Waterstof heeft verschillende opmerkelijke eigenschappen. Het slaat in vloeibare vorm enorme hoeveelheden energie op, heeft een kookpunt van -252,9 °C en verschilt qua energiedichtheid aanzienlijk van de meeste andere brandstoffen en energiedragers.
In deze blog bespreken we de energiedichtheid van gasvormige en vloeibare waterstof. Wat maakt de energiedichtheid van waterstof zo uniek? En wat betekent dit voor de toepassing van waterstof in de praktijk? Aan de hand van diverse praktijkvoorbeelden worden deze vragen uitvoerig beantwoord.
De energiedichtheid van waterstof
Zoals eerder uitgelegd in onze blog over vloeibare waterstof, is waterstof het lichtste gas in het heelal. Waterstofgas weegt bijna niets, maar heeft een extreem hoge gravimetrische energiedichtheid (MJ/kg). Eén kilogram waterstof bevat een enorme hoeveelheid energie, waardoor het een efficiënte en lichte energiedrager is. Op zijn beurt is de volumetrische energiedichtheid (MJ/m³) van waterstof bijzonder laag. Per volume is de energie-inhoud van waterstof zelfs een stuk lager dan die van de meeste andere brandstoffen en energiedragers.
| Energiedichtheid: | MJ/kg | MJ/L |
|---|---|---|
| Europees gasmengsel (1 bara en 20 °C) | 32-35 | 0,038-0,042 |
| Gasvormige waterstof (1 bar en 20 °C) | 142 | 0,010-0,011 |
| LPG (1 bar en 20 °C) | 49 | 27 |
| LNG (1 bar en 110 K) | 53 | 22 |
| Benzine (1 bara en 20 °C) | 46 | 34 |
| Diesel (1 bar en 20 °C) | 46 | 38 |
| Kerosine (1 bar en 20 °C) | 43-50 | 35 |
| Ammoniak | 16.9 | 11.5 |
| Steen- en bruinkool (1 bara en 20 °C) | 23 | 34-43 |
| Energiedichtheid: | MJ/kg | MJ/L |
|---|---|---|
| Europees gasmengsel (1 bara en 20 °C) | 32-35 | 0,038-0,042 |
| Gasvormige waterstof (1 bar en 20 °C) | 142 | 0,010-0,011 |
| LPG (1 bar en 20 °C) | 49 | 27 |
| LNG (1 bar en 110 K) | 53 | 22 |
| Benzine (1 bara en 20 °C) | 46 | 34 |
| Diesel (1 bar en 20 °C) | 46 | 38 |
| Kerosine (1 bar en 20 °C) | 43-50 | 35 |
| Ammoniak | 16.9 | 11.5 |
| Steen- en bruinkool (1 bara en 20 °C) | 23 | 34-43 |
Bijgevolg vergt de opslag of het gebruik van waterstof bij atmosferische druk en temperatuur een aanzienlijke hoeveelheid ruimte.
Gelukkig is daar een oplossing voor. Door waterstof samen te persen of vloeibaar te maken, kan de lage volumetrische energiedichtheid worden verhoogd. Dit maakt de opslag, het vervoer en de toepassing van waterstof aanzienlijk gemakkelijker.
| Energiedichtheid: | MJ/kg | MJ/m³ |
|---|---|---|
| Gasvormige waterstof (700 bara en 20 °C) | 142 | 4.500-5.300 |
| Vloeibare waterstof (1 bar en 20 K) | 142 | 8.500 |
| Energiedichtheid: | MJ/kg | MJ/m³ |
|---|---|---|
| Gasvormige waterstof (700 bara en 20 °C) | 142 | 4.500-5.300 |
| Vloeibare waterstof (1 bar en 20 K) | 142 | 8.500 |
De volumetrische massadichtheid van waterstof in de praktijk
Wat betekent de volumetrische massadichtheid van waterstof in de praktijk? De onderstaande cijfers en voorbeelden illustreren duidelijk de implicaties:
- De volumetrische massadichtheid van gasvormig waterstof bij atmosferische druk en 20°C is 0,083 kg/m³. Onder normale omstandigheden is dan ook veel ruimte nodig om gasvormige waterstof op te slaan. Daarom wordt waterstof vrijwel niet opgeslagen of vervoerd in gasvormige vorm bij atmosferische druk, omdat het eenvoudigweg niet efficiënt is.
- Bij een druk van 350 barg en 20°C is de volumetrische massadichtheid van gasvormig waterstof 23,715 kg/m³. Deze verhoogde druk maakt het mogelijk aanzienlijk meer gasvormige waterstof op te slaan in dezelfde ruimte. De druk van 350 bar wordt gebruikt in de tanks van vrachtwagens met gasvormige waterstof, bijvoorbeeld die van Hyzon. Een geladen vrachtwagen van 55 ton heeft ongeveer 50-70 kg waterstof nodig om 500 tot 600 km af te leggen.
- Bij een druk van 700 barg en 20°C is de volumetrische massadichtheid van gasvormig waterstof 39,75 kg/m³. Deze relatief hoge druk wordt onder andere gebruikt voor gasvormige personenauto’s op waterstof (zoals de Hyundai NEXO, zoals beschreven in onze recente blog‘Waar wordt waterstof voor gebruikt?‘). Met een tank van 125 liter met 5 kg waterstof kan een auto ongeveer ±600 km rijden.
- In vloeibare vorm en bij een temperatuur van -252,9 °C heeft waterstof een volumetrische massadichtheid van 70,9 kg/m³. Vloeibare waterstof wordt ook gebruikt als energiedrager voor duurzame vrachtwagens en vliegtuigen, die momenteel in ontwikkeling zijn.
Om ongeveer 1000 km te rijden, heeft een vrachtwagen ongeveer 80 kg vloeibare waterstof nodig. Dit geldt bijvoorbeeld voor de door vloeibare waterstof aangedreven Daimler GenH2, die we in de eerder genoemde blog uitvoerig hebben behandeld.
Vloeibare waterstof biedt ook uitstekende mogelijkheden voor vliegtuigen. Omdat de energie in vloeibare waterstof zo hoog is en waterstof als brandstof veel lichter is dan kerosine. Dit is een groot voordeel voor vliegtuigen.
Het volume van vloeibare waterstof is echter veel groter dan het volume van kerosine. Om dezelfde hoeveelheid totale energie aan boord te hebben, heb je vier keer zoveel volume vloeibare waterstof nodig als kerosine.
Gelukkig zijn er manieren om efficiënt met brandstof om te gaan. Brandstofcellen zijn bijvoorbeeld efficiënter dan brandstofmotoren, en supergeleiding maakt ze nog zuiniger. Door deze technieken toe te passen, is het niet altijd nodig een enorme hoeveelheid waterstof aan boord te nemen.
Speciale infrastructuren
De unieke eigenschappen inzake energiedichtheid maken de toepassing van waterstof anders dan die van de andere brandstoffen en energiedragers en vereisen geheel andere infrastructuren.
Opslag en vervoer van waterstof onder atmosferische omstandigheden is zeer inefficiënt, dus wordt de stof bijna altijd vloeibaar gemaakt of onder hoge druk gezet. Dit brengt moleculen dichter bij elkaar, waardoor de energie per volume toeneemt en het gas extra interessant wordt voor opslag, vervoer en toepassing.
Zoals uiteengezet in onze eerdere blog over waterstofpijpleidingen, is een optimaal geïsoleerde infrastructuur van essentieel belang voor vloeibare waterstof. Infrastructuren voor vloeibare waterstof zijn vaak uitgerust met vacuümisolatie om energieverliezen te voorkomen en de nodige veiligheid te bieden.
Vacuümgeïsoleerde verbindingsleidingen bestaan uit een binnenbuis en een buitenbuis, met daartussen een hoogvacuümomgeving. De vacuüm behuizing zorgt voor een extreem hoge isolatiewaarde, terwijl de twee buizen samen voor een dubbele omhulling zorgen die de pijp extra veilig maakt.
Demaco loopt al tientallen jaren voorop bij de ontwikkeling van de beste infrastructuren voor vloeibare waterstof. We experimenteren met prototypes, werken aan baanbrekende projecten en demonstreren proof of concept voor geavanceerde projecten en producten. Onze vacuümgeïsoleerde waterstofinfrastructuren gaan al tientallen jaren mee in diverse projecten en bewijzen dat vacuümtechnologie de methode bij uitstek is om veilig met vloeibare waterstof om te gaan.
Meer weten?
Voor meer informatie over ons werk, bekijk onze producten en diensten. En kijk voor meer informatie over vloeibare waterstof en de waterstofeconomie op onze pagina over vloeibare waterstof.