Høytrykkshydrogendepotutstyr er en avgjørende komponent for gjennomføringen av teknologier for lagring, transport og utnyttelse av hydrogen. Denne typen utstyr gjør det mulig å lagre hydrogen under høyt trykk, og det er avgjørende for en rekke industrielle prosesser og applikasjoner, som for eksempel hydrogenstasjoner for drivstoff og brenselceller i kjøretøy. Høytrykkshydrogendepoter kan klassifiseres på flere måter, avhengig av både regulatoriske prosedyrer og materialene som brukes i produksjonen. Dette bidrar til en dypere forståelse av hvordan denne teknologien kan anvendes på forskjellige måter og under ulike forhold.

Når det gjelder regulering av høytrykkshydrogendepotutstyr, er det to hovedkategorier som utstyr klassifiseres etter: faste trykkbeholdere og mobile trykkbeholdere. Faste trykkbeholdere er installert på faste steder og brukes for stasjonær lagring av hydrogen, for eksempel ved hydrogenstasjoner. For disse beholdere er det spesifikke krav som må oppfylles for å sikre at de er trygge i drift. Ifølge reguleringen TSG 21-2016, som omhandler sikkerhetsteknologi for stasjonære trykkbeholdere, må disse ha et arbeidstrykk på 0,1 MPa eller høyere, et volum på minst 0,03 m³, og en indre diameter som ikke er mindre enn 150 mm. Slike beholdere kan videre deles inn i forskjellige trykknivåer, fra lavtrykk (under 1,6 MPa) til ultrahøytrykk (over 100 MPa).

På den annen side omfatter mobile trykkbeholdere transportutstyr, som lastebil- og tog-sylindere, langtube-trailere og tankcontainere. Denne typen utstyr er designet for å kunne transportere hydrogen fra ett sted til et annet, og reguleringen for mobile trykkbeholdere (TSG R0005-2011) setter krav til både trykk, volum og temperatur for å sikre trygg transport. Arbeidstrykket for mobile beholdere må også være minst 0,1 MPa, og volumet for disse tankene skal være minst 450 L. I tillegg til det kan det være behov for å følge spesifikke retningslinjer ved bruk av ikke-metalliske materialer i beholdere.

Høytrykkshydrogendepotutstyr kan også klassifiseres etter materialene som brukes i produksjonen. Det finnes fire hovedtyper: Type I, som er laget utelukkende av metall, Type II, som kombinerer metall med et fiberlag som vikles rundt, Type III, som benytter full fiberinnpakning i kombinasjon med metall, og Type IV, som er laget med plastforing og full fiberinnpakning. Hver av disse typene har forskjellige bruksområder avhengig av trykk, materialkostnader og egenskaper som hydrogenlagring. Type I beholdere, som er laget helt av metall, har et relativt lavt trykkintervall (10–45 MPa), og er ofte brukt for industrielle gassbeholdere. Type II, med fiberforsterket metall, kan håndtere høyere trykk (30–45 MPa) og brukes til for eksempel langtubetrailere for hydrogen. Type III beholdere er egnet for lagring ved enda høyere trykk (30–90 MPa) og brukes i applikasjoner som hydrogenlagring for brenselcellekjøretøy. Type IV beholdere, som benytter plastforing og full fiberinnpakning, er de dyreste og brukes der det er behov for ekstrem trykkmotstand (50–70 MPa).

Høytrykkshydrogendepoter er et viktig verktøy for å muliggjøre en effektiv og sikker lagring og transport av hydrogen, som er et av de mest lovende alternativene til fossilt brensel. Videre er det nødvendig at design, produksjon og installasjon av disse trykkbeholderne følger strenge regulatoriske krav for å sikre både sikkerheten og ytelsen. Beholderens materialer, trykkvurderinger og klassifiseringer må nøye tilpasses den spesifikke applikasjonen for å oppnå de beste resultatene, samtidig som man ivaretar både økonomiske og miljømessige hensyn.

For å forstå det fulle potensialet av høytrykkshydrogendepoter, er det også viktig å være klar over utfordringene knyttet til materialvalg og produksjonsmetoder. Mens metallbeholdere som Type I og II er relativt enkle å produsere, krever de mer avanserte typer, som Type III og Type IV, spesialiserte produksjonsmetoder og materialer som kan håndtere de ekstreme kravene som stilles under høytrykk.

Hvordan flytende hydrogen kan endre transportsektoren: Teknologi og utfordringer

Bruken av flytende hydrogen som drivstoff for tungtransport har blitt et sentralt tema i utviklingen av mer bærekraftige transportløsninger. En av de første kommersielle applikasjonene av flytende hydrogen i tungtransport ble demonstrert gjennom utviklingen av hydrogen-drevne lastebiler med brenselceller. Den 11. september 2021 gjennomførte Kina en omfattende test av slike kjøretøy, som besto av isolasjonstester, fylling og fordampningsrater, samt en evaluering av kjøretøyets ytelse. Dette markerte et viktig steg i overgangen fra forskningsbaserte prototyper til industrielle applikasjoner.

I dag finnes det mer enn 120 flytende hydrogen-fyllestasjoner på verdensbasis, og disse utgjør over en femtedel av alle eksister

Hvordan forbedre hydrogenlagringsegenskapene til Mg(BH4)2

Magnesium-borhydrid (Mg(BH4)2) er et lovende materiale for hydrogendepot, ettersom det har en høy massehydrogentetthet på 14,8 vektprosent (wt%). Dette gjør det til en sterk kandidat for fremtidige energilagringssystemer, særlig for applikasjoner innen hydrogendrevet teknologi. Et viktig aspekt ved Mg(BH4)2 er at det har lavere elektronegativitet enn litium (Li) og natrium (Na), noe som resulterer i en lavere hydrogenfrigjøringstemperatur. For Mg(BH4)2 skjer hydrogenfrigjøring ved 300 °C, men til tross for dette er hydrogenabsorpsjon og frigjøringstidene relativt lave. En stor utfordring for praktisk anvendelse ligger i reaksjonskinetikken og de termodynamiske egenskapene, som fortsatt er utilstrekkelige.

Hydrogenfrigjøringstemperaturen for Mg(BH4)2 er betydelig høyere enn det teoretiske forutsette nivået. Dette skyldes flere faktorer, blant annet det høye energibarrieren som må brytes for å oppløse B-H-kovalente bindinger. Prosessen er også komplisert av flere mellomliggende faser, for eksempel overgangen fra γ-fase til ε-fase, som finner sted ved temperaturer mellom 150-200 °C. Dette gjør at hydrogenfrigjøringen blir langsom og ufullstendig. De beste resultatene oppnås ved høyere temperaturer og hydrogentrykk på opptil 400 °C og 95 MPa, men dette reduserer materialets praktiske anvendbarhet.

For å forbedre de kinetiske og termodynamiske egenskapene til Mg(BH4)2, er det nødvendig å redusere den høye energibarrieren for hydrogenfrigjøring. Dette kan oppnås ved å stabilisere B-H-bindningen eller ved å endre hydrogenfrigjøringsbanen. En lovende tilnærming er å kombinere Mg(BH4)2 med andre hydridesystemer, som litiumhydrid (LiH). Når Mg(BH4)2 kombineres med LiH, kan hydrogen begynne å frigjøres ved omtrent 150 °C, og reaksjonen blir mer reversibel, med en stabil cykluskapasitet på 3,6 wt% ved 180 °C over 20 sykluser uten betydelig kapasitetsnedgang. På samme måte kan tilsetning av natriumaluminiumhydrid (NaAlH4) redusere hydrogenfrigjøringstemperaturen ytterligere til 101 °C.

En annen metode for å forbedre ytelsen er å bruke overflateaktiverte materialer eller kompositter som inneholder overgangsmetaller. Metaller som titan (Ti) kan erstatte magnesium i strukturen til Mg(BH4)2 og bidra til å redusere B-H-bindningens energibarriere, noe som gjør det lettere for hydrogenatomene å diffundere og frigjøres. Bruken av nanoteknologi for å modifisere Mg(BH4)2 har også vist seg å være effektiv. Nanoskala Mg(BH4)2 kan oppnås ved hjelp av metoder som smeltning, løsemiddelfordamping eller in-situ syntese. For eksempel, når Mg(BH4)2 er innkapslet i nanopartikler av Cu2S, kan den initiale hydrogenfrigjøringstemperaturen reduseres til rundt 50 °C, samtidig som frigjøringshastigheten økes betydelig.

Til tross for fordelene med nanoskalering, er det også utfordringer forbundet med denne metoden. En av de største begrensningene er lavt effektivt lastingsnivå, og de oppløste løsemiddelrester kan være vanskelige å fjerne. Dette skaper en mer kompleks operasjonsprosess og lavere faktisk hydrogenfrigjøringskapasitet.

For å oppnå praktisk anvendelse av Mg(BH4)2 som et hydrogenlagringsmateriale, er det derfor avgjørende å fortsette utviklingen av materialkompositter og nanoteknologiske tilnærminger som kan forbedre både termodynamiske og kinetiske egenskaper, samtidig som produksjonskostnadene holdes lave. Med riktige modifikasjoner kan Mg(BH4)2 bli et konkurransedyktig alternativ til dagens hydrogenlagringsteknologier.

Hvordan håndtere varmeoverføring og massetransport i faste hydrogensystemer

I utviklingen av faste hydrogensystemer for lagring og transport av hydrogen, spiller de termiske og massetransportegenskapene en avgjørende rolle for systemets effektivitet og sikkerhet. Dette gjelder spesielt når man vurderer strukturen i hydrogentanken, som består av forskjellige materialer med varierende termiske egenskaper og forskjellige områder som krever spesifikke beregninger for å forutsi deres oppførsel under drift.

For det første er det nødvendig å forstå hvordan varme overføres i forskjellige områder av lagringstanken. I pulverområdet, hvor legeringspulveret er plassert, er det både varmeledning mellom partiklene og konvektiv varmeoverføring på grunn av hydrogenets strømning. Viskositetskoeffisienten til hydrogen er veldig lav, noe som gjør at man vanligvis kan ignorere effekten av viskositetstap på varmeoverføringen. Derimot, på grunn av den termiske effekten av hydrogenabsorp- sjons- og desorpsjonsreaksjoner, er det nødvendig å inkludere en varmekilde i varmeoverføringsligningen. Dette kan beskrives som følger:

∂T∂t=λe(ρCp)e(∇2T)+ST\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{\lambda_e}{(\rho C_p)_e} \left( \nabla^2 T \right) + S_T

Her representerer STS_T varmekilden som er relatert til hastigheten på hydrogenabsorp- sjon og desorpsjon. Denne termiske effekten er avhengig av materialets egenskaper og prosessens spesifikasjoner, som er viktige for å opprettholde effektiviteten til systemet.

I filtreringsområdet, der det ikke skjer noen hydrogenabsorpsjon eller desorpsjon, kan varmetilførselen forenkles til å omfatte kun varmeledning, da det ikke er noen varmekildeeffekt. For disse områdene benyttes en enklere formel:

∂T∂t=λsρsCp(∇2T)\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{\lambda_s}{\rho_s C_p} \left( \nabla^2 T \right)

Her representerer λs\lambda_s termisk ledningsevne for det faste materialet, og ρs\rho_s er tettheten til materialet.

Når vi ser på blanke områder, som er områder uten materialer, vil varmeoverføringen kun være knyttet til hydrogenets oppførsel i disse tomme områdene. I disse områdene kan varmeoverføringen kun beskrives gjennom hydrogenets spesifikke varmekapasitet og hastigheten til gassstrømmen, og ligningen blir som følger:

∂T∂t=gCpgρg(∇2T)\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{gC_{pg}}{\rho_g} \left( \nabla^2 T \right)

Der gg er gassstrømningshastigheten, og CpgC_{pg} er spesifikk varmekapasitet for hydrogen.

En annen viktig faktor er masseoverføringen i disse systemene. I pulverområdet kan det beskrives ved Darcy-loven, som forbinder trykk og gassens hastighet i porøse materialer som legeringspulveret. Denne loven uttrykkes som:

Ku=−∂P∂xK u = -\frac{\partial P}{\partial x}

Der KK er permeabiliteten til pulverområdet, og μ\mu er viskositetskoeffisienten for gassen. For å beskrive endringer i tettheten til hydrogen gass i forhold til tid og rom, kan massetransportligningen brukes:

∂ρg∂t+∇⋅(ρgu)=SP\frac{\partial \rho_g}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho_g u) = S_P

Der SPS_P er massetransportkilden, som i pulverområdet er relatert til absorpsjons- og desorpsjonsprosesser.

I filtreringsområdet er det ingen endring i massen da det ikke er noen kjemisk reaksjon, og derfor er kilden SP=0S_P = 0.

Når det gjelder hydrogenets strømningsdynamikk i tomme områder (de blanke områdene), kan vi beskrive den ved Navier-Stokes ligningen for uavhengig strømning:

∂u∂t+u⋅∇u=−1ρg∇P+ν∇2u\frac{\partial u}{\partial t} + u \cdot \nabla u = -\frac{1}{\rho_g} \nabla P + \nu \nabla^2 u

Der ν\nu er den kinetiske viskositeten til hydrogenet. Denne ligningen tar hensyn til både trykkforskjeller og viskøse krefter som påvirker hydrogenets strømning i lagringstanken.

Å forstå disse grunnleggende termodynamiske og transportprosesser er avgjørende for å utvikle effektive og sikre systemer for lagring og transport av hydrogen. Når disse prosessene er riktig modellert og kontrollert, kan man optimere systemet både for maksimal lagringseffektivitet og for sikkerheten til de involverte materialene og operasjonene.

Viktig å merke seg er at for komplekse hydrogensystemer, som de som benytter hydride-materialer, kan kjemiske reaksjoner under absorpsjon og desorpsjon av hydrogen også påvirke både varme- og massetransportprosessene. Derfor er det avgjørende å ta hensyn til alle de interaktive effektene mellom kjemiske, fysiske og termiske egenskaper ved design og drift av hydrogensystemene.

Hvordan løse komplekse integraler med teknikker som delvis integrasjon og variabelskifte