Hvordan håndtere væskelig hydrogen: Produksjon, kjøling og lagringsteknologi

Væskelig hydrogen er et av de mest lovende energibærerne for fremtiden, men dens lagring og transport krever avanserte teknologier. Den lave temperaturen på -253 °C gjør det til en utfordring å utvikle effektive metoder for å håndtere, oppbevare og transportere det uten å miste for mye energi i prosessen. Dette krever spesialiserte systemer som kan minimere varmetap, hindre oksidasjon og maksimere konverteringseffektiviteten til hydrogenet. De to mest kjente prosessene for flytende hydrogenproduksjon, Linde-Hampson-syklusen og Claude-syklusen, er sentrale i denne sammenhengen.

Claude-syklusen, utviklet av den franske ingeniøren Claude i 1902, forbedrer effektiviteten ved å bruke en ekspander som utnytter den adiabatisk ekspansjonsprosessen for å kjøle hydrogenet. Dette gjør det mulig å bruke hydrogenets egen indre energi for å redusere temperaturen, uten behov for ekstern kjøling som nitrogen. Sammenlignet med Linde-Hampson-syklusen, som er avhengig av kjøling med flytende nitrogen, gir Claude-syklusen en mer energieffektiv prosess. Den er derfor bedre egnet for mellomstore og store anlegg for produksjon av væskelig hydrogen, og er den vanligste syklusen i kommersielle hydrogenfabrikker.

I tillegg til teknologiske utfordringer med produksjon og kjøling av hydrogen, er lagring og transport også kritiske aspekter. Væskelig hydrogen må oppbevares under svært spesifikke forhold for å hindre fordamning og energitap. På grunn av det ekstremt lave kokepunktet er det nødvendig å bruke dobbeltlagrede beholdere med vakuumisolasjon for å minimere varmetap gjennom ledning, konveksjon og stråling. Beholdere for væskelig hydrogen varierer i størrelse og form, fra gigantiske tankanlegg ved hydrogenfabrikker til små tanke brukt i laboratorier eller til satellitter.

En viktig del av designen av væskelige hydrogentanker er bruken av lav varmeledningsevne og sterke, ikke-metalliske materialer, som karbonfiberkompositter, for å redusere varmeledning gjennom beholderens struktur. Dette er særlig viktig fordi varmestråling, som ikke krever et medium for å overføre varme, kan ha stor innvirkning på temperaturkontrollen i beholderne. Ifølge Stefan-Boltzmanns lov øker varmeoverføring gjennom stråling med fjerde potens av temperaturforskjellen, noe som gjør varmestråling til den mest utfordrende faktoren når det gjelder energitap i væskelige hydrogentanker.

For å sikre minimal fordampning og dermed maksimere lagringskapasiteten, er det viktig at lagringstankene har ekstremt høy vakuumisolasjon. Et vakuum på rundt 1 × 10^-3 Pa er vanligvis nødvendig for å hindre varmeoverføring, og dette gjør at gassmolekylene i mellomrommet mellom lagrene er ekstremt sjeldne. Dette skaper et miljø hvor varmeledning og konveksjon er minimale.

Effektiviteten til både produksjon, lagring og transport av væskelig hydrogen vil i stor grad avhenge av videre forbedringer i disse teknologiene, spesielt når det gjelder å redusere energiutgiftene og sikre pålitelighet i kommersielle anlegg. Videre forskning på materialer som kan ytterligere redusere varmetapet og forbedre mekanisk styrke for lagring, vil spille en nøkkelrolle i utvidelsen av bruken av væskelig hydrogen som en bærekraftig energikilde.

Hvordan hydrogenenergi kan forme fremtidens energiløsninger: Teknologi, utfordringer og globale initiativer

Hydrogenenergi er en av de mest lovende nye energikildene, ikke bare på grunn av dens høye energiinnhold og lave produksjonskostnader, men også fordi den har et minimalt miljøavtrykk. Med null karbonutslipp og et enormt potensial for å lagre energi, drive transportmidler og brukes som husholdningsbrennstoff, fremstår hydrogen som en ideell løsning for å støtte den omfattende utviklingen av fornybar energi. I tillegg er det en sentral aktør i den pågående overgangen fra fossile brensler til mer bærekraftige energiløsninger, både globalt og nasjonalt.

Hydrogen er et viktig element for å realisere det kinesiske "dual carbon"-målet, som har som mål å redusere karbonutslippene betydelig innen 2030 og oppnå karbonnøytralitet innen 2060. Men hydrogenens potensial strekker seg langt utover Kinas grenser. På verdensbasis er hydrogen et nøkkelverktøy for å drive dyp dekarbonisering innen områder som transport, industri, elektrisitet og bygg. Det gir ikke bare muligheter for bærekraftige løsninger, men også for økonomisk vekst gjennom skapelsen av nye industrier og arbeidsplasser.

For eksempel har flere nasjoner og regioner lagt frem omfattende planer for utviklingen av hydrogenindustrien. I 2020 lanserte Nederland sin nasjonale hydrogenenergi-policy med mål om å bygge 50 hydrogenpåfyllingsstasjoner og sette 15 000 brenselcellekjøretøy i drift innen 2025. Tyskland fulgte etter med en nasjonal hydrogenstrategi, som legger grunnlaget for fremtidig produksjon, transport og bruk av ren energi. I samme år annonserte Frankrike et ambisiøst mål om å utvikle grønne hydrogenbrenselfly innen 2035, mens EU forpliktet seg til å oppnå karbonnøytralitet innen 2050 gjennom hydrogen som en integrert del av sitt energisystem.

Hydrogenindustrien er delt opp i flere sentrale områder, inkludert produksjon, lagring, transport, påfylling og utnyttelse. Hvert av disse områdene står overfor sine egne utfordringer og muligheter. Produksjon av hydrogen er i dag hovedsakelig basert på fossile energikilder som kull og naturgass, men fremtiden ligger i grønn hydrogenproduksjon gjennom vann elektrolyse. Denne teknologien bruker elektrisitet fra fornybare kilder til å spalte vannmolekyler og produsere hydrogen, en renere og mer bærekraftig metode.

Hydrogenlagring og -transport er to av de mest kritiske aspektene for utviklingen av et globalt hydrogenmarked. Per i dag er lagring av hydrogen i høytrykks gassflasker den mest utbredte teknologien, men det pågår intens forskning for å utvikle mer effektive metoder, som flytende hydrogen, hydrogenrike væsker og faste hydride løsninger. Hver metode har sine egne fordeler og utfordringer avhengig av lagringsbehov og transportavstander.

Transport av hydrogen følger tett etter lagringsmetodene. Høytrykks gassrørledninger og flytende hydrogentransport er de to primære alternativene i dag, men fremtidens utvikling kan inkludere mer avanserte løsninger som faststoffhydrogentransport og andre innovasjoner. Effektiv transport er avgjørende for å sikre at hydrogen kan nå sluttbrukerne, enten det er for drivstoff til kjøretøy eller som en energikilde i industrielle prosesser.

Hydrogenens anvendelse strekker seg fra brenselcelleteknologi til hydrogeninternt forbrenningsmotorer og brukes i alt fra hydrogenbiler til sesongbasert energilagring. I tillegg brukes hydrogen i industrien, særlig i metallurgi og kjemisk produksjon. De økonomiske mulighetene knyttet til hydrogen er enorme, og industrien er på vei til å bli en av de største drivkreftene i den globale økonomien.

I Kina, for eksempel, er hydrogen en viktig del av landets fremtidige energisystem. I 2022 ble den nasjonale planen for utviklingen av hydrogenindustrien (2021-2035) offentliggjort, og den fokuserer på tre hovedstrategiske områder: hydrogen som en viktig komponent i det nasjonale energisystemet, hydrogen som en drivkraft for grønn og lavkarbon omstilling, og hydrogen som en strategisk industri med stort potensial for fremtidig økonomisk vekst.

I tillegg til de teknologiske og industrielle utfordringene er det også et betydelig økonomisk og politisk aspekt ved hydrogenindustrien. Den globale konkurransen om å være ledende på hydrogenteknologi kan få langtgående konsekvenser for internasjonal handel og geopolitikk. De som er tidlig ute med å utvikle og implementere effektive hydrogenløsninger, vil stå i en god posisjon til å dominere den fremtidige energimarkedet.

Det er også viktig å merke seg at hydrogen ikke er en universell løsning for alle energibehov. Mens det har stor potensial i visse applikasjoner som tungtransport, industri og energilagring, vil det fortsatt være behov for andre fornybare energikilder som sol- og vindkraft for å dekke hele verdens energibehov. Kombinasjonen av forskjellige fornybare energikilder vil trolig være den beste tilnærmingen for å oppnå global karbonnøytralitet.

Hvordan mikroporøse materialer kan brukes til hydrogenlagring: en grundig vurdering

Mikroporøse materialer har blitt brukt i stor grad for lagring av hydrogen, og har vist seg å være lovende i mange applikasjoner på grunn av deres store spesifikke overflateareal og evne til å adsorbere hydrogenmolekyler effektivt. Ifølge definisjonen fra International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) har mikroporøse materialer porer som er mindre enn 2 nm, noe som gjør dem svært effektive for hydrogenlagring. Denne egenskapen gjør det mulig for hydrogen å bli adsorbert på overflaten av disse materialene gjennom svake van der Waals-interaksjoner mellom det faste stoffet og hydrogenmolekylene. Dette skaper en høyere lagringstetthet enn det som kan oppnås ved lagring av hydrogen i gasform.

I dagens forskning på hydrogenlagring basert på fysisk adsorpsjon, er det flere representativt materialer, inkludert karbonmaterialer, zeolitter, metal-organiske rammeverk (MOF), kovalente organiske rammeverk (COF) og porøse organiske polymerer (POP). Karbonmaterialer er kjent for deres høye spesifikke overflateareal, termiske stabilitet og kjemiske stabilitet. De er enkle å fremstille og kan produseres til lave kostnader, hvilket gjør dem attraktive for industrielle applikasjoner. Et typisk eksempel på et slikt materiale er BPL-karbon, som har en masse- og volumkapasitet for hydrogenlagring ved 77 K fra 8,5 MPa til 0,5 MPa på 1,86 vekt% og 16,5 g/L. Derimot er den hydrogenadsorberende kapasiteten til karbonmaterialer relativt lav, og det er vanskelig å kontrollere porestruktur og størrelse, og mange av materialene er ukristallinske.

Zeolitter er et annet materiale som har god hydrogenlagringskapasitet. De har et høyt spesifikt overflateareal, høy krystallinitet og en jevn porestørrelse. Eksempler på zeolitter inkluderer NaX, som ved 77 K og 1,5 MPa har en massekapasitet på 1,79 vekt%. Zeolitter lider imidlertid av problemer som svak adsorpsjon med hydrogen og vanskeligheter med å kontrollere porestrukturen, som kan føre til en begrenset hydrogenlagringsevne.

Metal-organiske rammeverk (MOF) er krystallinske materialer laget av metallioner eller -kluster forbundet med organiske ligander. MOF-materialer har et ekstraordinært høyt overflateareal, tilpasningsdyktige porestørrelser og justerbare overflateegenskaper, som gir dem et stort potensial for hydrogenlagring. For eksempel har NU-1501 (Al) ved temperaturer mellom 77 K og 160 K en massekapasitet på 14 vekt% og volumkapasitet på 46,2 g/L. Til tross for deres imponerende egenskaper lider MOF-materialer av lav hydrogenadsorpsjon ved romtemperatur og dårlig prosesseringsevne, som begrenser deres kommersielle anvendbarhet.

Karbonbaserte materialer, spesielt aktivert karbon, har spilt en viktig rolle i hydrogenlagringsforskningen. Karbonmaterialer som aktivert karbon og karbonnanorør har en stor spesifikk overflate og egner seg godt for hydrogenlagring. Den fysiske adsorpsjonen av hydrogen på overflaten av disse materialene skjer ved lave temperaturer, som gir dem betydelig potensial for hydrogenlagring ved lavt trykk. Karbonmaterialer har en lav tetthet, noe som er gunstig for vektreduksjon i utstyr, samtidig som de tilbyr god kjemisk og termisk stabilitet, som øker påliteligheten til prosessene for hydrogenlagring. I tillegg er karbonmaterialer enkle å bearbeide og relativt rimelige å produsere, noe som gjør dem til en praktisk løsning for storskala produksjon.

Aktivert karbon kan produseres gjennom to hovedmetoder: fysisk aktivering ved hjelp av oksiderende gasser som luft, O2, CO2, damp eller deres blandinger, og kjemisk aktivering ved hjelp av kjemiske forbindelser som KOH, NaOH, H3PO4 og ZnCl2. En kombinasjon av disse metodene kan brukes for å ytterligere forbedre porøsiteten og kontrollere porestrukturene i aktivert karbon, noe som forbedrer hydrogenlagringskapasiteten. Billige og tilgjengelige råmaterialer, som tre, kokosnøttskall og riseskall, brukes ofte som kilder til aktivert karbon på grunn av deres lave kostnad og høye tilgjengelighet.

For å kunne implementere disse teknologiene på en praktisk måte, er det viktig å forstå de utfordringene som fortsatt må overvinnes, som for eksempel behovet for å kontrollere porestrukturene mer presist og forbedre adsorpsjonskapasiteten ved høyere temperaturer. Det er også nødvendig å utvikle metoder som kan redusere kostnadene forbundet med produksjon av disse materialene, og samtidig øke deres effektivitet for å gjøre hydrogenlagring mer tilgjengelig og økonomisk for kommersiell bruk.

Hvordan transporteres høytrykksgassformet hydrogen på rørtrailere?

En mer effektiv metode er bruken av rørtrailere, som kan transportere flere store sømløse trykktanker. Rørtrailere finnes i to hovedtyper: den bundne rørtraileren og den containeriserte rørtraileren. I den bundne rørtraileren er tankene festet til halvtraileren, og begge endene støttes av plater. Denne løsningen eliminerer behovet for en fast ramme, noe som gir høyere lastekapasitet og bedre transporteffektivitet, men krever også veier som tåler større belastninger. Den containeriserte rørtraileren kobler flere trykktanker sammen og plasserer dem i en standard containerstruktur, som er utstyrt med nødvendige kontrollventiler, måleinstrumenter og sikkerhetsanordninger. Denne metoden gir bedre muligheter for lasting og lossing, og kan også brukes direkte som en hydrogenkilde på fyllestasjoner for hydrogenbiler. Den containeriserte rørtraileren har blitt det viktigste transportmiddelet for kortdistanse hydrogentransport.

Ruten for transport av hydrogen via rørtrailere følger en spesiell logikk. Hydrogen produsert på sentraliserte fabrikker kan transporteres til lasteterminalene for rørtrailere via rørledninger. I semi-sentraliserte produksjonsprosesser, hvor produksjonsutstyr og gassdistribusjonsstasjoner er samlet på samme sted, kan hydrogenet fylles direkte i rørtrailerne, mens overskuddshydrogen lagres for å møte sesongmessige etterspørselsendringer. Rørtrailere frakter komprimert hydrogen til fyllestasjoner, hvor kompressorer henter hydrogen fra trailerne og leverer det til et høyttrykkslagringssystem for påfylling av hydrogenbiler.

I dag bruker mange rørtrailere i Kina stålbeholdere laget av 4130X stål (CrMo-stål) med et arbeidstrykk på 20 MPa. Hver trailer frakter 300-400 kg hydrogen, og den økonomiske transportavstanden er vanligvis innen 150 km, med en transportkostnad på omtrent 2 yuan per kg hydrogen. Stålbeholdere brukes i stor grad på grunn av lav produksjonskostnad, men de har høy tetthet og er utsatt for hydrogenbrudd. Ønsket om å øke arbeidskapasiteten for disse containerne møter fysiske begrensninger i forhold til veiens bærende kapasitet.

Utfordringene knyttet til transport med rørtrailere er imidlertid mange. Blant annet er det viktig å vurdere effekten av trykksykluser og temperaturstigning under fylling, samt hvordan vibrasjoner fra kjøretøyet påvirker styrken på beholderne. Dette krever utvikling av spesialtilpassede dempingssystemer og en grundig vurdering av optimal driftstrykk og kompresjonskapasitet. Videre er det et betydelig behov for mer effektive og pålitelige kompressorer som kan håndtere de store hydrogenmengdene som fraktes, spesielt for raskt påfyll av trailere.

I tillegg til de tekniske utfordringene er det også økonomiske og logistiske aspekter som må vurderes. Konstruksjon av rørledninger for transport av hydrogen over lange avstander er kostbar, men kan vise seg å være mer kostnadseffektiv på lang sikt, spesielt for større fyllestasjoner som krever store mengder hydrogen daglig. Stål brukes fortsatt i stor grad på grunn av de lave kostnadene, men nye materialer og teknologier er i ferd med å endre landskapet.