Les 3 opslaan van waterstof

• Techniek
• Middelbare school
• vmbo t
• Leerjaar 4

3. Opslaan van waterstof 

In deze les leer je:

1. Wat een energiedrager is

2. Hoe waterstof opgeslagen wordt

3. Meer over waterstof opslag(tanks)

4. Quiz

5. Welke methode geschikt is voor jouw maquette

3.1 Energiedrager

Energie moet ergens in worden opgeslagen

Groene stroom moet direct worden gebruikt of worden opgeslagen.

Deze energie kunnen we opslaan in grote elektrische batterijen (accu’s). Batterijen zijn niet geschikt voor het opslaan van grote hoeveelheden elektriciteit gedurende langere tijd. Een andere optie is omzetten met een elektrolyzer in waterstof. Zo is het later weer bruikbaar voor verschillende doeleinden en kan het voor langere tijd opgeslagen worden zonder dat je energie verliest.

We spreken dan over de term: waterstof als energiedrager.

Toepassingen:

Breed inzetbare brandstof

De industrie produceert nu al 800.000 ton aan waterstof per jaar! 800.000.000 kg!

Voorbeeld: Een waterstofbus gebruikt ongeveer 80 kg waterstof per dag.

800.000.000 kg ÷ (80 kg × 365 dagen) ≈ 27.000 bussen kunnen een jaar rijden

Of: 10 miljoen bussen kunnen één dag rijden.

Deze waterstof wordt gebruikt om zwavel uit ruwe olie te halen (benzine en diesel). Productie van kunstmest/chemische industrie (plastics).

Voorbeeld van opslag

Stel je wilt 2000 kW aan energie opslaan:           

• 3x zeecontainer vol batterijen

• 1m3 opslagtank vol waterstof

                                                                                                  

                                                            

De industrie produceert nu al 800.000 ton aan waterstof per jaar! 800.000.000 kg!

Voorbeeld: Een waterstofbus gebruikt ongeveer 80 kg waterstof per dag.

800.000.000 kg ÷ (80 kg × 365 dagen) ≈ 27.000 bussen kunnen een jaar rijden

Of: 10 miljoen bussen kunnen één dag rijden.

Deze waterstof wordt gebruikt om zwavel uit ruwe olie te halen (benzine en diesel). Productie van kunstmest/chemische industrie (plastics).

3.2 Opslag van waterstof

Waterstof is een gas en kan hoofdzakelijk op 

twee verschillende manier worden 

opgeslagen:

• Onder druk in een drukfles
• Drukloos gebonden aan een ander materiaal

Let op: Kookpunt -253°C!

1. Fysieke opslag (Physical-based)

Dit betekent dat je waterstof als gas of vloeistof bewaart, zonder het aan andere stoffen te binden.

Gecomprimeerd gas

→ Waterstof wordt onder hoge druk in een stevige tank opgeslagen. Denk aan een soort supersterke gasfles.

Afgekoeld of cryogeen gecomprimeerd

→ Waterstof wordt sterk afgekoeld (bijna -253°C!) en ook onder druk gezet. Zo past er meer in een tank.

Vloeibare waterstof (Liquid H₂)

→ Als je waterstof nog kouder maakt, wordt het vloeibaar. Zo neemt het nóg minder ruimte in.

⚗️ 2. Materiaal-gebaseerde opslag (Material-based)

Hier wordt waterstof opgeslagen in of met andere stoffen. Je kunt het dan later weer "losmaken".

Adsorptie (zoals MOF-5)

→ Waterstof blijft "plakken" aan een speciaal materiaal met veel kleine gaatjes.

Vloeibare organische stoffen (zoals BN-methylcyclopentane)

→ Waterstof wordt chemisch opgeslagen in een vloeistof en kan daaruit worden gehaald.

Interstitiële waterstofverbindingen (zoals LaNi₅H₆)

→ Waterstof wordt opgenomen tussen metaalatomen.

Complexe hydrides (zoals NaAlH₄)

→ Chemische verbindingen die waterstof stevig vasthouden.

Chemische waterstof (zoals NH₃BH₃)

→ Waterstof is deel van een chemische stof. Je moet energie gebruiken om het eruit te halen.

Stel je bent een uitvinder. Jij moet waterstof meenemen in een rugzak voor een avonturenrobot in de woestijn.

3.3 Gasvormig in Opslag(tanks)

700

of

350

bar

                                                                                                                                                            

Waterstof is zo klein en licht dat het overal tussendoor kan glippen. Daarom heb je tanks nodig die supersterk zijn en geen lekkage toestaan!

Qbuzz

Een waterstofopslagtank moet natuurlijk licht en supersterk zijn! Daarom keuze 3/4.

                                 Ondergrondse zoutcaverne

                                         2031 in gebruik...

Hystock waterstofopslag Zuidwending

https://youtu.be/_lcgdHYGSco

Met behulp van deze investeringen zal de komende jaren in Nederland een waterstofnetwerk ontstaan van zo’n 1.200 kilometer. Hiervan zal het grootste deel bestaan uit hergebruikte aardgasleidingen.

https://www.gasunie.nl/expertise/waterstof/waterstof-door-gasleiding-veilig-en-duurzaam

Vloeibare opslag

Vloeibare waterstof (LH₂)

Krachtige brandstof

 

vloeibaar (-253°C)                                           Cape Canaveral 

Raketbrandstof

Vloeibare waterstof (LH₂) is een van de krachtigste brandstoffen die er zijn.

Samen met vloeibare zuurstof verbrandt het in een raketmotor en geeft het enorme stuwkracht.

Dit mengsel wordt gebruikt voor het lanceren van grote raketten, zoals:

NASA's oude Space Shuttle

De nieuwe SLS-raket (voor de maanmissies – Artemis)

Soms ook bij Delta- en Atlas-raketten.

Opslag in vaste vorm

Waterstof kan zich ook hechten 

aan een metaal of poeder

Bijvoorbeeld: magnesium of 

natriumaluminiumhydride

Dit noemen we: metaal hydride opslag

Je kunt waterstof opslaan in een vaste stof, zoals een spons die het gas vasthoudt. Als je het warm maakt, komt het gas weer vrij en kun je het gebruiken.

Waterstof kan echter ook in een vaste vorm worden opgeslagen. De waterstofmoleculen kunnen zich splitsen waarna de atomen (zuivere protonen dus) worden geabsorbeerd door een metaal. Van magnesiumpoeder is bekend dat het goed waterstof kan absorberen en vasthouden. (Bron: https://www.eoswetenschap.eu/technologie/waterstof-kun-je-ook-opslaan-metaal)

Wat is een energiedrager?

1. Een stof die energie vervoert
2. Een type voedingsmiddel
3. Een bron van energie
4. Een soort milieuvervuiling

Bij welke temperatuur kookt waterstof?

1. 25 graden Celsius
2. -200 graden Celsius
3. -252,9 graden Celsius
4. -100 graden Celsius

Waarvoor wordt waterstof vaak gebruikt?

1. Brandstof voor voertuigen
2. Vervangen van plastic
3. Chemische productie
4. Voeding voor dieren

Welke methode wordt vaak gebruikt voor waterstofopslag?

1. Opslag in vloeibare stikstof
2. Compressie in hoge druk tanks
3. Fossiele brandstoffen
4. Chemische binding met uranium

Kan waterstof in bestaande aardgasleidingen?

1. Nee, dat is onmogelijk.
2. Nee, alleen in nieuwe leidingen.
3. Ja, maar met voorwaarden en upgrades.
4. Ja, zonder enige verandering.

Wat is een voordeel van waterstofopslag in vaste vorm?

1. Minder ruimte nodig dan vloeibare waterstof
2. Veiligere opslag dan gasvormige waterstof
3. Goedkoper dan elektrische batterijopslag
4. Snelheid van opslag is hoger

3.4 Maquette

• Welke methode van opslag is geschikt voor jou maquette?
• Noteer de verschillende vormen van opslag en zet de voor- en nadelen erbij
• Tip. Maak gebruik van kleuren om duidelijk te maken wat de vorm van waterstof is. 
• Bv. Blauw=koud=vloeibaar, rood=warm=gas 

Les 3

Lesdoel van deze les: aan het eind van de les kan de student aangeven wat de verschillende manier zijn van opslaan van waterstof. Daarbij kan de student analyseren wat de beste manier zou zijn voor hun maquette. 

Waterstof is een gas en kan hoofdzakelijk op twee verschillende manier worden opgeslagen:

• Onder druk in een drukfles
• Drukloos gebonden aan een ander materiaal

Beide worden deze les besproken.

Gasvorming opslag

Waterstof wordt opgeslagen als gas. We hanteren verschillende typen drukvaten:

1. Type 1: geheel van metaal (meestal staal)
2. Type 2: stalen vat omhult met glasvezel versterkte polymeer (GFRP)
3. Type 3: aluminium vat omhult met glasvezel versterkte polymeer (CFRP)
4. Type 4: Volledig van koolstofvezel versterkte polymeer

Gasvorming opslag

Gasvorming opslag

Voordelen:

• Relatief eenvoudig te implementeren
• Geschikt voor verschillende toepassingen

Nadelen:

• Hoge druk vereist (350 -700 bar)
• Energie intensief voor compressie (6 - 10% extra energie)

Vloeibare opslag

Kan alleen als het waterstof tot zeer lage temperaturen wordt afgekoeld. Dit proces heet condenseren. 

Voordelen:

• Hogere energiedichtheid dan gasvormige waterstof
• Geschikt voor transport over langere afstanden

Nadelen:

• Zeer lage temperaturen vereist (-235 graden Celsius)
• Hoge energiekosten voor vloeibaar maken (+/- 30% extra energie)

Metaalhydride opslag (SSHS)

Waterstof wordt chemisch gebonden aan de atomen van een metaal, meestal legeringen van magnesium, nikkel, ijzer en titanium. Tijdens de vorming van de hydride wordt warmte vrijgegeven, terwijl bij het vrijmaken van de waterstof warmte moet worden toegevoegd. 

Metaalhydride opslag (SSHS)

Metaalhydride opslag (SSHS)

Voordelen:

• Metaalhydride opslag werkt bij een relatief lage druk (10 - 30 bar), wat het veiliger maakt dan opslag onder hoge druk.
• Het vaste metaalhydride werkt als een spons die waterstof kan opnemen en afgeven, wat zorgt voor een stabiele opslag. 

Metaalhydride opslag (SSHS)

Nadelen:

• Metaalhydrides zijn zwaar vanwege het metaal, wat ze minder geschikt maakt waar gewicht een factor is. 
• Er is warmte nodig bij het ontladen van het waterstof, wat extra energie kan vereisen. 

Metaalhydride opslag (SSHS)

Toepassingen:

Metaalhydride opslag wordt vaak gebruikt in kleine hoeveelheden en specifieke toepassingen zoals draagbare waterstofopslageenheden en voertuigen. 

Andere SSHS

• MOF's: poreuze materialen die waterstof kunnen absorberen en opslaan (algemene benaming)
• Powerpaste
• Koolstof nanobuisjes
• Opslaan in chemische vloeistoffen als ammoniak en methanol

Andere SSHS

• MOF's: poreuze materialen die waterstof kunnen absorberen en opslaan (algemene benaming)
• Powerpaste
• Koolstof nanobuisjes
• Opslaan in chemische vloeistoffen als ammoniak en methanol

Wat zijn de belangrijkste voordelen van gasvormig waterstofopslag onder hoge druk?

Welke uitdagingen zijn er aan verbonden aan vloeibare waterstofopslag bij -235 graden Celsius?

Hoe werkt waterstofopslag in metaalhydrides en wat zijn de voor- en nadelen?

Wat zijn de voordelen van het gebruik van chemische verbindingen zoals ammoniak voor waterstofopslag?

Wat is een nadeel van gasvormige waterstofopslag onder hoge druk?

1. Lage energiedichtheid
2. Hoge compressie kosten
3. Langzame tanktijden
4. Lage veiligheid

Welke van de volgende materialen wordt gebruikt voor solid state waterstofopslag

1. Koolstofnanobuisjes
2. Zout
3. Water
4. Zand

Wat is een voordeel van vloeibare waterstofopslag?

1. Lage energiekosten
2. Geen verdampingsverliezen
3. Hogere energiedichtheid dan bij gasvormige opslag
4. Eenvoudige technologie

Welke technologie is nog in ontwikkeling voor waterstofopslag?

1. Gasvormige opslag onder hoge druk
2. Vloeibare opslag
3. Opslag in metaalhydrides
4. Adsorptie en absorptie in materialen zoals MOF's

Ga allereerst elkaars vragen nakijken en bespreek de open vragen. Welke antwoorden zijn fout en wat zou dan het goed antwoord zijn.

Ga vervolgens met je groepje nadenken over waar jullie de opslag van waterstof willen plaatsen en ik welke vorm dit moet plaatsvinden. Bedenk ook hoe het waterstof bij de gebruikers moet komen. 

Les doel gehaald?

Aan het eind van de les kan de student aangeven wat de verschillende manier zijn van opslaan van waterstof. Daarbij kan de student analyseren wat de beste manier zou zijn voor hun maquette. 

Waterstof maken we van water en.. elektriciteit. Is waterstof dan wel duurzaam?

1. Ja, omdat bij het gebruik van waterstof alleen waterdamp vrijkomt.
2. Soms, het hangt er vanaf hoe we de elektriciteit die we hiervoor gebruiken opwekken.
3. Nee, als we dit doen kan het zijn dat al het water op raakt.
4. Nee, want ook bij waterstof worden er gassen uitgestoten.

Welke uitspraak is juist
1. Waterstof is als brandstof altijd milieuvriendelijk
2. Bij de verbranding van waterstof is er geen uitstoot van koolstofdioxide.

1. beide zijn juist
2. alleen 1 is juist
3. beide zijn onjuist
4. alleen 2 is juist

Wat zijn enkele problemen met waterstof?

1. Het is niet hernieuwbaar
2. Het is moeilijk om op te slaan en te transporteren
3. Het is schadelijk voor het milieu
4. Het veroorzaakt brandgevaar

Hoe moeten we waterstof bewaren zodat het veilig is?

1. In de open lucht
2. In een afgesloten ruimte met voldoende ventilatie
3. Onder hoge druk
4. In metalen containers