Forståelse av hydrogenlagring: En omfattende global guide

Hydrogen blir i økende grad anerkjent som en viktig energibærer i den globale overgangen til en bærekraftig fremtid. Dets potensial til å dekarbonisere ulike sektorer, inkludert transport, industri og kraftproduksjon, er betydelig. Imidlertid er den utbredte bruken av hydrogenenergi avhengig av utviklingen av effektive og kostnadseffektive lagringsløsninger. Denne guiden gir en omfattende oversikt over de forskjellige metodene for hydrogenlagring, deres utfordringer og de siste fremskrittene som driver innovasjon innen dette kritiske feltet.

Hvorfor hydrogenlagring er viktig

Hydrogen, selv om det er rikelig, finnes primært i forbindelser som vann (H2O) eller hydrokarboner (f.eks. metan, CH4). Å utvinne rent hydrogen krever energi, og lagring av det utgjør unike utfordringer på grunn av dets lave tetthet og høye brannfarlighet. Effektiv lagring er avgjørende av flere grunner:

• Muliggjøre hydrogen-drevet transport: Å lagre tilstrekkelig hydrogen ombord i kjøretøy er avgjørende for å oppnå praktiske kjørelengder for brenselcelle-elektriske kjøretøy (FCEV).
• Integrere fornybare energikilder: Hydrogen kan fungere som en energibuffer, lagre overskuddsfornybar energi (f.eks. sol, vind) i perioder med høy produksjon og frigjøre den når etterspørselen er høy, og bidra til nettstabilitet.
• Dekarbonisere industrielle prosesser: Mange industrielle prosesser krever hydrogen som råstoff. Effektiv lagring muliggjør pålitelig forsyning av hydrogen produsert fra fornybare kilder, noe som reduserer avhengigheten av fossilt brensel.
• Skape en global hydrogenøkonomi: Effektive lagringsløsninger er avgjørende for å legge til rette for internasjonal handel med hydrogen, slik at land med rikelig med fornybare energiressurser kan eksportere hydrogen til de med høyere energibehov.

Metoder for hydrogenlagring

Hydrogenlagringsteknologier kan grovt sett kategoriseres i fysiske og kjemiske lagringsmetoder. Hver tilnærming har sine fordeler og ulemper når det gjelder lagringskapasitet, energieffektivitet, kostnader og sikkerhet.

1. Fysisk lagring

Fysisk lagring innebærer lagring av hydrogen som en gass eller væske under spesifikke temperatur- og trykkforhold.

a) Komprimert hydrogengass

Lagring av komprimert hydrogengass innebærer å komprimere hydrogen til høyt trykk (typisk 350-700 bar, og til og med opp til 1000 bar i noen bruksområder) og lagre det i robuste trykkbeholdere. Dette er en relativt moden teknologi med kommersielt tilgjengelige løsninger.

Fordeler:

• Relativt enkel teknologi.
• Raske påfyllingstider.
• Veletablert infrastruktur for gasshåndtering.

Ulemper:

• Lav volumetrisk energitetthet (sammenlignet med flytende brensel).
• Høyt energiforbruk for komprimering.
• Sikkerhetsproblemer knyttet til høytrykksoppbevaring.
• Tunge og klumpete lagringstanker.

Eksempler:

Komprimert hydrogen brukes mye i FCEV-er. For eksempel bruker Hyundais NEXO FCEV tre høytrykks hydrogentanker med en lagringskapasitet på 6,33 kg ved 700 bar, noe som gir en rekkevidde på over 600 km (WLTP-standard).

b) Flytende hydrogen

Flytende hydrogenlagring innebærer å kjøle ned hydrogen til dets kryogene kokepunkt (-253°C) for å kondensere det til en væske. Dette øker den volumetriske energitettheten betydelig sammenlignet med komprimert gass.

Fordeler:

• Høyere volumetrisk energitetthet enn komprimert gass.
• Lavere lagringstrykk.

Ulemper:

• Høyt energiforbruk for flytendegjøring.
• Avkokstap (fordampning av hydrogen på grunn av varmetap inn i tanken).
• Kompleks og kostbar kryogen infrastruktur.

Eksempler:

Flytende hydrogen brukes i romprogrammer (f.eks. NASAs romferge) og utforskes for langdistansetransportapplikasjoner, som fly og skip. For eksempel utvikler Airbus hydrogen-drevne fly som vil bruke flytende hydrogenlagring.

2. Kjemisk lagring

Kjemisk lagring innebærer lagring av hydrogen i kjemiske forbindelser, som frigjør hydrogen ved reaksjon med en utløser, for eksempel varme eller en katalysator.

a) Metallhydrider

Metallhydrider er forbindelser som dannes ved reaksjon av hydrogen med visse metaller eller legeringer. Hydrogen lagres i metallgitteret og kan frigjøres ved å varme opp hydridet.

Fordeler:

• Høyere volumetrisk energitetthet enn komprimert gass.
• Relativt sikker lagring.
• Potensial for reversibel lagring (opplading med hydrogen).

Ulemper:

• Høy vekt av metallhydridmaterialet.
• Relativt langsom hydrogenfrigjøringskinetikk.
• Høye kostnader for noen metallhydridmaterialer.
• Utfordringer med varmestyring under lading og utlading.

Eksempler:

Lantan-nikkelhydrid (LaNi5H6) og magnesiumhydrid (MgH2) er eksempler på metallhydrider som undersøkes for hydrogenlagring. Forskningen er fokusert på å forbedre deres hydrogenlagringskapasitet og kinetikk gjennom legering og nanostrukturering. For eksempel jobber forskere i Japan aktivt med MgH2-baserte systemer modifisert med katalysatorer for å forbedre ytelsen.

b) Kjemiske hydrider

Kjemiske hydrider er forbindelser som frigjør hydrogen ved reaksjon med vann eller et annet reaktant. Eksempler inkluderer natriumborhydrid (NaBH4) og ammoniakkboran (NH3BH3).

Fordeler:

• Høy hydrogenlagringskapasitet.
• Stabile ved omgivelsestemperaturer.

Ulemper:

• Irreversibel hydrogenfrigjøring for noen kjemiske hydrider (krever regenerering).
• Kompleksiteten av reaksjonen og håndtering av biprodukter.
• Høye kostnader for noen kjemiske hydrider.

Eksempler:

Natriumborhydrid (NaBH4) har blitt brukt i noen brenselcelleapplikasjoner. Forskningen er fokusert på å utvikle effektive metoder for å regenerere brukt borhydrid. Ammoniakkboran (NH3BH3) er en annen lovende kjemisk hydrid, men regenereringen er fortsatt en utfordring. Forskere i Tyskland og USA utforsker ulike veier for effektiv regenerering av disse materialene.

c) Flytende organiske hydrogenbærere (LOHC)

LOHC-er er organiske væsker som reversibelt kan binde hydrogen gjennom hydrogeniserings- og dehydrogeniseringsreaksjoner. Eksempler inkluderer toluen/metylsykloheksan og dibenzyltoluen/perhydro-dibenzyltoluen.

Fordeler:

• Høy volumetrisk energitetthet.
• Lett å transportere og lagre ved hjelp av eksisterende infrastruktur.
• Relativt trygt og stabilt under omgivelsesforhold.

Ulemper:

• Høyt energiforbruk for hydrogenisering og dehydrogenisering.
• Kostnaden for katalysatorer og LOHC-materialer.
• Potensial for katalysatordekaktivering.
• Delvis nedbrytning av LOHC over flere sykluser.

Eksempler:

Toluens/metylsykloheksansystemet er en av de mest studerte LOHC-ene. Hydrogen tilsettes toluen for å danne metylsykloheksan, som kan transporteres og lagres. Hydrogen frigjøres deretter ved å dehydrogenisere metylsykloheksan tilbake til toluen. Selskaper i Japan og Tyskland utvikler og implementerer aktivt LOHC-baserte hydrogenlagrings- og transportløsninger. Chiyoda Corporation i Japan har demonstrert en global hydrogenforsyningskjede ved hjelp av sin SPERA Hydrogen™-teknologi basert på toluen/metylsykloheksan LOHC-systemet, som transporterer hydrogen fra Brunei til Japan.

3. Materialbasert lagring (adsorpsjon)

Denne metoden bruker materialer med høye overflatearealer, som aktivert karbon, metall-organiske rammer (MOF-er) og karbonnanorør, for å adsorbere hydrogenmolekyler.

Fordeler:

• Relativt lavt lagringstrykk sammenlignet med komprimert gass.
• Potensial for høy hydrogenlagringskapasitet ved lave temperaturer.

Ulemper:

• Lav hydrogenlagringskapasitet ved omgivelsestemperaturer.
• Høye kostnader for noen avanserte materialer (f.eks. MOF-er).
• Utfordringer i materialsyntese og skalering.

Eksempler:

Forskere over hele verden utvikler og karakteriserer aktivt nye MOF-er og andre nanoporøse materialer for hydrogenlagring. For eksempel syntetiserer forskere ved universiteter og forskningsinstitusjoner i USA, Europa og Asia MOF-er med forbedrede hydrogenadsorpsjonsegenskaper, for eksempel økt overflateareal og sterkere interaksjoner med hydrogenmolekyler. Søket etter materialer som effektivt kan lagre hydrogen ved nær omgivelsestemperaturer og trykk, er fortsatt et viktig fokus.

Utfordringer og fremtidige retninger innen hydrogenlagring

Mens det er gjort betydelige fremskritt innen hydrogenlagringsteknologier, gjenstår flere utfordringer:

• Kostnader: Å redusere kostnadene for hydrogenlagringssystemer er avgjørende for å gjøre hydrogenenergi konkurransedyktig med konvensjonelt brensel. Dette inkluderer å redusere kostnadene for materialer, produksjon og infrastruktur.
• Energieffektivitet: Å forbedre energieffektiviteten til hydrogenlagringsprosesser, som komprimering, flytendegjøring og hydrogenisering/dehydrogenisering, er viktig for å maksimere den totale energieffektiviteten til hydrogenverdikjeden.
• Lagringskapasitet: Å øke den gravimetriske (vektbaserte) og volumetriske (volumbaserte) hydrogenlagringskapasiteten til lagringssystemer er viktig for applikasjoner der plass og vekt er kritiske faktorer, for eksempel transport.
• Sikkerhet: Å sikre sikker lagring og håndtering av hydrogen er avgjørende. Dette inkluderer å utvikle robuste sikkerhetsprotokoller og teknologier for å forhindre lekkasjer og eksplosjoner.
• Holdbarhet: Å forbedre holdbarheten og levetiden til hydrogenlagringssystemer er viktig for å redusere vedlikeholdskostnadene og sikre langsiktig pålitelighet.
• Infrastruktur: Å utvikle en utbredt hydrogeninfrastruktur, inkludert fyllestasjoner og rørledninger, er nødvendig for den utbredte bruken av hydrogenenergi.
• Materialstabilitet: Å forbedre den langsiktige stabiliteten til materialer som brukes i kjemisk lagring, er viktig for å forhindre nedbrytning og opprettholde ytelsen over lengre perioder.

Fremtidige forsknings- og utviklingsarbeider er fokusert på å møte disse utfordringene og utvikle innovative hydrogenlagringsløsninger. Noen viktige fokusområder inkluderer:

• Avanserte materialer: Utvikle nye materialer med forbedrede hydrogenlagringsegenskaper, som MOF-er, kovalente organiske rammer (COF-er) og høykontrastlegeringer.
• Nanoteknologi: Bruke nanoteknologi for å forbedre ytelsen til eksisterende lagringsmaterialer og skape nye lagringskonsepter.
• Kryo-kompresjon: Kombinere kryogen nedkjøling med kompresjon for å oppnå høy hydrogentetthet ved moderate trykk.
• Elektrokjemisk lagring: Utforske elektrokjemiske metoder for lagring av hydrogen, for eksempel hydrogenbatterier.
• Multifunksjonelle materialer: Utvikle materialer som kan utføre flere funksjoner, for eksempel å lagre hydrogen og generere elektrisitet.
• Forbedrede regenereringsprosesser: Utvikle mer effektive og kostnadseffektive metoder for å regenerere brukte kjemiske hydrider.
• Optimaliserte LOHC-systemer: Utforme LOHC-systemer med lavere hydrogeniserings-/dehydrogeniseringstemperaturer og mer stabile katalysatorer.

Globale initiativer og investeringer

Regjeringer og industrier over hele verden investerer tungt i forskning og utvikling av hydrogenlagring. Eksempler inkluderer:

• US Department of Energy (DOE) Hydrogen Program: Støtter forsknings-, utviklings- og demonstrasjonsprosjekter rettet mot å fremme hydrogen- og brenselcelleteknologier, inkludert hydrogenlagring.
• EU’s hydrogenstrategi: Har som mål å akselerere utviklingen og implementeringen av hydrogenteknologier i hele Europa, inkludert hydrogenlagring.
• Hydrogenrådet: Et globalt CEO-ledet initiativ av ledende energi-, transport-, industri- og investeringsselskaper med en samlet visjon og langsiktig ambisjon for at hydrogen skal fremme energiomstillingen.
• Nasjonale hydrogenstrategier: Mange land, inkludert Australia, Canada, Tyskland, Japan og Sør-Korea, har utviklet nasjonale hydrogenstrategier som inkluderer mål og finansiering for forskning og implementering av hydrogenlagring.

Konklusjon

Hydrogenlagring er en kritisk teknologi for å muliggjøre utbredt bruk av hydrogenenergi. Mens utfordringer gjenstår, driver pågående forsknings- og utviklingsarbeider innovasjon innen materialvitenskap, ingeniørfag og systemdesign. Etter hvert som hydrogenteknologiene modnes og kostnadene synker, vil hydrogenlagring spille en stadig viktigere rolle i å dekarbonisere ulike sektorer og skape en bærekraftig energifremtid for verden. Nøkkelen til å låse opp det fulle potensialet til hydrogen ligger i den kontinuerlige jakten på effektive, trygge og kostnadseffektive lagringsløsninger som kan møte de ulike behovene til en global hydrogenøkonomi. Internasjonalt samarbeid og kunnskapsdeling er avgjørende for å akselerere fremgangen på dette viktige feltet.