Högtrycks-cylindrar för vätetransport är en central komponent i den globala utvecklingen av väteekonomi. De är utformade för att hantera vätgas under tryck, vilket gör det möjligt att transportera stora mängder gas på ett säkert sätt. För att förhindra risker som läckage och för att säkerställa transportsäkerheten är dessa cylindrar utrustade med olika säkerhetsmekanismer. Bland de vanligaste säkerhetsanordningarna finns övertrycksventiler, säkerhetsventiler för rörledningar, nödstoppanordningar och enheter för ledning av statisk elektricitet.

I Kina är det vanligast att man använder långtuber som transportfordon för väte, där trycket i de högtryckscylindrar som transporterar väte vanligtvis ligger runt 20 MPa. Den totala kapaciteten för vätetransport per enhet ligger mellan 300 och 400 kg. För en typisk 20 MPa högtryckscylinder är arbetstrycket vanligtvis 19,0–19,5 MPa. Vid denna trycknivå kan en transportenhet fyllas på med cirka 3750–3920 m³ väte, vilket motsvarar ungefär 334–350 kg. Den faktiska påfyllningstiden är mellan 1,5 och 2,5 timmar, medan urladdningstiden är cirka 1,5–3 timmar. Men en begränsning för dessa system är att de har en låg lagringsdensitet (1–2%), vilket gör dem mindre lämpliga för långväga transporter. Detta gör att transportkostnaderna ökar avsevärt vid längre avstånd.

För ombordlagring av väte har tekniska framsteg också möjliggjort mer effektiva och lättviktiga lösningar. Den viktigaste egenskapen hos ombordcylindrar är deras förmåga att hålla ett högt vätemassaförhållande och lång livslängd. De vanligaste typerna av ombordcylindrar för väte är aluminium-liner fiberomslutna cylindrar (Typ III) och plast-liner fiberomslutna cylindrar (Typ IV). Dessa lösningar minskar vikten på cylindrarna avsevärt, vilket gör dem mer lämpliga för passagerarfordon, där utrymme och vikt är avgörande faktorer.

Japan, Frankrike och Storbritannien har redan etablerat massproduktion av 70 MPa Typ IV vätecylindrar, och dessa har nu kommersiell tillämpning. Toyota var först med att producera en vätebränslecellbil, Mirai, som hade en räckvidd på upp till 550 km. Andra modeller, som Honda Clarity och Hyundai ix35, har också tagit fram vätebilar med högtryckscylindrar. I Kina används för närvarande typ III-cylindrar på 35 MPa för väteförvaring i nya energifordon. Enligt nationella standarder, som GB/T 35544—2017, är utvecklingen av högtryckscylindrar i Kina nu inriktad på att producera typ IV-cylindrar för 70 MPa tryck. Dessa cylindrar består av en aluminiumliner, ett skyddslager mot korrosion och en lager med kolfiberomslutning, vilket gör dem både lätta och hållbara.

På den fasta sidan av väteförvaring används högtrycksbehållare främst vid vätefylla-stationer och i energilagring. För dessa stationer används ofta 35 och 70 MPa som designtryck. De flesta stationerna i Kina använder för närvarande 35 MPa och är byggda med fasta behållare som har ett designtryck på 50 MPa. För stationer med ett högre tryck, som 70 MPa, används behållare med ett designtryck på mellan 98 och 99 MPa. De högtrycksbehållare som för närvarande används på vätefyllningsstationer i andra länder varierar i utformning, och det finns allt från ståltankar till kolfiberförstärkta tankar. I Kina är de mest använda enheterna de ståltape-förseglade vätebehållarna, som är tyngre och svårare att tillverka.

Vid konstruktionen av vätefyllningsstationer är det viktigt att förstå skillnaderna mellan de olika typerna av förvaringsbehållare och de specifika krav som ställs på dessa system. Vägen till en effektiv väteekonomi kräver att man optimerar varje aspekt av vätehanteringen, från transport och förvaring till själva bränslecellens funktion i fordonen. Varje teknik, oavsett om det gäller högt tryck i cylinderlagring eller ny typ av förvaringssystem, måste ses i ett sammanhang av både ekonomi och säkerhet för att kunna skala upp den globala användningen av vätebaserad energi.

Hur LOHC och ammoniak revolutionerar lagring och transport av väte

LOHC-teknologier (Liquid Organic Hydrogen Carriers) har vuxit fram som en potentiell lösning för lagring och transport av väte. Genom att använda väteberikade vätskor som till exempel toluen och metylcyklopentan (MCH), kan väte lagras och transporteras effektivt, vilket kraftigt reducerar värmeförluster och förbättrar den totala termiska effektiviteten i systemet. Trots denna potential, har teknologin sina utmaningar. LOHC-systemen är relativt komplicerade och driftkostnaderna är höga, vilket förhindrar att de används i stor skala. Dessutom lider teknologin av problem som höga reaktionstemperaturer, låg effektivitet vid dehydrogenering och katalysatorförgiftning orsakad av mellanprodukter.

För närvarande är LOHC-väte lagring och transport fortfarande på demonstrationsstadiet, men flera företag världen över, som japanska Chiyoda Corporation och tyska Hydrogenious Technologies, har visat framsteg. År 2017 grundade dessa företag tillsammans med flera andra aktörer, som Mitsubishi och Mitsui & Co., Advanced Hydrogen Energy Chain Association. De utvecklade en vätesystem baserat på TOL/MCH och genomförde i december 2019 ett demonstrationsprojekt för långväga sjötransport av väte från Brunei till Kawasaki, Japan. År 2022 meddelade Chiyoda Corporation att de hade uppnått en viktig milstolpe med världens första sjötransport av väte i MCH-form, vilket bevisade att långsiktig lagring och transport av väte i MCH är genomförbart på global nivå.

Ett av de viktigaste fördelarna med LOHC-teknologi är dess säkerhet. Eftersom LOHC lagrar väte i flytande form kan den använda sig av befintlig infrastruktur för lagring och transport, som redan används för olja och bensin. Detta gör LOHC till en potentiellt säker och praktisk lösning för både mobila och stationära energianvändare. Eftersom väte traditionellt betraktas som ett farligt material, krävs särskilda säkerhetskrav för lagring, transport och påfyllning vid specifika tryck- och temperaturförhållanden, vilket gör LOHC till ett attraktivt alternativ. I en rapport från Internationella energimyndigheten (IEA) 2019 identifierades LOHC och ammoniak som de bästa metoderna för internationell väthandel och långväga vätetransport.

Trots de fördelar som LOHC-teknologi erbjuder, finns det fortfarande betydande kostnadsutmaningar. För närvarande är kostnaden för LOHC-väte lagring och dehydrogeneringsprocesser hög och kan kräva upp till 35-40 % av väteenergin. Dessutom måste LOHC-lagringsmaterial transporteras tillbaka till fabriken, vilket ytterligare ökar transportkostnaderna. De höga materialkostnaderna för LOHC-lösningar, som kan vara upp till 900 yuan per kilogram väte, utgör också ett hinder för storskalig användning. Därför krävs teknologiska genombrott för att minska kostnaderna och effektivisera processen, till exempel genom att utveckla metoder för att producera väte direkt från avfall genom ultra-hög temperaturkonvertering.

Samtidigt finns det andra lovande metoder för väteproduktion och -lagring, som användning av flytande ammoniak. Ammoniak (NH3) är en annan lovande vätestransportör och lagringslösning. Den har ett högt gravimetriskt väteinnehåll (17,6 viktprocent) och en hög volymetrisk väteinnehåll (108 g/L), vilket gör det till en effektiv vätestransportlösning. En annan fördel med ammoniak är dess mycket högre kokpunkt jämfört med väte, vilket gör det enklare att lagra och transportera. Vid en temperatur på −33 °C under 1 atm (atmosfäriskt tryck) kan ammoniak lätt omvandlas till en vätska, medan väte kräver extremt låga temperaturer (−253 °C) för att vara i vätskeform.

Trots de tekniska fördelarna finns det vissa nackdelar med ammoniak som väteslagringsmedel. Ammoniak är starkt korrosivt och giftigt, vilket innebär att hantering och transport kräver strikta säkerhetsåtgärder. Dessutom innebär användningen av ammoniak som väteslagringsmedium ett visst energiförbrukande steg vid väteammoniak-väte cykeln, men det är relativt enklare att implementera och transportera jämfört med andra teknologier.

Trots dessa utmaningar har ammoniak ett stort potential som en långdistansväg för vätegrupper. Ammoniak kan användas både för lagring och för att transportera väte på ett kostnadseffektivt sätt, med etablerade lagrings- och transportinfrastrukturer som redan finns globalt. Därför har så kallade "ammoniak-ekonomier" blivit en central del av de globala samtalen om hur man bäst kan utveckla en vätebaserad ekonomi.

Denna nya riktning för väteenergi kräver dock mycket fortsatt forskning och utveckling. För att kunna hantera de potentiella farorna med ammoniak och optimera transport- och lagringssystemen måste nya teknologiska lösningar utvecklas som kan minska de säkerhetsrisker och miljöpåverkan som finns idag. Vidare måste det globala transportsystemet för väte också anpassas till de nya lösningarna. LOHC och ammoniak-teknologierna erbjuder lovande alternativ för en global väteekonomi och en potentiellt hållbar lösning för framtidens energiutmaningar.

Kan ammoniak bli en effektiv energibärare för vätgaslagring och -transport?

För att kunna hantera den växande efterfrågan på vätgas som energibärare krävs det utveckling av kostnadseffektiva och högvätesselektiva membran samt billiga membranstöd, för att ersätta traditionella palladium-silver metallmembran och tantalum nanotubstöd. År 2017 föreslog Nagaoka och medarbetare en termoxidativ ammoniakdekompositionsmetod som använder partialoxidation av ammoniak för att åstadkomma självvärme (termo-oxidativ ammoniakdekomposition). Jämfört med den endotermiska reaktionen för termisk ammoniakdekomposition (45,9 kJ/mol), gör närvaron av syre och användningen av den sura RuO2/γ-Al2O3-katalysatorn att adsorptionen och partiell oxidation av ammoniak gör hela reaktionen exoterme (−75 kJ/mol). Denna process möjliggör att ammoniak kan dekomponeras vid "rumstemperatur" utan behov av extern värmekälla (även om detta innebär att de självvärmande reaktionerna kan höja reaktionssystemets temperatur). Trots fördelarna innebär denna metod att en väteatom i varje ammoniakmolekyl oxideras till en vattenmolekyl, vilket leder till att 33 % av vätet går förlorat. För väteslagring innebär detta att den teoretiska väteslagringstätheten minskar till 11,8 viktprocent.

Dessutom gör införandet av syre systemet mer komplext, ökar mängden biprodukter och försvårar den efterföljande väte-separationsprocessen, vilket ökar kostnaderna. Detta gör att ammoniak som en högväteslagringsbärare inte är särskilt praktisk eller kostnadseffektiv för närvarande. En annan metod som har utvecklats för att framställa högkvalitativ väte är elektro-oxidativ ammoniakdekomposition, som använder en elektrolytisk oxidation av ammoniak för att producera väte i en alkalisk vattenlösning. Denna teknologi kräver teoretiskt endast en drivspänning på 0,06 V, vilket är mycket lägre än vid elektrolys av vatten (1,22 V). Trots detta begränsas teknologin av en låg ammoniakdekompositions effektivitet, hög anodöverpotential och en hög andel av icke-målinriktade biprodukter, såsom NOx. Vid rumstemperatur är den maximala ammoniakkoncentrationen i en lösning 34,2 viktprocent, vilket innebär att väteslagringstätheten är begränsad till 6,1 viktprocent, vilket minskar användbarheten av denna metod som en effektiv väteslagringsteknik.

För att övervinna dessa hinder utvecklade Ichikawa och medarbetare en direkt elektrolysmetod för flytande ammoniak, där platinummetall används som elektroder och alkalimetallamidsalter som elektrolyter. Här dekomponeras ammoniak till NH2- och NH4+ joner. Vid katoden reduceras ammoniakmolekyler för att frigöra väte, medan anoden oxiderar amidsalter till kvävemolekyler. Dock innebär denna teknik användning av stora mängder amidsalter och krav på strikt anhydra och syrefri drift, vilket gör den operativt komplex och svår att kommersialisera. Dessutom ställer den höga trycket (100 atm) och det specifika elektrolyscellutrustningen krav på avancerad och dyr teknologi.

Det finns även andra alternativ för ammoniakdekomposition som plasma och fotokatalytiska metoder, men dessa har än så länge inte fått samma uppmärksamhet, då de är mer komplexa och har begränsade forskningsresultat. Trots dessa teknologiska hinder fortsätter ammoniak att ses som ett potentiellt effektivt medium för väteslagring, eftersom det redan används i stor skala för transport och lagring av energi. En av fördelarna med ammoniak är att den kan framställas med hjälp av grön vätgas utan att släppa ut CO2, vilket gör det till en lovande kandidat för framtida energiöverföring och lagring.

En viktig aspekt att beakta är att ammoniakens användning som bränsle fortfarande är förenad med betydande utmaningar. Ammoniak är svår att antända och bränsleförbränningshastigheten är mycket lägre än för väte eller naturgas, vilket innebär att det krävs innovativa lösningar för att uppnå en stabil och effektiv förbränning. Den relativa låga värmevärdet gör det dessutom utmanande att använda ammoniak som bränsle i större mängder. Trots dessa svårigheter pågår det betydande ansträngningar världen över för att överkomma dessa hinder, särskilt med tanke på den globala satsningen på att uppnå koldioxidneutralitet. I slutet av 2020 diskuterade EU:s fjärde vätekonferens behovet av att öka produktionen av grön ammoniak, och länder som Japan och Sydkorea har lagt fram planer för att utnyttja ammoniak som en del av sin väte- och energistrategi. Japan har till exempel som mål att nå en 10%-andel av väte- och ammoniakbaserad kraftproduktion till 2050, och Sydkorea planerar att slutföra forskning och tester av ammoniak som bränsle för kraftproduktion till 2030.

Ammoniak har även potential att spela en central roll i framtida energi- och transportinfrastruktur, särskilt om det kan utnyttjas som ett koldioxidfritt bränsle. Detta innebär dock att ytterligare forskning krävs för att utveckla effektivare sätt att lagra och transportera både väte och ammoniak, samtidigt som det är viktigt att hitta metoder för att förbättra dess förbränningsmöjligheter.

Hur man skapar flexibla designlösningar för anpassningsbara produkter
Hur 2D-materialer Kan Revolutionera Vätgasproduktion genom Fotokatalys från Vatten
Hur Underhållsstrategier Påverkar Hållbarheten: En Kvantitativ Analys
Hur kan Recon-ng och Search Diggity förbättra säkerhetsrekognosering?