Waterstof heeft meerdere bijzondere eigenschappen. De stof slaat enorme hoeveelheden energie op, heeft een kookpunt van maar liefst -252,9 °C en verschilt aanzienlijk van de meeste andere brandstoffen en energiedragers op het gebied van energiedichtheid.
In deze blog kijken we naar de energiedichtheid van gasvormige- en vloeibare waterstof. Wat maakt de energiedichtheid van waterstof zo speciaal? En wat betekent dit voor de toepassing van waterstof in de praktijk? Aan de hand van diverse praktische voorbeelden geven we uitgebreid antwoord op deze vragen.
De energiedichtheid van waterstof
Zoals eerder beschreven in onze blog over vloeibare waterstof, is waterstof het lichtste gas in het universum. Het gas weegt bijna niets, maar heeft een extreem hoge gravimetrische energiedichtheid. Een kilogram aan waterstof bevat veel energie, wat de stof een efficiënte en lichte energiedrager maakt.
De volumetrische energiedichtheid van waterstof is dan weer bijzonder laag. Per volume, is de energie van waterstof zelfs een stuk lager dan die van de meeste andere brandstoffen en energiedragers. Om waterstof bij atmosferische druk en temperatuur op te slaan of te gebruiken, is dan ook veel ruimte nodig.
Gelukkig bestaat hier een oplossing voor. Door waterstof te comprimeren of vloeibaar te maken, is het mogelijk om de lage volumetrische energiedichtheid wat omhoog te brengen. Dit maakt de opslag, het vervoer en de toepassing van waterstof aanzienlijk makkelijker.
De volumetrische energiedichtheid van waterstof in de praktijk
Wat betekent de volumetrische energiedichtheid van waterstof in de praktijk? De onderstaande cijfers en voorbeelden geven de gevolgen hiervan duidelijk weer:
- De volumetrische energiedichtheid van gasvormige waterstof bij atmosferische druk is 0,09 kg/m³. In normale omstandigheden is dus veel ruimte nodig om gasvormige waterstof op te slaan. Onder atmosferische druk wordt waterstof dan ook vrijwel niet in gasvorm opgeslagen of vervoerd, omdat dit simpelweg niet efficiënt is.
- Bij een druk van 350 bar is de volumetrische energiedichtheid van gasvormige waterstof 26,1 kg/m³. Door deze verhoogde druk is het mogelijk om aanzienlijk meer gasvormige waterstof op te slaan in dezelfde ruimte. De druk van 350 bar wordt onder meer gebruikt in de tanks van vrachtwagens op gasvormige waterstof, zoals die van Hyzon. Een vrachtwagen van 55 ton met lading heeft zo’n 50-70 kg waterstof nodig om 500 tot 600 km te kunnen rijden.
- Bij een druk van 700 bar is de volumetrische energiedichtheid van gasvormige waterstof 42 kg/m³. Deze relatief hoge druk wordt bijvoorbeeld gebruikt voor personenauto’s op gasvormige waterstof (zoals de Hyundai NEXO uit onze recente blog ‘Waar wordt waterstof voor gebruikt?’). Met een tank van 125 liter waar 5 kg waterstof in zit, kan een auto zo’n 600 km rijden.
- In vloeibare vorm, bij een temperatuur van -252,9 °C, heeft waterstof een volumetrische energiedichtheid van 71 kg/m³. Vloeibare waterstof wordt onder meer gebruikt voor duurzame vrachtwagens en vliegtuigen, die momenteel nog volop in ontwikkeling zijn.
Om zo’n 1000 km te kunnen rijden, heeft een vrachtwagen ongeveer 80 kg vloeibare waterstof nodig. Dit geldt voor bijvoorbeeld de op vloeibare waterstof rijdende Daimler GenH2, die we ook uitgebreid beschreven in de hierboven genoemde blog.
Ook voor vliegtuigen biedt vloeibare waterstof perspectief. Omdat de energie in vloeibare waterstof zo hoog ligt, is waterstof als brandstof een stuk lichter dan kerosine. Dit is een groot voordeel voor vliegtuigen.
Het volume van vloeibare waterstof is echter wel een stuk groter dan dat van kerosine. Om dezelfde hoeveelheid totale energie aan boord mee te nemen, heb je vier keer zoveel volume vloeibare waterstof nodig dan kerosine.
Gelukkig bestaan er manieren om efficiënt met brandstof om te gaan. Zo zijn brandstofcellen efficiënter dan brandstofmotoren, en door gebruik te maken van supergeleiding in de motoren wordt het gebruik hiervan nog zuiniger. Door deze technieken toe te passen is het dan ook niet altijd nodig om een enorm volume aan waterstof mee te nemen.
Speciale infrastructuren
De onderstaande tabel laat de energiedichtheid van waterstof zien in vergelijking met enkele andere (vloeibare) gassen, zoals biodiesel, diesel en LNG. Het verschil is hier overduidelijk: de gravimetrische- en volumetrische energiedichtheid van waterstof zijn bijna niet te vergelijken met die van de meeste andere gassen.
De unieke eigenschappen met betrekking tot energiedichtheid zorgen niet alleen dat de toepassing van waterstof anders is dan die van de andere brandstoffen en energiedragers, maar ook dat compleet andere infrastructuren nodig zijn.
Het opslaan en vervoeren van waterstof onder atmosferische omstandigheden is extreem inefficiënt, waardoor de stof vrijwel altijd vloeibaar wordt gemaakt of onder hoge druk wordt gezet. Zo komen moleculen dichter bij elkaar te staan, waardoor de energie per volume omhoog gaat en de stof extra interessant wordt voor opslag, transport en toepassing.
Zoals in onze eerdere blog over waterstof pijpleidingen uitgebreid wordt beschreven, zijn voor vloeibare waterstof optimaal geïsoleerde infrastructuren essentieel. Om energieverlies te voorkomen en de benodigde veiligheid te bieden, worden infrastructuren voor vloeibare waterstof vaak voorzien van vacuüm isolatie.
Vacuüm geïsoleerde transferleidingen bestaan uit een binnenbuis en een buitenbuis, met daartussen een hoogvacuüm-omgeving. Deze omgeving zorgt voor een extreem hoge isolatiewaarde, terwijl de twee buizen samen een double-containment bieden die de leiding extra veilig maakt.
Demaco staat al tientallen jaren vooraan bij de ontwikkeling van de beste infrastructuren voor vloeibare waterstof. We experimenteren met prototypen, werken aan pioniersprojecten en bewijzen proof of concept voor geavanceerde projecten en producten. Onze vacuüm geïsoleerde infrastructuren voor waterstof gaan binnen diverse projecten al tientallen jaren mee en tonen aan dat vacuümtechnologie dé methode is voor het veilig beheren van vloeibare waterstof.
Meer weten?
Voor meer informatie over ons werk, bekijk onze producten en diensten. En voor meer informatie over vloeibare waterstof kunt u terecht op onze pagina over vloeibare waterstof.