Sandia National Laboratories hielp bij het ontwerpen van de eerste generatie tankstations voor auto's op waterstof, zodat ze net zo veilig zijn als conventionele benzinestations. Nutsvoorzieningen, Sandia werkt eraan om hetzelfde te doen voor de volgende generatie waterstofstations.

Om de groeiende vraag naar waterstofbrandstof bij te houden, retailers moeten veel meer tankstations bouwen. Deze expansie vereist een omschakeling van gasvormig naar vloeibaar waterstof omdat vloeibaar, dichter zijn dan gas, stelt retailers in staat er meer van op te slaan in dezelfde hoeveelheid ruimte.

Dankzij een nieuwe coöperatieve onderzoeks- en ontwikkelingsovereenkomst met Sandia kan de grootste waterstofretailer in de VS tot nu toe, eerste element brandstof, bouw nog veel meer van deze hypermoderne stations voor vloeibare waterstof. Het zal ook helpen bij het moderniseren van de veiligheidscodes van de National Fire Protection Association met betrekking tot veiligheidsafstanden voor vloeibare waterstof, die in decennia niet zijn bijgewerkt. De bijgewerkte codes zullen op hun beurt gunstig zijn voor waterstofretailers en brandweerlieden bij het ontwerpen en toestaan ​​van nieuwe, veiliger stations.

Met behulp van de eerste in zijn soort door Sandia ontworpen software, het Sandia-onderzoeksteam kwantificeert het effect van waterstoflekken van verschillende systeemontwerpen, en de veiligheidsmaatregelen die worden gebruikt om de gevolgen van lekken op te sporen en te beschermen.

"We kunnen deze 'wat als'-vragen stellen, zoals 'hoe kan hier een lek ontstaan?' en 'hoe kunnen we de effecten mitigeren?' zodat de lekken minder kans hebben op problemen, ", legt projectleider Chris LaFleur uit. "Op deze manier we kunnen het tanken van brandstofcelvoertuigen met waterstof mogelijk maken op plaatsen waar het nooit eerder kon komen, zoals de drukke binnenstad van grote, dichtbevolkte steden."

Groeiende vraag naar vloeibare waterstof

Auto's op waterstof vullen even snel bij als auto's op benzine en rijden net zo ver. In aanvulling, de enige uitstoot van hun uitlaatpijpen is puur water - een factor in hun groeiende populariteit. Een van de grootste obstakels voor de groei van transport op waterstof is het bouwen van voldoende tankstations.

"We hebben meer stations nodig en grotere, sneller, betere apparatuur omdat we meer klanten en meer vraag hebben dan we ooit hadden durven dromen, " zei Tim Bruin, COO van First Element Fuel, het grootste waterstofbedrijf in de Verenigde Staten. First Element exploiteert momenteel 19 stations in Californië, elk met slechts één pomp en één slang. Stations die door andere retailers worden geëxploiteerd, zijn eveneens beperkt.

Ook al zijn het er maar 5, 000 waterstof-brandstofcelauto's op de weg vandaag in de VS - Toyota Motor Corp., Honda Motor Company Ltd. en Hyundai Motor Company verkopen ze allemaal - de brandstofvoorraad is niet genoeg om te voorkomen dat rijen chauffeurs zich ophopen op de stations, zei Bruin.

Ooit Mercedes-Benz, General Motors en anderen brengen hun brandstofcelmodellen op de markt, brandstofbehoefte zal alleen maar toenemen. First Element is van plan om in 2019 een tiental nieuwe waterstoftankstations in Californië te openen om aan deze vraag te voldoen.

Momenteel, de Amerikaanse detailhandelsmarkt voor waterstof bevindt zich voornamelijk in Californië vanwege overheidsbeleid dat autofabrikanten stimuleert om in de staat te verkopen - met het grootste deel van de stations in de Baai van San Francisco, Los Angeles, en San Diego-gebieden. Andere staten plannen de komende jaren ook commerciële stations voor zowel personenauto's als zware voertuigen zoals bussen en vrachtwagens.

Cryogene uitdaging

De 'wat als'-veiligheidsvragen zijn de vragen die het team eerder heeft beantwoord met betrekking tot modellen van gasvormige waterstoflekken. Echter, vloeibare waterstof heeft zijn eigen unieke voordelen en uitdagingen.

Aan de ene kant, vloeibare waterstof kan worden opgeslagen bij aanzienlijk lagere druk dan gas, wat de kans op lekkage verkleint. Echter, vloeibare waterstof is ook cryogeen, wat betekent dat het erg koud moet worden gehouden (ongeveer negatief 423 graden F).

"Als het wordt losgelaten, vloeibare waterstof kan de lucht eromheen zelfs bevriezen, "Zei Sandia-risicoanalist Brian Ehrhart. "Dit vormt een uitdaging voor het berekenen van de waterstofconcentratie in de lucht."

De hoeveelheid waterstof en zuurstof in de gas- of vloeibare toestand is onderling afhankelijk, aangezien hoe meer men vloeibaar wordt, hoe meer men verwarmt en vice versa. Het team gaat deze uitdaging aan door uit te gaan van een eerste "zone" van waterstof/lucht-menging die het mengsel opwarmt tot een punt waarop Sandia's gasdispersiemodellen het gedrag kunnen voorspellen.

Door deze vereenvoudiging kan het team voorspellen hoe ver weg van het lek de ontvlambare concentratie zich bevindt, in plaats van zich te concentreren op het mengsel direct naast de release en duurdere vloeistofdynamica-modellen te gebruiken.

Voordelen in overvloed voor wetenschappers, detailhandelaren en consumenten

Een resultaat van dit modelleringsproces is dat First Element Fuel rigoureuze, wetenschappelijk bewijs om hen te helpen vergunningen te verkrijgen voor de 12 stations die ze van plan zijn te bouwen.

"Sandia is de gouden standaard voor zover de wetenschap gaat, ’ zei Bruin, "Als Sandia's resultaten x laten zien, y en z, dan geloof ik dat ze x zijn, y en z. Er is geen tweede gissen. Ik weet dat het klopt, de brandweerman weet dat het goed is, en dat doet iedereen. Sandia brengt de professionaliteit, strengheid en nauwkeurigheid, ik denk niet dat ik ergens anders kan komen."

Sandia profiteert ook van het project, omdat het het team in staat stelt hun modellen te demonstreren op real-life systeemontwerpen. Verder, Sandia werkt rechtstreeks samen met de National Fire Protection Association, en de gegevens van dit project zullen worden gebruikt om hun veiligheidscodes voor vloeibare waterstof te informeren en bij te werken.

Met de nieuwe codes kunnen toekomstige tankstations worden beoordeeld op basis van een prestatiegebaseerde norm, in plaats van een prescriptieve. LaFleur deelde een kookanalogie om het verschil tussen de twee soorten codes uit te leggen. "Een prescriptieve code is als een recept dat strikt om 3 kopjes bloem vraagt, 2 ons chocolade, en 3 eieren om een ​​cake te maken. Een op prestaties gebaseerde norm zegt:'maak een chocoladetaart van 30 cm hoog die goed smaakt, ' en jij bepaalt hoe je dat doet, " ze zei.

De bijgewerkte, op prestaties gebaseerde codes zullen het voor detailhandelaren in elk deel van het land ook gemakkelijker maken om veilige stations te bouwen, zelfs als ze niet aan bepaalde precieze codevereisten kunnen voldoen. Dat zal op zijn beurt de groei binnen de waterstofvoertuigindustrie stimuleren.

Sandia's modelleringswerk ondersteunt ook het H2@Scale-initiatief van het Amerikaanse ministerie van Energie, dat zich richt op grootschalige productie van waterstof uit diverse binnenlandse bronnen. Het project houdt ook rekening met het gebruik van waterstof in meerdere sectoren, zoals de staalproductie, productie van kunstmest, aardolieraffinage en transport.

"Onze missie is altijd geweest om de adoptie van deze auto's te bevorderen, zorgen voor een betere luchtkwaliteit en energiezekerheid, Brown zei. "Dat is het deel van het project dat zal voortleven buiten de specifieke stations die we nu aan het bouwen zijn."