Wat zijn de waterstofopslagtechnologieën? (I) - Fysisch gebaseerde opslag (gas of vloeistof)

Wat zijn de waterstofopslagtechnologieën? (I) - Fysisch gebaseerde opslag (gas of vloeistof)

De methoden voor waterstofopslag die door de industrie en de academische wereld worden gebruikt, kunnen in twee typen worden verdeeld:
Op fysica gebaseerde opslag (gasvormig of vloeibaar)
Op materialen gebaseerde opslag (waterstof interageert met opslagmaterialen)

Bij op fysica gebaseerde opslag worden gewoonlijk twee belangrijke opslagmethoden gebruikt; het zijn gasvormige en vloeibare waterstofopslag.

1.1 Gasvormige waterstofopslag

Bij gasopslag wordt waterstof onder druk gezet en in gasvorm opgeslagen in specifieke containers. Afhankelijk van de druk kan gasopslag worden onderverdeeld in lagedrukopslag en hogedrukopslag. Waterstof kan net als aardgas onder lage druk worden opgeslagen met behulp van waterdichte tanks. Deze methode is geschikt voor grootschalige gasopslag. Omdat de dichtheid van waterstof laag is, heeft het weinig toepassingen. Gasvormige hogedrukopslag is een gebruikelijke en directe opslagmethode. Waterstof kan direct worden vrijgegeven door het afstellen van een hogedrukklep. Nominale hogedruk gasvormige waterstofopslag is een veelgebruikte, eenvoudige en gemakkelijke waterstofopslagmethode. De laad- en ontlaadsnelheid is snel en kan worden uitgevoerd bij nominale temperatuur. De nadelen zijn echter dat er een zware, drukbestendige container voor nodig is, dat er een grote hoeveelheid waterstofcompressiewerk nodig is en dat er onveilige factoren zijn zoals het gemakkelijk lekken van waterstof en het ontploffen van de container.

Gasopslag stelt hoge eisen aan gastanks. Momenteel worden waterstofopslagtanks (350 bar en 700 bar) bestaande uit koolstofvezel type IV veel gebruikt in voertuigen. Om dergelijke hoge drukken te kunnen weerstaan, moet het tankmateriaal zeer sterk zijn, en het comprimeren van waterstof tot zulke hoge drukken vereist ingewikkeld compressiewerk en de kosten zijn zeer hoog.

Deze methode van opslag van gecomprimeerd gas wordt niet alleen gebruikt voor voertuigen die over de weg worden vervoerd, maar ook voor stationaire toepassingen in tankstations voor de distributie van waterstof en stationaire energieopwekking.

1.2 Opslag van vloeibare waterstof

Bij een bepaalde lage temperatuur zal waterstof in vloeibare vorm bestaan. Daarom kan een cryogene opslagtechnologie voor vloeibare waterstof worden gebruikt: cryogene opslag van vloeibare waterstof. Net als bij het vloeibaar maken van lucht, wordt de opslag van vloeibare waterstof bij lage temperatuur eerst gecomprimeerd waterstof, voordat het door de smoorklep gaat om af te koelen, Joule-Thomson isotherme enthalpie-expansie ondergaat om wat vloeistof te produceren. Nadat de vloeistof is gescheiden, wordt deze opgeslagen in een geïsoleerd vat met hoog vacuüm, en het gas vervolgt de bovenstaande cyclus.

Opslag van vloeibare waterstof heeft een hoge volumetrische energiedichtheid, de dichtheid van vloeibare waterstof bij normale temperatuur en druk is 845 maal die van gasvormige waterstof, en de volumetrische energiedichtheid is meerdere malen hoger dan die van gecomprimeerde opslag. Vergeleken met waterstofopslagcontainers van hetzelfde volume is de kwaliteit van de waterstofopslag sterk verbeterd. De opslagtechnologie voor vloeibare waterstof is bijzonder geschikt voor transportsituaties met beperkte opslagruimte, zoals raketmotoren voor space shuttles, automotoren en intercontinentale vluchttransportvoertuigen. Alleen al naar massa en volume bekeken is opslag van vloeibare waterstof een uitermate ideale manier om waterstof op te slaan. Omdat het vloeibaar maken van waterstof echter een grote hoeveelheid koelenergie vereist, vereist het vloeibaar maken van 1 kg waterstof 4 tot 10 kWh aan elektriciteit, wat de kosten van de opslag en het gebruik van waterstof verhoogt. Bovendien moeten opslagcontainers voor vloeibare waterstof speciale containers met ultralage temperaturen gebruiken. temperatuur. Omdat het vullen en isoleren van opslag van vloeibare waterstof gemakkelijk tot hogere verdampingsverliezen kan leiden, zijn de opslagkosten duurder en de veiligheidstechnologie ingewikkelder. Sterk geïsoleerde waterstofopslagcontainers vormen de focus van het huidige onderzoek.

1.3 Invriezen en comprimeren van opslag

Bevriezen en comprimeren van opslag maakt gebruik van de eigenschappen van vloeibare en gecomprimeerde gasvormige waterstofmethoden voor waterstofopslag. Deze technologie kan de verdampingssnelheid van waterstof verminderen en de hoge energiedichtheid volledig behouden. Compressietanks slaan waterstof doorgaans op bij een temperatuur van -253°C en een hoge druk van ongeveer 300 bar.