Vad är principerna för högtryckshydrogenlagring och de tekniska utmaningarna för bränslestationer?

I Kina finns det ett fåtal företag som har utvecklat och producerat högtryckshydrogenkompressorer, som är avgörande för drift och driftssäkerhet vid vätebränslestationer. Dessa kompressorer är utformade för att komprimera vätegas till ett högt tryck, vilket är nödvändigt för att fylla vätebehållare i bränslestationer. De vätekompressorer som används vid dessa stationer har i allmänhet ett utblåstryck på 45 MPa, och de som utvecklats i Kina, till exempel av Beijing Tiangao och Tongji University, har kommit att spela en viktig roll i utvecklingen av 70 MPa kompressorer. Trots att vissa prototyper för 90 MPa kompressorer har testats, är dessa fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium och kräver ytterligare förbättringar för att kunna användas kommersiellt. En stor utmaning som dessa kompressorer står inför är att säkerställa deras långsiktiga tillförlitlighet under de höga tryckförhållanden som krävs vid drift av vätebränslestationer.

För att förstå det grundläggande för arbetet med kompressorer på vätebränslestationer, är det viktigt att förstå principen för högtryckshydrogenlagring och de tekniska problem som uppstår vid drift av kompressorer i dessa applikationer. Kompressorer är i huvudsak en komponent som bidrar till att vätegasen pressas in i högtrycksbehållare, vilket gör det möjligt att lagra stora mängder väte vid relativt små volymer, vilket är avgörande för effektiviteten hos bränslestationerna.

Det finns olika typer av kompressorer som används i vätebränslestationer: den traditionella membran-kompressorn, oljefria boosterkolvar, samt mer experimentella teknologier som jonkompressorer. Membran-kompressorer, som är de vanligast använda i Kina, har ofta ett maximalt utblåstryck på 45 MPa och används i många vätebränslestationer globalt. Dessa kompressorer fungerar genom att vätegasen pressas genom ett elastiskt membran som förhindrar att gasen kommer i kontakt med mekaniska delar, vilket minskar risken för kontaminering av vätegasen.

På andra sidan av spektrumet har oljefria boosterkolvar blivit populära, särskilt i skidmonterade vätebränslestationer, där högre tryck och mer kraftfulla kompressorer är nödvändiga. Dessa kompressorer fungerar genom att använda ett hydrauliskt system för att driva en kolv som komprimerar vätegasen till höga tryck. Den maximala utblåstrycket för dessa system kan vara upp till 100 MPa, vilket gör dem lämpliga för applikationer som kräver mycket höga trycknivåer.

En annan lovande teknologisk utveckling inom området är användningen av jonkompressorer. Dessa kompressorer använder en speciell jonvätska för att separera komprimeringssystemet från drivsystemet, vilket gör att de kan uppnå högre hastigheter och större cylinderdimensioner. En stor fördel med jonkompressorer är att den joniska vätskan inte bara fungerar som komprimeringsmedium, utan också som tätning och smörjning. Detta eliminerar problemet med smörjning vid höga tryck och förhindrar kontaminering av vätegasen, vilket är en stor fördel jämfört med traditionella kolvkompressorer.

Men även om dessa teknologier erbjuder stora fördelar, är de inte utan sina egna utmaningar. Den största tekniska utmaningen när det gäller vätekompressorer är att säkerställa att de kan upprätthålla tillförlitlighet och långsiktig drift under höga tryck. Testningar av kompressorer vid olika stationer har visat att det fortfarande finns tekniska hinder som måste övervinnas innan dessa kompressorer kan användas kommersiellt på bredare skala.

Vidare måste vi ta hänsyn till en annan aspekt, nämligen väteförsämring av material. Vid höga tryck och temperaturer, såsom de som uppstår i vätekompressorer, kan vätegasen orsaka sprödhet i materialen som används för att bygga kompressorer och tryckbehållare. Fenomenet, känt som väteförsämring, innebär att väteatomer tränger in i metaller och leder till mikrosprickor och minskad hållfasthet. Detta kan orsaka allvarliga problem i långsiktig drift och måste tas i beaktande vid materialval och design.

De främsta problemen som återstår att lösa inkluderar:

• Att säkerställa tillförlitligheten hos kompressorer vid mycket höga tryck.

• Att förbättra materialens resistens mot väteförsämring för att undvika långsiktiga driftproblem.

• Att optimera de tekniska parametrarna för jonkompressorer och andra experimentella teknologier för att möjliggöra deras kommersiella användning.

Endtext

Hur kan metanolkrackningsteknologier användas för effektiv vätgasproduktion och lagring?

Metanolkrackningstekniker för vätgasproduktion har länge varit ett forskningsområde av stor betydelse, särskilt för att möjliggöra effektiv lagring och transport av vätgas. Processen att omvandla metanol till vätgas involverar nedbrytning av de kemiska bindningarna inom metanolmolekylerna (CH₃OH), vilket frigör väteatomer och resulterar i produktionen av vätgas (H₂) och koldioxid (CO₂). Denna reaktion kräver hög temperatur och en effektiv katalysator för att uppnå hög selektivitet och stabilitet.

För att optimera denna process har flera olika metanolkrackningstekniker utvecklats, varav de mest framträdande är direkt nedbrytning (DE), partiell oxidation (POX), metanol-dampreformering (MSR) och autothermal reformering (ATR). Dessa tekniker erbjuder olika fördelar beroende på de specifika krav som ställs på vätgasproduktionen, och varje metod har sina egna styrkor och svagheter i termer av effektivitet och energiförbrukning.

Direkt nedbrytning av metanol (DE) är en väl etablerad metod, men den innebär en endoterm reaktion och kräver höga temperaturer, vilket leder till höga energiutgifter och påverkar katalysatorns termiska stabilitet. Traditionellt har kopparbaserade katalysatorer, såsom Cu/ZnO och Cu/Cr, använts, men dessa katalysatorer har visat sig ha begränsad aktivitet och stabilitet vid krackning av metanol. Nyare forskningsinsatser syftar till att utveckla mer effektiva katalysatorer som möjliggör fullständig metanolkonvertering vid temperaturer mellan 250 och 300 °C, utan att orsaka för hög energiförbrukning.

Metanol-dampreformering (MSR) anses vara en av de mest lovande metoderna för vätgasproduktion, eftersom denna process inte bara omvandlar metanol utan också utnyttjar vattenmolekyler för att generera ytterligare vätgas. Detta ökar vätgasinnehållet i produkten, vilket gör den särskilt användbar för applikationer som vätebränslestationer. MSR-tekniken använder övergångsmetallkatalysatorer, vanligtvis baserade på koppar eller nickel, och möjliggör produktion av högkvalitativ vätgas vid temperaturer mellan 250–300 °C. Forskning har lett till utvecklingen av nya katalysatorer, såsom den enkla atom Pt/α-MoC-katalysatorn som möjliggör effektiv produktion vid lägre temperaturer (150–190 °C). Dessa framsteg minskar energiåtgången och förbättrar effektiviteten i vätgasproduktionen.

Den ökade fokuseringen på vätgasproduktion från metanol har också väckt intresse för metanolens roll som ett energieffektivt och transportabelt bränsle. Metanol, med sitt höga energiinnehåll och stabila lagringsmöjligheter, fungerar som ett utmärkt mellanlager för vätgaslagring. Den kan enkelt transporteras och omvandlas tillbaka till vätgas i särskilda anläggningar, vilket gör den till en lovande lösning för framtidens energilagring och transportinfrastruktur.

Vidare är det av stor vikt att förstå att den teknologiska utvecklingen av metanolkrackning för vätgasproduktion är nära kopplad till framstegen inom katalysatorforskning. För att möjliggöra mer energieffektiva och hållbara lösningar krävs katalysatorer som inte bara förbättrar omvandlingen av metanol utan också minimerar miljöpåverkan och kostnader. Dessutom måste vi vara medvetna om de operativa utmaningarna, såsom hantering av den resulterande CO₂, och sträva efter teknologier som möjliggör koldioxidavskiljning och -lagring (CCS), vilket gör processen mer hållbar på lång sikt.

För att göra denna teknologi kommersiellt gångbar är det också nödvändigt att integrera den med befintlig infrastruktur för vätgaslagring och transport, vilket kan leda till en mer effektiv och praktisk lösning för stora industriella och energimässiga applikationer.

Hur kan ammoniaboran och dess derivat förbättra väteutvinning och lagring?

Ammoniaboran och dess derivat har på senare år framträtt som lovande ämnen för väteproduktion och lagring. Deras förmåga att släppa ut väte genom hydrolys gör dem intressanta inom energiområdet, särskilt för applikationer där effektiv och säker väteproduktion är avgörande. Katalysatorer som används för hydrolys av ammoniaboran, till exempel de baserade på ädelmetaller som guld och palladium, har visat sig ge imponerande katalytisk aktivitet. Vid användning under ljusförhållanden, som till exempel synligt ljus, har dessa katalysatorer visat sig tre gånger mer effektiva när det gäller väteproduktion än vid mörka förhållanden. Under dessa förhållanden genereras fotoelektroner och hål (e−-h+), vilket gör det möjligt för katalysatorerna att delta i redoxreaktioner och därmed accelerera hydrolysen.

Utvecklingen av väteproduktion från ammoniaboran genom hydrolys kräver dock nya typer av katalysatorer, som både är kostnadseffektiva och hållbara. Framtida forskning bör inrikta sig på att utveckla katalysatorer med lägre kostnader och bättre återvinningsbarhet. Till exempel, användning av magnetiska material eller metallskum kan ge både hållbarhet och bättre katalytisk aktivitet. Dessutom har ljusinducerade katalysatorer, såsom halvledare som kan använda solens energi, potentialen att minska systemets energiförbrukning, vilket gör det till en miljövänligare lösning.

Det är också viktigt att förstå att dehydrogeneringen av ammoniaboran är en exoterm reaktion, vilket innebär att väteutvinning genom hydrolys är en enrigrik process. En stor utmaning med ammoniaboran är att vätefrigöringsprocessen är svår att reversera, vilket innebär att det resulterande produkten inte kan återhydrogeneras. Därför måste forskningen även inrikta sig på kostnadseffektiva metoder för att regenerera ammoniaboran från dehydrogenerade produkter för att möjliggöra återanvändning och cyklisk användning.

Utöver ammoniaboran, har derivat som metallammoniaboraner visat sig ha överlägsna egenskaper för väteutvinning. Metallammoniaboraner, där alkali- eller alkaliska jordartsmetaller ersätter väteatomer i ammoniaboranmolekylen, uppvisar förbättrade väteutsläppsegenskaper jämfört med ammoniaboran. Exempelvis har litiumammoniaboran (LiAB) en väteutsläppstemperatur på 91°C, vilket är avsevärt lägre än för ren ammoniaboran. Dessutom uppvisar bimetalliska ammoniaboranderivat ännu bättre vätefrigöringsegenskaper, särskilt när metaller med olika jonkrafter kombineras.

Syntesen av dessa derivat sker främst genom två metoder: mekanisk kornmylning i fast fas och våtkemisk syntes. Kornmylning är effektiv för att minska partikelstorleken och skapa större reaktiva ytor, medan den våtkemiska metoden underlättar materialöverföring, men innebär svårigheter i form av lösningsmedelsborttagning och renhetsproblem. Oavsett metod är det viktigt att förstå de kemiska förändringarna som sker vid bildandet av metallammoniaboraner. Förändringar i bindningarna mellan bor och kväve, samt de ökade jonstyrkorna i metall-kvävebindningarna, påverkar både väteutsläpp och stabilitet hos derivaten.

Förutom de förbättrade väteutsläppsegenskaperna har metallammoniaboraner också visat sig vara mer effektiva på att förhindra bildandet av oönskade biprodukter, såsom ammoniak (NH3), vilket gör dem ännu mer attraktiva som vätebärare. Men även om dessa derivat har lovande egenskaper för väteutvinning, kvarstår frågan om deras återanvändning och cykliska prestanda, som är avgörande för långsiktig användning i praktiska tillämpningar.

Vad är framtiden för fastlagrad vätgaslagring och transport?

Fasta vätgaslagringsteknologier som använder fysiska eller kemiska adsorptionsmetoder eller bildandet av hydider har visat sig vara centrala för utvecklingen av vätgaslagring och transport. Dessa teknologier innebär användningen av fasta vätgaslagringsmaterial som vätgaslagringslegeringar, komplexa hydride, MOF (metallorganiska ramverk) och andra material som lagringsmedium. Idag har vätgaslagringslegeringar med hög densitet visat sig ha de mest praktiska tillämpningarna, och dessa används i särskilda vätgaslagringstankar för att möjliggöra påfyllning och urladdning av vätgas.

De största fördelarna med fastlagrad vätgaslagringsteknik är den höga lagringstätheten, med en volymetrisk vätgaslagringstäthet på ≥100 g/L, vilket gör det möjligt att lagra stora mängder vätgas i kompakta system. Dessutom arbetar denna teknologi vid lägre driftstryck, vilket gör att det inte behövs tryckutrustning för att anpassa sig till det utgångstryck som genereras av elektrolysceller vid vätgasproduktion. Detta innebär inte bara enklare system utan även högre säkerhet, eftersom det inte finns någon risk för explosioner. Lagring och tömning av vätgas kan också ske över lång tid, med mer än 1000 cykler, vilket gör dessa system extremt hållbara.

Ett exempel på framgångsrik tillämpning är den största fasta vätgaslagringstanken som utvecklades i Japan av Kawasaki Heavy Industries på 1980-talet. Den använde en 1000 kg blandning av sällsynta jordartsmetaller och nickel-aluminiumlegeringar för att skapa en tank med en kapacitet på 175 m³. Detta tankssystem användes senare på en fyrtaktsmotor från Toyota, vilket möjliggjorde en körsträcka på 200 km.

Kina har också gjort framsteg inom området. Till exempel utvecklade Zhejiang University en lågtemperatur vätskelagringstank med en kapacitet på 240 m³ för vätgasåtervinning och rening. År 2012 utvecklade China Grinm Technology Group Co., Ltd. ett vätgaslagringssystem baserat på AB2-typ vätgaslagringslegeringar med en kapacitet på 40 m³. Systemet kopplades ihop med ett bränslecellssystem på 5 kW och kunde leverera kontinuerlig energi till kommunikationsstationer i nästan 17 timmar.

Forskning på vätgaslagringsteknologier har fortsatt att utvecklas, och många forskningsinstitut världen över, inklusive de som arbetar med magnesiumbaserade lagringssystem, har börjat implementera mer sofistikerade teknologier för storskalig lagring och transport av vätgas. Företaget Hydrexia i Australien utvecklade ett system som kan lagra och transportera upp till 700 kg vätgas, vilket kan användas för storskalig säker lagring och transport.

De senaste utvecklingarna inom solid-state lagringsteknologi handlar om att förbättra säkerheten och effektiviteten i lagringen, vilket gör teknologin användbar för allt från backup-strömförsörjning till transport av vätgas. Till exempel har EU:s HyCARE-projekt, som lanserades 2020, undersökt användningen av TiFe-baserade vätgaslagringslegeringar för att förbättra effektiviteten i den globala vätgasmarknaden.

För att sammanfatta är det tydligt att solid-state vätgaslagring och transport representerar en lovande framtid för vätgasindustrin, tack vare fördelarna med hög lagringstäthet, effektivitet och säkerhet. Tekniken har potentialen att revolutionera sättet vi lagrar och använder vätgas på ett hållbart sätt, och fortsatta innovationer och internationellt samarbete kommer att vara avgörande för dess framgång i praktiken.