Vad gör Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC) till en lovande lösning för väte-lagring och transport?

Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC) representerar en intressant och praktisk metod för att lagra och transportera väte, vilket kan spela en viktig roll i den globala omställningen till hållbara energikällor. LOHC-teknologin innebär att väte lagras i vätskeförbindelser, som kan hantera väte på ett effektivt sätt vid normala temperaturer och tryck, vilket ger en lösning på de tekniska utmaningarna med lagring och transport av väte.

Flera LOHC-system har utvecklats, där cyklohexan, metylcyklohexan och decahydronaftalen (together with their dehydrogenation products) är några av de mest framträdande exemplen. Cyklohexan är vid rumstemperatur en vätska och kan bära upp till tre mol väte per mol cyklohexan. Dehydrogenering av cyklohexan frigör väte och bildar bensen, men bensen är mycket giftigt och cyklohexans låga kokpunkt gör det svårt att separera och rena väte. Därför har andra LOHC-system utvecklats som erbjuder bättre hanterbarhet och säkerhet, samtidigt som de bevarar hög vätebärande kapacitet.

En annan lovande kandidat är toluen, som tillsammans med metylcyklohexan (TOL/MCH) har visat sig vara mycket effektivt för väte-lagring. TOL/MCH-systemet har en gravimetrisk väte-lagringsdensitet på 6,2 viktprocent, vilket är högre än många andra lösningar. Eftersom toluen är relativt lågt giftigt och dess dehydrogenering är reversibel och relativt enkel, har systemet kommersialiserats av Chiyoda Corporation i Japan. Här används toluen som en transportvätska för väte, vilket gör det möjligt att använda existerande infrastrukturer för vätskeöverföring, såsom rörledningar, för att effektivt distribuera väte över stora avstånd.

Naphthalen/decahydronaphthalen (NAP/DEC) är ett annat LOHC-system som erbjuder en stark vätebärande kapacitet, med en gravimetrisk väte-lagringsdensitet på 7,3 viktprocent. Decahydronaftalen har fördelen av att vara en vätska vid rumstemperatur och kan bära upp till fem mol väte per mol. Trots sina fördelar innebär det även vissa utmaningar med långsiktigt lagring, eftersom det finns en kontinuerlig risk för råvarutapp under väte-lagring och transportprocessen.

Samtidigt är det viktigt att förstå de tekniska utmaningarna med LOHC. För att möjliggöra effektiv dehydrogenering krävs strikta driftsförhållanden. Processen kräver användning av katalysatorer och fungerar endast optimalt vid höga temperaturer och ibland under högt tryck, vilket gör att det finns betydande begränsningar i värme- och massöverföringseffektiviteten. Dehydrogeneringen är inte bara ineffektiv i många fall utan kan också leda till oönskade sidoeffekter och en förlust av väte av låg renhet. Vidare kan katalysatorerna som används för dehydrogenering under höga temperaturer förstöras, vilket minskar deras effektivitet och livslängd.

Hur lagras och transporteras väte effektivt? Tekniker för väteförvaring och transport

Väte är en viktig del av framtidens energiutbud och dess förvaring och transport är avgörande för att kunna utnyttja dess potential på ett effektivt sätt. Förvaring och transport av väte kan genomföras på flera olika sätt, där varje metod har sina specifika fördelar och utmaningar beroende på användningsområdet. De huvudsakliga metoderna som används är flytande väteförvaring och transport, samt fast tillståndsförvaring genom metallhydrier och andra avancerade material. I denna text belyses de mest använda metoderna samt den globala utvecklingen och de tekniska utmaningarna inom området.

Flytande väteförvaring och transport innebär att väte kyls ner till -253 °C för att övergå till vätskeform. Denna metod kräver avancerad kylteknik och isolering för att hålla väte i flytande form vid extremt låga temperaturer. För att underlätta transporten lagras väte inte bara i flytande form utan också i väte-rika föreningar, såsom flytande ammoniak, metanol eller dimetylimidazol. Dessa föreningar används för att lagra väte och kan genomgå katalytiska väteatiseringar och dehydrogenationer för att släppa ut väte vid behov.

Fast tillståndsförvaring innebär att väte lagras i fasta material, så kallade väte-lagringsmaterial. Dessa material är oftast metallhydrier eller komplexa hydrier som kan lagra väte under högt tryck i en fast form. De vanligaste materialen inkluderar titanbaserade, magnesiumbaserade eller lantanoider-baserade hydrier, samt metallorganiska ramverk och grafenmaterial. Fördelen med denna typ av förvaring är den höga energitätheten, vilket gör det möjligt att lagra mer väte på mindre utrymme. Dock innebär dessa teknologier fortfarande vissa tekniska utmaningar när det gäller kostnader och effektivitet vid dehydrogenation.

En av de mest etablerade metoderna för väteförvaring är lagring av väte i högtrycksbehållare. Denna metod har blivit den mest använda globalt och innebär att väte lagras i gasform under högt tryck. Detta möjliggör snabb laddning och urladdning av väte samt effektiv transport och användning. För att uppnå denna förvaring används ofta stålbehållare som är byggda för att tåla höga trycknivåer. Dessa kan delas upp i stationära och transportabla högtrycksbehållare beroende på användningsområdet.

Stationära högtrycksbehållare används främst i väte-tankstationer eller vid produktion av grön väte. Dessa system är designade för att möta behovet av stora volymer och låga kostnader. I Kina, till exempel, har en betydande andel av väte-tankstationerna implementerat denna teknik, där trycknivåer varierar mellan 35 MPa och 70 MPa beroende på stationens krav. De flesta väte-tankstationer i andra delar av världen, såsom i Tyskland och USA, använder liknande standarder för tryck och lagring.

Transportabla högtrycksbehållare används för att transportera väte från produktionsanläggningar till användningsområden såsom väte-tankstationer. Dessa system är oftast lägre i vikt för att kunna användas för mobil vätesupply, särskilt i vätebilar. I den tidiga utvecklingen användes rörsläpvagnar för att transportera väte i högtrycksbehållare, men numera är den tekniska utvecklingen inne på att utveckla lättare och mer effektiva behållare för transportändamål.

Trots att lagring och transport av väte via högtrycksbehållare är en etablerad metod, är det fortfarande många tekniska hinder som måste övervinnas för att förbättra effektiviteten och minska kostnaderna. En av de största utmaningarna är att optimera behållarnas säkerhet och hållbarhet vid extremt höga tryck. I många fall används en fyrstegsprocess där väte lagras i olika trycknivåer för att effektivt hantera gasen från tankstationer till fordon.

Utvecklingen av vätesystem för lagring och transport står fortfarande inför många utmaningar. Teknologier som solid-state lagring och användning av väte-rika vätskor är ännu i ett tidigt skede av industrialisering, med få demonstrationsprojekt tillgängliga. Men med den ökande efterfrågan på väte som en ren energikälla kommer dessa teknologier troligtvis att spela en viktig roll i framtidens energiomställning.

Det är också viktigt att förstå att utvecklingen av vätesystem inte handlar enbart om att välja en lagringsmetod utan att även optimera hela vätekedjan. Effektiv produktion, transport, lagring och användning av väte måste vara integrerade för att uppnå den önskade energiomställningen. Det innebär att framtida väteinfrastrukturer kommer att behöva vara flexibla och anpassa sig till olika användningsområden, såsom fordon, industrier eller elektricitetstillverkning.

Endtext

Hur fungerar legeringar av sällsynta jordartsmetaller, magnesium och nickel för väte lagring?

Denna typ av legering kombinerar de höga väteabsorptionskapaciteterna hos AB2-legeringar med fördelarna med AB5-legeringarnas lättaktiverade egenskaper. Supergitterstrukturen kan delas in i två huvudtyper: den som bildas när [A2B4]-subenheten är av MgZn2-typ och den som bildas när den är av MgCu2-typ. Första typen bildar en struktur av P63/mmc typ (2H) och den andra en struktur av R-3m typ (3R). Varje supergitterlegering kan därmed existera i både 2H- och 3R-typ, med varianter som CeNi3 (2H) och PuNi3 (3R) för AB3-legeringar, eller Ce2Ni7 (2H) och Gd2Co7 (3R) för A2B7-legeringar.

En av de största utmaningarna vid framställning av dessa sällsynta jordartsmetall-legeringar är deras tendens att bilda flera faser beroende på kemiska sammansättningar och behandlingsförhållanden. Vid olika temperaturer och tryck kan flera fasövergångar inträffa, vilket gör att blandade faser ofta förekommer i de färdiga produkterna. Trots denna komplexitet har forskare lyckats förbättra stabiliteten och reversibiliteten i väteabsorptionen genom att använda lättare jordartsmetaller för att ersätta tyngre element i vissa fall.

Första forskningsframstegen inom området fokuserade på PuNi3-typens legeringar. Tidiga försök som Kadir och hans kollegor genomförde med REMg2Ni9 (där RE står för en sällsynt jordartsmetall) visade på en låg väteabsorption på 0.33 viktprocent vid 30°C, men med en mycket högre strukturell stabilitet än vad som observerades i äldre legeringar som LaNi3. De utvecklade också La2MgNi9 och La5Mg2Ni23, där den sistnämnda visade en vätekapacitet på 1.1 viktprocent. För att ytterligare förbättra kapaciteten ersatte forskarna vissa av de tyngre jordartsmetallerna med lättare alternativ som kalcium, vilket resulterade i ännu högre väteupptagningskapacitet.

För att uppnå dessa framsteg har forskare också lagt stor vikt vid att optimera framställningsteknikerna. Genom att använda snabba kylmetoder som snabbkylning kan man minska segregationen av element i legeringen, vilket leder till en mer homogen och definierad struktur. Behandling vid hög temperatur (glödgning) används också för att reducera interna spänningar och homogenisera legeringen ytterligare, vilket i sin tur förbättrar väteabsorptionen och cykliska stabiliteten.

Det är viktigt att förstå att medan dessa sällsynta jordartsmetall-legeringar erbjuder ett stort potential för väte lagring, är de fortfarande föremål för utmaningar relaterade till kostnad, tillgång på material och tekniska svårigheter vid produktionen. Samtidigt är det av vikt att notera att utvecklingen av dessa legeringar är ett steg mot mer effektiva och hållbara metoder för väteenergilagring, vilket kommer att vara avgörande för framtidens energisystem och teknologier.