Världen står inför en utmaning av energibehov – att balansera utbud och efterfrågan, kostnader och miljöpåverkan – och en potentiell lösning på detta problem är väte.
Vätgas är lovande som bränslekälla för förbränningsmotorer, bränsleceller och som ett alternativ till naturgasuppvärmning. Den enda kvarlevan av dess förbränning är vatten och det finns flera sätt att producera gasen utan hot om koldioxidutsläpp.
Men ren vätgas är dyrt att producera hållbart och ännu dyrare att lagra och transportera jämfört med traditionella fossila bränslen. Energiforskare har försökt hitta de bästa sätten att anskaffa väte samt de mest praktiska metoderna för dess transport för att det ska bli en sann konkurrent med naturgas eller petrokemikalier. Det finns några sätt att närma sig detta problem, läs mer nedan.
För alla dess användningsområden har rent diatomiskt väte begränsningar som hindrar det från att vara praktiskt i större skalor. Produktionen av vätgas är inte strikt fri från växthusgaser, och det finns både hållbara och ohållbara produktionsmetoder som måste beaktas. Det mest lovande för närvarande är den elektrolytiska klyvningen av vatten (med förnybar energi), som producerar väte och syrgas som ett resultat.
När problemet med produktionen är löst, materialiseras frågan om effektivitet – vid omgivningstryck och temperatur finns det helt enkelt inte tillräckligt med energi per volymenhet vätgas för att ge ett jämförbart mått på fossila bränslen. Vätgasens energitäthet per kilogram är nästan tre gånger högre än traditionella bränslen, dock realistisk energiförmåga per liter är storleksordningar mindre.
Även om vätgasen kan komprimeras under högt tryck, kräver detta specialutrustning såväl som ännu mer energi för att göra det, och kan fortfarande bara uppnå cirka 5 % väte per viktenhet (där de återstående 95 % är vikten av det trycksatta kärlet ). Detsamma kan sägas för flytande väte som kräver en temperatur på –253°C eller kallare, vilket kräver kylutrustning och extra kraft.
Den bästa lösningen för effektiv användning och transport av väte som forskare har hittat är faktiskt inte rent väte alls. Det finns alternativ som har stor potential, nämligen kemikalielagring och fysisk lagring.
Kemisk lagring är där väteatomerna lagras i molekyler genom kemiska bindningar, bara för att frigöras efter att en kemisk reaktion äger rum. Det finns många potentiella alternativ för kemiska bärare av väte, såsom metallhydrider eller organiska molekyler (t.ex. alkoholer, kolhydrater).
För att vara mest effektivt bör ett material ha en vätekapacitet på minst 7 viktprocent och ha en arbetstemperatur mellan 0 och 100°C. Många metallhydrider kräver en temperatur på minst 200°C för att frigöra väte. Organiska kolväten är i en liknande position, med den extra nackdelen att de släpper ut CO2 som en reaktionsprodukt.
Fysiska lagringsmöjligheter gör att väte kan adsorberas på ytan av ett material i mycket större mängder än att lämna gasen i sig själv. De vanligaste av dessa är mycket porösa svampliknande material, såsom aktivt kol eller metallorganiska ramverk (MOF). En MOF som rapporterades 2020 visade sig uppnå en enastående vätekapacitet på 14 viktprocent. Begränsningen för många MOF är dock att de utför adsorption bäst vid mycket låga temperaturer (många runt –200°C) och förlorar effektivitet när temperaturen ökar.
Ammoniak har redan gjort sig ett namn som en viktig komponent i gödselmedel, med en global årlig produktion som överstiger 200 miljoner ton 2021. Det har också väckt inspiration som en metod för kemisk vätelagring.
Den nuvarande ammoniakproduktionsmetoden är inte en grön – Haber-processen innebär att man reagerar kvävgas och vätgas tillsammans vid höga temperaturer och tryck, där vätgasen i fråga oftast kommer från fossila bränslen. Energiforskare gör dock framsteg med alternativa produktionsmetoder, som bränsleceller och membranreaktorer, som kan ge ammoniak ett grönare fotavtryck för bränslen, gödningsmedel med mera.
Ammoniak är en oorganisk molekyl som består av en kväveatom och tre väteatomer. Denna vätedensitet gör den till en attraktiv kemisk bärare av väte för energiändamål, som ett alternativ till att transportera rent flytande väte runt. Istället för att kräva temperaturer under -253°C är ammoniak en vätska vid endast -77°C vid atmosfärstryck, eller så högt som -10°C under något högre tryck. Dessutom innehåller ammoniak inget kol, så det har stor potential som en kolneutral bränslekälla. Det kan delas upp i väte- och kvävgaser i en omvänd bränslecell, där diatomiskt kväve helt enkelt kan återförenas i atmosfären utan att skada miljön.
Om du vill veta mer om olika typer av kemikalier, eller hur du minimerar riskerna när du arbetar med kemikalier, finns vi här för att hjälpa dig. Vi har verktyg som hjälper dig med obligatorisk rapportering, samt generering SDS och riskbedömningar. Vi har också ett bibliotek med webbseminarier som täcker globala säkerhetsföreskrifter, programvaruutbildning, ackrediterade kurser och märkningskrav. För mer information, kontakta oss idag på sa***@ch*******.net.
Källor:
