Lagring och transport av väte

Fossila bränslen driver närapå all infrastruktur idag, men vid förbränning avger de föroreningar, framför allt koldioxid. Det är en växthusgas (GHG) och förknippas med global uppvärmning och klimatförändringar.

I motsats till detta producerar förbränning av väte oskadliga vattenångor och små mängder kväveoxid (NOx) utan att avge koldioxid eller andra föroreningar, som svaveldioxid (SOx). Dessutom är väte kompatibelt med många befintliga naturgasturbiner med interna förbränningsmotorer som kan användas med väte, naturgas eller en blandning av båda. Väte är dock en farlig substans om det hanteras ovarsamt.

Till att börja med är dess molekyler minst av alla ämnen, så risken för läckage från tankar och pipelines – som kan leda till eldsvådor och explosioner – utgör ett allvarligt bekymmer. Speciell hänsyn måste tas till material och tekniker som används för att täta dessa system, som t.ex. infästningar, packningar, ventiler och andra tätningsenheter. Miljöövervakningsenheter, som branddetektorer och gasdetektorer för brandfarlig gas eller integrerade enheter, som tryck- och temperaturtransmittrar, ska användas för att upptäcka onormala händelser som läckage. Eftersom väte är diatomiskt kan modern teknik, som gasdetektorer baserade på infraröd teknik som ofta används i naturgasapplikationer, inte användas för detektering av vätgas.

Läckage orsakas främst av försprödning, som oftast uppkommer när stål och andra metaller absorberar väteatomer. Atomerna kan återkombineras och bilda vätemolekyler som diffunderar genom metallen och bildar bubblor som försvagar materialet, vilket orsakar försprödning och krackning, även vid omgivningstemperatur. Därför är det avgörande att problemen motverkas genom att välja lämpliga material utifrån applikationen.

Säker vätelagring är en nyckelfaktor för framväxten av väte- och bränslecellstekniker, som följande bild visar.

Väte kan förvaras som komprimerad gas eller kryogen vätska. Komprimerat gasformigt väte förvaras vanligen i tankar om 350–700 bar (5 000–10 000 psi). Helt flytande väte förvaras vid omkring -253 °C (-423 °F), medan kryokomprimerad väte kan förvaras vid omkring -233 °C. ¹ Lagring i gasfas har lägre utrustningskrav och är betydligt mer ekonomisk, men lagring i vätskeform har sina fördelar, framför allt att vätet då har betydligt högre energidensitet

Flytande väte har länge använts som raketbränsle för rymduppskjutningar. I rymden har den förvarats som komprimerad gas eller kryogen vätska i cylindrar, tuber och sfäriska tankar. I gasform förvaras vätgas vanligen i cylindrar. Sfäriska tankar föredras dock när flytande väte ska förvaras så att ytskiktet minimeras, vilket korrelerar direkt med värmeöverföring från den omgivande miljön.

Väte kan även förvaras i materialbaserade system på ytan av fasta substanser (adsorption) eller inuti dem (absorption). Dessa metoder utvecklas för att bemöta kraven på bränsledensitet och för att öka processäkerheten eftersom de minskar förekomsten av läckor och okontrollerad antändning.

Säkerhetsföreskrifter för alla vätelagringssystem inkluderar:

• Placera lagret i välventilerade, rökfria utomhusområden långt från byggnader, fordon, värme, gnistor och öppen eld
• Förvaringsbehållare får aldrig dras, rullas, glida eller tappas
• Använd endast gnistsäkra verktyg och explosionssäker utrustning vid hantering av väte
• Jorda all utrustning och rör
• Kontrollera regelbundet avseende läckor i vätesystemen med hjälp av såpvatten, aldrig med låga

Kraven för högdensitetslagring av väte ställer transportsystemen inför betydande utmaningar. Vätets energidensitet är mycket lägre än bensinens så större tankar krävs för att förvara samma mängd energi. Rent allmänt är transporttankar för väte större än dem för naturgas och motstår högre tryck.

Kraven på större utrymme inverkar på fordonets förmåga att transportera personer och föremål på ett bekvämt och yteffektivt sätt och den extra vikten påverkar hur långt fordonet kan köra med en viss mängd energi. Dessutom upptar bränsleceller för vätgas större utrymme än förbränningsmotorer, lägger på extra vikt och utgör ytterligare en potentiell källa till läckage.

Vätgasdrivna bilar och lastbilar finns, men det globala antalet tankningsstationer för vätgas är begränsat. Det gör dem opraktiska för de flesta, speciellt för vardagskonsumenten. I takt med att infrastrukturen för vätgas utvecklas kan detta förändras längre fram.

Trots dessa hinder har vätgasdrivna bilar och långtradare betydande fördelar jämfört med elektriska fordon. De kan tankas fullt på minuter istället för timmar, och den förvarade energin försämras inte över tid. Energidensiteten som lagras är mycket högre än batterier, med en faktor på över 100, vilket gör bränslet mycket lättare och kompaktare än batterier. Slutligen är tillgången till materialen som behövs för att framställa moderna batterier, speciellt litium, begränsade, medan materialen som behövs för att tillverka bränsleceller för vätgas finns i överflöd. ²

När gasformigt väte framställs kan det förbrukas lokalt, komprimeras och transporteras via rör till närliggande lagringstankar, komprimeras och pumpas över till cylindrar för frakt, eller göras flytande för bättre lagringsdensitet eller långväga transporter. Vätgas transporteras vanligen med pipeline, lastbil, tåg eller skepp. Pipelines används oftast mellan närliggande produktionsanläggningar och konsumenter, och över större geografiska avstånd där efterfrågan främst gäller stabilitet och långsiktighet.

Vid korta avstånd är det vanligast med lastbilstransporter, antingen i avlånga högtrycksbehållare, staplade på släpfordon, eller i tankar för flytande väte med kryogena temperaturer. Godsvagnar används för att förflytta flytande väte över medellånga avstånd, medan skeppen tar hand om tunga laster för långväga transporter.

Forskningen fortsätter sin jakt på hållbara och kompakta vätelagringssystem som är säkra att använda i såväl fordon som fasta installationer. Den hållbara vätgasproduktionen tillsammans med utvecklingen av transporter och lagring kommer att få väteekonomins hjul att börja snurra.

Samtidigt som industrin strävar efter att minska sina koldioxidutsläpp i infrastrukturen genom att implementera vätgas och andra alternativa bränslen blir lämplig skolning av största vikt för att garantera säkerheten vid konstruktion, installation, drift och underhåll av systemen.