Als Global Head of Marketing and Communications bij Triton Hydrogen ben ik gefascineerd geraakt door het onderzoeken van de complexe uitdagingen waar de waterstofenergiesector mee te maken heeft, vooral de uitdagingen waarmee ingenieurs en bedrijven die waterstof als schone energiebron willen gebruiken, worden geconfronteerd.
Ondanks de belofte van schone energie belemmeren tal van obstakels, van materiaalproblemen zoals verbrossing en permeatie tot bredere zorgen over kosten, schaalbaarheid en veiligheid, het volledige potentieel van waterstof. Dit artikel belicht deze uitdagingen en benadrukt de cruciale rol van de materiaalwetenschap bij het bevorderen van de waterstofeconomie. Door deze hindernissen aan te pakken, onderstrepen we het belang van innovatie en samenwerking bij het overwinnen van de barrières voor een duurzame waterstofinfrastructuur. Lees verder om de fundamentele problemen en de weg voorwaarts in de waterstofsector te begrijpen.
Hier zijn enkele van de belangrijkste problemen met waterstof:
Waterstofbrosheid (HE)
Waterstofatomen kunnen diffunderen in metalen, hun atoombindingen verzwakken en broosheid, scheuren en breuk veroorzaken. Dit is een groot probleem voor pijpleidingen, opslagtanks en andere onderdelen die worden blootgesteld aan waterstofgas. Ingenieurs moeten materialen ontwikkelen die bestand zijn tegen verbrossing of manieren vinden om de effecten ervan te beperken.
Permeatie
Vanwege de kleine afmetingen kunnen waterstofmoleculen gemakkelijk door veel materialen dringen, wat lekkage en veiligheidsrisico's veroorzaakt. Het ontwerpen van barrières die de doorgang van waterstof effectief blokkeren met behoud van andere gewenste eigenschappen, zoals sterkte en vervormbaarheid, is een grote uitdaging.
Prestaties bij hoge temperaturen
Voor sommige toepassingen, zoals brandstofcellen en turbines, moeten materialen betrouwbaar presteren bij hoge temperaturen en drukken terwijl ze worden blootgesteld aan waterstof. Traditionele materialen degraderen vaak onder deze omstandigheden, waardoor ingenieurs nieuwe legeringen of composieten moeten ontwikkelen met een superieure stabiliteit bij hoge temperaturen.
Kosten en schaalbaarheid
Een wijdverbreid gebruik van waterstof hangt vaak af van kosteneffectieve materialen. Op dit moment zijn veel veelbelovende materialen duur of moeilijk in grote hoeveelheden te produceren. Het is van cruciaal belang om alternatieven te vinden die betaalbaar en schaalbaar zijn voor massaproductie.
Complexe interacties in verschillende toepassingen
Waterstof kan op onverwachte manieren interageren met andere materialen, wat kan leiden tot corrosie, verbrossing of andere problemen. Inzicht in deze interacties en het voorspellen van hun invloed op de prestaties van materialen is essentieel voor het kiezen van de juiste materialen voor specifieke toepassingen.
Gebrek aan gestandaardiseerde maatregelen en materialen
De waterstofsector is nog in ontwikkeling en er is meer standaardisering van materialen en testmethoden nodig. Dit maakt het een uitdaging om verschillende materialen te vergelijken en de beste te kiezen voor een bepaalde toepassing. Het ontwikkelen van normen en het harmoniseren van testprocedures is essentieel voor de vooruitgang van de sector.
Veiligheidsoverwegingen
Zoals bij elke energiebron is veiligheid van het grootste belang bij de omgang met waterstof. Ingenieurs in materiaalwetenschappen moeten materialen ontwikkelen die niet alleen goed presteren maar ook inherent veilig zijn, zodat het risico op lekken, explosies en andere ongelukken geminimaliseerd wordt.
Levenscyclusanalyse
Om te zorgen voor een echt duurzame waterstofeconomie moet de hele levenscyclus van materialen worden bekeken, van productie en gebruik tot verwijdering aan het einde van de levensduur. We moeten processen en materialen ontwikkelen die gedurende hun hele levenscyclus een minimale impact hebben op het milieu.
Materiaalcompatibiliteit voor verschillende opslagmethoden
Elke waterstofopslagmethode brengt specifieke materiaaluitdagingen met zich mee:
- Samengeperste waterstof: Het blijft een uitdaging om lichtgewicht hogedruktanks te vinden die bestand zijn tegen HE en waterstofpermeatie. Composietmaterialen zijn veelbelovend, maar moeten nog verder worden ontwikkeld.
- Vloeibare waterstof: Cryogene temperaturen (-253°C) vormen een uitdaging voor de materiaalselectie. Roestvrij staal wordt vaak gebruikt, maar het is van vitaal belang om het langetermijngedrag ervan te begrijpen en alternatieven met betere thermische eigenschappen te ontwikkelen.
- Solid-state hydriden: Hoewel ze een hoge opslagcapaciteit bieden, hebben sommige hydriden te lijden onder trage waterstofabsorptie-/desorptiekinetiek en potentiële degradatie tijdens cycli. Het vinden van materialen met optimale omkeerbaarheid en stabiliteit is essentieel.
Kosten en schaalbaarheid
Het ontwikkelen en implementeren van nieuwe opslag- en pijplijnmaterialen moet economisch haalbaar zijn. Het opschalen van de productie van veelbelovende kandidaten met behoud van de betaalbaarheid is cruciaal voor brede toepassing.
Lekvrije afdichtingen en coatings
Het minimaliseren van waterstoflekkage tijdens opslag en transport is van het grootste belang voor de veiligheid en efficiëntie. Het ontwikkelen van betrouwbare, duurzame afdichtingen en coatings met minimale permeatie is een grote uitdaging voor de industrie.
Compatibiliteit van infrastructuur
De overgang van bestaande aardgasinfrastructuur naar waterstof brengt uitdagingen met zich mee op het gebied van materiaalaanpassing. Voor het upgraden of vervangen van pijpleidingen en opslagfaciliteiten zijn materialen nodig die compatibel zijn met beide brandstoffen.
Samenvattend
Het is belangrijk op te merken dat deze uitdagingen met elkaar verbonden zijn. Vooruitgang op één gebied heeft vaak gevolgen voor andere gebieden. Het oplossen van HE in pijpleidingen kan bijvoorbeeld te maken hebben met materialen die ongeschikt zijn voor opslagmethoden. Daarom is een holistische aanpak nodig die de hele waterstofwaardeketen in ogenschouw neemt.
Materiaalwetenschappelijk onderzoek op deze gebieden is actief aan de gang, met veelbelovende ontwikkelingen zoals geavanceerde legeringen, composietmaterialen en innovatieve coatings, zoals Tritonex en Tritonoren biedt hoop om deze hindernissen te overwinnen. Het aanpakken van deze uitdagingen zal de weg vrijmaken voor een veilige, efficiënte en schaalbare waterstofinfrastructuur, die essentieel is om het potentieel ervan als schone energiedrager te realiseren.
