Hydrogenkompressorer er en essensiell teknologi for oppbevaring og distribusjon av hydrogen i drivstoffstasjoner, og det finnes en rekke teknologiske løsninger og utfordringer knyttet til deres bruk. I denne konteksten blir det viktig å forstå forskjellen på de ulike typer kompressorer og deres spesifikasjoner, samt hvilke tekniske hindringer som fortsatt må overvinnes før hydrogenkomprimering kan implementeres på bredere skala.

I Kina finnes flere selskaper som utvikler og produserer hydrogenkompressorer, blant dem Hengjiu Jiangsu Hengjiu Machinery Co., Ltd., Beijing Zhongding, Hengsheng Equipment Co., Ltd. og Beijing Jingcheng Compressor Co., Ltd. Disse har spesialisert seg på forskjellige typer kompressorer, hvor enkelte kan nå ekstremt høye trykk på opptil 70 MPa, og enkelte til og med 90 MPa i forsknings- og utviklingsstadiet. Den høyeste trykkgrensen som er tilgjengelig i dag for kommersiell bruk er 70 MPa, og flere innenlandske selskaper i Kina er også i ferd med å utvikle prototyper som kan operere på 90 MPa, som vist i et forsøk på Dalian Tongxin Hydrogen Refueling Station. Disse utviklingene viser den teknologiske fremgangen, men også nødvendigheten av å forbedre påliteligheten av disse systemene før de kan tas i kommersiell bruk.

En annen viktig teknologi innen hydrogenkomprimering er den olje-fri boosterkompressoren. Denne type kompressor, også kjent som hydraulisk drevet olje-fri hydrogenkompressor, brukes hovedsakelig i stasjonære systemer og har et maksimalt utløpstrykk på 100 MPa. De er designet for høyeste pålitelighet, og mange har et trykk på 45 MPa med en kapasitet på mellom 41,6–66,6 kg/h. Dette gjør dem egnet for bruk i stasjoner som trenger å håndtere betydelige mengder hydrogen uten at forurensning eller oljekontaminasjon oppstår.

Det finnes også fremvoksende teknologier som ionkompressorer, som bruker ionisk væske for å erstatte den tradisjonelle stempelmekanismen. Denne teknologien er fortsatt i forskningsstadiet, men den har allerede vist potensial for å nå trykk på 90 MPa. Linde, et tysk selskap, har utviklet en slik kompressor som skiller kompresjonssystemet fra drivsystemet gjennom en fast stempel. Denne utformingen tillater høy hastighet og stor sylinderdiameter, noe som gjør den godt tilpasset de hyppige endringene som skjer i en hydrogenfyllestasjon. Dessuten løser den problemet med smøring og tetning, som er vanlige utfordringer for tradisjonelle stempelmaskiner i høytrykksmiljøer.

En av de største utfordringene med hydrogenkomprimering, og en som også utgjør en risiko for materialene som brukes i produksjonen, er fenomenet hydrogenembrittling. Dette refererer til den prosessen der hydrogen penetrerer metallmaterialer, vanligvis stål, og forårsaker svekkelse av materialet. Hydrogenmolekylene trenger inn i de interne strukturene til metallet og kan forårsake sprekker og brittisk svikt. Dette skjer særlig i områder med høy residuell spenning, som i skjøter eller andre defekte steder i metallet. Hvis trykket av hydrogen blir for høyt, kan dette føre til alvorlig skade på trykkbeholdere og andre komponenter i kompresjonssystemet.

Den teknologiske utviklingen innen kompressorer og lagring av hydrogen har kommet langt, men flere barrierer må fortsatt overvinnes for å gjøre hydrogenkomprimering pålitelig og økonomisk tilgjengelig på global skala. Det er viktig å forstå at mens prototypene og forskningen pågår, må man ta hensyn til materialvalg, pålitelighet, sikkerhet og langvarig ytelse under de ekstreme forholdene som oppstår i hydrogeninfrastrukturen.

For leseren er det viktig å ha i mente at fremtidens hydrogenlagringsløsninger ikke bare handler om teknologiens kapasitet til å oppnå høyere trykk, men også om å sikre at disse systemene kan operere på en stabil og trygg måte i lang tid. Utover teknologien må det også legges vekt på økonomiske og logistiske faktorer som transport, installasjon og vedlikehold av disse kompressorene og lagringssystemene, som er avgjørende for utviklingen av en global hydrogenøkonomi.

Hvordan fungerer stasjonære hydrogenlagringssystemer og rørledninger?

Stasjonære hydrogenlagringssystemer, som ofte finnes i stasjoner for påfylling av hydrogen, benytter spesialiserte lagringstanker som er designet for å håndtere de unike utfordringene knyttet til lagring av hydrogen under høyt trykk. Et av de viktigste aspektene ved denne teknologien er å forhindre svikt i materialene som kan føre til lekkasjer eller til og med eksplosjoner. Hydrogenembrittling er et fenomen hvor hydrogen, under høyt trykk, trenger inn i metallmaterialer og forårsaker svekkelse av materialets mekaniske egenskaper, spesielt i forhold til duktilitet og seighet. Dette skjer når lokalhydrogennivåene i metallet når en kritisk grense, noe som kan føre til sprekkdannelse eller forsinket brudd.

Hydrogenembrittling er en alvorlig utfordring, og det er derfor avgjørende at design og produksjon av stasjonære hydrogenlagringsbeholdere tar hensyn til dette. I Kina benyttes lagringstanker med en stålforing og et helkarbonfiberinnpakningssystem for å redusere risikoen for embrittling. Tankene er utformet slik at de skal oppnå en "lekkasje før brudd"-tilnærming, som betyr at de skal være i stand til å frigjøre hydrogen på en kontrollert måte før strukturen svikter helt. Denne tilnærmingen er avgjørende for å sikre sikkerheten ved lagring og transport av hydrogen i høyt trykk.

For å teste materialene som benyttes i disse tankene, finnes det flere metoder. En type test kalles diskprøve, som raskt vurderer om materialet er egnet for bruk i hydrogeneksponerte komponenter. Andre tester, som langsom strekkhastighetstesting eller fatigue-testene, gir mer detaljerte data om materialenes mekaniske egenskaper under høyt trykk. De vanligste metodene for testing omfatter strekkprøver, som tester materialets evne til å motstå sprekker under tøffe forhold, og utmattelsestester som simulerer de belastningene som tankene vil bli utsatt for over tid.

I tillegg til å håndtere hydrogenembrittling, må stasjonære lagringssystemer også ta høyde for lavsyklisk utmattelse. Dette innebærer at tankene vil oppleve trykkfluktuasjoner over tid, som kan føre til materialtretthet og redusert levetid. Ifølge standardene for design og produksjon, som TSG 21—2016 og GB/T 34542, skal det tas hensyn til både materialspesifikasjoner og prosesseringsspenning for å forhindre materialfeil som kan føre til svikt.

Hydrogenrørledninger spiller også en viktig rolle i transporten av hydrogen fra produksjonsanlegg til distribusjonsstasjoner. Det finnes både langdistanse rørledninger, som er designet for å transportere store mengder hydrogen over lange avstander, og kortdistanse distribusjonsrørledninger som kobler stasjonene til forbrukerne. Hydrogenrørledninger krever høyt trykk for effektiv transport, og rørledninger for langdistanseoverføringer har betydelig større diameter og trykk enn de som brukes for distribusjon. Mens kostnadene ved å bygge hydrogenrørledninger er betydelig høyere enn for naturgassrørledninger, kan det å bygge et omfattende rørledningsnettverk for hydrogen være en løsning på utfordringene med distribusjon på tvers av store geografiske områder.

Historisk sett har utviklingen av hydrogenrørledninger vært en langsom prosess, men allerede på 1930-tallet ble det etablert rørledninger for transport av hydrogen i Tyskland, og i dag har Europa et nettverk på over 1500 km. I USA er det også et omfattende rørledningssystem, spesielt i Texas og California, og i Kina er hydrogenrørledninger i utvikling, med en planlagt utvidelse til 3000 km innen 2030.

Hydrogentransport gjennom rørledninger og lagring i stasjonære systemer er en essensiell del av infrastrukturen for en bærekraftig hydrogenøkonomi. Den teknologiske utviklingen for å håndtere de unike utfordringene som følger med hydrogenlagring og -transport er avgjørende for å gjøre hydrogen til et levedyktig alternativ til fossile brensler.

Endtext

Hvordan kan vi forbedre kapasiteten for hydrogenlagring i MOF-materialer?

I dagens forskning på MOF (Metal-Organic Frameworks) materialer er det flere tilnærminger som har vist seg å øke hydrogenlagringskapasiteten. Denne kapasiteten er i stor grad bestemt av adsorpsjonsvarmen av hydrogen, som påvirker styrken på interaksjonen mellom materialet og hydrogenmolekylene. Per i dag er adsorpsjonsvarmen for de fleste MOF-materialene rundt 5 kJ/mol H2, men teoretiske beregninger antyder at den optimale verdien for høyytelses-MOFs ligger mellom 15 og 25 kJ/mol H2.

En viktig strategi for å forbedre hydrogenlagringsevnen i MOF-materialer er å øke adsorpsjonsvarmen. Dette kan oppnås på flere måter, som ved å fjerne koordinerende løsemiddelmolekyler fra metalldelen, noe som skaper umettede metallsteder på overflaten av porene, og dermed muliggjør ladningsindusert dipolinteraksjon mellom de åpne metallstedene og hydrogenmolekylene. For eksempel har Xiao et al. testet hydrogenlagringskapasiteten til HKUST-1 ved 77 K, og oppdagelsen var en lagring på 2,27 vekt% ved 0,1 MPa og 3,6 vekt% ved 1 MPa.

En annen metode for å øke adsorpsjonsvarmen er å bruke dopingteknikker, som innebærer å tilsette metallioner i MOF-materialene. Dette kan øke interaksjonen mellom metallet og hydrogenmolekylene. Lim et al. sammenlignet for eksempel en ikke-dopet SNU-200 MOF med en K+-dopet versjon, og fant at den dopede versjonen hadde en økt adsorpsjonsvarme fra 7,70 til 9,92 kJ/mol H2, og lagringskapasiteten økte fra 1,06 vekt% til 1,19 vekt%. Doping med edle metaller som palladium eller platinum kan også øke kapasiteten ved å aktivere spillover-effekten, hvor dissosierte hydrogenatomer sprer seg fra metallet til MOF-porene. Imidlertid er det fortsatt uklarheter rundt påliteligheten av spillover-effekten, og ytterligere eksperimenter er nødvendige for å bekrefte dens effektivitet.

For høyttrykkshydrogenlagring er det viktig å forstå hvordan arbeidskapasiteten til hydrogen i MOF-materialer defineres. Dette er forskjellen i kapasitet mellom hydrogenlagring ved maksimalt lagringspress (ca. 10 MPa) og det minste frigjøringstrykket (ca. 0,5 MPa) ved romtemperatur. For øyeblikket er arbeidskapasiteten for MOF-materialer under disse forholdene relativt lav, men gjennom justering av lagringsforholdene – som for eksempel å endre trykksvingprosessens forhold fra 77 K og 10 MPa til 160 K og 0,5 MPa – kan man øke arbeidskapasiteten betraktelig. Dette kan ha en stor innvirkning på utformingen og produksjonen av hydrogenlagringstanker.

Materialer som Ni2(m-dobdc) har for eksempel en gravimetrisk og volumetrisk arbeidskapasitet på henholdsvis 1,9 vekt% og 11 g/L ved romtemperatur. Lang et al. har utviklet V2Cl2.8(btdd)-materialet, som viste en hydrogenadsorpsjonsvarme på 20,6 kJ/mol og en god arbeidskapacitet på 1,5 vekt% og 9,8 g/L ved romtemperatur. Denne materialtypen viser at det er mulig å oppnå optimal adsorpsjonsvarme og samtidig øke arbeidskapasiteten. Andre materialer som MOF-5 og IRMOF-20 har også demonstrert imponerende resultater, med gravimetriske verdier på henholdsvis 7,8 vekt% og 9,1 vekt% ved spesifikke trykkforhold, og volumetriske kapasiteter som når opp til 51,9 g/L.

Utfordringen ligger imidlertid i stabiliteten til strukturen til MOF-materialene. De som er basert på metallklustre som Cu2 og Zn4, har høy spesifikk overflate og stor lagringskapasitet, men strukturen deres er fortsatt et problem, spesielt ved høyt trykk. På den andre siden har MOF-materialer basert på høyt-verdige metallklustre som Zr6, Al3 og Fe3 vist seg å ha bedre strukturell stabilitet, noe som er avgjørende for langsiktig bruk i hydrogenlagring.

For å oppnå virkelig effektiv hydrogenlagring på lang sikt, er det derfor essensielt å forbedre både materialenes adsorpsjonskapasitet og deres strukturelle stabilitet. Dette kan inkludere forbedringer i materialenes molekylære design og utvalg av riktig metallkatalysator for å optimalisere både ladningsinteraksjonene og strukturelle forhold, noe som vil muliggjøre mer pålitelig og kostnadseffektiv hydrogenlagring.

Hvordan velge gate-motstand for optimal ytelse i IGBT/MOSFET-brytere?
Hvordan Plasma, Gammastråling og Hybridteknikker Kan Bidra til Degradering av PFAS
Hvordan kan AI-baserte verktøy transformere sosiologisk utdanning uten teknisk forkunnskap?
Hvordan bygge robuste Android- og webapplikasjoner med Kotlin 2.0
Hvordan oppnå meningsfulle samtaler og bygg relasjoner gjennom effektiv kommunikasjon
Hvordan bruke z-score tabeller i statistisk analyse