Sandia National Laboratories hjälpte till att designa den första generationens tankstationer för vätgasdrivna bilar så att de är lika säkra som konventionella bensinstationer. Nu, Sandia arbetar för att göra samma sak för nästa generations vätgasstationer.

För att hålla jämna steg med den växande efterfrågan på vätgas, återförsäljare måste bygga många fler bensinstationer. Denna expansion kräver byte från gasformigt till flytande väte eftersom flytande, är tätare än gas, gör det möjligt för återförsäljare att lagra mer av det på samma utrymme.

Ett nytt samarbetsavtal för forskning och utveckling med Sandia kommer att tillåta den största väteåterförsäljaren i USA hittills, First Element Fuel, bygga många fler av dessa banbrytande stationer för flytande väte. Det kommer också att hjälpa till att modernisera National Fire Protection Associations säkerhetskoder för säkerhetsavstånd för flytande väte, som inte har uppdaterats på decennier. De uppdaterade koderna kommer i sin tur att gynna vätgasåterförsäljare och brandvakter när de designar och tillåter nya, säkrare stationer.

Använder först i sitt slag Sandia-designad programvara, Sandias forskargrupp kvantifierar effekten av vätgasläckor från olika systemdesigner, och de säkerhetsåtgärder som används för att upptäcka och skydda mot effekterna av läckor.

"Vi kan ställa dessa "tänk om"-frågor, som "hur kunde en läcka hända här?" och "hur kan vi mildra effekterna?" så att läckorna har mindre chans att orsaka problem, " förklarade projektledaren Chris LaFleur. "På detta sätt, vi kan möjliggöra vätgastankning av bränslecellsfordon på platser där det aldrig har kunnat åka förut, som de livliga stadskärnorna i stora, tättpackade städer."

Ökande efterfrågan på flytande väte

Bilar som drivs med vätgas fylls på lika snabbt som de som drivs med bensin och kör lika långt. Dessutom, det enda utsläppet från deras avgasrör är rent vatten – en faktor i deras växande popularitet. Ett av de största hindren för tillväxten av vätgasdrivna transporter är att bygga tillräckligt med bensinstationer.

"Vi behöver fler stationer och större, snabbare, bättre utrustning eftersom vi har fler kunder och mer efterfrågan än vi någonsin hade drömt om, sa Tim Brown, COO för First Element Fuel – USA:s största detaljhandelsföretag för vätgas. First Element driver för närvarande 19 stationer i Kalifornien, var och en med endast en pump och en slang. Stationer som drivs av andra återförsäljare är på liknande sätt begränsade.

Även om det bara finns cirka 5, 000 vätebränslecellsbilar på vägen idag i USA - Toyota Motor Corp., Honda Motor Company Ltd. och Hyundai Motor Company säljer dem alla – bränsletillförseln räcker inte för att hindra köer av förare från att samlas vid stationerna, sa Brown.

En gång Mercedes-Benz, General Motors och andra tar ut sina bränslecellsmodeller på marknaden, bränslebehovet kommer bara att öka. First Element planerar att öppna ett dussin nya vätgasstationer i Kalifornien under 2019 för att möta denna efterfrågan.

För närvarande, USA:s detaljhandelsmarknad för vätgas är huvudsakligen i Kalifornien på grund av regeringens politik som uppmuntrar biltillverkare att sälja i delstaten – med huvuddelen av stationerna i San Francisco Bay, Los Angeles, och San Diego områden. Andra stater planerar också kommersiella stationer under de närmaste åren för både personbilar och tunga fordon som bussar och lastbilar.

Kryogen utmaning

Säkerhetsfrågorna "vad händer om" är sådana som teamet tidigare har besvarat när det gäller modeller av gasformiga vätgasläckor. Dock, flytande väte har sin egen uppsättning unika fördelar och utmaningar.

Å ena sidan, flytande väte kan lagras vid betydligt lägre tryck än gas, vilket minskar risken för läckage. Dock, flytande väte är också kryogent, vilket betyder att det måste hållas väldigt kallt (ungefär negativa 423 grader F).

"När den släpptes, flytande väte kan faktiskt frysa luften runt den, ", sade Sandias riskanalytiker Brian Ehrhart. "Detta utgör en utmaning för att beräkna koncentrationen av väte i luften."

Mängden väte och syre i antingen gas- eller flytande tillstånd är beroende av varandra, eftersom ju mer man gör flytande, ju mer man värmer och vice versa. Teamet förhandlar denna utmaning genom att anta en initial "zon" av väte/luftblandning som värmer blandningen till en punkt där Sandias gasspridningsmodeller kan förutsäga beteende.

Denna förenkling gör att teamet kan förutsäga hur långt bort från läckan den brandfarliga koncentrationen finns, snarare än att fokusera på blandningen precis bredvid releasen och använda dyrare vätskedynamikmodeller.

Det finns många fördelar för forskare, återförsäljare och konsumenter

Ett resultat av denna modelleringsprocess är att First Element Fuel kommer att ha rigorösa, vetenskapsbaserade bevis för att hjälpa dem att få tillstånd för de 12 stationer de planerar att bygga.

"Sandia är guldstandarden när det gäller vetenskapen, " sa Brown, "Om Sandias resultat visar x, y och z, då tror jag att de är x, y och z. Det finns ingen andra gissning. Jag vet att det är rätt, brandmästaren vet att det är rätt, och det gör alla andra. Sandia ger professionalism, rigor och noggrannhet tror jag inte att jag kan komma någon annanstans."

Sandia drar också nytta av projektet, eftersom det tillåter teamet att demonstrera sina modeller på verkliga systemdesigner. Vidare, Sandia arbetar direkt med National Fire Protection Association, och data från detta projekt kommer att användas för att informera och uppdatera deras säkerhetskoder för flytande väte.

De nya koderna kommer att tillåta framtida tankstationer att utvärderas från en prestandabaserad standard, snarare än en föreskrivande. LaFleur delade en matlagningsanalogi för att förklara skillnaden mellan de två typerna av koder. "En föreskriven kod är som ett recept som kräver strikt 3 koppar mjöl, 2 uns choklad, och 3 ägg för att göra en tårta. En prestationsbaserad standard säger, gör en 3 tum hög chokladkaka som smakar gott, och du får bestämma hur du ska gå tillväga, " Hon sa.

De uppdaterade prestationsbaserade koderna kommer också att göra det lättare för återförsäljare i alla delar av landet att bygga säkra stationer, även om de inte kan uppfylla vissa exakta kodkrav. Det kommer i sin tur att uppmuntra tillväxt inom vätgasindustrin.

Sandias modelleringsarbete stödjer också det amerikanska energidepartementets H2@Scale-initiativ, som fokuserar på storskalig produktion av väte från olika inhemska resurser. Projektet överväger också användningen av väte inom flera sektorer som ståltillverkning, gödselproduktion, petroleumraffinering och transport.

"Vårt uppdrag har alltid varit att främja adoptionen av dessa bilar, säkerställa bättre luftkvalitet och energisäkerhet, "Sa Brown. "Det är den del av projektet som kommer att leva vidare bortom de speciella stationerna vi bygger just nu."