Hvordan forenkle beregningene for lagring av hydrogen under høyt trykk ved hjelp av korresponderende tilstander

Ved bruk av de grunnleggende prinsippene for korresponderende tilstander, har det blitt utviklet forskjellige tilstandsformer for gassligninger som tar hensyn til ulike gasser. Disse ligningene gjør det mulig å bruke de samme konstantene på tvers av forskjellige gasser, slik at de ikke lenger varierer med gassens art, men heller er felles for lignende gasser innen et spesifikt trykk- og temperaturintervall. Dette har gjort det mulig å utvikle mer presise og forenklede modeller for høytrykks hydrogenlagring, som er et sentralt tema i moderne energiutvikling.

Ved å bruke virkelige egenskapsdata for hydrogen, hentet fra den anerkjente National Institute of Standards and Technology (NIST) materialegenskapsdatabase, kan en forenklet tilstandsligning for hydrogen oppnås. Denne forenklede ligningen, som kan skrives som:

hvor $C$ er en koeffisient (1.9155 × 10⁻⁶ K/Pa), gir en praktisk måte å beregne forholdene for hydrogen i ulike trykk- og temperaturforhold. Den er spesielt nyttig i situasjoner hvor man ønsker å forutsi oppførselen til hydrogen ved ekstremt høye trykk og lave temperaturer, som i lagrings- og transportprosesser. Ligningen tar i betraktning de spesifikke egenskapene til hydrogen, som er forskjellige fra andre gasser på grunn av dens lave molare masse og spesielle intermolekylære krefter.

I praksis innebærer høytrykks lagring av hydrogen en rekke utfordringer, særlig i forhold til materialer og utstyr som kan håndtere de ekstreme forholdene. Når trykket øker, øker også energimengden som lagres i gassen, noe som kan føre til uønskede fenomen som lekkasje, uventede temperaturøkninger eller materialsvikt. Derfor er det avgjørende å bruke korrekt modellering og pålitelige materialdata for å sikre både effektivitet og sikkerhet i hydrogenlagring.

Enkelte utviklinger i området for hydrogenlagring fokuserer på å gjøre lagringsteknikkene mer kompakte og økonomiske, samtidig som de beholder eller forbedrer sikkerhetsstandardene. Bruken av avanserte materialer som komposittmaterialer, som karbonfiber-tanker, har blitt en viktig del av denne utviklingen. Disse materialene kan tåle høye trykk uten å gå på kompromiss med tankens struktur eller stabilitet. Videre er det kontinuerlig arbeid med å utvikle nye metoder for kjøling og termisk kontroll for å forhindre at temperaturøkningene ved komprimering av hydrogen skaper risikoer.

Det er også viktig å merke seg at for å oppnå en fullstendig forståelse av høytrykks lagring av hydrogen, er det nødvendige å inkludere flere fysiske aspekter som termodynamikk og molekylær dynamikk. En nøyaktig beskrivelse av hvordan hydrogen oppfører seg på atomnivå, kan gi verdifulle innsikter i hvordan man kan optimalisere lagringsteknikkene og forbedre sikkerheten.

Hvordan Høyt Trykk og Hydrogengass Påvirker Materialers Sprøhet og Svakhet

Hydrogensprøhet er et fenomen som påvirker et bredt spekter av metaller, inkludert stål, aluminium, kobber, og titan. Dette skjer når hydrogen atomer diffunderer inn i metallet og forårsaker sprøhet, noe som kan føre til alvorlige strukturelle problemer i materialene, særlig under belastning. Effekten av hydrogensprøhet er nært knyttet til metallets sammensetning, miljøforholdene og de spesifikke prosessene metallet gjennomgår.

I atomkraftverk, der metallkomponenter ofte er laget av materialer som ikke er aluminium, holdes pH-verdien i kjølevæsken nøytral eller alkalisk for å forhindre hydrogensprøhet. Dette er fordi atomhydrogen kan absorberes av metallgitteret ved romtemperatur, og det diffunderer gjennom kornene, hvor det akkumulere i inneslutninger eller gitterfeil. Under disse forholdene vil de resulterende sprekkene være transgranulære. På den andre siden, ved høye temperaturer, vil diffundert hydrogen akkumulere ved korngrensene, og dermed produsere intergranulære sprekker.

Når produksjonen av hydrogengass stopper, for eksempel på grunn av endringer i miljøforholdene, og sprekken ennå ikke har startet, vil det fangede hydrogenet diffundere igjen, og dermed gjenopprette materialets duktilitet. Dette betyr at hydrogensprøhet ikke er et permanent fenomen, men et midlertidig problem som kan løses ved at hydrogenet forlater metallet.

Problemet med hydrogensprøhet kan løses ved forskjellige kontrollmetoder. En av de mest effektive tilnærmingene er å kontrollere mengden av residuelt hydrogen, og å redusere mengden hydrogen som samles under produksjonsprosessen. Å finne legeringer som er resistente mot hydrogensprøhet, utvikle sprøhetresistente belegg, og redusere mengden hydrogen som er til stede i materialenes serviceomgivelser er andre viktige metoder for å minimere effekten av hydrogenpåvirkning.

Karbonstål er et materiale som ofte påvirkes av hydrogensprøhet. Dette skjer når strukturelle komponenter er utsatt for høyere belastninger enn hva materialet normalt kan tåle, og sprekker oppstår selv når belastningen er lavere enn metallets strekkfasthet. Etter at hydrogen absorberes, diffunderer det gjennom stålblokken og fanges i korngrensene, noe som fører til dannelse av bobler. Disse boblene øker det interne trykket på metallkornene, noe som over tid reduserer både duktiliteten og styrken til materialet.

Aluminium og aluminiumlegeringer har derimot mindre problemer med hydrogensprøhet når de utsettes for tørr hydrogengass. Den største utfordringen oppstår når hydrogen kommer i kontakt med fuktighet, eller når luftgapene dannes gjennom smelte- og støpeprosesser. Disse gapene er materialdefekter som påvirker de mekaniske egenskapene til støpt og smidd aluminium, som duktilitet og bruddseighet. Under nedkjølingsprosessen fra smelten, diffunderer hydrogen inn i utfellinger og støpefeil, og sprekker dannes på grunn av den reduserte løseligheten av hydrogen i fast metall ved lavere temperaturer.

Titan og titanlegeringer har utmerket korrosjonsmotstand i vannmiljøer, noe som skyldes dannelsen av et tynt og stabilt titanoksidlag under oksiderende forhold. Imidlertid kan visse titanlegeringer oppleve hydrogensprøhet i nærvær av høy kathodisk ladning i vannige medier. Under lave til middels kathodiske ladningsforhold kan det naturlig dannede titanoksidlaget på titan effektivt hemme hydrogenabsorpsjon, men ved høye ladningstettheter kan dette beskyttelseslaget brytes ned, og hydrogen kan trenge inn i titanlegeringen.

Når det gjelder nikkel og nikkellegeringer, har disse materialene generelt god motstandskraft mot høye temperaturer og oksidasjon, men det er viktig å merke seg at ikke alle nikkellegeringer har gode motstandsegenskaper mot hydrogensprøhet. Pure nikkel blir betydelig sprøtt når det eksponeres for hydrogen, og legeringer som er rike på nikkel, som nikkel-kobber og nikkel-jern, kan også bli veldig sprø under høyhydrogenbelastning.

For å forebygge hydrogensprøhet kan ulike evalueringsteknikker benyttes for å bestemme et materiales følsomhet for hydrogen. En effektiv metode er høytemperatur vakuumhydrogenbestemmelse, som måler hydrogennivået i metallet og permeasjonshastigheten til hydrogen. En annen strategi er å erstatte materialer med lavere styrke, eller å bruke spesifikke varmebehandlinger for å redusere hardheten og de residuelle spenningene som kan føre til sprøhet.

I tillegg til valg av riktig materiale, er det avgjørende å minimere eksponeringen for hydrogen under produksjonsprosesser som elektroplettering og syrebehandling, som kan føre til at hydrogen diffunderer inn i metallet.

Hvordan fungerer lagring av hydrogen i organiske væsker?

Lagring av hydrogen i organiske væsker (LOHC – Liquid Organic Hydrogen Carriers) har blitt et fokuspunkt i utviklingen av hydrogenteknologi for fremtidens energi. Organiske væsker som benzen, toluen og syklokheksan kan binde hydrogen på en stabil måte, og deres egenskaper åpner for lagring og transport på en praktisk og sikker måte. Disse forbindelsene er i væskeform ved normal temperatur og trykk (20–40°C), noe som gjør det mulig å bruke eksisterende infrastruktur for transport og lagring, som rørledninger og tanker designet for flytende drivstoff.

En viktig egenskap ved LOHC-systemene er deres evne til å lagre hydrogen i store mengder. For eksempel kan 1 mol syklokheksan binde 3 mol hydrogen, og reaksjonen som frigjør hydrogen krever betydelig mindre varme enn det som frigjøres ved forbrenning av hydrogen. Dette gjør LOHC-teknologi til en potensielt effektiv måte å håndtere hydrogenenergi på, med relativt lavt energiforbruk under dehydrogenering, men utfordringer gjenstår på grunn av flere faktorer.

For det første er benzen et svært giftig stoff, og de høye kokepunktene for enkelte LOHC-ingredienser, som syklokheksan, gjør at det er utfordrende å separere og rense hydrogenet som blir produsert. Denne vanskeligheten gjør det nødvendig å bruke avanserte teknologier og spesifikke kjemikalier for å skille hydrogenet fra væskene.

En løsning på noen av disse utfordringene er utviklingen av toluen/metylsyklokheksan (TOL/MCH) systemet. Denne løsningen har en gravimetrisk hydrogenlagringstetthet på 6,2 vektprosent, og toluen er langt mindre giftig enn benzen, noe som gjør det lettere å håndtere. TOL/MCH-systemet har også fordelen av at både toluen og metylsyklokheksan er i væskeform ved normal temperatur og trykk. Dette gir en enklere og mer sikker prosess for lagring og transport av hydrogen, og dehydrogenering og hydrering kan utføres med relativt enkle kjemiske prosesser.

En annen interessant løsning er naphtalen/decahydronaphtalen (NAP/DEC) systemet, som har en gravimetrisk hydrogenlagringstetthet på 7,3 vektprosent, noe som gir et høyt lagringspotensial. Dette systemet er i stand til å binde fem mol hydrogen per mol trans-decahydronaphtalen. Prosessen for dehydrogenering og hydrering gir også en relativt lavt energiforbruk, som er omtrent 27 % av energien som frigjøres ved forbrenning av hydrogen. Til tross for disse fordelene har NAP/DEC også sine ulemper, som potensialet for kontinuerlig tap av råmateriale under dehydrogenering og transport.

Et annet alternativ er systemet med N-ethylcarbazole (NEC), som har en gravimetrisk hydrogenlagringstetthet på 5,8 vektprosent. NEC-systemet har den fordelen at dehydrogenering kan foregå raskt ved temperaturer mellom 130–150°C, hvilket gjør det egnet for bruk i brenselceller. Imidlertid er det også noen begrensninger ved NEC-systemet. For det første er det nødvendig å varme opp NEC for å oppnå flytende form, og dealkyleringsreaksjoner kan forekomme ved høyere temperaturer, noe som kan forstyrre hydrogenproduksjonen. Til tross for dette er dette systemet attraktivt på grunn av sine raske reaksjonshastigheter.

DBT/H18-DBT (dibenzyltoluene/perhydro-dibenzyltoluene) systemet har også en gravimetrisk hydrogenlagringstetthet på 6,2 vektprosent, og dette systemet er kjent for sin lave toksisitet og høye termiske stabilitet. DBT/H18-DBT kan gjennomgå raske dehydrogeneringsprosesser ved 270–320°C. Denne løsningen kan også bruke blandinger av hydrogen for påfylling, noe som gjør det kompatibelt med industriprosesser for hydrogenproduksjon. Likevel er det viktig å merke seg at dette systemets hydrogenlagringstetthet kan reduseres betydelig etter flere sykluser med dehydrogenering og hydrering på grunn av ineffektiv dehydrogenering.

Til tross for utfordringene som LOHC-teknologien står overfor, viser den betydelig potensial som en pålitelig og sikker løsning for stor-skala lagring og transport av hydrogen. LOHC-systemer er i stand til å lagre mer hydrogen per enhet volum og vekt sammenlignet med gassformig hydrogen eller lavtemperatur flytende hydrogen. De er også kompatible med eksisterende infrastruktur, som rørledninger og lagringstanker designet for flytende drivstoff. Denne egenskapen er særlig viktig for transport over lange avstander og for å møte de globale energibehovene, spesielt i regioner med ulik energifordeling.

For å virkelig utnytte fordelene med LOHC-teknologi, kreves det imidlertid videre utvikling av dehydrogeneringsprosesser, samt optimalisering av katalysatorer som brukes i prosessene. Katalysatorene spiller en avgjørende rolle i både hydrogenproduksjonen og effektiviteten av lagringsprosessen. I tillegg må kostnadene for produksjon og utvinning av LOHC-materialer reduseres, og det er behov for løsninger for å håndtere de potensielle tapene av råmaterialer under transport og lagring. Teknologiske fremskritt på disse områdene kan gjøre LOHC til en viktig del av fremtidens hydrogenøkonomi.

Hvordan teknologi for lagring og transport av hydrogen-rik væske kan forandre energimarkedet?

I diskusjonen om effektive og økonomiske løsninger for hydrogenlagring og transport, er hydrogen-rike væsker blitt ansett som en lovende teknologi. Denne teknologien har flere fordeler, blant annet høy lagringstetthet, høy sikkerhet og lav transportkostnad. Imidlertid medfører den også flere utfordringer, inkludert høyt energiforbruk, katalysatorenes levetid og kostnader, samt behovet for ytterligere renseprosesser av det frigjorte hydrogenet.

En viktig faktor i vurderingen av hydrogen-lagringssystemer er energiforbruket i prosessen. For ammoniakk, metanol og LOHC-systemene er det betydelige forskjeller i energi- og termisk effektforbruket, som viser de ulike systemenes kompleksitet. Ammoniakklagring krever for eksempel omtrent 100 MW elektrisitet for produksjon, mens metanol og LOHC systemene bruker henholdsvis 500 MW og 0,35 MW elektrisitet. Disse tallene illustrerer tydelig at det er et betydelig energiforbruk knyttet til produksjonen av hydrogen fra disse lagringssystemene.

Når det gjelder kostnader, må både kapitalutgifter og driftskostnader vurderes. For ammoniakk og metanollagring er det høye kostnader knyttet til syntesekomponenter som kompressorer, varmevekslere, reaktorer og destillasjonstårn. I tilfelle av metanol er CO2-fangstprosessen en betydelig kostnadsdriver, og om kostnaden ved denne prosessen reduseres, vil kostnadene for metanolsyntese også synke. LOHC-lagring er litt dyrere enn ammoniakk, hovedsakelig på grunn av materialkostnader. Likevel kan storstilt produksjon og bruk av LOHC-materialer redusere kostnadene betydelig over tid, noe som vil gjøre LOHC-teknologi mer konkurransedyktig.

Katalysatorene som brukes i disse systemene spiller en avgjørende rolle, spesielt i LOHC-teknologien. Katalysatorene, selv om de utgjør en relativt liten del av kapitalutgiftene, er essensielle for å oppnå effektiv hydrogenfrigjøring. Katalysatorens levetid er derfor viktig for den totale økonomiske vurderingen, og hvis katalysatorkostnadene reduseres i fremtiden, kan det ha stor betydning for kostnadseffektiviteten i LOHC-systemene.

En annen viktig faktor er at de høytemperatur-katalytiske prosessene som er nødvendige for å frigjøre hydrogen fra disse væskene, ikke bare medfører høyt energiforbruk, men også kan føre til nedbrytning av katalysatorene over tid. Dette betyr at det er et kontinuerlig behov for utskifting av katalysatorene, noe som innebærer ytterligere kostnader og kompleksitet for driften.

Ved vurdering av hydrogenlagringsteknologier er det viktig å merke seg at for de fleste industrielle prosesser er lagring av hydrogen en kontinuerlig aktivitet, og derfor må det være tilstrekkelig lagringsplass for sluttproduktene. Dette betyr at lagringssystemene må være dimensjonert både for daglig lagring og for uforutsette hendelser som kan føre til forstyrrelser i forsyningskjeden.