Metanolproduktion genom CO2-hydrogenering har visat sig vara tekniskt genomförbar, men de associerade kostnaderna för CCS-teknologier (Carbon Capture and Storage) gör den mindre lämplig för storskalig produktion. För att fånga upp ett ton CO2 med en effektivitet på 85 %, krävs det cirka 44 kWh energi för kompression och ytterligare 890 kWh för att regenerera lösningen. Om direkt luftfångst (DAC) används istället för att fånga CO2, stiger energikonsumtionen avsevärt, med 300 kWh elektricitet och 1800 kWh för värme. Denna höga energiförbrukning är en av de största hindren för en hållbar och kostnadseffektiv produktion av metanol på industriell nivå.

I början av 1920-talet och fram till mitten av 1960-talet använde metanolproduktionen zink-krom-katalysatorer. 1966 lyckades det brittiska företaget Imperial Chemical Industries (ICI) utveckla en kopparbaserad katalysator (Cu/ZnO) som kunde använda CO2-innehållande syngas som råmaterial för att syntetisera metanol vid temperaturer mellan 250–300 °C och tryck på 8–10 MPa. Efter denna upptäckt har forskare undersökt katalysatorns sammansättning, aktivitet och dess roll i metanolsyntesprocessen, där ZnO fungerar som en promotor för Cu-katalysatorn. Men den höga aktivitet som dessa kopparbaserade katalysatorer uppnår kräver höga temperaturer och tryck, och den enkla CO-konversionen vid en passering är förhållandevis låg (15–25 %).

Utvecklingen av metanolsynteskatalysatorer som är effektiva vid lägre temperaturer och tryck är därför en nyckelfaktor för att förbättra CO-konversionen vid en enda passering och för att sänka produktionskostnaderna. Forskning av Tusbaki och hans medarbetare, där man använde olika alkoholer som katalysatorpromotorer och lösningsmedel, resulterade i en syntes av metanol vid 150–170 °C. Vidare använde de en fastfasmetod för att syntetisera Cu/ZnO-katalysatorn och undersökte effekterna av olika molära förhållanden av H2C2O4/(Cu + Zn) och olika typer av chelaterande medel på katalysatorns struktur och metanolsyntesens prestanda.

Enligt teorin om morfologi hjälper ZnO-stöd att dispergera Cu-nanopartiklar och förbättra deras ytmorfologi. Spillover-teorin indikerar att ZnO-stöd fungerar som en väte lagringspool för CO2-hydrogeneringsreaktionen på Cu-katalysatorns yta. Cu-Zn-alliesteorin förklarar att ZnO delvis överförs till Cu-yta och bildar Cu+-O-Zn aktiva siter, medan en del av ZnO löses upp i Cu-nanopartiklar för att bilda Cu-Zn-alloy.

De största faktorerna som påverkar metanolsyntestechnologin är reaktorn, katalysatorn och val av processflöde. Syntesen kan genomföras vid olika tryck, och teknologin kan delas in i högtrycksmetod (19,6–29,4 MPa), medeltrycksmetod (9,8–19,6 MPa) och lågtrycksmetod (4,9–9,8 MPa). Högtrycksmetoden kräver stora investeringar och är energiintensiv, medan lågtrycksmetoden är enklare att tillverka, kräver lägre investeringar och minskar energiförbrukningen med en fjärdedel. Medeltrycksmetoden har utvecklats för att skalas upp produktionen av metanol. Vid större skala skulle användningen av lågtrycksmetoden kräva mycket stora processrör och utrustning, vilket gör medeltrycksmetoden mer lämplig.

Idag står mer än 80 % av världens metanolproduktion för medel- och lågtrycksprocesser. De mest typiska företagen som producerar metanol är bland andra ICI:s DAVY Process från Storbritannien, Haldor Topsoe från Danmark och Lurgi Chemical Company från Tyskland. Johnson Matthey (DAVY) är en av de främsta leverantörerna av teknologier för storskalig kol-till-metanol-syntes. DAVY:s teknik, som använder lågtrycksmetoden, var framgångsrikt implementerad i Trinidad 2005, och den kan producera upp till 5000 ton metanol per dag, vilket motsvarar 1,67 miljoner ton per år.

DAVY:s syntesprocess är uppbyggd i en "serie-parallel"-konfiguration, där råvarorna består av konverterad gas (CO2 + H2) från naturgas eller syngas (CO + H2) från kolgasifiering. Processen sker vid temperaturer över 200 °C, och katalysatorn hjälper till att omvandla råmaterialen till metanol i en syntesreaktor. För att upprätthålla reaktionstemperaturen används högtrycks- och medeltrycksdamp från botten av reaktorn för att genomföra både fysisk och kemisk avvattning.

I DAVY:s system leds den förbehandlade gasen genom en rörledningsreaktor och katalyseras för att syntetisera råmetanol. Den metod som används möjliggör hög värmeöverföring och lågt tryckfall samtidigt som metanolavkastningen förbättras. Detta sker bland annat genom att gasflödet i radiala flödesreaktorer optimeras, vilket tillåter att stora mängder gas bearbetas samtidigt utan att öka trycket för mycket.

Det är viktigt att förstå att den långsiktiga hållbarheten och ekonomin för metanolproduktion inte enbart hänger på katalysatorns effektivitet, utan också på den energi som krävs för att driva processen. För att minska den totala kostnaden och göra metanolproduktion mer hållbar, är det avgörande att arbeta med energieffektivitet och alternativa källor för den energi som behövs i dessa processer. Det är också viktigt att förstå att det krävs mycket noggrant optimerade processer för att uppnå en hög CO-konversion i en enda passering, vilket är ett av de största hindren för att göra denna metod konkurrenskraftig på global nivå.

Hur fungerar väteupptagning och -frisättning i metallhydrer och legeringar?

Väteupptagning och -frisättning är centrala processer för vätebaserad energilagring. Väte lagras på olika sätt i material, beroende på om processen är fysikalisk eller kemisk. Fysisk adsorption sker genom svaga bindningar mellan väte och materialet, vilket gör att vätemolekyler kan adsorberas vid låga temperaturer, oftast vid 77 K, nära kvävegasens kokpunkt. På andra sidan finns kemiska hydrer, där väte lagras genom att bilda stabila föreningar med metallkomponenter eller legeringar. Detta kan omfatta metallhydrider, komplexhydrier och ammoniaboraner.

Metallhydrider är en typ av vätematerial där vätemolekyler dissocieras på ytan av metaller eller legeringar. Väteatomer tränger in i metallens kristallgitter och bildar en metallhydride. Dessa material lagrar väte i form av binära eller flerkomponent metallhydrider. Vid väteupptagning frigörs värme, och vid uppvärmning frigörs väte i gasform. Denna cykliska process, där väte absorberas och släpps ut, kan upprepas under kontrollerade förhållanden.

Metallhydrider kan delas in i två huvudkategorier: legeringar bestående av metallelement som lätt bildar stabila hydrider och de som har svagare bindning till väte, vilket underlättar vätets rörelse i materialet. En sådan blandning skapar ett material där väte kan lagras effektivt samtidigt som återfyllning och frisättning av väte är termodynamiskt och kinetiskt kontrollerat.

Allmänna metaller som används i dessa legeringar är exempelvis lantan (La), cerium (Ce), och titan (Ti), som samverkar med övergångsmetaller som järn (Fe), kobolt (Co) eller nickel (Ni). Den första komponenten reagerar effektivt med väte och ger en hög väteupptagningskapacitet, medan den andra komponenten säkerställer att väte kan röras inom materialet utan att bilda hydrider. En sådan uppsättning påverkar både väteupptagningskapaciteten och materialets förmåga att reversera processen.

Väteupptagningsmekanismen i metallhydrider består av fyra grundläggande steg. Först adsorberas vätegas på metallytan, där vätemolekyler dissocieras till väteatomer. Dessa atomer diffunderar vidare in i materialets gitter och bildar en solid lösning. När koncentrationen av väteatomer ökar i materialets inre, börjar en α-fas bildas. Vid högre koncentrationer omvandlas denna α-fas till en β-fas, där väteatomerna är bundna i en stabil metallhydride.

Vid temperaturhöjning kan den omvända reaktionen ske, där metallhydriden bryts ned och väte frigörs. Både väteupptagning och frisättning är därför reversibla processer. Vid stabila förhållanden – temperatur, tryck och koncentration – sker väteupptagning och -frisättning utan stora förändringar i tryck, vilket gör systemet effektivt för cyklisk användning.

En viktig aspekt av väteupptagning och -frisättning i metallhydrider är termodynamiken. Väteabsorption och -frisättning är dynamiska jämviktsprocesser som sker mellan tre faser: väte, metall och hydrider. Vid väteabsorption bildas först en solid lösning (α-fas), men efterhand omvandlas denna till en hydride (β-fas) där väteatomerna binds mer starkt. Denna omvandling sker vid en specifik temperatur och vätepressur, som kan avläsa genom tryck-komposition-temperatur (PCT) kurvor, där man får viktiga data om systemets kapacitet och termodynamiska egenskaper.

Det är också viktigt att förstå att högre temperaturer kan förändra det kritiska trycket vid vilket fasövergången sker. Vid temperaturer över den kritiska temperaturen (Tc) försvinner den plattform där fasövergången sker, vilket gör att systemet kan agera på ett annorlunda sätt under olika driftförhållanden.

Slutligen, de specifika egenskaperna hos olika väteupptagningsmaterial, såsom deras väteabsorptionskapacitet och de termodynamiska krav som styr dessa processer, gör att olika material passar bättre för olika tillämpningar. För att optimera vätehanteringen i praktiska tillämpningar, såsom energiutvinning och bränsleceller, är det avgörande att förstå dessa termodynamiska och kinetiska parametrar för att kunna välja rätt material och designa effektiva lagringssystem.

Hur fungerar termisk och massöverföring i solid-state väteförvaring?

I teknologin för solid-state väteförvaring är hantering och kontroll av både termiska och massöverföringsprocesser avgörande för effektiv drift och lagring. I väteförvaringstankar som bygger på fasta material är dessa processer särskilt komplexa på grund av de olika fysiska och kemiska interaktionerna mellan material och vätegas.

I pulverområdet och filterområdet är värmeöverföringen ett resultat av både värmeledning mellan legeringspulver och konvektiv värmeöverföring orsakad av vätegasens flöde. Eftersom vätegasens viskositet är mycket låg, bortses effekterna av dess viskositetsdissipation vid värmeöverföring. Det måste dock beaktas att väteabsorptionen och desorptionen skapar en värmekälla, vilket innebär att en värmekälla måste införas i värmeöverföringsformeln. För filterområdet, där ingen väteabsorption eller desorption sker, är värmekällan alltid 0. Värmeöverföringsekvationen i pulverområdet ser ut så här:

ρCP∂T∂t+u∇T=λe∇2T+ST\rho C_P \frac{\partial T}{\partial t} + u \nabla T = \lambda_e \nabla^2 T + S_T

där ρCP\rho C_P representerar den effektiva densiteten multiplicerat med den specifika värmekapaciteten, uu är gasflödets hastighet och STS_T är värmekällans bidrag från väteabsorptionen.

I det tomma området där endast vätegasens flöde är relevant, styrs värmeöverföringen av den specifika värmekapaciteten för vätegasen och gasflödets hastighet:

ρgCPg∂T∂t+∇⋅(uT)=0\rho_g C_{P_g} \frac{\partial T}{\partial t} + \nabla \cdot (u T) = 0

För de fasta väggarna i tanken, som består av rostfritt stål eller andra material, förekommer enbart värmeledning, vilket beskrivs av den enkla värmeöverföringsekvationen för fasta ämnen:

∂T∂t=ksCPs∇2T\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{k_s}{C_{P_s}} \nabla^2 T

Det är viktigt att förstå att dessa områden inte är isolerade. Övergångarna mellan pulverområdet, filterområdet och de fasta väggarna måste alla beaktas för att skapa en korrekt modell för väteförvaringens dynamik.

Massöverföringen i dessa system behandlas också i olika områden. I pulverområdet kan man använda Darcy's lag för att beskriva förhållandet mellan tryck och gasflöde genom pulverbädden. Massöverföringsekvationen beskriver förändringar i vätegasens densitet och flöde i systemet:

Ku=−∇PμK u = - \frac{\nabla P}{\mu}

där KK är genomsläppligheten för pulverbädden och μ\mu är vätegasens viskositet. För filterområdet är masskällatermen SPS_P alltid 0, medan för pulverområdet är den relaterad till väteabsorptionen.

I det tomma området beskriver Navier-Stokes ekvationen flödet av vätegas:

ρg∂u∂t+(u⋅∇)u=−∇P+μ∇2u\rho_g \frac{\partial u}{\partial t} + (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = -\nabla P + \mu \nabla^2 \mathbf{u}

Detta beskriver de dynamiska förändringarna i vätegasflödet, vilket är en viktig aspekt att ta hänsyn till vid design och drift av väteförvaringstankar.

Vid designen av sådana system är det också centralt att förstå olika parametrars påverkan på systemets totala prestanda. Temperatur, tryck och flödeshastighet spelar alla en stor roll i den övergripande effektiviteten för väteabsorption och desorption. Genom att justera dessa parametrar kan man optimera väteförvaringens kapacitet och minska förluster under drift.

Det är också värt att notera att för att förverkliga en verklig, långsiktig lösning för väteförvaring, krävs noggrann balans mellan de termiska och mekaniska egenskaperna hos materialet som används för lagringen. Det gäller att välja legeringar och hydridesystem med rätt kemiska och fysikaliska egenskaper för att maximera väteinnehållet och förbättra systemets långsiktiga stabilitet.

Endtext

Jaký dopad má jmenování ženy-diecézní kaplany na obec a jaké postoje to vyvolává?
Proč jsou mladí muži slepí vůči skutečné kráse?
Jak využít technologie Content-Aware v Photoshopu pro efektivní úpravy obrazů