Hoge druk waterstofopslagsystemen spelen een cruciale rol in de huidige ontwikkelingen op het gebied van waterstofenergie. Deze systemen worden in verschillende toepassingen gebruikt, waaronder de transportsector en energieopslag in waterstoftankstations. Ze zijn ontworpen om waterstof op te slaan en veilig te vervoeren onder hoge druk, waardoor ze onmisbaar zijn voor de commerciële inzet van waterstofbrandstofcellen in voertuigen en voor de infrastructuur van waterstofstations.

De typische 20 MPa hoge druk waterstofcilinder, zoals gebruikt in lange buizentrailers, heeft een werkdruk die meestal tussen de 19,0 en 19,5 MPa ligt. Deze trailers kunnen per voertuig ongeveer 3750 tot 3920 m³ waterstof vervoeren, wat overeenkomt met 334 tot 350 kg waterstof. Het vullen van deze trailers duurt tussen de 1,5 en 2,5 uur, afhankelijk van de omstandigheden. Desondanks is de waterstofopslagdichtheid van deze systemen relatief laag, slechts 1 tot 2%. Dit maakt ze geschikt voor kleinschalig en kortafstandstransport, maar de kosten stijgen significant naarmate de afstand toeneemt. Het gewicht van de stalen cilinders is een van de belangrijkste beperkingen van deze systemen, wat het transport op lange afstanden onrendabel maakt.

Voor voertuigen die op waterstof rijden, worden on-board opslagtechnologieën gebruikt, met name Type III (aluminium liner, vezel gewikkeld) en Type IV (plastic liner, vezel gewikkeld) hoge druk waterstofcilinders. Het gewicht van deze cilinders beïnvloedt direct het bereik van voertuigen die aangedreven worden door waterstofbrandstofcellen. De Type IV cilinders, die relatief licht zijn door hun plastic liner, zijn vooral geschikt voor passagiersvoertuigen. Landen zoals Japan, Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk hebben al massaproductie van 70 MPa Type IV waterstofcilinders bereikt, wat heeft bijgedragen aan de commerciële productie van voertuigen zoals de Toyota Mirai, die tot 550 km op een volle tank kan rijden.

De productie van waterstofcilinders ondergaat strikte standaarden en tests om de veiligheid en effectiviteit te waarborgen. In China is de implementatie van de nationale standaard GB/T 35544-2017, die de structuur van Type III cilinders beschrijft, een belangrijke stap in de ontwikkeling van veilige en efficiënte opslagsystemen voor voertuigen. Deze normen verdelen de cilinders in verschillende klassen, afhankelijk van de werkdruk en het volume. De toekomstige ontwikkelingen in China zijn gericht op het bereiken van de binnenlandse productie van 70 MPa Type IV waterstofcilinders, met een focus op het verbeteren van de veiligheid en het verminderen van de kosten.

Naast de toepassingen in voertuigen, worden hoge druk waterstofopslagsystemen ook veel gebruikt in waterstof tankstations en energieopslagsystemen. In China zijn de meeste waterstoftankstations in gebruik of in aanbouw voor een werkdruk van 35 MPa, hoewel er ook stations zijn die ontworpen zijn voor 70 MPa. Deze stations gebruiken meestal opslagsystemen met een ontwerpdruk van 50 MPa voor 35 MPa tankstations, en 98-99 MPa voor 70 MPa stations. De gebruikte opslagsystemen variëren, van stalen enkele lagen tot versterkte multi-laagse structuren en carbonfiber gewikkelde systemen, waarbij het meest geavanceerde systeem wereldwijd wordt vertegenwoordigd door de staal- en carbonfiber hybride systemen die onder andere in Zuid-Korea worden toegepast.

Het belangrijkste voor de lezer is te begrijpen dat de effectiviteit van deze waterstofopslagsystemen niet alleen afhankelijk is van de druk waarop waterstof wordt opgeslagen, maar ook van de materialen en technologieën die in de productie van de cilinders worden gebruikt. De voortdurende vooruitgang in de technologie van waterstofopslag zal leiden tot efficiëntere en goedkopere oplossingen, maar de complexe afwegingen tussen gewicht, capaciteit, kosten en veiligheid blijven uitdagingen voor de toekomst.

Hoe Metaalhydride Materialen Waterstof Opslaan en Vrijgeven

Metaalhydrides, die waterstof opslaan in de vorm van metalen legeringen, spelen een cruciale rol in de ontwikkeling van efficiënte waterstofopslagtechnologieën. Deze materialen zijn in staat om gasvormig waterstof op te nemen en op te slaan door het te verbinden met metalen om stabiele hydrideverbindingen te vormen. Dit proces is gebaseerd op de interactie tussen waterstofmoleculen en het metaaloppervlak, en de daaropvolgende opname van waterstofatomen in de structuur van de legering.

In het geval van metaalhydride-opslagmaterialen worden waterstofmoleculen eerst gedissocieerd in waterstofatomen op het oppervlak van het metaal. Deze atomen diffunderen vervolgens de metaalstructuur in, waar ze zich in de lege ruimtes van het rooster nestelen. De vorming van metaalhydrides is over het algemeen een exothermisch proces, waarbij warmte vrijkomt. Dit betekent dat er energie wordt vrijgegeven wanneer het metaal waterstof opneemt en waterstofatomen zich binden met het metaal. Bij verhitting van de hydride wordt deze energie weer geabsorbeerd en komt waterstof vrij.

Een belangrijk aspect van het gebruik van metaalhydrides voor waterstofopslag is de reversibiliteit van het proces. Het opnemen en vrijgeven van waterstof kan cyclisch worden herhaald, wat essentieel is voor toepassingen waarbij herhaaldelijke oplading en ontlading van de waterstofopslag vereist zijn. De efficiëntie van dit proces wordt beïnvloed door verschillende thermodynamische en kinetische factoren, zoals de samenstelling van de legering, de temperatuur en de waterstofdruk.

Metaalhydride-opslagmaterialen worden vaak gekarakteriseerd door hun zogenaamde druk-samenstelling-temperatuur (PCT) curve. Deze curve laat de relatie zien tussen de waterstofdruk, de waterstofinhoud in de legering en de temperatuur, en is essentieel voor het begrijpen van het gedrag van het materiaal bij verschillende operatiescenario’s. Het PCT-diagram is belangrijk voor het bepalen van de optimale omstandigheden voor zowel de waterstofopslag als de afgifte. De overgang van de α-fase (opgeloste waterstof in het metaalrooster) naar de β-fase (metaalhydride) is van groot belang, en wordt beïnvloed door zowel de temperatuur als de waterstofdruk.

Bij het ontwikkelen van legeringen voor waterstofopslag wordt er naar gestreefd om materialen te selecteren die een hoge waterstofopnamecapaciteit combineren met een relatief lage temperatuur voor ontlading. De keuze van de metalen elementen die de legering vormen, is dan ook van groot belang. Typische legeringen voor waterstofopslag omvatten de zogenaamde AB5- en AB2-typen, die respectievelijk zeldzame aardmetalen zoals lanthaan en metaalcombinaties zoals titanium en mangaan bevatten. Elk van deze legeringen heeft zijn eigen thermodynamische eigenschappen, die de efficiëntie van de waterstofopslag beïnvloeden.

Naast de thermodynamische overwegingen spelen ook de kinetische eigenschappen van het materiaal een belangrijke rol. De snelheid waarmee waterstof wordt geabsorbeerd of vrijgegeven, is essentieel voor de praktische toepassing van metaalhydrides in energie-opslagsystemen. De mate van diffusie van waterstofatomen door het metaalrooster en de snelheid van de faseovergangen zijn dus ook belangrijke factoren voor de efficiëntie van de waterstofopslag.

Het belang van metaalhydride-opslagmaterialen komt in verschillende industriële toepassingen naar voren. Van voertuigen die op waterstof rijden tot grootschalige energieopslagsystemen voor hernieuwbare energiebronnen, de mogelijkheid om grote hoeveelheden waterstof efficiënt op te slaan is van cruciaal belang. Het proces van absorptie en desorptie van waterstof door metaalhydrides biedt een veelbelovende route naar duurzamere energieopslagmethoden.

Er moet echter ook opgemerkt worden dat de ontwikkeling van metaalhydride-opslagmaterialen voor praktische toepassingen niet zonder uitdagingen is. Het is noodzakelijk om materialen te ontwikkelen die niet alleen een hoge opslagcapaciteit bieden, maar ook geschikt zijn voor de bedrijfstemperaturen en drukomstandigheden die in de praktijk voorkomen. De technologische vooruitgangen in de ontwikkeling van legeringen, de verbetering van de kinetiek van waterstofabsorptie en de optimalisatie van de thermodynamische eigenschappen zijn cruciaal voor de verdere doorbraak van metaalhydrides in de commerciële waterstoftechnologie.

Hoe Ronald Reagan de extremistische vleugels van de Republikeinen mainstreamde
Wat Was Er Echt Gebeurd Bij de Moord op Kennedy?
Waarom blijven de maankaarten van Riccioli de standaard, ondanks hun gebreken?