Opslag van waterstof

Opslag van waterstof

Waterstof bestaat onder normale omstandigheden in gasvormige vorm, wat opslag en transport behoorlijk uitdagend maakt. Er zijn drie methoden om waterstof op te slaan: gasopslag onder hoge druk, opslag van vloeibare waterstof bij lage temperatuur en opslag van metaalhydride.

1. Gasvormige opslag onder hoge druk

   Gasvormige waterstof kan worden opgeslagen in ondergrondse faciliteiten of in stalen cilinders. Om het opslagvolume te verkleinen moet waterstofgas worden gecomprimeerd, wat een aanzienlijke hoeveelheid compressie-energie vereist. Normaal gesproken is een stalen hogedrukcilinder gevuld met waterstof bij 20 MPa slechts verantwoordelijk voor 1,6% van het totale gewicht, terwijl titaniumcilinders die voor ruimtetoepassingen worden gebruikt slechts 5% van het waterstofgewicht opslaan.

2. Opslag van vloeibare waterstof bij lage temperatuur

   Waterstofgas kan tot -253°C worden gekoeld om vloeibaar te worden en vervolgens worden opgeslagen in hoogvacuüm geïsoleerde containers. De technologie van vloeibare waterstofopslag werd aanvankelijk gebruikt in lucht- en ruimtevaarttoepassingen, en hoewel de opslagkosten hoger zijn, is de veiligheidstechnologie complexer. Het onderzoek richt zich momenteel op sterk geïsoleerde waterstofopslagcontainers. Er is een nieuw type container ontwikkeld, gevuld met interstitiële poreuze microsferen. Deze silicamicrobolletjes hebben diameters variërend van 30 tot 150 micrometer, met holle kernen en wanden van ongeveer 1 tot 5 micrometer dik. Op sommige van deze microbolletjes is aluminium gecoat om de thermische geleidbaarheid te minimaliseren en de convectieve warmteoverdracht tussen deeltjes volledig te remmen. Het mengen van enkele met aluminium gecoate microsferen (doorgaans ongeveer 3% tot 5%) met niet-gecoate microsferen blokkeert effectief de overdracht van stralingswarmte. Dit nieuwe type thermische isolatiecontainer overtreft met zijn uitzonderlijke isolerende eigenschappen de standaard hoogvacuüm geïsoleerde containers en wordt beschouwd als een ideale opslagtank voor vloeibare waterstof. NASA heeft dit nieuwe type waterstofopslagcontainer op grote schaal toegepast.

3. Opslag van metaalhydriden

   Er is een omkeerbare reactie tussen waterstof en metaalhydriden. Wanneer warmte van buitenaf op het metaalhydride wordt toegepast, valt het uiteen in gehydrogeneerd metaal en komt er waterstofgas vrij. Omgekeerd, wanneer waterstof en metaal samen een hydride vormen, wordt waterstof daarin in vaste vorm opgeslagen. De metaalhydriden die worden gebruikt voor de opslag van waterstof zijn meestal legeringen die uit meerdere elementen bestaan. Er zijn wereldwijd verschillende succesvolle legeringen voor waterstofopslag onderzocht, die grofweg in vier categorieën kunnen worden ingedeeld: ten eerste, lanthaan-nikkellegeringen van zeldzame aardmetalen, die 153 liter waterstof per kilogram lanthaan-nikkellegering kunnen opslaan; ten tweede de ijzer-titaniumserie, die momenteel het meest gebruikte waterstofopslagmateriaal is, met een grote opslagcapaciteit die vier keer zo groot is als de eerste, lage kosten, hoge reactiviteit en het vermogen om waterstof vrij te geven bij kamertemperatuur en druk, waardoor groot gebruiksgemak; ten derde de magnesiumreeks, die het hoogste waterstofabsorptievermogen heeft van alle metalen elementen, maar 287°C nodig heeft om waterstof vrij te geven en waterstof zeer langzaam absorbeert, waardoor het praktische gebruik ervan wordt beperkt; ten vierde de reeksen met meerdere elementen, zoals vanadium, niobium en zirkonium, die zelf edele metalen zijn en daarom alleen geschikt zijn voor bepaalde speciale gelegenheden. De belangrijkste problemen bij de opslag van metaalhydriden zijn een lage waterstofopslagcapaciteit, hoge kosten en hoge waterstofafgiftetemperaturen. Verder onderzoek naar de chemische en fysische eigenschappen van metaalhydriden, inclusief evenwichtsdruk-temperatuurcurven, reactieconversiesnelheden tijdens vorming en chemische en mechanische stabiliteit, om betere waterstofopslagmaterialen te zoeken, is een opmerkelijk onderwerp in de ontwikkeling en het gebruik van waterstofenergie. Metaalhydride-opslagapparaten zijn verkrijgbaar in zowel stationaire als mobiele vormen. Ze kunnen dienen als bron van waterstofbrandstof en materialen, afvalwarmte absorberen, zonne-energie opslaan en worden gebruikt als waterstofpompen of compressoren.