Hur utvecklas lagring och transport av väte för framtidens energi?

De senaste framstegen inom väteenergi har lett till banbrytande teknologier för lagring och transport av väte, som är en grundläggande komponent i den globala övergången till hållbar energi. Ett av de mest lovande områdena är utvecklingen av fast vätgaslagring, som kombinerar effektivitet och säkerhet vid hög energi- och volymkapacitet.

Shanghai Jiaotong University och Shanghai Magnesium Power Technology Co., Ltd. har nyligen lanserat en bärbar bränslecellsströmkälla med hög energitäthet på 50–200 W, som drivs av magnesiumhydridehydrolys. Detta system kan operera i ett brett temperaturområde från −40 till 50 °C och har en systemenergitäthet på upp till 600 W·h/kg. Tanken bakom denna innovation är att skapa en flexibel, lättanvänd energilösning som samtidigt upprätthåller hög prestanda under svåra miljöförhållanden.

Trots dessa framsteg finns det fortfarande ett stort behov av att utveckla solid-state väte-lagringsmaterial för större och medelstora bussar samt tunga lastbilar som kräver långdistans och hög energitäthet. Dessa material förväntas ha fördelar när det gäller väte-lagringens densitet och säkerhet, vilket gör dem lämpliga för långsiktig användning i fordon och industriella tillämpningar.

En revolution inom väteindustriell användning har också tagit fart. I maj 2021 lanserade HBIS Group det "första direktreduktionsprojektet med väte-rik gas i världen" i Zhangjiakou, Hebei, vilket markerade en betydande utveckling för vätebaserad stålproduktion. Under december 2021 började China Baowu Steel Group Corporation bygga ett storstadsprojekt för vertikal ugnsreduktionsmetod med väte-gas, vilket gör det möjligt att använda koks, naturgas och väte i olika proportioner för att uppnå flexibla och hållbara produktionsprocesser.

För att stödja denna utveckling har Shanghai Jiaotong University och H2 Store (Shanghai) Energy Tech. Co. Ltd. utvecklat en prototyp för magnesiumbaserad solid-state väte-lagring, som har potential att spela en central roll i storskalig väte-lagring och transport. Deras samarbete med Baowu Clean Energy Ltd. för att skapa system som integrerar solenergi, elektrolys och väte-lagring har även undersökt möjligheterna att tillämpa denna teknologi inom väte-metallurgi.

Ett annat viktigt område är byggandet av väte-fyllstationer som använder lågtrycks legeringsbaserad väte-lagring. Shenzhen Up Power Technology Co., Ltd. konstruerade den första sådana stationen i Liaoning i juli 2019. Dessa stationer har fördelar som låg initial kostnad och mindre behov av högt tryckutrustning, vilket gör att de kan byggas snabbare och på mindre yta jämfört med traditionella väte-fyllstationer. Men det finns fortfarande vissa tekniska utmaningar, såsom systemens vikt och höga priser, som behöver lösas för att göra denna lösning mer ekonomiskt hållbar.

I praktiken har dessa legeringar visat sig vara användbara för en mängd olika applikationer. AB5-typens LaNi5-legering är till exempel välkänd för sin snabba väteabsorption och desorption under milda förhållanden, men lider av begränsad livslängd på grund av den volymökning som sker när väte tas upp. Detta kan leda till att materialet bryts ned efter flera cykler, vilket gör att mer hållbara och ekonomiska alternativ undersöks, såsom AB2 och TiMn2-legeringar. Förutom de tekniska aspekterna måste också ekonomiska och tillgångsrelaterade faktorer beaktas för att möjliggöra en bredare användning av väte-lagringssystemen.

Den senaste teknologiska utvecklingen gör det möjligt att skapa en effektiv infrastruktur för väteenergi, som sträcker sig från transport och lagring till industriell användning. Detta öppnar upp för en framtid där väte kan spela en central roll i den globala energiomställningen, samtidigt som det säkerställer hållbarhet och säkerhet i användningen.

Hur används tekniken för högtrycks vätegaslagring och transport?

Ett exempel på en framstående användning av högtrycks vätegaslagring är den andra generationens Toyota Mirai. Denna bil är utrustad med tre stycken 70 MPa Type IV vätegasflaskor, vilka är den internationellt dominerande teknologin för on-board vätegaslagring. År 2021 satte Toyota Mirai ett Guinness världsrekord genom att köra 1360 km på ren väte, vilket visar på potentialen och effektiviteten i denna teknik.

Type IV tankarna, som består av en kolfiberomspunnen aluminiumlegering, har blivit standard för fordonsapplikationer tack vare deras höga lagringstäthet och säkerhet. I Kina är produktionen av dessa tanks fortfarande i ett tidigt skede, även om företag som Sylinda Anke har börjat tillverka och utveckla egna versioner av dessa tankar. Trots framsteg finns det fortfarande ett avstånd mellan Kina och västvärlden när det gäller tillverkningskapacitet och teknologi.

En av de mest etablerade tillverkarna av Type IV vätegasflaskor är Hexagon Composites från Norge. Företaget har nått en ledande position inom industrin för kompositmaterial och har förmågan att massproducera dessa tanks för globala biltillverkare som Toyota, Honda och Mercedes-Benz. Andra internationella aktörer som Faurecia från Frankrike och NPROXX från Tyskland är också ledande inom produktionen av dessa högpresterande tankar.

För att säkerställa säkerheten för väte under transport har Kina implementerat specifika regler och standarder, inklusive ”NB/T 10354—2019 Tube Trailer” som styr material, design och testmetoder för produktion och transport av vätegasflaskor. De stora volymcylindrar som används i dessa trailers har vanligtvis en längd på 5–12 meter och ett tryck på mellan 15–35 MPa. Cylindrarna måste uppfylla strikta säkerhetskrav för att undvika risken för olyckor eller läckage under transport.

Teknologin för vätegaslagring och transport har visat sig vara en avgörande komponent för att stödja övergången till en vätebaserad energiekonomi. Från bilar till industriella tillämpningar erbjuder denna teknologi en lösning för att hantera de unika utmaningarna som är förknippade med väte, som dess låg densitet och höga brand- och explosionsrisk. För att ytterligare utveckla och implementera dessa system kommer det att krävas både innovation och samarbete mellan internationella aktörer, särskilt när det gäller att optimera säkerheten och effektiviteten i dessa lösningar.

Vid sidan av de tekniska framstegen är det viktigt att förstå att framgången för vätegaslagring och transport inte enbart är beroende av själva teknologin, utan även av de regler och standarder som styr dess användning. Det krävs omfattande insatser på både nationell och internationell nivå för att säkerställa att dessa system är säkra, effektiva och ekonomiskt hållbara. Detta innefattar inte bara att vidareutveckla lagrings- och transportteknologier, utan också att skapa ett stabilt ramverk för standardisering och säkerhetsregler, samt att främja samarbete mellan forskare, ingenjörer och företag för att skynda på implementeringen av väte som en ren energikälla.

Vad är fördelarna och nackdelarna med TiFe- och V-baserade legeringar för väteenergi?

För att förbättra väteupptagningsprestandan för TiFe-legeringar används ofta teknik för att byta ut vissa element. Genom att använda övergångselement som Mn, Cr, Zr och Ni för att ersätta en del av Fe, kan man effektivt förbättra både väteupptagningen och aktiveringen av legeringen.

V-baserade solid-lösning legeringar erbjuder också lovande egenskaper för väteupptagning. Dessa legeringar, där väteabsorberande metaller som Ti och Ni är lösta i vanadium, bildar en solid lösning med en BCC-struktur. I vanadiumbaserade legeringar kan väteatomer stabilt existera i både tetraedriska och oktaedriska gitterintersticer. Detta ger ett högt teoretiskt väteupptagningskapacitet, där väteinnehållet för VH2 kan nå upp till 3,8 viktprocent. Dessutom kan vanadiumhydrering ske vid relativt låga temperaturer, vilket gör att stora mängder väte kan absorberas vid rumstemperatur.

För att förbättra prestandan för V-baserade legeringar kan Ti tillsättas till V-Ti solid lösninglegeringar. Detta justerar det tryckintervall som krävs för väteupptagningen och förbättrar legeringens användbarhet. Tillägg av 3d-övergångsmetaller som Cr, Mn, Fe, Co och Ni förbättrar väteabsorptionens och desorptionens kinetik och cyklisk stabilitet. Dessa element förbättrar också legeringens ytegenskaper, korrosionsmotstånd och kinetiska aktivitet. För exempelvis Ti43,5V49,0Fe7,5-legeringen är den effektiva väteupptagningskapaciteten 2,4 viktprocent, och för Ti0,32Cr0,43V0,25-legeringen ligger den på 2,3 viktprocent, med en god cyklisk stabilitet.

I de senaste framstegen har även V-Ti-Cr-Fe kvartära legeringssystem utvecklats, där väteupptagningen kan överstiga 3,6 viktprocent vid 298 K inom sex minuter. Dessa legeringar kräver inte någon ytterligare aktivering och kan direkt absorbera och frigöra väte vid rumstemperatur, vilket öppnar upp för användning inom exempelvis PEM bränslecellsdrivna portabla energikällor, oföränderliga strömförsörjningar och väteeldrivna cyklar och trehjulingar.