Hvordan velge riktig kompressor for transport av hydrogen i rørledninger?

Kompressorer spiller en avgjørende rolle i overføring av hydrogen via rørledninger, og er et kritisk element for effektiv og sikker drift av hydrogeninfrastruktur. I et system for rørledningsbasert hydrogenoverføring, hvor trykket er høyt og kravene til effektivitet er strenge, er det viktig å velge riktig kompressor. Denne valget avhenger av flere faktorer som strømningshastighet, suge- og utløpstrykk, samt de tekniske spesifikasjonene for de aktuelle systemene.

Kompressorer er nødvendige for å opprettholde riktig trykk gjennom hele hydrogenrørledningen. Hvis trykket er for lavt, kan det føre til ineffektiv transport og tap av hydrogen, mens for høyt trykk kan føre til farlige forhold og økt slitasje på komponentene. Spesifikasjonen av kompressoren må derfor vurderes nøye, og det er flere alternativer på markedet som kan håndtere de ulike trykk- og strømningskravene som er typiske for hydrogentransport.

I fremtiden, med økt etterspørsel etter hydrogen og den voksende hydrogenindustrien, vil det være viktig å fokusere på videre forskning og utvikling av rørledningsteknologier for hydrogen. Det omfatter blant annet teknologi for blandet overføring av hydrogen og naturgass, transformasjon av naturgassrørledninger, og utvikling av store hydrogenkompressorer. Et viktig aspekt ved denne utviklingen vil være å forbedre de økonomiske og tekniske forutsetningene for lange hydrogenrørledninger, noe som er et stort hinder i dag på grunn av de høye kostnadene knyttet til utbygging av nye rørledninger.

Over tid vil utviklingen av standarder for rørledninger som transporterer både hydrogen og naturgass bli avgjørende. I Kina er det for eksempel allerede på gang utarbeidelse av standarder for lange hydrogenrørledninger og rørledninger som kombinerer hydrogen med naturgass. Slike standarder vil bidra til å skape et mer pålitelig og effektivt rørledningsnettverk for hydrogen, som til slutt kan gjøre rørledningsbasert transport av hydrogen til en økonomisk bærekraftig løsning.

Når det gjelder blanding av hydrogen med naturgass i rørledninger, er det viktig å merke seg at hydrogenkonsentrasjonen har stor betydning for materialvalget i rørene. Når blandingskonsentrasjonen av hydrogen er under 10 %, kan rørledningen designes og analyseres i henhold til standarder som den amerikanske Compressed Gas Association standarden CGA-5.6: 2005. Ved høyere hydrogenkonsentrasjoner, spesielt over 10 %, er det nødvendig med mer spesifikke analyser for å sikre at materialene tåler de ekstra påkjenningene som hydrogen kan forårsake, som blant annet hydrogensprøhet.

Videre er det viktig å ta hensyn til hvilke typer rørledningsmaterialer som er best egnet for transport av hydrogenblandinger. For rørledninger som opererer med høye hydrogenkonsentrasjoner, er det nødvendig å bruke materialer som kan motstå de mekaniske belastningene som oppstår ved hydrogenembrittlement. Det er viktig å evaluere materialenes sammensetning nøye, inkludert deres innhold av svovel, fosfor, karbon og kornstørrelse, samt evnen til å motstå sprøhet forårsaket av hydrogen. Dette krever detaljerte analyser og tester for å sikre at rørene kan håndtere de spesifikke forholdene som hydrogen fører med seg.

Et annet aspekt som påvirker valget av kompressor og rørledningsmateriale, er trykkforholdene som kreves for effektiv transport. Rørledninger som transporterer hydrogen under høyt trykk, kan ha spesifikke krav til både kompressorene og materialene som benyttes. Her kan det være nødvendig å redusere trykket i enkelte områder av rørledningen for å sikre at materialene ikke blir utsatt for for høye påkjenninger. Dette krever en grundig vurdering av rørledningsdesign og trykkstyring.

Gjennom kontinuerlig forskning og utvikling på dette området, vil det etter hvert bli lettere å implementere pålitelige og økonomisk bærekraftige løsninger for hydrogentransport på lang avstand. Dette vil gjøre hydrogen til en mer tilgjengelig og effektiv energikilde, og åpne for større muligheter innen både industri og transportsektoren.

Hvordan utvikling av ammoniakkteknologi kan forme fremtidens hydrogenenergi

Videre øker innføringen av oksygen kompleksiteten i reaksjonssystemet, noe som medfører flere biprodukter og kompliserer prosessen for hydrogenseparasjon. Dette øker kostnadene og reduserer derfor praktisk talt ammoniakkens potensiale som et effektivt lagringsmedium for hydrogen.

For å overvinne de tekniske begrensningene ved tradisjonell ammoniakksyntese har Ichikawa og hans team utviklet en teknologi for direkte elektrolyse av flytende ammoniakk. Denne metoden benytter platinaelektroder og alkali-metall-amid-salter som elektrolytt, hvor ammoniakk brytes ned til NH2- og NH4+. På katoden reduseres ammoniakkmolekyler til hydrogen, mens amidionene på anoden oksideres til nitrogenmolekyler. Selv om dette gir et mer direkte alternativ til ammoniakkdekomponering, er teknologien komplisert, krever strenge forhold uten vann og oksygen, samt høyt trykk på elektrolysecellen, som gjør den vanskelig å bruke kommersielt.

En annen utfordring med ammoniakk som energikilde er at forbrenningen av ammoniakk er langt mindre effektiv enn hydrogen og naturgass. Reaksjonshastigheten ved forbrenning er betydelig lavere, og dens energiverdi er også lavere enn både hydrogen og naturgass. Dette skaper et stort teknologisk hinder for effektiv bruk av ammoniakk som drivstoff, spesielt i storskala energiproduksjon.

I Japan er målet å gjøre hydrogen og ammoniakkbasert kraftproduksjon til 10% av landets totale energiproduksjon innen 2050. I Sør-Korea har myndighetene planer om å begynne kommersiell produksjon av ammoniakkbasert energi i 2030. I tillegg har flere land, inkludert Australia, styrket samarbeidet mellom industri og regjering for å fremme utviklingen av grønn ammoniakk. I 2021 utviklet det australske selskapet Jupiter Ionics en ny elektrokjemisk metode for nitrogenreduksjon som kan produsere ammoniakk med betydelig lavere klimagassutslipp enn den tradisjonelle Haber-Bosch-metoden.

Videre utvikling av ammoniakkteknologier, som både kan produsere og lagre hydrogen, vil derfor være en viktig faktor for det globale energiskiftet mot fornybar energi. For å gjøre ammoniakk til en levedyktig energibærer, er det nødvendige teknologiske innovasjoner på både produksjon, lagring og forbrenning av ammoniakk. Det er et klart behov for ytterligere forskning på hvordan ammoniakk kan håndteres og anvendes mer effektivt i fremtidens energiøkonomi.

Hvordan grønn ammoniakk kan revolusjonere energiproduksjon og lagring

Grønn ammoniakk er et av de mest lovende alternativene for å redusere karbonutslippene fra ulike sektorer, inkludert elektrisitet, shipping, transport og landbruk. Den tradisjonelle produksjonen av ammoniakk har vært en betydelig kilde til CO2-utslipp, men med de nyeste fremskrittene innen teknologi, kan ammoniakkproduksjon gjøres mer bærekraftig og til og med bidra til å designe fremtidens energi. Den grønne ammoniakkens revolusjon begynte med forsøk på å erstatte fossile drivstoff med renere alternativer. Teknologier som elektrolyse og katalytisk nedbrytning har gjort det mulig å produsere ammoniakk med lavere miljøpåvirkning, og flere selskaper og forskningsinstitusjoner rundt om i verden jobber aktivt med å forbedre disse prosessene.

Et fremragende eksempel på dette er Jupiter Ionics' nye metode for produksjon av grønn ammoniakk, som benytter litiummetall for å redusere nitrogen til litium-nitrid. Denne forbindelsen reduseres videre ved hjelp av hydrogen produsert gjennom elektrolyse av vann for å skape ammoniakk via elektro-oksidativ reduksjon. Denne prosessen gir et klart bilde på hva som kan kalles "grønn produksjon", som skiller seg fra tradisjonelle metoder som slapp ut store mengder CO2. Jupiter Ionics har allerede mottatt en investering på 2,5 millioner dollar for å utvide kommersiell produksjon av denne teknologien.

I januar 2021 utviklet professor Sossina Haile ved Northwestern University, sammen med forskere fra SAFCell, en effektiv og miljøvennlig metode for å konvertere ammoniakk til hydrogen. Denne metoden har overvunnet flere eksisterende hindringer for produksjon av rent hydrogen fra ammoniakk. Gjennom elektrolyse i en celle med protonutvekslingsmembran og et spesiallaget ammoniakkdekomponeringskatalysator, klarte de å produsere hydrogen på en måte som ikke bare er mer effektiv, men også langt mer bærekraftig.

Ved å utvikle katalysatorer for lavtemperatur nedbrytning av ammoniakk, har forskere fra Fuzhou University tatt et steg videre ved å forene forskning og industri for å skape et grønt energiindustriell samarbeid. Deres arbeid har også blitt anerkjent som en viktig milepæl i utviklingen av den såkalte "ammoniakk-hydrogen" energisektoren. Dette prosjektet omfatter katalysatorer med aktive metallkomponenter som rutenium og nikkel, som muliggjør effektive reaksjoner ved lavere temperaturer og gir bedre holdbarhet ved høy varme, et problem som tidligere har hindret effektiv produksjon.

Samtidig har Israels GenCell Energy utviklet en direkte metode for å produsere grønn ammoniakk fra vann elektrolyse ved ekstremt lave temperaturer og trykk. GenCell har også utviklet en kraftløsning basert på nullutslipps alkaliske batterier, som bruker grønn ammoniakk til å produsere strøm. Dette muliggjør kontinuerlig strømforsyning, som kan erstatte dieseldrevne generatorer, spesielt i områder hvor stabil strømforsyning er kritisk.

I 2021 begynte flere globale selskaper å samarbeide om utviklingen av nullutslippsskip drevet av ammoniakkdrivstoffceller. Dette samarbeidet mellom selskaper som Wärtsilä, Eidesvik, og Equinor peker på den potensielle revolusjonen i skipsfartens overgang til bærekraftige energikilder. Den største utfordringen med direkte ammoniakkforbrenning er å kontrollere utslipp av nitrogenoksider, men testene som ble utført i Kina på blanding av ammoniakk og kullkraft har allerede vist lovende resultater, og man har fått til en betydelig reduksjon i utslippene.

Det finnes også pilotprosjekter som kombinerer ammoniakk-hydrogen konvertering med vanlige forbrenningsteknologier, som JERA-prosjektet i Japan. Der har man allerede startet testing av blandet ammoniakk i termiske kraftverk, og planen er å øke andelen ammoniakk i brenselet betydelig i løpet av de neste tiårene. Dette er et klart tegn på hvordan grønne teknologier kan integreres i eksisterende infrastrukturer, og hvordan det kan bidra til en mer bærekraftig energifremtid.

Grønn ammoniakk er allerede i ferd med å bli en viktig aktør på det globale markedet. Fra 16 millioner USD i 2021 forventes det at markedet for grønn ammoniakk vil vokse til 540 millioner USD innen 2030, med en årlig vekstrate på omtrent 90%. Økningen i grønn ammoniakkproduksjon vil trolig være drevet av teknologier som elektrolyse med alkalisk vann, faste oksidmembraner, og protonutvekslingsmembraner. Samtidig blir det utviklet intelligente løsninger som kan oppnå de nødvendige dekarboniseringsmålene, og dette vil spille en avgjørende rolle i veksten av dette markedet.

Innen 2028 vil det globale markedet for grønn ammoniakk være i stand til å generere inntekter på mer enn 1,3 milliarder USD. For land som Kina, der kraftsektoren og energikjemiske sektorer står for majoriteten av karbonutslippene, kan ammoniakk som en alternativ energikilde spille en avgjørende rolle i å nå landets klimamål for karbonsnøytralitet. Med økende investeringer og teknologiske fremskritt i den grønne ammoniakkindustrien ser det ut til at denne energiformen kan være en hjørnestein i den globale energirevolusjonen.

Hvordan påvirker strukturen og modifikasjonene av aktivert karbon lagringsevnen for hydrogen?

Strukturen til aktivert karbon er avgjørende for dens evne til å adsorbere hydrogen. Studien av Zhou og andre viste at adsorpsjonskapasiteten til karbonmaterialer kan forklares gjennom endringer i pakkedensitet og spesifik overflateareal. For eksempel, når det spesifikke overflatearealet reduseres, reduseres også masselagringskapasiteten. På den annen side, når volumetrisk tetthet øker, kan det resultere i en økt mengde hydrogenfrigjøring i et fast volum, noe som forbedrer volumetrisk lagringskapasitet. Dette viser hvordan materialets struktur ikke bare påvirker mengden hydrogen som kan lagres, men også hvordan det frigjøres ved behov.

I tillegg til den grunnleggende strukturen har flere forskere også undersøkt hvordan forskjellige behandlinger og modifikasjoner kan forbedre hydrogenlagringen. Jorda-Beneyto og kolleger økte lagringskapasiteten ved å bruke en WSC-bindemiddel i deres materialer, som ble fremstilt ved pyrolyse ved 750 °C. Dette førte til et høyere mikroporevolum og bedre mekaniske egenskaper, og resulterte i en hydrogenadsorpsjonskapasitet på 29,7 g/L ved 77 K og 4 MPa. Dette resultatet understreker at for å oppnå høy hydrogenlagring på volumbasis, må materialet ha både høy mikroporevolum og høy tetthet.

En annen viktig faktor for å forbedre hydrogenlagring på romtemperatur er økningen av isosterk varme ved hydrogenadsorpsjon. Ved romtemperatur er det vanskelig å oppnå høye lagringskapasiteter på grunn av den lave isosterk varmen, som ligger mellom 5 og 8 kJ/mol H2, noe som hindrer at store mengder hydrogenmolekyler bindes. Studier har vist at ved å modifisere overflaten av aktivert karbon, for eksempel ved å dope det med metallatomer, kan man øke isosterk varmen og dermed forbedre adsorpsjonskapasiteten. Eksempelvis viste Li og Yang at Pt-doping i aktivert karbon kan øke lagringskapasiteten til 1,2 vektprosent ved 298 K og 10 MPa, dobbelt så mye som i ubehandlet karbon.

Forskning har også vist at utviklingen av en hierarkisk porestruktur, der mikroporer er kombinert med mesoporer, kan forbedre hydrogenlagring ved romtemperatur. Xia et al. undersøkte karbonmaterialer med en høy spesifikk overflateareal og en porevolumstruktur som omfatter primære mikroporer (0,7–1,3 nm) og sekundære mesoporer (2–4 nm). Deres resultater viste at disse materialene kunne lagre opptil 0,95 vektprosent hydrogen ved 298 K og 8 MPa, og de antydet at det raske økningen av smale mikroporer, spesielt de som er rundt 1,2 nm i diameter, er avgjørende for å forbedre lagringen ved romtemperatur.

De kjemiske egenskapene til aktivert karbon kan også påvirke dets hydrogenlagringskapasitet. Forskning av Geng et al. viste at Pt/Pd-dopet aktivert karbon hadde en høyere adsorpsjonskapasitet for hydrogen ved 298 K, på grunn av spillover-effekten, der hydrogenatomer migrerer fra metalloverflaten til karbonoverflaten, noe som forbedrer lagringen. I eksperimentene deres viste Pt/Pd-dopet karbon en hydrogenadsorpsjonskapasitet på 1,65 vektprosent ved 298 K og 18 MPa, som var betydelig høyere enn i rent aktivert karbon.

Ettersom forskningen på hydrogenlagring gjennom aktivert karbon fortsetter, blir det tydelig at den maksimale lagringskapasiteten ikke bare er et spørsmål om overflateareal eller porevolum, men også av materialets evne til å tilpasse seg endringer i temperatur og trykk, samt de spesifikke modifikasjonene som er gjort for å forbedre adsorpsjonsprosessen. Det er derfor viktig å forstå at fremtidens løsninger for effektiv hydrogenlagring vil kreve en balansert tilnærming som involverer både forbedring av materialets strukturelle egenskaper og overflatemodifikasjoner for å møte kravene til praktiske applikasjoner.

Hvordan fungerer faststoff-hydrogenlagring og transportteknologi?

Den teknologiske utviklingen innen faststoff-hydrogenlagring og transport har fått økt betydning de siste årene, både som et middel for å lagre og transportere hydrogen effektivt, og som et steg mot mer bærekraftige energiløsninger. Hydrogen har lenge blitt sett på som et lovende alternativ til fossile brensler, og mange forsøk har blitt gjort for å forbedre måtene å lagre og transportere det på. Faststoff-hydrogenlagring, hvor hydrogen lagres i faste materialer, har vist seg å være en av de mest lovende teknologiene.

Et eksempel på en nyutviklet teknologi er en hydrogenbrenselcelle-assistert sykkel som har en rekkevidde på 80 km, basert på modifiserte AB5-type hydrogenlagringslegeringer. Denne sykkelen er allerede i bruk i industrielle demonstrasjonsanlegg. Et annet eksempel er et magnesium-basert faststoff-hydrogenlagringssystem utviklet i Kina, som har vist seg å være et levedyktig alternativ for hydrogenlagring og -forsyning. Dette systemet, som er en del av et integrert hydrogenenergisystem, demonstrerer hvordan solenergi kan brukes til elektrolyse av vann, som deretter lagrer hydrogen i magnesiumlegeringer.

Teknologien er fortsatt i tidlig fase, og det er flere tekniske utfordringer som må løses før den kan tas i bruk på stor skala. For det første er det nødvendig å utvikle billige og effektive metoder for å produsere lagringsmaterialene i store mengder. For det andre må designet av lagringstankene forbedres slik at de kan håndtere høyere kapasitet og høyere temperaturer. Endelig er integrering av varmesystemer, som kan utnytte overskuddsvarme til å hjelpe med hydrogenfrigjøring, en viktig utfordring.

En typisk faststoff-hydrogenlagringstank består av flere komponenter, inkludert et lagringsmateriale, et skall, gassrør og filtre, varmeoverføringsmedier som finner og metallskum, samt varmeelementer for oppvarming. Skallet på en tank er vanligvis sylindrisk, da dette gir god tetning og motstand mot trykk. Rørene og filtrene sørger for at hydrogenet strømmer jevnt gjennom tanken og hindrer partikler fra lagringsmaterialet fra å komme i kontakt med rørledningen.

I tillegg benyttes varmeoverføringsmaterialer som finner og metallskum for å øke den termiske ledningsevnen i tanken, ettersom det er stor termisk motstand i lagringsmaterialene som kan føre til temperaturforskjeller og dermed redusere ytelsen. Varmesystemene kan inkludere varmeledende rør som bidrar til å opprettholde en jevn temperatur i tanken under både absorpsjon og frigjøring av hydrogen.

En annen utfordring som må tas i betraktning, er at hydrogenlagringsmaterialene kan utvide og trekke seg sammen når hydrogenet tas opp og slippes ut. For å håndtere dette problemet, er det vanlig å forlate en reserveplass i tanken for å tillate at materialene kan ekspandere uten å forårsake skader på tankens struktur. Denne plassen, vanligvis 10-20% av tankens totale volum, er nødvendig for å forhindre at materialene komprimeres for mye, noe som kan føre til strukturell svikt.

For å forbedre effektiviteten og sikkerheten til lagringssystemene, utvikles det i dag matematiske modeller som beskriver både absorpsjon- og desorpsjonsprosessen i hydrogenlagringstanker. Disse modellene tar hensyn til faktorer som temperatur, trykk og hydrogeninnhold, og gir en kvantitativ forståelse av hvordan hydrogen reagerer i lagringsmaterialene under forskjellige forhold. Ved hjelp av simuleringer og eksperimenter kan forskere utvikle mer effektive og trygge design for fremtidige hydrogenlagringssystemer.

I tillegg er det behov for ytterligere forskning på de termodynamiske egenskapene til legeringer som brukes til hydrogenlagring. PCT-kurver (tryk-temperatur-konsentrasjonskurver) for forskjellige materialer må analyseres for å finne de mest optimale forholdene for hydrogenlagring. Dette innebærer blant annet å studere hvordan forskjellige legeringer reagerer ved forskjellige temperaturer og trykk, og hvordan de kan utvikles for å lagre mer hydrogen på en mer effektiv måte.

Gjennomgående er det klart at faststoff-hydrogenlagring representerer en lovende løsning for å lagre og transportere hydrogen, men teknologien er fortsatt på et eksperimentelt stadie og krever videre utvikling før den kan tas i bruk kommersielt. Både teknologiske utfordringer og økonomiske barrierer må overvinnes for å gjøre hydrogenlagring både effektiv, trygg og kostnadseffektiv nok for storskala implementering. Dette er en spennende tid for forskning på dette området, og vi vil sannsynligvis se mange innovasjoner i årene som kommer.