Vad är framtiden för väteenergi och dess lagring och transport?

Väteenergi utvecklas snabbt som en central del av den globala omställningen till en hållbar energiframtid. För att kunna uppnå målen för koldioxidneutralitet och minskade växthusgasutsläpp, ses väte som en av de mest lovande lösningarna för att dekarbonisera industrisektorer, transporter och byggnader. Väte har också potentialen att spela en nyckelroll i omställningen av tunga transportmedel som lastbilar, fartyg och flygplan, och används redan idag i exempelvis bränslecellsdrivna bussar och lastbilar i Kina.

Under de senaste åren har utvecklingen av väteindustrin gått snabbt, särskilt i Kina, där regeringens policies har drivit på denna utveckling. Vätskan är osynlig, men vätebränslecelldrivna fordon och anläggningar blir allt mer synliga på gator och inom industrin. Vidare byggs väte-tankstationer både på land och till sjöss, och vätebaserade transportsystem införs på bred front. I Kina används väte till och med för att driva flygplan och fartyg, vilket gör att det inte längre bara är en teoretisk framtidsteknik, utan en verklighet.

Det finns också ett växande behov av att utveckla både den teknologiska infrastrukturen för väte och de system som behövs för lagring och transport av väte. Eftersom väte är ett gasformigt ämne vid normala temperaturer och tryck, är det nödvändigt att lagra och transportera det på ett sätt som säkerställer både effektivitet och säkerhet. Vanliga metoder för lagring inkluderar komprimering av väte under högt tryck, eller förflyttning till flytande form under extremt låga temperaturer. Dessa teknologier utvecklas stadigt för att öka både säkerheten och kapaciteten för väteanvändning i stor skala.

Utmaningen för transporten av väte är inte bara att bevara dess kvalitet, utan också att säkerställa att infrastrukturen för distribution kan byggas ut snabbt nog för att möta efterfrågan. För att väte ska kunna användas på bredare front måste ett globalt nätverk för väteförsörjning etableras. Detta innebär byggande av väteledningar och tankstationer på strategiska platser för att möjliggöra smidig transport och användning.

En annan utmaning är produktionen av väte från förnybara källor. Idag är en stor del av världens väteproduktion fortfarande beroende av fossila bränslen, vilket gör att det är viktigt att utveckla grön väteproduktion, där väte produceras genom elektrolys av vatten med hjälp av förnybar energi som sol eller vind. Denna metod förväntas spela en avgörande roll i att minska koldioxidutsläppen och göra väte till en hållbar energikälla på lång sikt.

I Kina, som är världsledande i utvecklingen av vätebränslecellsbilar och väteinfrastruktur, har den nationella strategin för väteindustrins tillväxt fastslagit ambitiösa mål. Enligt planerna kommer Kina att ha 50 000 bränslecellsdrivna fordon och ett stort antal väte-tankstationer fram till 2025. Vid 2030 förväntas den växande väteindustrin ha etablerat ett robust teknologiskt och produktionssystem, och till 2035 planeras ett heltäckande ekosystem för väteapplikationer att vara på plats.

För att effektivt kunna implementera väte i storskaliga industriella och transportrelaterade applikationer behövs omfattande forskning, utveckling av nya material och metoder för både väteproduktion, lagring och transport. Detta innebär ett nära samarbete mellan forskare, ingenjörer och företag, samt starka incitament från politiska aktörer och internationella samarbeten för att skapa en hållbar väteekonomi.

Teknologiutvecklingen kring vätebränsleceller, lagringstekniker och infrastruktur spelar en nyckelroll i att definiera väte som en framtida primär energikälla. Samtidigt är det viktigt att beakta de ekonomiska och miljömässiga effekterna av denna övergång. Det är av stor betydelse att väteindustrin inte bara utvecklas teknologiskt, utan också integreras effektivt i det globala energisystemet, med hänsyn till kostnader, tillgång och hållbarhet.

För att uppnå detta krävs en långsiktig strategi som fokuserar på att utveckla både teknologin och den nödvändiga infrastrukturen för att möjliggöra ett vätebaserat energisystem på global nivå. Detta är en avgörande komponent i den globala energiomställningen, och det kommer att kräva samordnade insatser från både privata aktörer, regeringar och internationella organisationer för att lyckas skapa en hållbar framtid för väteenergi.

Hur påverkar tryck och temperatur vätegasens densitet och lagringstekniker?

När vätegas lagras vid högt tryck, förändras dess densitet i förhållande till trycket och temperaturen. Vid 20°C och 35 MPa är komprimeringsfaktorn Z för vätegas 1.225, vilket betyder att vätegasens egenskaper avviker något från de ideala gasernas beteende, där relationen mellan tryck och volym skulle vara linjär. Genom att använda den ideala gaslagen $PV = nRT$ kan man beräkna den mängd vätegas som ryms inom ett visst volumen vid ett specifikt tryck, men i praktiken påverkas vätegasen också av molekylära interaktioner som gör att den inte följer denna relation exakt.

Vid högre tryck, som 70 MPa vid samma temperatur på 20°C, ökar komprimeringsfaktorn till 1.459. Detta innebär en ökning i vätegasens densitet. För att exakt beräkna denna förändring i densitet krävs användning av den modifierade van der Waals ekvationen som tar hänsyn till de intermolekylära krafter och volymen som gasen upptar vid högre tryck. När trycket ökar blir vätegasens egenskaper mer avvikande från ideala gaser, och därmed krävs mer komplexa modeller för att beskriva densiteten.

Den tekniska nivån för lagring och transport av vätegas har också utvecklats, där de mest kostnadseffektiva metoderna för transporter över längre avstånd varierar beroende på specifika omständigheter. För transport av vätegas över en avstånd på 150 km kan flera teknologier användas, varav de vanligaste är lagring i flytande form, användning av långa rörtrailers vid 20 MPa, samt lagring och transport via väteberikade föreningar. Varje metod har sina fördelar och nackdelar beroende på faktorer som kostnad, energiintensitet och säkerhet.

I praktiken delas högtrycks vätegaslagring in i två huvudkategorier: de som använder trycksatta cylindrar och de som använder pipelines. Att lagra och transportera vätegas via trycksatta cylindrar är den mest vanliga och etablerade metoden, där trycket i cylindrarna kan justeras för att släppa ut vätegasen med en jämn och stabil hastighet. Denna metod är enkel att implementera men kräver höga energikostnader för komprimering och robusta material för att tåla det höga trycket.

Vidare, även om teknologiska framsteg har lett till att vätegasens lagringstäthet per volym har förbättrats, är den gravimetriska lagringstätheten, det vill säga mängden väte som kan lagras per enhet av vätegasens vikt, inte lika beroende av tryckförhållanden. Denna aspekt måste beaktas vid val av lagringstekniker för olika användningsområden, där vissa tillämpningar kan kräva högre volymtätter för att optimera transporteffektiviteten.

Det är också viktigt att förstå hur säkerheten kring vätegasen påverkar dess lagring och transport. Högtrycksgaser är alltid förenade med potentiella risker som läckage, explosioner och materialutmattning. För att minska dessa risker måste lagringstankarna och transportmedlen designas för att stå emot extrema tryck och temperaturer. De material som används för att konstruera dessa tankar, såsom speciella stållegeringar, är avgörande för både säkerheten och långsiktig hållbarhet.

För att hantera de praktiska aspekterna av vätegasens lagring och transport utvecklas ständigt nya teknologier som syftar till att minska kostnader, förbättra säkerheten och öka lagringseffektiviteten. Dessa inkluderar teknologier som lagring i fast form eller genom väteberikade föreningar, där vätegasen binds till andra material för att möjliggöra mer stabil och säker lagring vid lägre tryck.

Hur väte kan lagras under extrema tryckförhållanden och låga temperaturer: Teknologier och utmaningar

Vätgaslagring är en central aspekt för den framtida utvecklingen av vätgasbaserade energisystem, särskilt inom bränslecellsteknik och för lagring av förnybar energi. För att effektivt hantera väte måste lagringsteknikerna övervinna både tekniska och ekonomiska utmaningar, som beror på vätes låga densitet i gasform och behovet av att upprätthålla hög säkerhet under extrema tryck och temperaturer. Vätes olika former och specifika egenskaper gör dess lagring och transport till en komplex process, och olika tekniker förväntas spela en roll i den framtida väteekonomin.

För att lagra väte på ett effektivt sätt används olika metoder, däribland högt tryck och låg temperatur. Väte kan lagras som gas under mycket högt tryck eller som vätska vid mycket låga temperaturer. För att skapa flytande väte krävs att det kyls ner till en temperatur under dess kritiska temperatur, vilket gör att väte går från gasform till vätskeform. Vätskan har en mycket högre densitet än gasen, vilket gör lagring mer effektiv, men också mer tekniskt utmanande. Vid en temperatur på −252,78 °C (20,37 K) har flytande väte en densitet som är 790 gånger högre än väte i gasform vid standardförhållanden.

I den högt trycksatta vätesystemen lagras väte vid tryck upp till 700 bar. Detta kräver material som tål extrema påfrestningar och som samtidigt är tillräckligt lämpliga för långsiktig användning. Denna metod är utbredd för bränslecellfordon, där väte snabbt måste levereras från lagringsenheter till bränslecellssystem för att skapa energi. Ett annat centralt ämne inom vätes lagring är säkerheten. Under tryckförhållanden på 700 bar eller mer, är det avgörande att förhindra läckage, sprickor eller materialutmattning som kan leda till olyckor. För att säkerställa hållbarheten och säkerheten hos tryckbehållare krävs att behållarna regelbundet inspekteras och att de konstrueras med hjälp av avancerade material och teknologier, såsom kolfiberförstärkta stålbehållare eller specialiserade aluminiuminlägg.

Förutom teknologiska framsteg har också standardisering och internationella säkerhetsprotokoll stor betydelse. Flera nationer och internationella organisationer har utvecklat standarder för vätes lagring och transport, med särskilda regler för tryckbehållare, rörledningar och säkerhetssystem. Dessa standarder, som exempelvis GB/T 33145-2016 i Kina och ASME B31.12-2019, är avgörande för att säkerställa att alla komponenter i vätesystem är säkra att använda och underhålla under lång tid.

För att möta den växande efterfrågan på effektiv vätes lagring och transport, sker också betydande forskning kring nya material och teknologier, såsom förbättrade kompositmaterial och innovativa rörledningssystem för vätgastransport. Det finns även ett växande intresse för att integrera vätes lagringslösningar med andra teknologier som förnybar energi och avancerade bränslecellssystem för att skapa en hållbar och effektiv energiinfrastruktur.

För att hantera framtida utmaningar inom väteekonomin krävs inte bara teknologiska lösningar utan även en djupare förståelse för de termodynamiska och mekaniska aspekterna av vätes lagring och transport. Det är avgörande att fortsätta utveckla och finjustera både material och lagringsmetoder för att kunna hantera vätes lagring på ett både säkert och kostnadseffektivt sätt.

Hur fungerar lagring och transport av väte i vätskeform?

Trots att storleken på vätemolekyler är mycket mindre än kristallhålens storlek, är molekylsilarna inte lika effektiva för att adsorbera väte, men de kan ändå adsorbera väte vid låga temperaturer, särskilt inom det flytande vätemolnbandet. Palladiumoxid (PdO) adsorberar väte främst genom en kemisk katalytisk reaktion snarare än fysisk adsorption. PdO reagerar med H2 för att producera Pd och H2O, och katalyserar även reaktionen av O2 i luften med H2 för att direkt producera H2O, medan vattnet lätt kan adsorberas av molekylsilen.

Transport och lagring av väte i vätskeform är en teknologi som innebär att vätegas kyls ner till under sin kokpunkt och lagras och transporteras som flytande väte. Den största fördelen med väte i vätskeform är dess höga gravimetriska lagringstäthet. Dock medför denna teknik också utmaningar, som de höga kraven på lagringstankar, enkel förångning (0,3–2 % dagligen), hög energiförbrukning vid väteförflytning (över 20 kWh/kg) och betydande säkerhetsrisker. För närvarande används denna teknik främst inom rymdindustrin i Kina. När den centrala väteproduktionen är långt från användarna, måste väte lagras i specialiserade lågtemperaturisoleringstankar och transporteras med lastbilar, tåg eller fartyg. Transport av väte i vätskeform är en ekonomisk metod för vätetransport som har hög densitet, hög hastighet och långdistanskapabilitet.

I dagsläget är den aktuella teknologin för produktion, transport och lagring av väte i vätskeform implementerad, men i liten skala, och de flesta kärnpatenten tillhör gasföretag som Linde Group och Air Liquide. Ett system för förnybar energi baserat på vätskevadhydrogenlagring och transport kan byggas där väteproduktionen utnyttjar billiga elektricitetsresurser som vind- och solkraft. Detta skulle möjliggöra mer effektiv väteförflytning och lagring, särskilt i områden med mycket användning av förnybar energi.

Det finns en specifik fördel i att använda väte i vätskeform för bränslestationer i stora städer, där lagringsenergi och driftkostnader kan vara lägre än för komprimerad gasväte, vilket gör vätskeformad väte den mest kostnadseffektiva metoden. Genom att använda billig elektricitet från vind- och solenergi, kan väte förflyttas mer effektivt och förbrukningen av energi för att omvandla vätegas till vätskeform reduceras jämfört med elektrolysens energikrav.

Stora skalor i vätevätskeformade stationsanläggningar innebär lägre relativ energiåtgång för väteförflytning. De största vätskevadhydrogenlagringstankarna i Kina, som de på 300 m3 som används för raketuppskjutningar i Wenchang, och transporttankar på 25 m3 som körs året runt i Peking, spelar en central roll i att testa och tillhandahålla flytande väte för forskning och utveckling. Dessa utvecklingar är en del av Kinas framsteg mot att skapa självständiga vätskevadhydrogen-teknologier, och standarder som GB/T 40060–2021 för lagring och transport av vätskeväte.