Hva er de nyeste fremskrittene innen faststoffhydrogensystemer og deres anvendelser?

De siste årene har utviklingen av faststoffhydrogensystemer gjort betydelige fremskritt, med et fokus på forbedret lagring, transport og anvendelse av hydrogen som en ren energikilde. For eksempel har Shanghai Jiaotong University, sammen med Shanghai Magnesium Power Technology Co. Ltd. og Shanghai Yuji Power Technology Co. Ltd., utviklet en 50–200 W høyenergitetthet bærbar brenselcelle som benytter magnesiumhydride hydrolyse. Denne enheten kan operere i et temperaturområde fra −40 til 50 °C, med et system som kan nå en energitetthet på 600 W·h/kg. Dette gjør slike systemer svært interessante for applikasjoner hvor portabilitet og energieffektivitet er avgjørende.

Et annet bemerkelsesverdig fremskritt er innen hydrogenmetallurgi, spesielt i stålproduksjon. I mai 2021 startet HBIS Group Co. Ltd. det første demonstrasjonsprosjektet for direkte reduksjon med hydrogenrikt gass i Zhangjiakou, Hebei. Dette markerer et gjennombrudd i industrien for å erstatte kullbasert stålproduksjon med hydrogen, noe som potensielt kan revolusjonere smelteprosessen. I desember 2021 startet China Baowu Steel Group byggingen av et vertikalt ovnsanlegg for direkte reduksjon med hydrogen som en del av deres miljøvennlige strategi.

Innen utviklingen av faststoffhydrogensystemer har Shanghai Jiaotong University, i samarbeid med H2 Store (Shanghai) Energy Tech Co. Ltd., utviklet Kinas første prototypenhet for magnesiumbasert faststoffhydrogenlagring på 70 kg. Dette representerer et viktig steg mot storskala lagring og transport av hydrogen, spesielt i sektorer som transport og industri. Dette arbeidet ble også støttet av Baowu Clean Energy Ltd., som har utviklet et integrert hydrogenenergisystem kalt "Hydrogen Quadriga", som verifiserer levedyktigheten av magnesiumbasert hydrogenlagringsteknologi i hydrogenenergi- og hydrogenmetallurgiprosesser.

I hydrogenpåfyllingsstasjoner har lavtrykk-alloybaserte hydrogenlagringssystemer fått økt oppmerksomhet. I 2019 ble den første lavtrykks-hydrogenpåfyllingsstasjonen basert på faststoffhydrogenlagringslegering bygget i Liaoning av Shenzhen Up Power Technology Co. Ltd. Denne stasjonen har flere fordeler, som lavt initialt investeringskostnad, små plassbehov og muligheten til å resirkulere lagringslegeringene uten skade. Likevel er det utfordringer knyttet til høy pris og stor vekt på systemene.

Hydrogensystemer er avhengige av spesifikke materialer som kan lagre hydrogen effektivt og på en økonomisk bærekraftig måte. Metallegierungen, som kan lagre hydrogen gjennom dannelse av metallhydrider, er i dag den mest etablerte teknologien. Disse legeringene har en regelmessig atomstruktur som tillater lagring av hydrogenatomer i gittergapene. Hydrogen kan lett absorberes under bestemte temperatur- og trykkforhold og slippes ut ved oppvarming, en prosess som kan gjentas flere ganger. De viktigste materialene som brukes i utviklingen av hydrogenlagringslegeringer inkluderer sjeldne jordmetaller som AB5 og Mg-baserte legeringer, som har vist seg å være både effektive og relativt billige i industrialisert produksjon.

I laboratoriet er metoder som in-situ impregnering og smelting mye brukt for å syntetisere nanomaterialer for hydrogenlagring, og dette kan gi betydelige fordeler for fremtidens høyytelseslagringssystemer. Den første kommersielle applikasjonen av AB5 legering ble gjort med LaNi5, som i dag brukes i nikl-hydrogenbatterier, men på grunn av materialets dyre natur og lavere syklisk ytelse, er det blitt utviklet flere alternativer, som TiMn2, TiFe og sjeldne jord-metall magnesium-nikkel legeringer. Disse legeringene er rimeligere og lettere å produsere, noe som gjør dem ideelle for industrielle applikasjoner.

Hvordan utviklingen av hydrogenenergi krever tverrfaglig kompetanse og innovasjon i utdanningen

Hydrogenenergi, som en sekundær energikilde med mange ulike opprinnelser, effektive anvendelser og miljøfordeler, har fått en stadig viktigere rolle innen transport, energilagring, industri og kraftproduksjon. Med introduksjonen av Kinas "dual-karbon"-strategi, som har som mål å redusere karbonutslippene og sikre energisikkerhet, har hydrogen energi blitt en avgjørende støtte for Kinas lavkarbonomlegging og utvikling av et grønt industrisystem. Dette har ført til en klar og målrettet utviklingsretning for hydrogenindustrien.

I denne sammenhengen har utdanningen av kompetent arbeidskraft blitt en nøkkelutfordring. Hydrogenindustrien krever tverrfaglige talenter med en solid teoretisk bakgrunn, et komplett kunnskapssystem og en sterk fokus på praktisk anvendelse. Dette har ført til initiativer for å etablere spesifikke utdanningsprogrammer og kompetansebygging, særlig på universitetsnivå, som skal møte industrien behov for fagfolk som kan drive utviklingen fremover.

I 2021 utga Kinas utdanningsdepartement "Carbon Neutrality Technology Innovation Action Plan for Higher Education Institutions", som fremmet teknologiske utdanningsinstitusjoner for karbonnøytralitet og opprettelsen av energiutdanning i høyere utdanning. Dette ble etterfulgt av en "Work Plan for Strengthening the Talent Cultivation System in Carbon Peak and Carbon Neutrality Higher Education" som ble publisert året etter, og som adresserte teknologi- og talentutvikling for hele hydrogenenergiindustrien, fra produksjon til lagring, transport og bruk. Dette innebærer at utdanningssystemet tilpasser seg de nødvendige kravene for å bygge kompetanse og kapasitet som industrien etterspør.

I takt med at hydrogenenergiindustrien vokser, er det avgjørende at kompetansenivået hos de som arbeider med teknologiene også utvikles. Det er derfor et sterkt behov for høyt kvalifiserte talenter som kan implementere hydrogenrelaterte teknologier og sikre effektiv drift av de nødvendige systemene. Dette krever samarbeid mellom industri, akademia og forskning for å utvikle et innovasjonssystem som fremmer utdanning og teknologiutvikling på tvers av sektorer. Et eksempel på dette samarbeidet er den omfattende boken "Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Application Talent Training Series", som inkluderer flere sentrale emner som hydrogenproduksjon, lagring og transport, samt sikkerhet og vedlikehold av brenselceller og hydrogenkjøretøyer.

I tillegg til den tekniske kompetansen, er det viktig å forstå hvordan samfunnets holdninger og politiske beslutninger påvirker utviklingen av hydrogenindustrien. For å kunne møte de kravene som stilles av denne fremvoksende industrien, må utdanningssystemer og arbeidsmarkeder tilpasse seg raskt. Regjeringens initiativer, som å opprette spesialiserte utdanningsprogrammer på universitetsnivå og å legge til rette for et styrket samarbeid mellom akademia og næringsliv, viser et klart politisk engasjement for å utvikle hydrogenindustrien som et bærekraftig og innovativt næringsområde.

Hydrogenenergi representerer ikke bare en teknologisk utfordring, men også en mulighet for å drive frem bærekraftige løsninger på tvers av ulike sektorer. Derfor er det ikke bare den tekniske og industrielle utviklingen som er viktig, men også hvordan mennesker og organisasjoner tilpasser seg for å sikre en vellykket overgang til en hydrogenbasert økonomi. Gjennom kontinuerlig utdanning, tverrfaglig samarbeid og politisk støtte, kan vi forvente at hydrogenindustrien vil spille en ledende rolle i den globale energiomleggingen mot nullutslipp.

Hvordan oppbevaring og transport av hydrogen utvikles for fremtiden

Hydrogenlagring og -transport er avgjørende for effektiv distribusjon og bruk av hydrogen som energikilde. De viktigste metodene for lagring og transport omfatter både flytende hydrogen og hydrogenrike forbindelser, samt faststoffhydrogenlagring. Hver av disse teknologiene har spesifikke fordeler og utfordringer, avhengig av bruksområdet og de tekniske kravene.

Flytende hydrogen lagres ved å kjøle hydrogenet til -253°C, noe som gjør det mulig å oppbevare det som en væske. Denne metoden er spesielt effektiv for transport over lange avstander, da væskeformig hydrogen har høyere energitetthet enn gassformig hydrogen. Alternativt kan hydrogen lagres i hydrogenrike forbindelser, som flytende ammoniakk eller metanol, der hydrogenet er bundet i kjemiske forbindelser og frigjøres gjennom katalytisk hydrogenasjon eller dehydrogenering. Dette åpner for flere muligheter for lagring og frigjøring av hydrogen, men med de utfordringer som følger med håndtering og stabilitet av disse forbindelsene.

Faststoffhydrogenlagring er en annen teknologi som involverer lagring av hydrogen i faste materialer som legeringer, metallhydrider eller karbonbaserte materialer som grafen og nanotuber. Disse materialene gjør det mulig å lagre hydrogen ved lavere trykk og temperaturer sammenlignet med gass- og væskemetoder. Det finnes flere typer faststoffhydrogenlagringsmaterialer, som legeringer basert på jordartsmetaller eller titan, komplekshydrider som LiAlH4, samt aminer og metal-organiske rammeverk. Denne teknologien er fremdeles i utvikling, med kun et begrenset antall demonstrasjonsanlegg, men har et betydelig potensial for fremtiden.

Hydrogenfyllestasjoner er kritiske komponenter i et fremtidig hydrogenbasert energisystem. Hydrogenlagring er den viktigste delen av et fyllestasjonssystem, og det finnes forskjellige metoder for oppbevaring på stasjonene. De vanligste lagringssystemene inkluderer store trykksylinderbeholdere og beholdere som er gruppert i mindre volum for mobil lagring. For eksempel bruker mange fyllestasjoner stålbeholdere for å oppbevare hydrogen ved trykk på 35-70 MPa, og de er designet for å tåle trykkbelastninger i henhold til strenge sikkerhetsstandarder. Dette gjør det mulig å sikre pålitelig og rask levering av hydrogen til kjøretøyene.

Transportable høytrykksbeholdere brukes for å transportere hydrogen mellom produksjonssteder og fyllestasjoner. Disse beholdere er spesielt utviklet for å være lette og sikre, og de brukes blant annet til å forsynne hydrogen til hydrogenbiler. I de tidlige stadiene ble rørhengere ofte brukt til transport, men nå utvikles det mer effektive løsninger for å imøtekomme behovene til moderne mobilitet.

I Kina er hydrogenlagring og -transport fortsatt på et tidlig stadium i industrien, men flere ambisiøse prosjekter er under utvikling for å forbedre teknologiene. Ifølge Kinas "Mellom- og Langtidsplan for Utvikling av Hydrogen Energiindustri (2021-2035)" vil framtidens hydrogenlagringssystemer ha egenskaper som høy tetthet, lettvekt, lav kostnad og mangfoldighet. Det understrekes at forskjellige lagrings- og transportmetoder må velges i henhold til spesifikke bruksområder og scenarier.

Et viktig aspekt ved utviklingen av hydrogenlagringsteknologier er at det må tas hensyn til både de tekniske utfordringene og de økonomiske faktorene. Effektiv lagring og transport er ikke bare et spørsmål om teknologi, men også om kostnader og skalerbarhet. For at hydrogen skal kunne spille en sentral rolle i den globale energiomstillingen, er det avgjørende at lagringsteknologi utvikles på en måte som gjør den både økonomisk konkurransedyktig og praktisk gjennomførbar i stor skala. Utviklingen av infrastruktur for hydrogenlagring og -transport vil være en nøkkelfaktor for å muliggjøre overgangen til et mer bærekraftig energisystem.

Det er også viktig å forstå at hydrogenlagring er tett knyttet til andre aspekter av hydrogenøkonomien, som produksjon og distribusjon. Effektiv hydrogenproduksjon og -transport kan ha stor innvirkning på de teknologiene som utvikles for lagring. For eksempel kan kostnadene og tilgjengeligheten av produksjonsmetoder for hydrogen påvirke hvilke lagringsteknologier som blir valgt i ulike deler av verden. Det er derfor nødvendig å ha en helhetlig tilnærming til utviklingen av hydrogeninfrastrukturen for å sikre at lagringsløsningene er integrerte med resten av energikjeden.

Hva er potensialet for karbon-nanotuber og MOF-materialer i lagring av hydrogen?

Hydrogen er et av de mest lovende alternativene for ren energiproduksjon, og det er derfor et stort behov for effektive og bærekraftige metoder for lagring av hydrogen. Karbon-nanotuber (CNT) og metall-organiske rammeverk (MOF) har fått økt oppmerksomhet som potensielle materialer for hydrogenlagring. Disse materialene tilbyr flere fordeler, men også noen utfordringer som må overvinnes for at de skal kunne brukes kommersielt.

Studier har vist at den fysiske adsorpsjonen av hydrogen på karbon-nanotuber er relatert til overflatearealet til materialet. Jo høyere overflateareal, desto høyere hydrogenlagringskapasitet kan oppnås. Men på grunn av det relativt små overflatearealet til karbon-nanotuber, er det ikke et ideelt materiale for hydrogenlagring alene. Det er imidlertid mulig å forbedre lagringskapasiteten ved å øke antall defekter i nanotubene, for eksempel gjennom ballmaling, alkali-aktivering eller syrebehandling. Forsøk har vist at ballmaling kan øke hydrogenadsorpsjonen betydelig, da det både øker overflatearealet og skaper flere defekter som kan adsorbere hydrogen.

En annen måte å forbedre hydrogenlagringskapasiteten på er ved å bruke metallnanopartikler for å dopere karbon-nanotubene. Metallnanopartikler, som nikkel og titan, kan bidra til å opprettholde nanotubens morfologi og forbedre adsorpsjonen av hydrogen ved hjelp av spillover-mekanismen, hvor hydrogenmolekylene adsorberer på metalloverflaten og deretter overføres til karbonoverflaten. Forsøk har vist at dopede karbon-nanotuber kan lagre betydelig mer hydrogen enn ubearbeidede nanotuber.

Videre forskning på MOF-materialer har fokusert på å tilpasse lengden på de organiske koblingene for å oppnå høyere porøsitet. Porestørrelsen til MOF-materialer bør tilpasses den kinetiske diameteren av hydrogenmolekylet (~2,9 Å), slik at de oppnår sterke van der Waals-krefter mellom materialet og hydrogenet. Dette kan føre til enda høyere lagringskapasitet. Et annet mål har vært å forbedre adsorpsjonens varmevedlikehold (isosterisk varme), som måler hvor mye energi som kreves for å adsorbere et molekyl på materialets overflate.

For både karbon-nanotuber og MOF-materialer er det viktig å forstå at hydrogenlagringskapasiteten ikke bare avhenger av overflatearealet, men også av hvordan hydrogen interagerer med materialets overflate. For eksempel, i karbon-nanotuber er det vanlig at adsorpsjonen skjer fysisk gjennom van der Waals-krefter, men i noen tilfeller kan metallnanopartikler og andre dopanter forbedre denne interaksjonen betydelig. I MOF-materialer kan justering av porestrukturene og tilkoblingene mellom metallene og de organiske komponentene være avgjørende for å oppnå høyere kapasitet.

Selv om både karbon-nanotuber og MOF-materialer har et betydelig potensial for hydrogenlagring, er det fortsatt flere utfordringer som må løses. For karbon-nanotuber er det behov for videre forskning på hvordan man kan øke hydrogenlagringen ved romtemperatur og redusere defektenes innvirkning. MOF-materialer har også utfordringer med stabilitet under virkelige driftsforhold, som temperatur- og trykkvariasjoner, noe som kan påvirke deres langsiktige ytelse.

I tillegg til materialegenskapene er det også viktig å forstå de økonomiske og praktiske aspektene ved implementering av disse teknologiene. Selv om laboratorieforsøk viser lovende resultater, er det fortsatt behov for å utvikle kostnadseffektive produksjonsmetoder og tilstrekkelig lagringskapasitet til å møte industrielle behov. Det er også viktig å vurdere den praktiske gjennomførbarheten av systemene som skal bruke disse lagringsmaterialene, samt deres sikkerhet og pålitelighet.