschouwd als een geschikte bron van waterstof omdat het gemakkelijk kan worden opgeslagen en getransporteerd, wat een voordeel is ten opzichte van andere waterstofdragers zoals vloeibaar waterstof.

In de afgelopen jaren zijn er tal van doorbraken geweest, zoals de ontwikkeling van katalytische membraamreactoren die de ontleding van ammoniak efficiënter maken. Zo heeft onderzoek aangetoond dat de combinatie van deze technologie met opslagsystemen voor waterstof kan leiden tot een betere benutting van waterstof voor energieopwekking en andere industriële toepassingen. Daarnaast is er gewerkt aan het verbeteren van de katalysatorprestaties, waarbij nanomaterialen en gepatenteerde membranen vaak worden gebruikt om de reactiekinetiek te versnellen en de energieopbrengst te verhogen.

Belangrijke voordelen van de technologie zijn de lage operationele kosten in vergelijking met traditionele methoden voor waterstofproductie, zoals stoommethaanreforming, en de mogelijkheid om op grotere schaal toe te passen. Bovendien kan ammoniak, als alternatieve energieopslag, de behoefte aan transportinfrastructuur voor waterstof verminderen. Dit kan helpen om de uitdagingen rond de distributie van waterstof op wereldwijde schaal te overwinnen.

Er zijn echter nog enkele uitdagingen. Het begrijpen van de thermodynamica van ammoniakontleding en het ontwikkelen van stabiele en kosteneffectieve katalysatoren blijven essentiële stappen voor de verdere opschaling van de technologie. Er wordt veel onderzoek gedaan naar de optimalisatie van de katalysatoren, die in staat moeten zijn om de ontledingsreactie met een hoog rendement en onder milde omstandigheden uit te voeren.

Voor de industrie is het belangrijk om te begrijpen dat de schaalbaarheid van deze technologie direct verband houdt met de verbetering van de katalysatormaterialen en het transport van ammoniak als energiebron. De transport- en opslagsystemen voor ammoniak moeten verder worden geoptimaliseerd om veilig en efficiënt te kunnen functioneren binnen de bredere waterstofeconomie. Het potentieel voor het integreren van ammoniakontleding in bestaande energie-infrastructuren is enorm, maar de weg naar massale adoptie vereist nog veel onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen.

Een ander belangrijk punt is de energiebehoefte voor de ontleding van ammoniak. Hoewel de processen die momenteel in ontwikkeling zijn aanzienlijke vooruitgangen boeken, blijven de energetische kosten van het proces een aandachtspunt. De afhankelijkheid van externe energiebronnen en de noodzaak om energie-efficiëntie te verbeteren, zijn factoren die moeten worden aangepakt om de kosten van waterstofproductie te verlagen en deze technologie competitief te maken ten opzichte van andere vormen van waterstofproductie.

De vraag naar groene waterstof zal naar verwachting de komende jaren blijven groeien, met name als de wereld zich richt op het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen en het bevorderen van hernieuwbare energiebronnen. De combinatie van ammoniakontleding en katalytische processen biedt een praktische oplossing voor de productie van waterstof met een minimale ecologische voetafdruk. Het blijft echter essentieel om de effectiviteit van de gebruikte katalysatoren te verhogen en tegelijkertijd de kosten van de processen te verlagen.

Wat zijn de belangrijkste methoden voor het transporteren van gasvormige waterstof?

In veel gevallen wordt waterstof in cilindervorm opgeslagen en vervoerd, waarbij de cilinders meestal een volume van ongeveer 40 liter hebben en een werkdruk van 15 tot 20 MPa (megapascal). Deze cilinders worden vaak in een verticale of horizontale positie gemonteerd en samengevoegd tot grotere bundels, die op vrachtwagens of andere conventionele voertuigen kunnen worden vervoerd. Hoewel deze methode beperkte ruimtebenutting en lage massa-efficiëntie heeft, biedt het de voordelen van eenvoud en flexibiliteit. Voor kleinere hoeveelheden waterstof (minder dan 50 kg) kan dit een geschikte oplossing zijn.

Er zijn ook buisopleggers, die meerdere naadloze, cilindrische hogedrukcilinders transporteren. Er zijn twee typen buisopleggers: de gebundelde buisoplegger en de containerized buisoplegger. Bij de gebundelde versie worden de cilinders direct op een semi-trailer gemonteerd, met de uiteinden van de cilinders vastgezet door ondersteunende platen. Deze opstelling maakt het mogelijk om meer containers te vervoeren, wat de transportefficiëntie verhoogt. De containerized buisoplegger daarentegen plaatst de cilinders in een standaard containerframe, compleet met kleppen, meetinstrumenten en veiligheidsapparatuur, wat het laden en lossen vergemakkelijkt.

Een ander type drukvat dat steeds vaker wordt gebruikt, zijn de met koolstofvezel versterkte drukvaten. Deze zijn lichter en sterker dan staal, waardoor ze effectievere technologieën bieden om de transportefficiëntie van waterstof te verbeteren. Bedrijven zoals Zhejiang Rein Gas Equipment Co., Ltd. hebben de Type II koolstofvezel-wikkel bundels ontwikkeld, die de ladingcapaciteit met 42,6% hebben verhoogd, terwijl het gewicht van het voertuig met 14% is verminderd.

De regelgeving rond het transport van gasvormige waterstof per trailer wordt geleid door standaarden zoals de GB/T 34542-serie voor opslag- en transportsystemen voor gasvormige waterstof, en de TSG R0005-2011 voor veiligheidstechnologie voor transporteerbare drukvaten. Hoewel er nog geen gestandaardiseerde richtlijnen bestaan voor het transport van grote koolstofvezel-versterkte drukvaten, worden de internationale normen zoals ISO 11120:2015 en ISO 11515:2013 steeds vaker toegepast.

Naast de technologische vooruitgang zijn er ook verschillende uitdagingen waarmee het transport van waterstof per buisoplegger te maken heeft. Ten eerste moeten de containers bestand zijn tegen de effecten van drukcycli en temperatuurstijging tijdens het vullen, evenals de dynamische belasting van het transport. Dit vereist zorgvuldig ontwerp en geschikte dempingsmaatregelen. Bovendien beïnvloeden de opslagdruk en de compressiesnelheid de snelheid van het tanken, waardoor gedetailleerde analyses van het gasverdelingsstation nodig zijn om optimale bedrijfsdrukken en compressiecapaciteiten te bepalen.

Er is ook een tekort aan waterstofcompressoren met een hoge doorvoer en betrouwbare werking, wat de snelheid van het bijtanken op tankstations vertraagt. Het verhogen van de compressiecapaciteit van de bestaande systemen zou het proces kunnen versnellen, maar dat vereist aanzienlijke technologische verbeteringen in de beschikbaarheid van geschikte compressors.

In het geval van pijplijntransport wordt de waterstof door het verschil in druk aan het begin en het einde van de pijp bewogen. Dit maakt het mogelijk om grote hoeveelheden waterstof op efficiënte wijze over lange afstanden te vervoeren, maar de investering in infrastructuur is hoog en vereist uitgebreide planning en investeringen van de overheid of private bedrijven.