Hvordan flytende hydrogen lagres og transporteres: Teknologi og økonomiske fordeler

Flytende hydrogen er et viktig alternativ for lagring og transport av hydrogen, spesielt når det gjelder langdistanse frakt. Tradisjonelt er hydrogen lagret som gass under høyt trykk, men flytende hydrogen har flere fordeler, både i form av energitetthet og logistikk. Den største fordelen med flytende hydrogen er dens høye volum- og vekt-tetthet sammenlignet med høytrykksgasslagring, noe som gjør den spesielt attraktiv for tunge kjøretøy som lastebiler og skip, samt for langtidslagring.

En annen viktig faktor ved bruk av flytende hydrogen er lagring og påfylling på fyllestasjoner. Når hydrogenet transporteres til en fyllestasjon, kan det brukes til å fylle opp kjøretøy med 35 MPa eller 70 MPa høytrykks hydrogenlagring. En flytende hydrogenpumpe brukes til å øke trykket, og deretter kan en varmeveksler benyttes til å varme opp hydrogenet ved hjelp av omgivelsene som energikilde. Dette reduserer energiforbruket sammenlignet med andre metoder, da en flytende hydrogenpumpe er mer energieffektiv enn kompressorer for gass. Samlet sett krever prosessen ikke mer enn 2 kWh per kg, noe som gjør den økonomisk fordelaktig.

Flytende hydrogen har også en kvalitetsfordel over høytrykks hydrogen. Når hydrogenet er i flytende form, vil alle urenheter bortsett fra helium fryse og skilles ut. Dette gjør at hydrogenet som brukes i drivstoffcellene er av ekstremt høy renhet, noe som er avgjørende for lang levetid og høy ytelse i drivstoffcellesystemer. Denne høye kvaliteten kan opprettholdes fra den første liquefaksjonen til det endelige forbruket i drivstoffcellen.

Bruken av flytende hydrogen har økonomiske fordeler som inkluderer lavere energiforbruk, effektiv lagring og transport, samt høy densitet og kvalitet på hydrogenet som brukes. Spesielt for tunge kjøretøy som lastebiler, skip og tog er flytende hydrogen et attraktivt alternativ til høytrykks hydrogenlagring. Derimot er ikke flytende hydrogen det beste alternativet for små og mellomstore kjøretøy, som personbiler, hvor høytrykks hydrogenlagring er mer hensiktsmessig.

I tillegg til høytrykks og lavtemperatur flytende hydrogenlagring, finnes det også flytende hydrogenrike forbindelser som et alternativ. Denne teknologien er basert på kjemisk hydrogenabsorpsjon og -frigivelse, og har fått økt oppmerksomhet i hydrogenindustrien på grunn av dens høye energitetthet og sikkerhet ved transport. Forbindelser som benzen, toluen og naphthalen er vanlige stoffer som brukes i flytende organiske hydrogenbærere (LOHC). En viktig ulempe ved LOHC-teknologi er imidlertid at hydrogenet er vanskeligere å absorbere og frigjøre sammenlignet med fysisk hydrogenlagring, og at det kreves ekstra reaksjonsutstyr og energi for å frigjøre hydrogenet.

I sum er flytende hydrogen lagring og transport en lovende løsning for framtiden, spesielt for tungtransport og langtidslagring. For å sikre at teknologien kan utvikles videre, er det avgjørende å fortsette arbeidet med å optimalisere både de tekniske og økonomiske aspektene ved prosessen, inkludert energieffektivitet, kostnader og renhet på hydrogenet som brukes.

Hvordan Hydrogenembrittlement Påvirker Metaller i Høytrykks Hydrogensystemer

Intern trykkteori beskriver hvordan hydrogenatomer absorberes på ståloverflaten og samles ved spesifikke strukturelle defekter som karbider, ikke-metalliske inneslutninger, korngrenser og dislokasjoner. Når hydrogenatomer kombineres, dannes molekylært hydrogen som skaper lokal økning i trykk, noe som fremmer sprekking i metallet. Når trykket når et kritisk nivå på disse defektområdene, kan det føre til sprøhet og sprekker i metallet.

En annen viktig faktor for hydrogenembrittlement er miljøforholdene, inkludert gasstrykk, temperatur og andre ekstreme forhold. Ifølge Sieverts gasslov er graden av hydrogenembrittlement direkte proporsjonal med kvadratroten av hydrogentrykket. Dette betyr at økt trykk kan føre til større risiko for embrittlement. For eksempel, i en studie utført av Barthélémy, ble det observert at stål med høy strekkstyrke begynte å sprekke ved trykk på rundt 60 MPa, noe som indikerer en høy risiko ved bruk av stål for hydrogensystemer med høyt trykk. Derimot viste 316- og A286-stål bedre ytelse ved 70 MPa hydrogentrykk, noe som viser hvordan forskjellige stållegeringer kan reagere ulikt på høyt hydrogentrykk.

Hydrogenembrittlement skjer ikke bare ved høyt trykk, men også i et bredt temperaturområde, selv om de fleste materialer er mest følsomme for dette fenomenet nær romtemperatur. Under romtemperatur er diffusjonsraten for hydrogen lav, noe som reduserer sannsynligheten for at det dannes tilstrekkelig med fangststeder for hydrogen. Ved høyere temperaturer øker migrasjonen av hydrogen, noe som kan føre til mindre fangst og dermed mindre embrittlement.

For noen jernbaserte høye temperaturlegeringer er det mer sannsynlig at hydrogenembrittlement skjer ved lavere temperaturer, ettersom deres sammensetning avviker fra vanlig rustfritt stål. Ved høye temperaturer, hvor det er tilstrekkelig med termisk aktiveringsenergi, kan hydrogenreaksjoner skape nye mikrostrukturelle elementer eller hydrides som svekker materialet og fører til sprekkdannelse. Studier utført av Sugimoto og Fukai på forskjellige metaller har vist at høy temperatur og trykk kan føre til dannelse av ekstra vakanskluster og økt diffusjon av hydrogen, som igjen forsterker muligheten for embrittlement.

I tillegg kan miljøet forårsake hydrogenpenetrasjon i metaller, som i tilfeller hvor katodiske reaksjoner genererer hydrogen som et biprodukt av korrosjonsprosessen. I slike tilfeller kan hydrogen dissosiere i atomform og trenge inn i metallmatrisen, noe som kan føre til sprøhet og sprekkdannelse som et resultat av spenningskorrosjon (stress corrosion cracking). Hvis hydrogen penetrerer stålmatrisen som et resultat av tilstedeværelse av hydrogensulfid, er dette et fenomen kjent som sulfidspenningskorrosjon.

Det er flere klassifikasjoner av hydrogenembrittlement, avhengig av hvordan og hvor hydrogen påvirker materialene. Den første kategorien er miljøindusert hydrogenembrittlement, som oppstår når metallene er eksponert for et hydrogengassmiljø. Dette fører til at hydrogen enten absorberes eller adsorberes på overflaten, noe som endrer de mekaniske egenskapene til materialet. Den andre kategorien er intern reversibel hydrogenembrittlement, som skjer under materialbearbeiding, der hydrogen går inn i matrisen og forårsaker strukturell svikt uten at materialet er direkte eksponert for hydrogengass. Slike sprekker vokser ofte uavhengig av omgivelsene. Den tredje kategorien er hydrogenreaksjonsembrittlement, hvor hydrogen reagerer med materialkomponenter og danner gassbobler (blærer) eller nye faser som hydrides, og dette skjer vanligvis ved høye temperaturer.

Hvordan kan vi forbedre ytelsen til AB5-type hydrogenlagringslegeringer?

AB5-type hydrogenlagringslegeringer har vært et fokus for forskning i mange år, og består av to hovedkomponenter: en A-side, som typisk er laget av sjeldne jordartsmetaller som La, Ce, Pr eller Nd, og en B-side, som er laget av metaller som ikke absorberer hydrogen, slik som Ni, Co eller Mn. Disse legeringene har en CaCu5-type krystallstruktur, med en romgruppe P6/mmm, som gir dem spesifikke egenskaper som påvirker deres hydrogenlagringskapasitet. Et av de mest kjente eksemplene på denne typen legering er LaNi5, som danner et hexagonalt strukturert hydrogenabsorberende produkt, LaNi5H6, med et massivt hydrogenlagringstetthet på omtrent 1,38 vektprosent.

LaNi5 legeringens hydrogenabsorpsjonsforandring har en entalpi på −30,1 kJ/mol H2, og hydrogenfrigjøringsplattformens trykk ved 25 °C er omtrent 0,2 MPa, noe som gjør det egnet for bruk ved romtemperatur. Fordelene med LaNi5 inkluderer mildt hydrogenabsorpsjon/frigjøring, raske kinetiske egenskaper, lett aktivering, motstandsdyktighet mot urenheter, moderat likevektstrykk og liten hysterese. Imidlertid kan den 24% volumutvidelsen ved hydrogenabsorpsjon føre til pulverisering av materialet, noe som svekker legeringens sykliske stabilitet. Dette, sammen med høye kostnader, begrenser bruken av LaNi5.

På B-siden kan delvis erstatning av Ni med andre metaller som Al, Cu, Mn, Si, Ca, Zr, V, Co og Ag også forbedre ytelsen. Blant disse elementene er Co spesielt effektivt for å redusere volumutvidelsen under hydrogenabsorpsjon, forbedre motstanden mot pulverisering og øke syklusens levetid. Co reduserer også mikrohårdheten i legeringen, noe som gir bedre fleksibilitet og mindre korrosjon over tid. Mn kan redusere likevekts hydrogentrykk og redusere hysterese under hydrogenabsorpsjon og frigjøring. Imidlertid vil for mye Mn også redusere legeringens sykliske levetid. Til tross for dette er de mest kommersialiserte legeringene, som Mm(NiCoMnAl)5 og Ml(NiCoMnAl)5, fortsatt svært relevante i moderne MH-Ni-batterier.

Kontroll av mikrostrukturen er en annen viktig metode for å forbedre AB5-legeringenes ytelse. På grunn av den høye gitterstresset i disse legeringene, er de utsatt for segregering og defekter, noe som kan svekke deres ytelse over tid. Gjennom rask kjøling og gløding kan legeringene utvikles til nanoskalede eller amorfe strukturer, som kan eliminere strukturelt stress og forbedre syklisk stabilitet. Nanostrukturering kan også forbedre legeringens evne til å danne hydride, noe som potensielt gir bedre hydrogenlagringskapasitet.

En annen forskningsvei som kan gi betydelige forbedringer, er studier på ikke-stoikiometriske legeringer. Disse legeringene har et forhold mellom A- og B-komponentene som ikke følger det ideelle stoikiometriske forholdet, og kan produsere en andre fase som påvirker legeringens struktur, fasemorfologi og ytelse. Når denne andre fasen er jevnt fordelt i hovedfasen, kan legeringen vise forbedret syklisk levetid og lavere pulveriseringsrate.

Samlet sett finnes det flere metoder for å forbedre ytelsen til AB5-type hydrogenlagringslegeringer. Kombinasjonen av optimert sammensetning, strukturkontroll og utforskning av ikke-stoikiometriske forhold kan føre til betydelige forbedringer i syklisk stabilitet, hydrogenlagringskapasitet og generell driftssikkerhet.