Hvordan Hydrogenenergi Vil Endre Fremtidens Energisystem: En Dypdykk i Lagring og Transport

I Europa er den totale genererende kapasiteten for hydrogen over 50 000 Nm3/h, noe som gjør det til en viktig transportmetode for fremtidens hydrogenforsyning. Transport av hydrogen via rørledninger forventes å bli den primære metoden for storskala transport i fremtiden. Denne utviklingen er et resultat av behovet for å håndtere store mengder fornybar energi, som kan være utsatt for sesongmessige svingninger og variasjoner. Den nåværende utviklingen i hydrogenlagringsteknologi og transportmetoder spiller en avgjørende rolle i å møte de utfordringene som ligger i fremtidens energisystemer, spesielt i lys av overgangene til mer fornybare kilder som sol- og vindenergi.

I sesongbasert energilagring er det for tiden en betydelig kostnadsforskjell, hvor LCOS (Levelized Cost of Storage) for elektrokjemiske energilagringssystemer er mer enn seks ganger høyere enn for hydrogenlagring, og det er ventet at denne forskjellen vil være på rundt fem ganger innen 2060. Dette antyder at hydrogen vil bli den dominerende løsningen for sesongbasert energilagring i fremtiden, spesielt ettersom hydrogen har egenskaper som gjør det egnet for langsiktig lagring i faste tilstander og hydrogenrike væsker.

Etter hvert som teknologien for hydrogenenergi utvikles, vil den få flere anvendelser i transport, industri og husholdninger, noe som kan føre til et helhetlig sosialt energisystem basert på hydrogen. Dette systemet vil inkludere alle aspekter av energiproduksjon, lagring og distribusjon: fra fornybare energikilder som sol, vind og vannkraft, til hydrogenproduksjon (P2H), lagring (HS), konvertering (H2P), og transport til ulike brukere via gass- og elektrisitetsnettverk.

Hydrogen spiller en viktig rolle i å løse de utfordringene som oppstår når fornybare energikilder som sol og vind er ustabile og uforutsigbare. Ved å koble hydrogenproduksjon med energikilder som vind og sol, kan overskuddsenergi omdannes til hydrogen via elektrolyse. Hydrogenet kan lagres og brukes til å produsere elektrisitet ved behov, enten gjennom brenselceller eller hydrogenturbiner. Dette kan muliggjøre både daglig, månedlig og sesongmessig energilagring, som igjen kan hjelpe til med å håndtere problemer som fluktuasjoner i energiproduksjonen og forbruket.

Sammenkoblingen av hydrogen og elektrisitet i et energisystem åpner muligheter for en mer pålitelig drift av energinettverk, hvor intermitterende energikilder som vind og sol kan suppleres med hydrogenlagring. Et slikt system kan operere på følgende måte: fornybar energiproduksjon (for eksempel vind eller sol) omdannes til hydrogen gjennom elektrolyse (P2H), lagres som hydrogen (HS), og kan deretter konverteres tilbake til elektrisitet (H2P) eller brukes direkte til oppvarming eller industriproduksjon.

Hydrogen har også en viktig rolle å spille i varmeproduksjon, spesielt ved å bruke hydrogenbrennere for oppvarming eller kombinere det med varmesystemer som solvarme og geotermisk energi. Hydrogenbasert oppvarming gir en pålitelig og stabil kilde til varme, som kan brukes for å kompensere for sesongmessige svingninger i energibehovet.

Hydrogen som energikilde er ikke uten utfordringer. En av de viktigste utfordringene er sikkerheten ved lagring og transport av hydrogen. Hydrogen er svært lettantennelig og har en stor brennbarhetsområde, noe som gjør at lekkasjer kan føre til alvorlige brann- og eksplosjonsrisikoer. Dette er et viktig aspekt av hydrogenteknologi som fortsatt krever videre forskning og utvikling, spesielt når det gjelder utvikling av pålitelige deteksjonssystemer og sikker lagringsteknologi.

For å muliggjøre en trygg og effektiv utbredelse av hydrogenbaserte energisystemer, er det avgjørende at sikkerhetsstandarder for lagring og transport kontinuerlig forbedres. Dette inkluderer blant annet testing for hydrogenembrittling, korrosjon og andre faktorer som kan svekke hydrogenutstyrets holdbarhet. Nye teknologier som fjernstyrt automatisering og hydrogenlekkasjedeteksjon vil spille en viktig rolle i å redusere risikoene forbundet med lagring og transport.

Hva er de viktigste aspektene ved lagring og transport av hydrogen under høyt trykk?

I de senere årene har utviklingen av trykklagre for hydrogen under høyt trykk fått økt oppmerksomhet, spesielt i forhold til bruken av hydrogen som drivstoff i brenselcelledrevne kjøretøy. Høyt trykk brukes for å kompakt lagre hydrogen, ettersom dette gir muligheten til å oppbevare store mengder hydrogen i et relativt lite volum. Det finnes forskjellige typer trykkbeholdere, og hver av dem har sine egne spesifikasjoner, fordeler og ulemper.

Type I- og II-trykkbeholdere er kjent for sin store massetil-volum-forhold, men de har en lavere massetetthet for hydrogen. Dette gjør dem kostnadseffektive, og de er mye brukt i industrien. Spesielt Type I beholdere er vanlige i applikasjoner som krever lagring av hydrogen under trykk på 20–30 MPa, der gravimetrisk lagringseffektivitet ligger på omtrent 1 vektprosent. På den andre siden er Type III og IV beholdere mye lettere og tåler høyere trykk. Denne egenskapen gjør dem spesielt nyttige for brenselcelledrevne kjøretøy, der et høyere trykk er nødvendig for å maksimere kjørelengden. Type III og IV beholdere benytter seg av lette og sterke fibre som karbonfiber, noe som gjør dem til et populært valg for applikasjoner som krever både styrke og lav vekt.

Type IV beholdere er spesielt interessante fordi de bruker materialer med god flytbarhet, som polyetylen og polyamid, i kombinasjon med rotasjonsstøpingsmetoder for å produsere den nødvendige formen. Dette gir dem høyere kapasitet og lavere vekt sammenlignet med tradisjonelle metoder. På den annen side innebærer bruken av fiberforsterkning, som i Type III og IV beholdere, at innholdet, spenningen og viklingen av høyprestasjonsfibre må være nøye kontrollert for å sikre at den kompositte materialtrykkbeholderen er både stabil og ensartet i ytelse.

Materialene som brukes til å lage fibre til disse trykkbeholderne er ofte glassfiber, silikonkarbidfiber, aluminafiber og karbonfiber, hvor karbonfiber er det mest dominerende materialet på grunn av sine overlegne mekaniske egenskaper. Spesifikasjoner som Toray T300, T700 og T1000 brukes ofte i produksjonen av karbonfiberbeholdere. Dette har gjort karbonfiber til det foretrukne materialet, ettersom det gir høyere styrke og bedre motstand mot belastninger ved høyt trykk.

Ved sammenligning av de forskjellige typer trykkbeholdere ser vi at tykkelsen på materialet gradvis minker fra Type I til Type IV, og at utskiftingen av innvendige materialer gjør beholderen lettere. Dette resulterer i en høyere massehydrogentetthet. Dette betyr at for Type I og II beholdere er det en større masse per volum, men de er fortsatt populære på grunn av de lavere kostnadene. Når det gjelder Type III og IV beholdere, har de et mer optimalisert forhold mellom trykk, vekt og lagringskapasitet.

Den videre utviklingen innen hydrogenlagring ser på bruk av karbofiberinnpakning alene (Type V beholdere). Denne tilnærmingen innebærer at beholderen ikke har noe foringsmateriale, noe som kan redusere vekten ytterligere, men samtidig innebærer det utfordringer med hensyn til sikkerhet og trykkresistens, som fortsatt er under forskning.

For stasjonære hydrogenlagringsbeholdere, som brukes i hydrogeneringsstasjoner, er trykket vanligvis høyere enn trykket i bilens lagringssystem. Når arbeidstrykket overstiger 10 MPa, klassifiseres det som et høyt trykk. Hydrogenlagringsbeholdere på stasjoner er designet for å ha et trykk på mellom 35 og 70 MPa, noe som er nødvendig for å fylle hydrogen til kjøretøyene. I stasjonære enheter benyttes ulike konstruksjoner, som sømløse stålhydrogenlagringsbeholdere og fiberinnpakket høyt trykkbeholdere.

De sømløse høyt trykk hydrogenlagringsbeholderne er laget av CrMo-stål, som gir både styrke og evne til å motstå høyhydrogen embrittling. De produseres som et helt stykke, uten sveising, for å unngå feil som kan oppstå i sveisepunktene. Denne typen har den klare fordelen av lavere kostnader, men begrensninger finnes i form av materialstyrke og størrelse, spesielt i henhold til internasjonale standarder som ASME BPVC-VIII-1-2019.

Den pågående forskningen på høytrykkshydrogenlagringsbeholdere fokuserer på forbedring av stålets styrke og motstand mot hydrogenembrittling. Teknologiske fremskritt på dette området er avgjørende for utviklingen av mer effektive og pålitelige lagringssystemer for fremtidens hydrogenøkonomi.

Hvordan utvikling av høytrykks hydrogenlagringsteknologi for kjøretøy og transport kan forme fremtiden

Zhejiang Universitet og Juhua Company har samarbeidet for å løse utfordringer knyttet til applikasjoner av MSLV (multi-stage, høytrykks hydrogenlagring) i smelting av spesielle rustfrie stålmaterialer for hydrogen, evaluering av sveiseteknologi, samt produksjon av høytrykks tetningsstrukturer for gjenger. Resultatet av dette samarbeidet har vært utviklingen av en MSLV som kan lagre hydrogen ved 42 MPa og har et volum på opptil 5 m³. Dette systemet har blitt demonstrert på Kinas første hydrogenfyllingsstasjon i Zhongguancun, og har vist seg å ha en pålitelig driftshistorikk, noe som bekrefter potensialet for høytrykks hydrogenlagring.

I 2017 ble en 98 MPa MSLV tatt i bruk på Toyota sin hydrogenfyllingsstasjon i Changshu, Jiangsu, som fortsatt er den høyeste trykkverdi MSLV på markedet. Gjennom videre forskning på 98 MPa-beholderen foreslo Zhejiang Universitet-teamet en løsning for å redusere containerens vekt uten å gå på bekostning av sikkerheten. Dette ble oppnådd ved å redusere designets sikkerhetsfaktor og bruke sterkere stålmaterialer, som muliggjorde utviklingen av en 50 MPa MSLV med et volum på 7,3 m³.

En annen betydelig utvikling er fiberinnviklede høytrykks hydrogenlagringsbeholdere. Disse er laget med et indre rør som er kompatibelt med hydrogen, og en ytre fiberforsterkning som øker styrken og reduserer kostnadene i forhold til MSLV-teknologi. Fiberinnviklede beholdere er lettere og fri for sveiseproblemer, men de er dyrere på grunn av bruken av karbonfiber. Den første store volumet fiberinnviklede hydrogenlagringsbeholderen, som har en trykkverdi på 87,5 MPa, ble installert ved Dalian Tongxin Hydrogenfyllingsstasjon i Kina, og er et resultat av et samarbeid mellom Shijiazhuang Anruico og Tongji Universitet.

I tillegg til utviklingen av faste lagringsbeholdere, er også mobile hydrogenlagringsbeholdere et viktig aspekt ved fremtidig hydrogentransport. Transport av hydrogen skjer i hovedsak med rørbuntcontainere og lange rørtrekkere, som er begrenset til vei transport innen 200 km på grunn av vei- og transportkostnader. Karbonfiberforsterkede beholdere gir fordeler som lettere vekt og høyere lagringstrykk, men også høyere produksjonskostnader. For eksempel har CIMC Enric produsert 30 MPa store karbonfiberinnviklede lagringsbeholdere for skip, som har blitt eksportert til Europa for bruk i maritim og innenlands transport.

Når det gjelder kjøretøy, er kravene til lettvekts hydrogenlagringsbeholdere mer krevende enn for transportutstyr. Hydrogenlagringssystemet for biler må være kompakt, lett og ha høy lagringstetthet for å møte bilens rekkeviddekrav. Typiske trykk for hydrogenlagring i biler varierer fra 35 MPa til 70 MPa, med mål om å oppnå høy sikkerhet og økonomisk levedyktighet. Type III og Type IV tanker er de viktigste teknologiene som er i utvikling for biler som benytter hydrogen som drivstoff. Et eksempel på dette er EU-NIQ7-modellen fra SAIC Maxus, som er utstyrt med tre 70 MPa Type III hydrogenlagringstanker som kan lagre 6,4 kg hydrogen på 3 minutter og gi en kjørelengde på 605 km under NEDC-forhold.

Det er viktig å merke seg at disse teknologiene ikke bare er viktige for fremtiden til hydrogen som en drivstoffkilde for biler, men også for den globale energiomstillingen. Hydrogen har et enormt potensial som en ren energibærer, og derfor er utviklingen av pålitelig og kostnadseffektiv lagringsteknologi en nøkkelkomponent i å gjøre hydrogen til et levedyktig alternativ til fossile brensler. Den pågående forskningen og utviklingen innen dette området kan bidra til å akselerere overgangen til et mer bærekraftig transportsystem, samtidig som den styrker forsyningskjeden for hydrogen og gir løsninger på logistikkutfordringene.

Endtext

Hvordan håndteres transport og lagring av hydrogen med ammoniakk og organiske væsker?

Ammoniakk er et lovende alternativ som transportør av hydrogen, men det har flere kjemiske egenskaper som gjør det krevende å håndtere. Ammoniakk i væskeform er vanskelig å antenne, men når den fordampes og blandes med luft, blir den svært brannfarlig og kan eksplodere hvis den antennes. I tillegg brytes ammoniakk ned ved oppvarming og frigjør giftige gasser, noe som krever bruk av ansiktsmasker og beskyttende klær som er forseglede mot væsker. Ammoniakk er også svært korroderende, spesielt for metaller som kobber og sink, og reagerer lett med oksidanter, halogener og syrer. Dette gjør lekkasje av ammoniakk under transport til et stort problem. Ifølge standardene for behandling av ammoniakklekkasjer (HG/T 4686—2014) kan en lekkasje håndteres, men forhindring av slike lekkasjer er et sentralt tema.

Hydrogeninnholdet i ammoniakk kan være en utfordring for bruken i brenselceller, som har en svært lav toleranse for ammoniakk. Dersom hydrogenet som er hentet fra ammoniakk inneholder mer enn 1 × 10^−6 L/L ammoniakk, vil dette betydelig redusere levetiden på brenselcellene, ettersom ammoniakkmolekylene kan adsorberes på protonutvekslingsmembranen og akkumulere som ammoniumioner, noe som svekker ytelsen. Ifølge standardene for hydrogen i brenselceller (GB/T37244—2018) bør ammoniakkinnholdet i hydrogen ikke overstige 0.1 × 10^−6, noe som krever ekstra renseprosesser for å fjerne ammoniakk etter at hydrogenet er separert fra nitrogenet.

Et alternativ til ammoniakk som transportmedium for hydrogen er organiske væsker, som cyclohexane, pyrazol og indol. Disse kan transporteres under normale temperatur- og trykkforhold på samme måte som olje eller bensin, og de eksisterende infrastrukturen for olje og gass kan utnyttes. Organiske væsker som LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) har flere utfordringer knyttet til sikkerhet, økonomi og effektivitet. For det første er noen av disse væskene giftige, og det er viktig å utvikle mindre giftige varianter for å sikre sikker lagring og transport av hydrogen. I tillegg innebærer langdistanse transport høye kostnader, ettersom dehydrogenerte organiske væsker må returneres til fabrikken for hydrogenpåfylling, noe som gjør transporten økonomisk utfordrende.

Videre er dehydrogenering og hydrering av organiske væsker krevende prosesser. For eksempel krever N-ethylpyrazole hydrering ved 200°C og 6 MPa, og dehydrogenering ved 230°C og 0,1 MPa. Dehydrogenering kan også føre til bivirkningsreaksjoner som frigjør giftige gasser som CO og CH4, som er skadelige for brenselcellene. En annen utfordring er den høye kostnaden for katalysatorer som er nødvendige for å oppnå god ytelse i hydrogenabsorbering og -frigjøring. Katalysatorene er ofte laget av edelmetaller, som har en begrenset levetid, noe som øker kostnadene.

For at organiske væsker skal kunne brukes i stor skala, er det avgjørende å utvikle billige og effektive katalysatorer for hydrogenasjon og dehydrogenasjon. For eksempel har Wuhan Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., sammen med China University of Geosciences, utviklet en hydrogenlagringsmetode ved hjelp av N-ethylcarbazole som kan operere ved romtemperatur og -trykk. Denne teknologien har ført til utviklingen av flere prototyper for brenselcelledrevne kjøretøy og busser.

Samlet sett er organiske væsker for hydrogenlagring og transport fortsatt i en overgangsfase fra laboratorieforskning til industriell produksjon. Det er mange utfordringer som må løses, men det er også et stort potensial for at denne teknologien kan bidra til å gjøre hydrogen til en mer tilgjengelig og praktisk energikilde globalt.

Hvordan forbedre ytelsen til metallhydridehydrogenlagringssystemer: Kinetikk og termodynamikk

Temperaturen (T) kan beskrives ved van't Hoff-ligningen:

I denne formelen er P₀ atmosfærisk trykk (1,01 × 10⁵ Pa); ΔH og ΔS representerer henholdsvis entalpiforandringen og entropiforandringen for hydrogenabsorpsjons- og desorpsjonsreaksjonene; T er den absolutte temperaturen for hydrogenabsorpsjon- og desorpsjonsreaksjonene. Entalpiforandringen og entropiforandringen for hydrogenabsorpsjonen er for de fleste metallhydridehydrogenlagringsmaterialer negative, noe som gjør at hydrogenabsorpsjonsprosessen er eksoterm, mens hydrogen desorpsjonsprosessen er endoterm.

Enthalpiforandringen (ΔH) for hydrogenabsorpsjonen og desorpsjonen er en viktig indikator på styrken til M-H-bindingen, og den fungerer også som et viktig kriterium for å designe det termiske styringssystemet til metallhydridehydrogenlagring. Jo større den absolutte verdien av ΔH er, desto sterkere er bindingen av M-H-båndet, desto vanskeligere er det å feile hydrogenlagringssystemene, og desto vanskeligere er det å frigjøre hydrogenet. ΔS representerer reaksjonens trend mot å danne metallhydrides. For samme type hydrogenlagringslegeringer, jo større ΔS-verdi, jo lavere er den likevektige partielle trykket, og desto mer stabil er den dannede metallhydrides.

Ytelsen til hydrogenlagringsmaterialer avhenger av både termodynamikk og kinetikk for absorpsjons- og desorpsjonsprosesser. Kinetisk ytelse fokuserer på å vurdere reaksjonshastigheten for hydrogenabsorpsjon og -desorpsjon, noe som hovedsakelig bestemmes av materialets struktur og mekanismen for hydrogenabsorpsjon og -desorpsjon under spesifikke forhold. Kinetisk ytelse til metallhydridehydrogenlagringssystemet kan uttrykkes ved Arrhenius-forholdet:

Figur 5.3 viser et skjematisk diagram over aktiveringsenergibarrieren i reaksjonsprosessen til metallhydridehydrogenlagringssystemet. Før metall + H₂-systemet går fra starttilstanden til sluttstanden som metallhydride, med lavere energitilstand, må reaksjonsprosessen overvinne energibarrierene for dekomponering av H₂ på metallyflaten, diffusjon av H-atomer i metallet og diffusjon av H-atomer i metallhydride. Disse energi- og diffusjonsbarrierene refereres til som reaksjonsaktiveringsenergien (Eₐ). Eₐ fungerer som en viktig parameter for kinetisk ytelse og kan direkte reflektere vanskeligheten i fasedannelsesprosessen. Jo høyere aktiveringsenergi, desto vanskeligere vil reaksjonen forløpe.

Metoder for syntese av hydrogenlagringsmetaller (legeringer) kan deles inn i forskjellige kategorier: induksjons smeltemetode, mekanisk legeringsmetode, arkplasma fordampingsmetode og hydrering forbrenningsmetode. Hver metode har spesifikke fordeler og ulemper.

Mekanisk legering er en prosess der forskjellige metallpulver gjentas, klemmes og deformeres gjennom høyenergi ballmaling. Denne metoden kan alliere uforenlige metaller og akselerere diffusjonen og transporten av hydrogen, samtidig som den kan tilføre materialet flere aktive faser og grensesnitt som forbedrer hydrogenabsorpsjons- og desorpsjonskinetikken. Det er imidlertid en utfordring å kontrollere partikkelstørrelsen og stabiliteten til materialene over tid.

Arkplasma fordampingsmetode innebærer å bruke arkplasma mellom metall og elektrode for å smelte og fordampe metallet under spesifikke atmosfæriske forhold. Denne metoden er egnet for materialer med lavt smeltepunkt og har høy effektivitet, renhet og justerbar partikkelstørrelse. For eksempel kan magnesium reageres med CH₄ for å danne Mg@C nano-komposittmateriale med en kjerne-skal-struktur.

Hydrering forbrenning er en ny metode som spesielt benyttes for å fremstille magnesiumbaserte hydrogenlagringslegeringer. Under høyt trykk og hydrogen, reagerer en blanding av magnesium og nikkel for å danne hydride som er effektivt for hydrogenlagring.

For å forbedre ytelsen til metallhydridehydrogenlagringssystemer er det viktig å finne en balanse mellom termodynamikk og kinetikk. Mens den termodynamiske stabiliteten for et materiale er kritisk for dens langsiktige stabilitet og energieffektivitet, spiller også den kinetiske ytelsen en rolle for hvor raskt hydrogen kan lagres og frigjøres. For de som jobber med design og utvikling av slike systemer, er det derfor nødvendig å ta hensyn til både hvordan materialet oppfører seg termodynamisk og hvordan det reagerer kinetisk under forskjellige forhold.