Hvordan Hydrogenlagring og Transport med Høyt Trykk Bidrar til Utviklingen av Hydrogendrevne Kjøretøy

Hydrogendrevne kjøretøy har vært i fokus for både teknologiske fremskritt og miljøbevissthet i flere tiår. En nøkkelfaktor i utviklingen av disse kjøretøyene er hvordan hydrogen lagres og transporteres på en sikker og effektiv måte. Spesielt har lagring av hydrogen i høyt trykk og de teknologiske systemene som støtter dette blitt et viktig element i bruken av hydrogen som drivstoff. Denne teknologien omfatter ulike typer høyt trykk-gassbeholdere, der Type IV tanker, laget av kompositmaterialer som karbonfiber, har blitt den dominerende løsningen på verdensbasis.

I produksjonen av disse tankene er Norge et viktig bidragsyter gjennom Hexagon Composites, som er en av de ledende aktørene innen komposittmaterialer for gassbeholdere. Selskapet produserer Type IV-tanker med høy hydrogenlagringstetthet for internasjonale bilprodusenter som Toyota, Honda og Mercedes-Benz. I tillegg til Hexagon, har også andre globale selskaper som Faurecia fra Frankrike, NPROXX fra Tyskland, og JFE fra Japan etablerte produksjonskapasiteter for disse tankene.

I Kina har produksjonen av Type IV-tanker begynt å ta av, med Sylinda Anke som den første innenlandske produsenten som har mottatt produksjonslisens for ikke-metalliske indre liner fibrete gassbeholdere. Selv om Kina har gjort betydelige fremskritt, er det fortsatt et betydelig gap mellom Kinas teknologi og den internasjonale standarden, noe som gjør det nødvendig med ytterligere innsats for å nå kommersielle applikasjoner.

Et viktig aspekt ved teknologiutviklingen for lagring og transport av hydrogen er bruken av høyt trykk-gassylindre. Disse sylindrene blir brukt i tre hovedområder: transport via høyt trykk-hydrogenrørhengere, lagring av hydrogen ombord i kjøretøy og stasjonære hydrogenlagringssystemer. For transportformål er høyt trykk-hydrogenrørhengere de mest modne løsningene for massetransport av hydrogen, og har blitt brukt i industrien siden 1960-tallet. Rørhengere er utviklet ved at flere stålbeholdere, ofte mellom 10 og 15 i antall, kobles sammen og festes på en trailer. I Kina har rørhengere blitt en viktig del av hydrogeninfrastrukturen, spesielt i områdene rundt Yangtze River Delta og Pearl River Delta.

Rørhengere kan deles inn i to typer, nemlig rammebaserte rørhengere og bundne rørhengere. Rammebaserte rørhengere er de mest brukte og teknisk modne, mens bundne rørhengere har en høyere transporteffektivitet, da de reduserer vekten av rammen. De sistnevnte har også økt bruken av teknologi for å håndtere hydrogentransport i industrielle sammenhenger. Med tanke på de brennbare og eksplosive egenskapene til hydrogen, har Kina utviklet spesifikke forskrifter for både produksjon og transport av disse rørhengere. Dette inkluderer detaljert regulering av materialer, design, testing og inspeksjonsprosedyrer.

Når det gjelder produksjonen av gassylindre for rørhengere, kreves det at de oppfyller strenge sikkerhetsstandarder. For eksempel må de være laget av sømløst stål og ha en volumkapasitet på mellom 2 og 4,2 m³, med et arbeidstrykk mellom 15 og 35 MPa. En viktig del av produksjonsprosessen innebærer at sylinderne må gjennomgå omfattende kvalitetskontroller, inkludert en grundig overflatebehandling for å sikre at de er egnet til å lagre høyren hydrogen. Prosessen kan omfatte alt fra skuddblåsingsbehandling til sliping og rengjøring ved hjelp av deionisert vann, og til slutt vakuumoppvarming for å redusere fuktigheten til under 1 mg/L.

Hva som ofte blir oversett er viktigheten av standardisering og sikkerhetsprosedyrer i hydrogentransporten. Hydrogengass, på grunn av sin ekstremt lave tetthet, krever spesialiserte løsninger for å oppnå en tilstrekkelig energitetthet i lagringssystemene. Det er derfor nødvendig å bruke materialer som kan tåle ekstremt høyt trykk og temperaturer, samtidig som de sikrer at hydrogenet lagres trygt uten risiko for lekkasjer eller eksplosjoner. Dette er et aspekt som får stadig mer oppmerksomhet fra myndigheter og forskningsinstitusjoner globalt.

Endtext

Hvordan forbedre isolasjonens ytelse i lagringsbeholdere for flytende hydrogen?

I utviklingen av lagringsteknologi for flytende hydrogen, er det avgjørende å forstå hvordan valget av materialer og deres egenskaper påvirker den termiske isolasjonen. Behovet for høyvakuum isolasjon og materialer som kan motstå ekstreme temperaturer er spesielt viktig for å sikre effektiv lagring og transport av flytende hydrogen.

I flytende hydrogenbeholdere, der den kalde siden er dominert av ekstremt lave temperaturer, er det ønskelig å oppnå en større temperaturgradient. Her er dobbelsidig aluminiumbelagt film et mer passende valg som refleksjonsmateriale. Når antallet refleksjonslag er under 30, kan det være fordelaktig å bruke forskjellige materialer for den kalde og varme siden for å maksimere isolasjonens effektivitet. Men når antallet lag overstiger 30, blir forskjellen mellom de to materialene minimal, og valget av materiale bør heller baseres på de spesifikke prosesskravene.

I slike applikasjoner er det ikke bare refleksjonsmaterialene som spiller en viktig rolle, men også spacer-materialene, som har som oppgave å øke termisk motstand og redusere varmetransport. Det er viktig å velge materialer med kort fibrelengde og lav termisk ledningsevne, som for eksempel glassfiberpapir, kjemisk fiberpapir eller plantefiberpapir. Disse materialene er lette, har god styrke og lav termisk ledningsevne, men har begrenset motstand mot høye temperaturer. Ved temperaturer over 120 °C kan de begynne å utvise tegn på nedbrytning som karbonisering, gulning eller sprøhet.

For å forbedre både produksjonseffektivitet og den strukturelle ytelsen til lavtemperaturtanker, kan høyvakuum multilags isolasjonsmaterialer sammensettes i form av isolasjonsquilt. En vanlig tilnærming er å sy sammen hvert tiende refleksjonslag med ti lag av isolasjonsmateriale og deretter kutte og designe isolasjonsstrukturen i henhold til tankens størrelse. Denne teknikken bidrar til å stabilisere ytelsen, og sørger for at materialene ikke løsner under vibrasjon eller andre påkjenninger. I tillegg muliggjør bruken av isolasjonsquilt raskere vakuumprosesser og sikrer et bedre vakuum mellom lagene i isolasjonsstrukturen.

Selv om høyvakuum multilags isolasjon er svært effektiv i de fleste flytende hydrogenbeholdere, finnes det situasjoner der ytelsen kan forbedres ytterligere. For eksempel, ved å bruke flere refleksjonsskjermer eller metallskjermer kombinert med beskyttelsesskjerm laget av flytende nitrogen, kan man oppnå enda bedre isolasjon. Denne komplekse, men kostbare sammensetningen av flere lag brukes hovedsakelig i transportbeholdere for flytende helium, der behovet for langvarig oppbevaring er spesielt kritisk.

I tillegg er det nødvendig å kontrollere vakuumnivået i isolasjonslaget for å sikre maksimal ytelse. Hvis vakuumet overskrider visse nivåer, vil den effektive termiske ledningsevnen øke eksponentielt. Derfor bør vakuumnivået i isolasjonslaget ikke overstige 10−2 Pa. Imidlertid vil vakuumet alltid gradvis reduseres over tid på grunn av lekkasjer fra den indre beholderen, den ytre tanken eller gassutslipp fra isolasjonsmaterialene.

For å opprettholde høyt vakuum i slike lagringssystemer, er det nødvendig å bruke adsorbenter for å absorbere eventuelle gjenværende gasser. Hovedkomponenten av gassene som lekker inn i isolasjonslaget er hydrogen (H2). Ved å bruke lavtemperatur adsorbenter som aktivert karbon eller molekylære siver, kan man effektivt fange opp hydrogenet og hindre at det påvirker isolasjonens ytelse. På romtemperatursiden brukes gjerne palladiumoksid (PdO) som adsorbent, et materiale som er effektivt til å adsorbere hydrogen ved høyere temperaturer.

Når det gjelder design og utvikling av beholdere for flytende hydrogen, er det viktig å forstå at den teknologiske kompleksiteten og valget av materialer direkte påvirker både ytelsen og kostnadene. Dette gjelder ikke bare for små lagringsenheter, men også for større tanksystemer som brukes til å lagre flytende hydrogen på tankbiler, i fyllestasjoner og til industrielle applikasjoner. Beholdere som kan romme flere hundre kubikkmeter flytende hydrogen, som for eksempel de største sfæriske tankene som finnes i Russland, er et godt eksempel på den omfattende anvendelsen av høyvakuum multilags isolasjonsteknologi.

Hvordan fungerer lagring og transport av hydrogenrike væskeforbindelser?

Hydrogenlagring og transport er avgjørende teknologier for å gjøre hydrogen til et effektivt alternativ til fossilt brensel. Vanligvis har lagring av hydrogen blitt delt opp i to hovedkategorier: høytrykks gasslagring og lavtemperatur væskelagring. Imidlertid kan hydrogenrike væskeforbindelser også fungere som kjemiske bærere for hydrogenlagring, og disse forbindelsene har fått økt oppmerksomhet i utviklingen av hydrogenlagringsteknologi.

En av de mest interessante aspektene ved bruk av hydrogenrike væskeforbindelser er deres gravimetriske lagringstetthet. For reversible hydrogenlagringsmolekyler som aromatiske forbindelser som inneholder benzenringer, er den gravimetriske lagringstettheten mellom 5–7,6 vektprosent, og den volumetriske tettheten er omtrent 45–85 g/L. Sammenlignet med disse forbindelsene har væskeammoniakk (NH3) og metanol (CH3OH) vesentlig høyere gravimetriske lagringstettheter fordi de kan frigjøre hydrogenet gjennom katalytisk cracking. For eksempel kan ammoniakk gjennomgå direkte dehydrogenisering, og dens teoretiske gravimetriske hydrogenlagringstetthet kan nå 17,6 vektprosent, mens metanol kan nå en gravimetrisk lagringstetthet på omtrent 12,5 vektprosent gjennom direkte dehydrogenisering.

Imidlertid, selv om den teoretiske gravimetriske lagringstettheten til de resirkulerbare hydrogenbærerne er høyere, er det i praksis nødvendig med effektive katalytiske hydrogenasjon- og dehydrogenasjonsreaksjoner for å realisere den nødvendige hydrogenlagringen. For eksempel må C–C-bindingen i etanolmolekyler omdannes ved høye temperaturer for å oppnå full dampreformering og produsere hydrogen. Dette kan imidlertid føre til høye kostnader i de påfølgende separasjonsprosessene og skape problemer med drivstoffcelleapplikasjoner på grunn av selektiviteten til biproduktene som CO, CH4 osv.

Dimetyleter og etanol er isomerer med samme gravimetriske lagringstetthet, men reformeringsbetingelsene for dimetyleter er mildere. På den annen side er dimetyleter en gass ved romtemperatur og atmosfærisk trykk, noe som gjør transporten vanskelig. Til tross for dette har hydrogenproduksjonsteknologien basert på katalytiske reformeringsreaksjoner av organiske væsker, væskeammoniakk og metanol blitt mer moden og pålitelig. Den fungerer under milde forhold med færre biprodukter og høy effektivitet, og har fått stor oppmerksomhet globalt.

I dag er organiske væsker som hydrogenbærere under omfattende utvikling i flere deler av verden, og spesielt i Japan og Europa er LOHC-teknologi (Liquid Organic Hydrogen Carriers) på fremmarsj. I Japan har hydrogenlagerteknologi basert på toluen blitt implementert, og et internasjonalt hydrogenforsyningskjede mellom Brunei og Kawasaki er etablert. I Europa er Hydrogenious LOHC, et selskap basert i Erlangen, Tyskland, også ledende innen utviklingen av dibenzyltoluen-baserte LOHC-teknologier.

Men som med alle teknologier, har LOHC-hydrogenlagring noen ulemper. Prosessen for opptak og frigjøring av hydrogen er mer kompleks enn for fysiske adsorpsjonsbaserte lagringssystemer og krever ekstra reaktorer og hydrogenrensingsenheter. Frigjøringsprosessen krever også oppvarming, noe som medfører høyt energiforbruk og kostnader.

Per i dag er de mest brukte LOHC-substansene benzen, toluen, naftalen, karbazol og N-ethylkarbazol (NEC). Det ideelle LOHC-materialet bør kunne absorbere og frigjøre hydrogen gjennom reversible reaksjoner uten å ødelegge hovedstrukturen av karbonringen, og samtidig oppfylle kravene til sikkerhet, effektivitet og kostnad.

Hvordan forbedre effektiviteten av katalysatorer i hydrogenlagringssystemer basert på organiske væsker

Katalysatorer spiller en avgjørende rolle i dehydrogeneringsprosesser som er nødvendige for hydrogenlagring i organiske væsker. Forskning på dette området har vist at bruken av ulike typer katalysatorer kan ha betydelig innvirkning på både reaksjonshastighet og selektivitet, som igjen påvirker effektiviteten av hydrogenlagringssystemene. Dehydrogenering er en reaksjon der hydrogenatomer fjernes fra et molekyl, og det er en viktig prosess i hydrogenlagring ved hjelp av flytende organiske hydrogentransportører (LOHC).

Et eksempel på en effektiv katalysator for denne prosessen er en bimetallisk Ni-Cu/SiO2-katalysator utviklet av Chen et al. for dehydrogenering av syklokheksan. Denne katalysatoren ga en konverteringsgrad på 95 % og en selektivitet på 99,4 % for benzen ved 250°C i en plug flow-reaktor. Slike høye konverterings- og selektivitetsrater er avgjørende for å oppnå høy effektivitet i hydrogenlagring. Tilsvarende, i tilknytning til toluen/metylsyklokheksan (TOL/MCH) hydrogenlagringssystemet, viste det seg at lavt trykk, i kombinasjon med høye temperaturer, fremmer reaksjonen fra metylsyklokheksan til toluen, som er mer gunstig termodynamisk.

Okada benyttet en kontrollert syre-base metode for å styre porefordelingen i alumina og utviklet en svært dispergert Pt/Al2O3-katalysator. Denne katalysatoren oppnådde en konverteringsgrad på 95 % og en selektivitet på 99 % for toluen ved 250°C. I tillegg til kommersielle Al2O3-støtter, kan andre oksider som La2O3, ZrO2, TiO2 og Fe2O3 også brukes for å syntetisere platinakatalysatorer som er effektive for dehydrogenering av metylsyklokheksan.

En annen lovende tilnærming til å forbedre dehydrogeneringseffektiviteten er bruken av palladiummembraner i reaktorer. Gora et al. benyttet en 1 % Pt/Al2O3 katalysator i en palladiummembranreaktor og oppnådde en 70 % konverteringsgrad ved 225°C, noe som normalt kun kunne oppnås i en fast sengerreaktor ved 245°C. Dette arbeidet viste at ved kontinuerlig å fjerne hydrogen fra reaksjonssystemet, kunne kjemisk likevekt brytes, og dermed økes konverteringsraten.

Imidlertid er dehydrogenering av andre hydrogenlagringssystemer, som naphthalene/decahydronaphthalene (NAP/DEC), mer utfordrende. Naphthalene er fast ved romtemperatur, og dehydrogenering av decahydronaphthalene er irreversibel, noe som skaper betydelig kompleksitet ved hydrogenasjons- og dehydrogenasjonssykluser. Denne prosessen er fremdeles på laboratorienivå, ettersom dehydrogeneringsprosessen for naphthalene er ineffektiv og krever kontinuerlig tilførsel av fersk naphthalene. Suttisawat et al. benyttet en 1 % Pt/ACC katalysator i en fast sengerreaktor ved 320°C og fant at konverteringsraten var dramatisk lavere under elektrisk og mikrobølgeoppvarming, noe som indikerer at oppvarmingsmetode har stor betydning for katalysatorens effektivitet.

I tilfelle av dibenzyltoluene/octadecahydrodibenzyltoluene (DBT/H18-DBT) hydrogenlagringssystemet, kan dibenzyltoluene, et kommersielt varmeoverføringsolje, lagres som en væske ved romtemperatur og har en høy kokepunkt (390°C), noe som gir høy volumetrisk hydrogenlagringstetthet. Denne prosessen kan utføres ved hjelp av platina-basert katalysatorer som gjør at dehydrogenering kan skje ved temperaturer over 250°C. Hydrogenious Technologies GmbH har implementert DBT/H18-DBT systemet for kommersiell hydrogenlagring. Jorschick og kollegaer viste at katalysatorvalg, spesielt bruk av Pd/Al2O3 og Rh/Al2O3, er avgjørende for å unngå side-reaksjoner som metanisering og karbondioksidreduksjon.

Til tross for de fordelene som LOHC-teknologi tilbyr, er det fortsatt noen utfordringer som må overvinnes for å gjøre denne teknologien mer kostnadseffektiv. De viktigste problemene inkluderer behovet for høye temperaturer for både hydrogenasjon og dehydrogenering, som medfører høye driftskostnader og reduserer utstyrets levetid. Bruken av edle metaller som katalysatorer er også dyrt, og de kan lett bli forurenset eller deaktivert under reaksjonsprosessen. Derfor er utvikling av katalysatorer basert på ikke-edle metaller og forbedring av katalysatorens aktivitet og stabilitet et område med stor forskningspotensial.

Hvordan fungerer prosessen med lagring av hydrogen ved hjelp av ammoniakk og metanol, og hvilke utfordringer møter vi?

Lagring av hydrogen i flytende form har lenge vært et forskningsområde av stor interesse på grunn av behovet for effektiv og sikker transport av hydrogen. Et av de mest lovende alternativene til tradisjonelle lagringsmetoder er bruken av væskeorganiske hydrogenbærere (LOHC) som kan lagre hydrogen på en stabil og økonomisk gunstig måte. Et kjent system innen denne kategorien er SPERA Hydrogen, utviklet av Chiyoda Corporation. Teknologien benytter en væske som kan binde hydrogen molekylært, for deretter å frigjøre det ved en kontrollert prosess.

En av de viktigste fordelene med SPERA Hydrogen-teknologien er at den benytter et organisk bærerstoff som kan håndtere hydrogenlagring og -transport over lange avstander uten at det kreves spesielle trykkanlegg eller kjøling. Denne metoden muliggjør både høy energiinnhold per enhet volum og lettere håndtering sammenlignet med komprimerte hydrogenlagre. Det er også et potensial for å bruke eksisterende infrastruktur for transport, noe som reduserer kostnadene knyttet til etablering av nye lagringsanlegg.

Ammoniakk er en annen løsning som har vist potensial som en hydrogenbærer. Ammoniakk har en høy gravimetrisk hydrogenlagringstetthet på opptil 17,6 vektprosent, som gjør det til et attraktivt alternativ. Imidlertid krever dekomponeringen av ammoniakk høye temperaturer, høyt trykk og bruk av edle metaller som katalysatorer. En løsning på noen av disse utfordringene kan være et hypotetisk stoff, H2A, som antas å kunne reagere med ammoniakk ved romtemperatur. Denne prosessen kan muliggjøre en lavere energibarriere for å frigjøre hydrogen, noe som kan forbedre effektiviteten i ammoniakkbasert hydrogenlagring.

Når det gjelder methanol, har det blitt ansett som en verdifull kilde for hydrogen på grunn av sin tilgjengelighet og relativt høye energitetthet. Metanol, med en gravimetrisk hydrogenlagringstetthet på 12,5 vektprosent, kan også bidra til ytterligere hydrogenproduksjon gjennom en prosess kjent som katalytisk reformering med vann. Denne reaksjonen kan heve den totale hydrogenlagringstettheten til 18,75 vektprosent. Fordelen med metanol er at den er lettere tilgjengelig enn mange andre hydrogenbærere og har potensial for å produsere hydrogen gjennom en relativt enkel kjemisk reaksjon.

Men selv med lovende metoder som SPERA Hydrogen, ammoniakk og metanol, er det fortsatt betydelige teknologiske utfordringer som må løses. Blant de største utfordringene er katalysatorer som fungerer effektivt ved lavere temperaturer og trykk, samt utviklingen av systemer som kan håndtere store volumer av hydrogen uten tap eller ineffektivitet. For ammoniakk og metanolbaserte systemer er det også behov for nye teknologier som kan effektivisere prosessen for dekomponering og reformering.

I tillegg til de tekniske utfordringene er det økonomiske og infrastrukturelle aspektene av hydrogenlagring også viktige faktorer. Det kreves betydelige investeringer i forskning og utvikling, samt i bygging av ny infrastruktur for å muliggjøre storskala implementering av disse teknologiene. I tilfelle metanol og ammoniakk er det også spørsmål om hvordan disse stoffene skal produseres på en bærekraftig måte, ettersom både produksjonen og dekomponeringen kan ha miljøpåvirkninger.

For at teknologiene for hydrogenlagring og -transport skal bli kommersielt levedyktige, må vi derfor både løse de teknologiske og økonomiske utfordringene som er knyttet til effektiv hydrogenfrigjøring og utviklingen av en infrastruktur som kan håndtere de nye løsningene. Dette vil kreve et tverrfaglig samarbeid mellom forskere, ingeniører og industriledere.