El Fast hydrogen har gått fra å være nesten science fiction å bli et av de heteste feltene i energiomstillingen. Fra oppstartsbedrifter født i universitetsklasserom til forskerteam som har slitt med det samme problemet i flere tiår, deler de alle det samme målet: å finne en trygg, billig og effektiv måte å lagre den fornybare energien vi i dag sløser med.
Den utfordringen har mye å gjøre med noe vi allerede opplever: Det finnes flere og flere fornybare energikilder, men produksjonen av dem er uregelmessig.Når solen skinner eller vinden blåser, genererer vi mer strøm enn vi kan forbruke i det øyeblikket, og hvis det ikke finnes en smart måte å lagre den på, går mye av den tapt eller «gis bort» til strømnettet til latterlig lave priser. Det er her teknologier som metallhydrider, magnesiumskiver, faste hydrogenflasker og andre kommer inn i bildet. nye nanomaterialer som absorberer gasser som om de var en svamp.
Hvorfor energilagring er den store flaskehalsen
Mange land, som f.eks. Spania lider allerede av energispenninger og ulikheter på grunn av denne situasjonen. Det finnes områder der det fornybare potensialet er enormtNett- og lagringssystemene er imidlertid ikke forberedt på å håndtere et så stort overskudd. Dette har ført til konflikter mellom regioner og alvorlig tvil om hvordan man kan integrere mer og mer fornybar energi uten å overbelaste systemet.
I dag brukes flere strategier for å prøv å spare det overskuddet: stor stasjonære batterierPumping av vann til reservoarer (for deretter å bruke det til turbiner), husholdningsbatterier i selvforbruksinstallasjoner ... Men alle har klare begrensninger: høye kostnader, avhengighet av kritiske råvarer, behov for spesifikke steder eller vanskeligheter med å skalere opp til nasjonalt nivå.
Derfor er mange eksperter enige om at Lagring er den manglende brikken. For at fornybar energi skal være virkelig uavhengig, uten å være så avhengig av kraftverk i kombinasjon med kjernekraft, er det viktig med en fleksibel, sikker og utbredt måte å lagre strøm på. Det er usannsynlig at disse teknologiene vil dominere energimarkedet fullstendig.
Hydrogen som energibærer: hva det tilbyr sammenlignet med andre løsninger
I den sammenhengen skiller hydrogen seg ut som en av de mest lovende energivektoreneDet er det mest forekommende kjemiske grunnstoffet i universet og er en del av molekyler som er like vanlige som vann og hydrokarboner. Når det brukes i brenselceller, kombineres det med oksygen fra luften for å generere elektrisitet, varme og vann som det eneste direkte biproduktet, uten CO2-utslipp under konverteringen.
Videre grønn hydrogen, produsert fra fornybar energi gjennom elektrolyseDette stemmer perfekt overens med behovet for å utnytte overskuddselektrisitet. I stedet for å kaste bort overskuddselektrisitet, brukes den til å splitte vann til hydrogen og oksygen. Dette hydrogenet lagres deretter og gjenbrukes senere for å produsere elektrisitet, drive kjøretøy eller gi varme.
En annen viktig fordel er dens høy energitetthet per masseenhetHydrogen inneholder omtrent tre ganger mer energi enn bensin, noe som gjør det til et svært attraktivt drivstoff for tungtransport, industri eller bruksområder der vekt er kritisk.
Hydrogen representerer imidlertid en stor utfordring: hvordan oppbevare og transportere den på en praktisk og trygg måteTradisjonelt har to metoder blitt brukt: i form av komprimert gass ved høyt trykk eller i flytende form ved kryogene temperaturer. Begge metodene krever mye energi, involverer kompleks infrastruktur og i noen tilfeller bruk av potensielt farlige stoffer.
Finnes det virkelig fast hydrogen?
På et rent fysisk nivå, Fast hydrogen som et rent grunnstoff har vært kjent siden 1899Forsker James Dewar var den første som produserte det ved å kjøle det ned til ekstremt lave temperaturer, under omtrent -259,14 °C, nær det absolutte nullpunkt. Under disse ekstreme forholdene størkner hydrogen.
Det er ikke lett å studere dette materialet i det hele tatt: Prøvene er ørsmå, og hydrogen interagerer svært lite med røntgenstråler.Dette kompliserer karakteriseringen av de indre strukturene i stor grad. Likevel har vitenskapen identifisert flere faste faser av hydrogen, som er avhengige av temperatur og fremfor alt av det påførte trykket.
I samtalen fase IVed lavt trykk og temperatur kan H2-molekyler fortsatt bevege seg fritt. Å øke trykket ved lave temperaturer fører til... fase IIopptil omtrent 110 GPa, hvor bevegelsen er begrenset. Hvis trykket økes ytterligere til omtrent 160 GPa, skjer følgende: Fase IIIOg ved å heve temperaturen til noen hundre kelvin, ved trykk over 220 GPa, får man tilgang til en Fase IV med enda mer komplekse egenskaper.
I alle fall under normale jordoverflateforhold Vi kan ikke finne fast hydrogen naturligDet som utvikles for energibruk er ikke så mye ultrakalde «rene» faste stoffer, men teknologier som fanger hydrogen i faste materialer eller forbindelser som i praksis oppfører seg som et fast, trygt og håndterbart lager.
ATOM H2: Metallhydrider for lagring av fornybare overskudd
Et av de mest slående eksemplene kommer fra en gruppe Spanske ingeniører som skapte ATOM H2-prosjektetVinner av James Dyson-prisen i 2024 og anerkjent for entreprenørskapsinitiativer som EmprendeXXI i Catalonia. Denne oppstartsbedriften ble bokstavelig talt født i klasserommet: Grunnleggerne, nyutdannede innen industridesign og kjemiteknikk, var fast bestemt på at deres akademiske arbeid ikke bare skulle samle støv i en skuff.
Ideen bak ATOM H2 er relativt enkel å forklare, men teknologisk kompleks: Bruk overskuddsenergi fra fornybar energi til å produsere hydrogen og lagre det i fast form ved hjelp av metallhydrider. I stedet for å bruke høytrykkstanker for gasslagring eller kryogene tanker, bruker de et spesielt materiale som «absorberer» hydrogen og lagrer det på en kompakt og sikker måte.
Prosessen begynner med vannelektrolyseNår det er overskuddselektrisitet fra solcellepaneler eller andre fornybare kilder, brukes den til å splitte vannmolekyler (H2O) til oksygen og hydrogen. I stedet for å bli komprimert eller flytende, plasseres dette hydrogenet i en tank hvor det reagerer med et metallisk materiale for å danne hydrider. Dette muliggjør lagring av mye større mengder hydrogen på mindre plass og ved mye lavere trykk.
Når det er behov for energi, frigjør systemet hydrogen fra disse hydridene og sender det til en brenselcelleDer reagerer gassen med oksygen i luften, og genererer elektrisitet, varme og vann som et biprodukt. Selskapet spesifiserer ikke i sitt offentlige materiale om vannet resirkuleres tilbake i systemet, men de understreker at prosessen ikke genererer forurensende avfall.
I følge deres teoretiske estimater, denne teknologien av Fast hydrogen kan forsyne titalls millioner hjem per årDe erkjenner imidlertid at dette tallet er beregnet i stor skala, og at det fortsatt er lang vei å gå for å nå det faktiske utrullingsnivået. Et interessant poeng er at systemet er designet modulært: flere lagringsenheter kan legges til etter behov, noe som er nøkkelen til å tilpasse seg ulike installasjonsstørrelser.
Fra klasserom til telekommunikasjonstårn: ATOM H2 i den virkelige verden
I de tidlige stadiene tenkte grunnleggerne av ATOM H2 på anvende teknologien sin direkte i hjemmeneslik at enkeltpersoner kan lagre sin egen fornybare energi i form av fast hydrogen. Etter å ha snakket med mange selskaper og analysert ulike nisjer, innså de imidlertid at boligmarkedet ikke var den mest umiddelbare løsningen.
Det virkelige vendepunktet kom da de møtte sektoren av telekommunikasjonstårnDisse kritiske infrastrukturene har vanligvis reservedieselgeneratorer som starter opp ved strømbrudd eller nødsituasjoner. Disse systemene er pålitelige, men svært forurensende og har økende kostnader knyttet til fossilt brensel.
Laget så en enorm mulighet der: erstatte dieselgeneratorene med et hybridsystem basert på solenergi, batterier og fast hydrogenNår tårnet ikke trenger all energien det genererer, brukes overskuddet til å produsere hydrogen, som lagres i de «faste tankene». Når det oppstår strømbrudd eller det er behov for reservestrøm, omdannes hydrogenet tilbake til elektrisitet ved hjelp av brenselceller.
Denne tilnærmingen gir flere fordeler: på den ene siden, Det reduserer utslippene knyttet til energireserve drastisk. Innen telekommunikasjon tilbyr det fordeler; på den annen side forbedrer det autonomi og pålitelighet ved å eliminere avhengigheten av diesel. Videre gir den høye lagringstettheten av metallhydrider kompakte og håndterbare løsninger.
ATOM H2 er allerede i fasen av industrialisering, henter inn en investeringsrunde på flere millioner euro, jobber med sin første kommersielle implementering med en stor operatør som Cellnex og deltar i internasjonale programmer som NATOs Defence Innovation Accelerator Atlantic (DIANA). Det kortsiktige målet er å distribuere sine første kommersielle enheter og validere modellen i felten.
Faste hydrogenskiver: den franske tilnærmingen med magnesium og grafitt
Parallelt med det spanske initiativet, en Et team av franske forskere har utviklet et solid hydrogenlagringssystem i form av skiver. minner om gamle 33 rpm vinylplater. Dette verket, som har gitt dem en plass som finalister i forskningskategorien i European Environment Award 2023, er resultatet av mer enn to tiår med studier som kombinerer fysikk, ingeniørfag og industri.
Prosjektet startet i Néel-instituttet i Grenoblehvor teamet ledet av Daniel Fruchart brukte et tiår på å forske på måter å lagre hydrogen i fast tilstand. Deretter tok Patricia de Rangos gruppe over, og fokuserte arbeidet sitt på design av effektive og reversible tanker.
Den viktigste teknologiske faktoren var bruken av magnesiumhydrid (MgH2) kombinert med ekspandert grafittMagnesium er et av de mest effektive materialene for å absorbere hydrogen, men frigjøringsprosessen er ledsaget av en varmeutløsning som må håndteres nøye. Ekspandert grafitt fungerer som en "termisk styringsenhet" som bidrar til å spre denne varmen og bedre kontrollere reaksjonene.
Denne reversible tilnærmingen ble fremmet da Fruchart og industrimannen Michel Jehan grunnla selskapet McPhy i 2008Jehan bidro med sin ekspertise innen produksjon av magnesiumgranulat og mikroskopiske pulver, samt storskala maskineri, som gjorde det mulig å oversette laboratorieresultater til løsninger nærmere markedet, til tross for de typiske vanskelighetene for en oppstartsbedrift.
Resultatet er et disksystem som Den kan lagres stabilt og bruker mindre energi enn kompresjon eller flytendegjøring.Den reagerer ikke spontant med luft og beholder kapasiteten sin over tid. Disse skivene kan plasseres på en overflate uten risiko for forbrenning, noe som forenkler håndtering og transport.
Internasjonal markedsføring og potensiell bruk av solide diskstasjoner
Langt fra å bare være et laboratorieeksperiment, Lagring av fast hydrogenskiver har allerede blitt kommersialisert i land som Italia og Japan. Videre er teamet i avanserte samtaler i Norge for å tilpasse denne teknologien til ferger, sjøtransport og store kjemiske industrier.
Potensialet til dette systemet ligger i det faktum at Den tilbyr høy lagringstetthet i et kompakt og modulært format.Ved å kunne håndtere skivene nesten som om de var «fast brensel», forenkles integreringen av dem i miljøer der høytrykkstanker med gass er kompliserte eller utrygge.
Fra vei- og sjøtransport til distribuert kraftproduksjon eller industrielle applikasjoner, finnes det et bredt spekter av sektorer som kan dra nytte av stabilt og reversibelt fast hydrogenMuligheten til å tilpasse systemet til ulike skalaer – fra små moduler til store tanker – åpner døren for svært fleksible energiarkitekturer.
Et annet sterkt punkt er iboende sikkerhet for solid state-lagringFordi hydrogen er integrert i et materiale, reduseres risikoen for katastrofale lekkasjer eller eksplosjoner betydelig sammenlignet med komprimerte gasssystemer. Dette kan legge til rette for sosial og regulatorisk aksept i sensitive miljøer.
Hvis vi i tillegg til alt dette legger til det økende presset for å redusere utslipp i sektorer som skipsfart eller tunge kjemikalier, blir det tydelig hvorfor denne typen teknologier genererer så mye interesse. Det ville tillate at prosesser dekarboniseres uten å gi opp et allsidig drivstoff. som hydrogen.
Fotonsyklus: faste hydrogenflasker for hjem og bygninger
En annen innovasjonslinje kommer fra Nord-Europa. Oppstartsbedriften Photoncycle utvikler et sesongbasert energilagringssystem basert på en kobbersylinder isolert med et tykt lag med polystyrenskum som inneholder en patentert løsning av hydrogen i fast form.
Denne prototypen, som for tiden er installert i kjelleren i en vitenskapspark i Oslo og er omtrent på størrelse med en stol, har som mål å vokse for å nå en tre kubikkmeter I sin kommersielle versjon er den gravd ned noen få meter fra boligbygg. Funksjonen er enkel: å koble til solcellepaneler i nærheten, absorbere all strømmen som ikke brukes om sommeren og frigjøre den som brukbar energi om vinteren.
Ifølge grunnleggeren, Bare omtrent 50 % av solenergien brukes som produseres om sommeren i mange nordlige land. Resten ender opp med å bli kastet eller solgt til strømnettet til svært lave priser. Hvis dette overskuddet kan lagres som fast hydrogen og brukes senere, når etterspørsel og priser stiger, genererer det enorm merverdi for både brukere og det elektriske systemet.
Photoncycle bruker en høytemperatur reversibel brenselcelleDen kan operere i begge retninger: produsere hydrogen fra elektrisitet og omvendt generere elektrisitet – og varme – fra dette hydrogenet. Hovedforskjellen i forslaget deres er at hydrogenet er «innesluttet» i et ikke-brennbart fast stoff, med en energitetthet som er høyere enn litiumbatterier, og uten behov for kryogen kjøling.
En av utfordringene selskapet står overfor er håndtering av varmetap under omdannelsen av hydrogen i og utenfor brenselcellen. Målet deres er faktisk å utnytte denne varmen til å dekke noe av oppvarmingsbehovet til hjemmene, noe som er betydelig med tanke på at omtrent 70 % av husholdningenes energiforbruk brukes til oppvarming.
Photoncycles installasjon, målgruppe og strategi
Photoncycle-systemet er designet for å installere på én dagDette inkluderer installasjon av solcellepaneler og tilkobling til bygningens eksisterende infrastruktur. Når den er i drift, kan den erstatte naturgass fullstendig i et kraftvarmesystem (CHP), og levere strøm og oppvarming fra lagret fornybar energi.
Et annet attraktivt poeng er at eierne kunne selger tilbake til strømnettet det overskuddet de ikke forbrukerforbedre lønnsomheten til sine investeringer i fornybar energi. Denne typen løsning er spesielt godt egnet for land med svært høye energipriser, som Danmark, som er selskapets valgte testmarked.
Fra et sikkerhetssynspunkt er det faktum at Fotonsyklisk fast hydrogen er ikke brannfarlig under normale forhold Og fordi de ikke krever ekstreme driftstemperaturer, reduserer de mange av bekymringene knyttet til denne gassen. Den høyere energitettheten sammenlignet med batterier lar dem også tilby langvarig autonomi uten å ta opp like mye plass.
Selskapet fortsetter å jobbe med å optimalisere effektivitet, varmegjenvinning og redusere kostnader, men tilnærmingen deres illustrerer dette veldig godt. hvordan fast hydrogen kan integreres direkte i bygningerikke bare i store industrianlegg. Hvis de klarer å skalere opp teknologien og gjøre den billigere, kan de endre måten solenergilagring utformes i kalde klimaer.
Australsk kulefresemetode: gasser fanget i nanopulver
En radikalt annerledes tilnærming til problemet med gasslagring kommer fra Deakin University, i AustraliaEt forskerteam har utviklet en prosess kalt «kulemassering» som gjør det mulig å separere, lagre og transportere store mengder gass – inkludert hydrogen – i fast form, noe som reduserer energikostnadene drastisk og ikke genererer avfall.
Metoden består i hovedsak av å introdusere en bornitridpulver inne i et kammer som også inneholder små rustfrie stålkuler og gassen eller gassblandingen som skal behandles. Kammeret roterer med økende hastighet, noe som får kulene til å kollidere med pulveret og veggene, noe som utløser en fysisk reaksjon som fanger gassen inne i den faste nanomaterialstrukturen.
Avhengig av gassen, absorpsjonshastigheten variererDette muliggjør selektiv separasjon av gassene når man arbeider med blandinger. Når de er fanget i pulveret, kan disse gassene transporteres veldig enkelt og trygt. Når de må gjenvinnes, bruker man ganske enkelt kontrollert oppvarming for å returnere dem til sin opprinnelige gassform, mens pulveret også går tilbake til sin opprinnelige form, klart for gjenbruk.
Forskerne gjentok dette eksperimentet dusinvis av ganger helt til de var overbevist om at resultatene var konsistente. Prosessen kan gjentas. opptil 50 sykluser med den nåværende formuleringenopprettholder en svært høy absorpsjonskapasitet. Ved å operere ved romtemperatur krever den dessuten ikke kryogene systemer eller enormt energiforbruk.
Når det gjelder effektivitet, beregner teamet at denne metoden Den bruker omtrent 77 kilojoule per sekund for å lagre og separere 1.000 liter gasser.Denne energien er sammenlignbar med den som trengs for at et gjennomsnittlig elektrisk kjøretøy skal tilbakelegge omtrent 320 kilometer. Anvendt på hydrogen anslår de at energien som kreves kan være en tredjedel eller til og med en fjerdedel av den som trengs for å komprimere gassen ved hjelp av tradisjonelle metoder.
Innvirkning på oljeraffinering, grønn hydrogen og transport
Et av de mest slående funnene forskerne har påpekt er at nåværende prosesser med Kryogen destillasjon for raffinering av olje bruker omtrent 15 % av verdens energiDen nye metoden deres kan redusere kostnadene med opptil 90 %, noe som ville være en revolusjon ikke bare for hydrokarbonsektoren, men for enhver industri som trenger å separere og håndtere store mengder gass.
Når det gjelder hydrogen, åpner kulemassen døren for å lagre enorme mengder grønt hydrogen på en solid, sikker og gjenbrukbar måtemed svært lavt energiforbruk sammenlignet med kompresjon eller flytendegjøring. Nanomaterialet genererer ikke noe avfall, og gassen frigjøres bare når den varmes opp til noen hundre grader, noe som garanterer bemerkelsesverdig stabilitet under normale forhold.
Denne tilnærmingen kan være avgjørende for å legge til rette for langdistanse hydrogentransportDette gjør at det kan transporteres som et fast pulver og slippes ut på bestemmelsesstedet. Forskerne utelukker ikke bruksområder innen transport (biler, lastebiler), selv om de erkjenner at det er behov for ytterligere arbeid med spesifikke tankdesign, kontrollerte utslippsmekanismer og tilpassede påfyllingsprosedyrer.
Utover hydrogen kan den samme teknikken brukes på gasser som ammoniakk eller andre gassformige drivstofferDette utvider spekteret av potensielle bruksområder betraktelig. Foreløpig er det et relativt tidlig forskningsstadium, men det har et enormt potensial til å transformere både energi- og kjemisk sektor.
Samlet sett viser disse typene innovasjoner at Ideen om «fast hydrogen» er ikke begrenset til én enkelt teknologisk veiDet kan være et metallhydrid, en magnesiumskive, en sylinder begravd ved siden av en bygning, eller et gassladet bornitrid-nanopulver; alle har som mål å gjøre hydrogen til en praktisk og konkurransedyktig vektor mot fossile alternativer.
Brenselcellenes rolle i dette nye økosystemet
All denne utrullingen av lagringsteknologier ville gi liten mening uten en enhet som er i stand til omdanne hydrogen tilbake til elektrisitet rent og effektivtDet er her brenselceller kommer inn i bildet, hvis historie går tilbake til 1839, da William Grove utviklet den første hydrogen- og oksygencellen.
I store deler av 1900-tallet gikk fremgangen sakte, men fra 1960-tallet og utover ble brenselceller en essensiell del av NASAs romferderforsyner astronauter med strøm og drikkevann. Siden den gang har de utviklet seg til mye mer varierte terrestriske bruksområder.
Den grunnleggende operasjonen er relativt enkel å forstå: Hydrogen kommer inn gjennom anoden og oksygen gjennom katodenVed anoden splittes hydrogen til protoner og elektroner. Elektronene beveger seg gjennom en ekstern krets og genererer en nyttig elektrisk strøm, mens protonene passerer gjennom elektrolytten. Ved katoden kombinerer de seg med oksygen og de tilbakevendende elektronene, og danner vann og frigjør varme.
Det finnes flere typer brenselceller, som skilles fra hverandre etter materialer og driftstemperatur. alkalisk og de polymermembran (PEM) De opererer ved lave temperaturer og er ideelle for mobile og bærbare applikasjoner, med PEM-batterier som de mest brukte i dagens hydrogenkjøretøy. hauger med smeltede karbonater og fast oksid De opererer ved høyere temperaturer, er egnet for storskala stasjonær generering og kraftvarmeproduksjon, og kan operere med andre drivstoffer enn hydrogen, som naturgass.
Disse teknologiene brukes allerede i en rekke sammenhenger: bærbare generatorer, stasjonære systemer for hjem og bedrifter, lette og tunge kjøretøy, tog, skip og til og med ubåterDeres største fordel er at de tillater produksjon av elektrisitet svært effektivt og uten lokale CO2-utslipp hvis hydrogenet som brukes er fornybart.
Enestående utfordringer og utsikter for brenselceller og fast hydrogen
Til tross for alle disse fremskrittene, både brenselceller og de ulike formene for Fast hydrogen står fortsatt overfor flere utfordringerPå den ene siden er det nødvendig å fortsette å forbedre systemenes holdbarhet, spesielt i mobile applikasjoner og i intensive lade- og utladingssykluser.
På den annen side, den Kostnader er fortsatt en stor hindringDet finnes dyre komponenter (som visse katalysatorer) og produksjonsprosesser som ennå ikke har fullt ut nytt godt av stordriftsfordeler. Infrastrukturen for hydrogendistribusjon og -forsyning må også utvides for at disse løsningene skal kunne tas i bruk i stor skala.
Retningen virker imidlertid klar: det er økende investeringer i FoU, sterkt regulatorisk press for å redusere utslipp, og en økosystem av oppstartsbedrifter, universiteter og industri veldig aktiv. Historiene om prosjekter som ATOM H2, Photoncycle, det franske magnesiumdiskteamet eller de australske forskerne ved Deakin viser at mange veier utforskes parallelt.
Alt peker mot at hydrogen – i sine ulike lagringsformer, inkludert fast tilstand i avanserte materialer – blir en viktig brikke i energipuslespillet Sammen med andre teknologier som batterier, vannkraftlagring og smarte nett, vil disse løsningene sannsynligvis modnes og bli rimeligere, og etter hvert gå fra laboratorier og pilotprosjekter til å bli en normal del av energilandskapet for byer, industrier og hjem.
Når man ser på hele bildet, tegner det seg en fremtid der Fornybar energi går ikke til spille når solen skinner for sterkt eller vinden blåser for sterkt.men kan fanges i tilsynelatende harmløse faste stoffer – skiver, sylindere, pulver, hydridtanker – og settes i bruk akkurat når det trengs, og drive brenselceller som omdanner hydrogenet til elektrisitet og varme uten røyk eller støy, og dermed lukke en energisirkel som er mye renere og mer fleksibel enn den vi har kjent til nå.
