Wat zijn de belangrijkste principes en technologieën achter de opslag en het transport van waterstofgas onder hoge druk?

De opslag en het transport van waterstofgas onder hoge druk is een technologie die op grote schaal wordt gebruikt vanwege de eenvoud en effectiviteit ervan. In de basis wordt waterstof in gasvorm opgeslagen in cilindervormige containers, die onder hoge druk worden gebracht om de hoeveelheid waterstof die kan worden opgeslagen te vergroten. Het transport van waterstof via pijpleidingen is een andere veelgebruikte methode, met name voor middel- en lange afstanden. In tegenstelling tot vloeibare en vaste waterstofopslag, is gasvormige waterstofopslag het meest gangbare en directe systeem. Door gebruik te maken van drukregelventielen kan waterstof snel en stabiel worden vrijgegeven, wat de technologie zeer geschikt maakt voor toepassingen die een constante en betrouwbare toevoer van gas vereisen.

De principes van waterstofdruk worden meestal beschreven via de ideale gaswet, die stelt dat de druk en het volume van een gas recht evenredig zijn, op voorwaarde dat de temperatuur constant blijft. Echter, waterstof vertoont afwijkingen van de ideale gaswet onder hoge druk en lage temperatuur. Dit betekent dat de eigenschappen van waterstofgas niet altijd kunnen worden voorspeld met de standaard ideale gaswet, en daarom moeten meer complexe modellen zoals de van der Waals vergelijking worden gebruikt om de gedrag van waterstof nauwkeuriger te beschrijven. Het compressibiliteitsfactor Z, die de afwijking van het ideale gasgedrag van waterstof aangeeft, neemt toe naarmate de druk stijgt. Dit betekent dat waterstof onder druk dichter wordt, maar niet in dezelfde mate als andere gassen.

Bij de huidige stand van de technologie zijn er verschillende methoden voor de opslag en het transport van waterstof, elk met hun eigen voordelen en nadelen. De keuze voor een specifieke methode hangt af van verschillende factoren, zoals de afstand die moet worden overbrugd, de benodigde druk en de kosteneffectiviteit van de gebruikte technologieën. Liquid hydrogen storage and transportation, lange buizen voor vervoer bij 20 MPa, en opslag via waterstofrijke verbindingen zijn enkele van de technologieën die momenteel in gebruik zijn. Hoewel gasvormige waterstofopslag als de meest gebruiksvriendelijke en wijdverspreide techniek wordt beschouwd, zijn de vooruitzichten voor verbeteringen in zowel de opslagdichtheid als de efficiëntie van de compressie- en transporttechnologieën van waterstof onder hoge druk veelbelovend.

Endtext

Wat zijn de beperkingen en mogelijkheden van MOF-materialen voor waterstofopslag?

MOF-materialen (metal-organic frameworks) worden vaak onderzocht en ontwikkeld voor waterstofopslag vanwege hun hoge specifieke oppervlakte en de mogelijkheid om waterstof in een vaste toestand op te slaan. Een van de meest veelbelovende toepassingen van deze materialen is het gebruik ervan als opslagmedium voor waterstof onder hoge druk. Dit maakt ze aantrekkelijk voor gebruik in de auto-industrie en andere toepassingen waarbij hoge energiedichtheid vereist is.

Echter, ondanks de uitstekende prestaties van deze materialen, is de waterstofopslag bij lage temperaturen, zoals 77–160 K, een significant probleem. Het verhoogt namelijk het energieverbruik van het opslagproces, wat de toepasbaarheid van deze materialen voor waterstofopslag bij kamertemperatuur beperkt. Dit is een belangrijke beperking voor de bredere commerciële toepassing van MOF-materialen als opslagmedia voor waterstof. De belangrijkste uitdaging ligt daarom niet alleen in het verbeteren van de opslagcapaciteit, maar ook in het ontwikkelen van materialen die efficiënt werken bij hogere temperaturen.

Vanuit praktisch oogpunt is het nodig om waterstofgas op hoge dichtheden op te slaan, vooral voor toepassingen in voertuigen. Voor natuurlijke gasopslag wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van zware stalen containers die onder een druk van 18–25 MPa bij kamertemperatuur worden gehouden. Het nadeel van deze technologie is de beperkte opslagcapaciteit en het hoge gewicht van het opslagsysteem, dat vaak tot 90% van het totale gewicht uitmaakt. De kosten van deze technologie, die meerdere compressiefasen vereist, maken deze methode onpraktisch voor de meeste commerciële toepassingen. De doelstellingen van het Amerikaanse ministerie van Energie voor on-board waterstofopslag zijn bijvoorbeeld 6,5 wt% en 50 g/L voor een rijbereik van 480–800 km. Deze doelen zijn echter moeilijk te bereiken door alleen compressie.

Er zijn verschillende methoden om de verpakkingsefficiëntie van MOF-materialen te verbeteren. Een veelgebruikte techniek is mechanische compressie, die de volumetrische opslagcapaciteit aanzienlijk kan verhogen, maar tegelijkertijd kan leiden tot de verzwakking van de stabiliteit van het materiaal en het ineenstorten van de structuur. Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, onderzochten de praktische waterstofopslagprestaties van Ni2(m-dobdc)-materialen onder temperatuur-swing adsorptie (TSA) processen. Ze gebruikten de verpakkingsdichtheid (0,366 g/mL) om de volumetrische opslagcapaciteit te berekenen, die in het temperatuurgebied van -75 tot 25 °C bij een druk van 10 MPa 23 g/L bereikte.

Een andere aanpak werd voorgesteld door Matzger en anderen van de Universiteit van Michigan, die zich richtten op kristallijne morfologie en de controle van de deeltjesgrootte om de werkelijke waterstofopslagcapaciteit van MOF-5 te optimaliseren. Deze strategie leidde tot een aanzienlijke verbetering van de verpakkingsdichtheid van MOF-5-materialen, waardoor de volumetrische opslagcapaciteit tot 30,5 g/L werd verhoogd, wat de capaciteit van typische 70 MPa gecomprimeerde waterstofsystemen overtrof.

Het blijkt dus dat de sleutel tot het verbeteren van de werkelijke waterstofopslagcapaciteit ligt in het verhogen van de verpakkingsdichtheid van de materialen zonder de structurele integriteit te compromitteren. Het optimaliseren van de poederverpakkingsefficiëntie en het verbeteren van de volumetrische opslagcapaciteit zijn cruciale stappen voor de ontwikkeling van MOF-materialen die in staat zijn om aan de eisen van commerciële waterstofopslagtechnologieën te voldoen.