Hydrogenlagring i materialer
Hydrogenlagring i materialer
Hydrogenlagring i materialer
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Hydrogenlagring</strong> i <strong>materialer</strong><br />
Et prosjekt i MEF3200 H06<br />
Av<br />
Henrik Mauroy<br />
og<br />
Jon E. Bratvold<br />
0
Sammendrag<br />
I denne oppgaven har vi sett på dagens teknologi for lagring av hydrogen i faste <strong>materialer</strong> til<br />
bruk i transport. I dag foreligger det ingen endelige løsninger for lagring av hydrogen, men<br />
dette vil trolig være på plass innen få år. NaBH4 er den mest effektive metoden i dag på<br />
grunn av enkel og stabil oppbevaring ved normalt trykk og temperatur, men prosessen er dyr<br />
og det kreves en storsatsning for at det skal bli innført på verdensbasis.<br />
Metallhydrider er gjennomførbare konsepter i dag, men de er og blir for tunge. Metall‐<br />
organiske porøse <strong>materialer</strong> (Metal‐organic frameworks, MOF) har et stort potensial,<br />
femtiden vil vise om dette er realiserbart. Polyacetylen med titantilsetninger ser svært<br />
lovende ut, men har foreløpig ikke blitt prøvd ut i praksis.<br />
Innholdsfortegnelse<br />
Sammendrag .......................................................................................................................... 1<br />
Innholdsfortegnelse ................................................................................................................ 1<br />
Problemstilling........................................................................................................................ 2<br />
<strong>Hydrogenlagring</strong> i <strong>materialer</strong> ..................................................................................................... 3<br />
1. Problemer med hydrogenets tetthet................................................................................. 3<br />
2. Mekanismen bak dannelse av metallhydrider................................................................... 5<br />
3. MgH2 .................................................................................................................................. 6<br />
4. Alanater og blandede hydrider .......................................................................................... 8<br />
Historie ............................................................................................................................... 8<br />
Struktur............................................................................................................................... 9<br />
Termodynamikk.................................................................................................................. 9<br />
Katalysatorer .................................................................................................................... 10<br />
NaBH4 ............................................................................................................................... 11<br />
5. AB 5 og AB 2 legeringer ...................................................................................................... 13<br />
6. Karbon nanorør ................................................................................................................ 14<br />
Modellering ...................................................................................................................... 16<br />
7. Zeolitter ............................................................................................................................ 17<br />
8. Metall‐organiske porøse <strong>materialer</strong> ................................................................................ 18<br />
Nye konsepter for hydrogenlagring ......................................................................................... 19<br />
Introduksjon ......................................................................................................................... 19<br />
9. Trykktank med absorberende/adsorberende innside ..................................................... 19<br />
10. Klatrater.......................................................................................................................... 19<br />
11. Polyacetylen ................................................................................................................... 20<br />
TM<br />
12. Polyhydrogen – Hvis verden bare var så enkel...........................................................<br />
21<br />
Konklusjon ............................................................................................................................ 24<br />
Kilder .................................................................................................................................... 25<br />
1
Problemstilling<br />
I dette prosjektet vil vi se på dagens teknologi for lagring av hydrogen. Hvilket medium har<br />
de beste egenskapene pr dags dato? Samtidig vil vi prøve å se framover. Hvilket medium ser<br />
mest lovende ut for fremtiden? Til slutt vil vi se på de aller nyeste konseptene for<br />
hydrogenlagring, og vurdere om disse har en fremtid.<br />
Hydrogen er fremtidens drivstoff. Det meste av transport kommer etter all sannsynlighet til<br />
å foregå med hydrogendrevne kjøretøy som bare slipper ut vann til omgivelsene. Samtidig<br />
kan hydrogen også bli en viktig måte å lagre energi stasjonært på.<br />
Å se på fremtidens energiforbruk er et enkelt men dystert regnestykke. Vi bruker stadig mer<br />
energi, og når tidligere u‐land får økonomien på rett kjøl og skal heve levestandarden sin til<br />
vestlig nivå må noe gjøres med energiproduksjonen. Å tro at menneskene på jorden klarer å<br />
kutte energiforbruket sitt nok er utopi. Thorium‐kraftverk har blitt lansert som en mulig<br />
løsning. Med slike små kraftverk sentralt plassert kan spillvarmen utnyttes til oppvarming.<br />
Men Norge er ikke spesielt tett befolket så løsningen hjelper bare et stykke på veien. Et<br />
annet konsept som bør virke tiltalende for Norge sin del er et system slik Honda tenker seg.<br />
”Home Energy Station” kaller de sitt bidrag til energieffektiviseringen. De tenker seg at hver<br />
husstand produserer sitt egen hydrogen, riktignok fra naturgass, men prinsippet er ikke så<br />
dumt. Et langt skritt i enda riktigere retning hadde vært om hver husstand produserte strøm<br />
til seg selv fra fornybar energi, som sol‐ eller vindkraft. Disse energikildene er til tider<br />
ustabile og kan ikke sikre kontinuerlig strømproduksjon. Hvis man i perioder med for<br />
eksempel mye sol og lavt strømforbruk utnytter overskuddet av strøm til å produsere<br />
hydrogen kan denne benyttes til å lage strøm på regnfulle dager, eller bli brukt i en bil med<br />
brenselscelle. På den måten kan kontinuerlig forsyning av strøm opprettholdes.<br />
Skal dette bli en realitet er det i høyeste grad interessant å se på lagring av hydrogen i faste<br />
stoffer. Det er ikke ideelt å lagre hydrogen som gass, ikke engang for stasjonære<br />
lagringsenheter. Når hydrogenet ikke skal transporteres er vektproblemet borte, men ikke<br />
volumproblemet. All forskning på lagring av hydrogen er derfor interessant. Det er ikke<br />
sikkert at det samme materialet som egner seg best til lagring i biler er det som passer best<br />
til lagring i hjemmet.<br />
2
<strong>Hydrogenlagring</strong> i <strong>materialer</strong><br />
1. Problemer med hydrogenets tetthet<br />
Den volumetriske tettheten til hydrogen ved 1 bar trykk og romtemperatur er 0,089 kg/m 3 . I<br />
flytende form er tettheten hele 70,8 kg/m 3 . Dette tilsvarer en ekspansjon fra væske til gass<br />
på 1:800. Bensin har en tilsvarende ekspansjon på bare 1:160 som det kan sees i tabell 1‐1. I<br />
flytende form har hydrogen en tetthet på 70,8 kg/m 3 , noe som er langt bedre enn gassform.<br />
Det store problemet med hydrogen er at det ikke blir flytende før svært høye trykk, eller<br />
svært lav temperatur som figur 1‐1 viser.<br />
Tabell 1‐1: Forskjellige fysikalske data for hydrogen og bensin<br />
Stoff Tetthet ved Tetthet ved Tetthet flytende Volumetrisk Volumetrisk<br />
1 bar 250 bar<br />
ekspansjon 1 bar ekspansjon 250 bar<br />
Hydrogen 0,089 kg/m 3<br />
~19 kg/m 3<br />
70,8 kg/m 3<br />
1:800 1:240<br />
Bensin 4,4 kg/m 3<br />
‐ ~700 kg/m 3<br />
1:160 ‐<br />
Figur 1‐1: Fasediagram til hydrogen for trykk‐temperatur projeksjonen. Det blå området er der hydrogen er<br />
flytende ved normale trykk.<br />
I figur 1‐2 kan man se at hydrogengass ikke oppfører seg som en ideell gass, men avviker til<br />
en stor grad ved trykk høyere<br />
enn 250 bar. Over 250 bar vil<br />
gradienten til økningen av<br />
tettheten bli mindre og mindre.<br />
Dette gjør så hydrogengass ikke<br />
kan lagres effektivt ved<br />
romtemperatur. Trykktanker på<br />
over 700 bar er absolutt ikke<br />
sikre nok, og de blir faretruende<br />
tunge etter hvert som de må<br />
lages mer solide.<br />
Figur 1‐2: Volum som funksjon av trykk for hydrogen<br />
3
Hydrogen kan pakkes mye tettere i mange forbindelser. Disse forbindelsene kan være<br />
metaller, legeringer, karbon‐nanorør, zeolitter og metall‐organiske skjeletter. Et eksemplet<br />
er vann, som ved romtemperatur inneholder 111 kg hydrogen pr m 3 , noe som er en mye<br />
høyere tetthet enn flytende hydrogen i seg selv. Grunnen til at dette er mulig er at hydrogen<br />
er det minste grunnstoffet i verden og kan dermed lett diffundere inn i mange <strong>materialer</strong>.<br />
Siden hydrogen er så lite og diffunderer, er det også vanskelig å holde på i en tank.<br />
Behovet for tanker som kan lagre hydrogen kommer til å eksplodere om noen år, når det blir<br />
aktuelt å bruke brenselcelleteknologi i transportsammenheng. Slike tanker må være lette,<br />
robuste, små og selvfølgelig billige å produsere. I dag bruker man bare vanlig stål til å lage<br />
bensintanker, og dette er svært billig å produsere i forhold til trykktanker av stål. Nye typer<br />
tanker av kompositter har mye lavere vekt enn de tradisjonelle ståltankene og kan dermed<br />
holde på høyere trykk pr. vektenhet, men de har høyere pris.<br />
Figur 1‐3: Grafisk fremstilling av forskjellige hydrogentanker med størrelsen til tankene, både i volum og vekt.<br />
I figur 1‐3 er det laget en grafisk fremstilling av hydrogentanker som lagrer hydrogen på ulike<br />
måter. I beregningene er det anslått at en personbil vil bruke omtrent 10 kg hydrogengass<br />
pr. 500 km. Trykktanken som i dette tilfellet lagrer gassen ved 700 bar trykk, kommer svært<br />
dårlig ut i denne sammenlikningen. Den har både et svært upraktisk volum og en høy vekt.<br />
Hvis det brukes flytende hydrogen blir volumet akseptabelt, men vekten er fortsatt høy. Til<br />
sammenlikning veier en bensintank på 50 liter mellom 20‐30 kg! Som figur 1‐3 viser, blir<br />
volumet på tankene tilfredsstillende når det brukes metallhydrider som lagring. Høy vekt er<br />
et stort problem, men bilfabrikanter og forbrukere kan overse det problemet hvis bare<br />
volumet passer i en personbil. Formen på metallhydridtanker trenger ikke å være sylindriske<br />
som i gasstanker, men kan ha den formen som trengs til bilen.<br />
Energitettheten til hydrogen er på imponerende 142 kJ/g. Til sammenlikning har bensin en<br />
energitetthet på 47,5 kJ/mol, men siden volumtettheten til hydrogen er så lav blir det lite<br />
energi pr. liter gass. Tabell 1‐2 viser at bensin er en overlegen lagringsmåte for energi i<br />
forhold til hydrogen. Selv flytende hydrogen vil ha under 30 % energitetthet pr. volum.<br />
Tabell 1‐2: Energitetthet pr. volum i hydrogen og bensin.<br />
Tilstand Energi/volum (MJ/m 3 )<br />
Hydrogen Gass (1 bar) 10<br />
Gass (200 bar) 1825<br />
Gass (700 bar) 4500<br />
Flytende 8490<br />
Bensin Flytende 31200<br />
4
2. Mekanismen bak dannelse av metallhydrider<br />
Lagring av hydrogen i <strong>materialer</strong> skjer i flere ”trinn” fram til et metallhydrid er dannet. Først<br />
fester hele gassmolekylet (H2) seg på overflaten ved fysisorpsjon med svake van der Waals<br />
krefter. Siden bindingsenergien er så lav skjer fysisorpsjonen selv ved lav temperatur, og det<br />
vil heller ikke påvirke overflaten til materialet betydelig.<br />
Det neste som skjer er kjemisk adsorpsjon. H2‐molekylet spaltes først til to hydrogenatomer<br />
og disse danner kjemiske bindinger med materialet. Denne vekselvirkningen er sterk og<br />
fører, for de fleste <strong>materialer</strong>, til en stabilisering av overflaten noe som igjen gjør at energi<br />
blir frigjort. Dette gjenspeiles i at prosessen for disse materialene er eksoterm.<br />
Hydrogenatomene vil så diffundere inn i materialet. Det dannes en ”fast løsning”, α‐fasen. I<br />
α‐fasen vil hydrogenatomene være for langt unna hverandre til å vekselvirke og<br />
krystallstrukturen til det opprinnelige materialet vil ikke bli forandret.<br />
Når materialet etter hvert blir mettet med hydrogen dannes hydridfasen, β‐fasen. Vanligvis<br />
vil hydrogenet da ha dannet en ordnet gitterstruktur. Siden det nå vil være betydelige<br />
mengder hydrogen i materialet vil det være sterk frastøtning mellom hydrogenatomene.<br />
Ofte vil strukturen utgangsmaterialet hadde uten hydrogen være forandret, delvis p.g.a.<br />
hydrogenet som har dannet en ordnet struktur og delvis fordi hydrogenet kan ha ført til<br />
endringer i selve strukturen til metallet.<br />
Figur 2‐1: Prinsippet bak lagring av hydrogen i metaller. Når hydrogenet absorberes av metallet frigis det<br />
varme og et metallhydrid dannes. Når en tilsvarende mengde varme tilføres metallhydridet frigis hydrogenet<br />
gjen. Metallet som blir igjen vil være pulverisert.<br />
5
Figur 2‐2: En trykk‐konsentrasjon likevektsisoterm, PCT‐kurve (Pressure‐Composition‐Temperature), for<br />
dannelse av et metallhydrid. Det grå området angir grensen for to‐fase sammensetningen ved forskjellige<br />
temperaturer. Der kurven er så godt som flat i det grå området kalles platåtrykket. Dette vil være høyere for<br />
høyere temperaturer (Graf hentet fra ”Materials for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av Bjørn C.<br />
Hauback ved UiO)..<br />
Figur 1 over viser en PCT‐kurve for dannelsen av et metallhydrid. Selv ved små<br />
konsentrasjoner av hydrogen vil det dannes en α‐fase i materialet. Her kreves en kraftig<br />
økning i trykket for å få inn mer hydrogen. Ved et gitt trykk (avhengig av temperatur), vil<br />
materialet ta opp veldig mye mer hydrogen nesten uten at en forhøyning i trykket er<br />
nødvendig. Dette trykket kalles platåtrykket. Høyere temperatur vil gi en ny kurve med et<br />
høyere platåtrykk. Når materialet er mettet vil det kun inneholde β‐fase. Får å få inn mer<br />
hydrogen kreves det en stor trykkforhøyning, og hydrogenet vil da gå inn på plasser som ved<br />
normale forhold ikke klarer å holde på hydrogen.<br />
Ved å øke temperaturen til materialet vil det følgelig kreve et høyere trykk for å holde på<br />
hydrogenet. Om trykket da ikke økes vil materialet avgi hydrogenet, desorpsjon.<br />
3. MgH2<br />
Magnesiumhydrid er det mest studerte materialet for hydrogenlagring fordi det har en<br />
enestående lagringskapasitet på hele 7,6 wt % hydrogen. Det er enkelt å produsere<br />
materialet og det er forholdsvis mye billigere å produsere enn for eksempel LaNi5‐hydrider.<br />
Problemet er at kinetikken er dårlig og platåtrykket er på bare 1 bar ved hele 300 °C. Et så<br />
lavt trykk gjør at fylling av materialet tar lang tid og materialet må varmes opp mye før det<br />
slipper ut hydrogen igjen. For å fylle materialet til omtrent 7 wt % tar det 2‐4 timer.<br />
Dessuten er det et ganske stabilt hydrid med formasjonsentalpi på hele 37,5 kJ/mol H. I figur<br />
6‐1 er PCT‐kurven plottet ved 350 °C. Den økede temperaturen i forhold til 300 °C gir som<br />
grafen viser ikke store økninger i trykket.<br />
6
Figur 3‐1: PCT‐kurve (Trykk‐konsentrasjonkurve) for MgH2 ved 350 °C (Graf hentet fra ”Materials for<br />
Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO).<br />
Figur 3‐2: Forskjellige platåtrykk versus temperatur i forskjellige metallhydrider (Graf hentet fra ”Materials<br />
for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO).<br />
Ved doping med innskuddsmetalloksider kan kinetikken gjøres bedre, men det trengs<br />
fortsatt en høy temperatur. I legeringer med for eksempel Ni kan temperaturen senkes, men<br />
da reduseres hydrogenopptaket betraktelig. For Mg2NiH4 blir lagringskapasiteten bare 3,6<br />
wt % H mens entalpien reduseres til 32,3 kJ/mol H. Figur 6‐2 viser at en temperatur på hele<br />
400 °C er nødvendig for å få et platåtrykk på 10 bar for MgH2. Med legeringer kan det sees<br />
at<br />
trykket kan økes til det seksdobbelte for Mg2FeH6,<br />
og dermed få raskere fylling.<br />
7
4. Alanater og blandede hydrider<br />
Historie<br />
De komplekse hydridene er en gruppe hydrider som har både ionisk og kovalent karakter.<br />
Disse hydridene består ofte av et alkaliemetall eller jordalkaliemetall, aluminium og<br />
hydrogen, og kalles for alanater (eks. LiAlH4, NaAlH4). Byttes aluminium ut med bor fås<br />
borhydrider (eks. LiBH4 og NaBH4).<br />
De komplekse hydridene har svært høy andel hydrogen i seg som kan være så høyt som over<br />
10 wt %, men både kinetikken og termodynamikken er for ugunstig til å bruke dem til<br />
hydrogenlagring. Siden alanater har så høy lagringskapasitet for hydrogen har de vært<br />
forsket på i lang tid. Alanater og da særlig LiAlH4 er veldig gode reduksjonsmidler, og kan<br />
forvandle estere, karboksylsyrer og ketoner til alkoholer, og nitro‐produkter til aminer.<br />
Problemet med alanatene er at de trenger høye temperaturer (200‐400 °C) og veldig høye<br />
gasstrykk (100‐400 bar) for å dannes. De er dermed ikke reversible ved moderate tilstander<br />
og ble derfor ikke tiltenkt hydrogenlagring før det ble funnet ut at titankatalysatorer hadde<br />
en svært positiv effekt.<br />
Dessorpsjon av hydrogen i alkaliske alanater skjer ved følgende reaksjoner:<br />
3NaAlH 4 → Na3<br />
AlH 6 + 3H<br />
2<br />
(4.1)<br />
3<br />
Na 3 AlH 6 → 3NaH + Al + H 2<br />
2<br />
(4.2)<br />
3<br />
3NaH → 3Na<br />
+ H 2<br />
2<br />
(4.3)<br />
Det er hovedsakelig reaksjon (4.1) og (4.2) som skjer. (4.3) krever så høye temperaturer at<br />
det ikke blir praktisk gjennomførbart ved reverserbar hydrogenlagring. Reaksjon 4.1 og 4.2<br />
slipper ut henholdsvis 3,7 og 1,9 wt % hydrogen. Tabell 4‐1 viser en oversikt over forskjellige<br />
lagringskapasiteter i forskjellige <strong>materialer</strong>.<br />
Tabell 4‐1: <strong>Hydrogenlagring</strong>skapasitet i forskjellige alanater (tabell hentet fra ”Materials for Hydrogen Technology ‐<br />
Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO)<br />
Forbindelse Maksimalt teoretisk<br />
LiAlH4<br />
NaAlH4<br />
KAlH4<br />
Mg(AlH4)2<br />
Ca(AlH4)2<br />
Na2LiAlH6<br />
hydrogenopptak wt %<br />
10.6<br />
7.5<br />
5.8<br />
9.3<br />
7.9<br />
7.0<br />
8
Struktur<br />
Strukturen til alanater består av et kation M n+ som er ionisk bundet til et (AlH4)n n‐ kompleks.<br />
Bindingen mellom Al og H er kovalent. Figur 4‐1 viser strukturen til NaAlH4 der [AlH4] ‐<br />
tetraederne er omgitt av kationer. Figur 4‐2 viser strukturen til Li3AlH6.<br />
Figur 4‐1: Strukturen til NaAlD4, de røde kulene er kationer og de blå tetraederne er AlH4. Deuterium er<br />
brukt for å foreta nøytron diffraksjonseksperimenter (bilde hentet fra ”Materials for Hydrogen Technology ‐<br />
Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO).<br />
Figur 4‐2: Strukturen til Li3AlD6 (bilde hentet fra ”Materials for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av<br />
Bjørn C. Hauback ved UiO).<br />
Termodynamikk<br />
Alanater krever høy temperatur for å dannes. Som en effekt av dette er den motsatte<br />
reaksjonen eksotermisk, som også er spontan ved romtemperatur. Li‐alanat har et platåtrykk<br />
på hele 93 bar ved romtemperatur og er heller ikke reversibel ved moderate temperaturer<br />
og trykk. Det er kun Na‐alanat og K‐alanat som er de eneste monoalkaliske alanatene som er<br />
9
eversible ved moderate tilstander. Blandede alanater som for eksempel Na2LiAlH6 viser<br />
også slike egenskaper.<br />
Ved absorpsjon og desorpsjon av hydrogen vil en PCT‐kurve (Trykk Konsentrasjon<br />
Temperatur) vise mye informasjon om hva som skjer i prosessen. Figur 4‐3 viser<br />
absorpsjon/desorpsjon for NaAlH4 med Ti‐katalysator ved forskjellige temperaturer.<br />
Med en gang prosessen starter øker hydrogeninnholdet drastisk på grunn av adsorpsjon, for<br />
så å flate ut og danne et platå, når hydrogen har begynt å diffundere inn i materialet. Det er<br />
ved dette platåtrykket at nesten all gassen blir absorbert av materialet. Det mest ideelle er å<br />
ha et platå som forekommer ved romtemperatur og trykk rundt 100 bar, og som i tillegg er<br />
bredt, så det er mulig å få høyest mulig hydrogeninnhold. Figur 4‐3 viser at Na‐alanat har to<br />
platåer; det ene kommer av reaksjon (4.1) (det laveste) og det andre fra reaksjon (4.2) (det<br />
høyeste). Ved så lav temperatur som 150 °C og moderat trykk er det mulig å lagre i overkant<br />
av 2,5 wt % hydrogen, men den store ulempen med en så lav temperatur er at kinetikken blir<br />
dårlig med påfølgende trege reaksjoner.<br />
Figur 4‐3: PCT‐kurver (Trykk Konsentrasjon Temperatur) for NaAlH4 med Ti‐katalysator (bilde hentet fra<br />
”Materials for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO).<br />
Katalysatorer<br />
For å få god kinetikk kan det tilsettes Ti‐katalysatorer som for eksempel TiCl3 og TiF3. Det er<br />
ikke funnet ut hvordan disse katalysatorene virker, men det er foreslått at titan binder seg<br />
på et vis til aluminium enten som Ti løst i Al som Al1‐xTix, eller som amorft AlTi3.<br />
Katalysatorene bidrar til å senke aktiveringsenergien til hydrogen ved adsorpsjon og<br />
10
absorpsjon. I tillegg øker de antall absorpsjons‐ og desorpsjonssykluser materialet tåler før<br />
det blir alt for inneffektivt. Det er blitt rapportert om så mange som 100 sykluser pr. 2006.<br />
En annen mulighet er å tilsette karbon‐nanorør. En forskergruppe fra Canada har gjort forsøk<br />
der absorpsjonskinetikken ble forbedret med en faktor fire, og opptil 200 sykluser ble<br />
gjennomført før materialet fikk dårligere lagringskapasitet.<br />
Figur 4‐4 viser effekten av TiCl3‐katalysator i NaAlH4. Temperaturen under forsøket var<br />
125 °C og trykket på 80‐90 bar. Med 4‐6 % tilsatt katalysator er det mulig å fylle omtrent 3<br />
wt % hydrogen på en tank på under 12 minutter, noe som kan aksepteres hvis formålet er å<br />
tanke opp en buss, men ikke en personbil.<br />
Figur 4‐4: Hydrogenabsorpsjon i NaAlH4 med økende mengde av TiCl3‐katalysator (bilde hentet fra<br />
”Materials for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO).<br />
NaBH4<br />
Konsentrerte vannløsninger (30 %) av NaBH4 inneholder opptil 6,7 wt % hydrogen. Ved å<br />
tilsette en katalysator kan hydrogen frigis ved en spontan eksotermisk prosess.<br />
NaBH 4 2 2 katalysato r 2<br />
2<br />
+ H O ⎯⎯⎯<br />
⎯ → 4H<br />
+ NaBO + ~ 300kJ<br />
/ mol<br />
(4.4)<br />
Likning 4.4 viser reaksjonen når hydrogen blir frigjort fra NaBH4. Fordelen med dette<br />
drivstoffet er at det er en ikke brennbar væske som kan lagres ved romtemperatur og<br />
atmosfæretrykk. Ved reaksjon dannes det ingen andre biprodukter og hydrogengassen som<br />
frigis er helt ren, uten forurensninger av for eksempel CO eller S.<br />
Figur 4‐5 viser en skjematisk oversikt over hvordan en slik prosess kan gjennomføres. Denne<br />
metoden er patentert av et amerikansk firma som heter Millenium Cell.<br />
11
Figur 4‐5: Skjematisk oversikt over hvordan Hydrogen on DemandTM fungerer (Bilde hentet fra<br />
http://www.millenniumcell.com/fw/main/How_it_Works‐31.html)<br />
Det finnes selvfølgelig problemer med denne måten å lagre hydrogen på også, akkurat som<br />
alle andre metoder. Det største problemet er all energien som må tilføres for å danne<br />
NaBH4. Dette fører til at prisen på drivstoff alltid kommer til å følge strømprisene. I tillegg er<br />
det en komplisert fremstillingsprosess som figur 4‐6 viser, som igjen presser prisene opp.<br />
Fremstilling vil skje på store anlegg der det også foretas resirkulering av oppbrukt drivstoff.<br />
Figur 4‐6: Til venstre: Skjematisk oversikt over resirkulering av NaBO2 til NaBH4 (bilde hentet fra<br />
http://gcep.stanford.edu/pdfs/hydrogen_workshop/Wu.pdf). Til høyre: Syklus for resirkulering.<br />
12
5. AB5 og AB2 legeringer<br />
De sjeldne jordartmetallene kan sammen med jern, kobolt og nikkel danne legeringer av<br />
typen AB5. For eksempel LaNi5, LaCo5, LaFe5, CeNi5. LaNi5 brukes i metallhydrid batterier.<br />
Ofte benyttes såkalt ”misch‐metall” (forkortes Mm eller Lm) i stedet for rent La da dette er<br />
mye billigere og har så å si de samme egenskapene. Mm består typisk av 51 % La, 33 % Ce,<br />
12 % Nd, 4 % Pr i tillegg til noe Al og Co som blir tilsatt for å gjøre legeringen mer<br />
korrosjonsbestandig.<br />
Som hydrid dannes for eksempel LaNi5H6,7 ved 20 °C og 1,8 bars trykk. Dette gjør det svært<br />
attraktivt som hydrogenlagringsmateriale. Problemet er at materialet kun inneholder ca 1,8<br />
wt % hydrogen, noe vi har sett er altfor lavt til kommersielt bruk i personbiler. Dessuten vil<br />
det være en volumøkning på 25 % fra det hydrogenfrie utgangsmaterialet til metallhydridet.<br />
AB2‐legeringer består av et stoff A som veldig gjerne danner hydrid og et stoff B som ikke<br />
danner hydrid så lett. Hvis A hadde tatt opp hydrogen alene ville det vært altfor vanskelig å<br />
få det ut igjen, og med et materiale kun bestående av B ville det nesten ikke bli dannet<br />
hydrid. Men ved å sette de sammen er tanken at de skal kunne møtes på midten og danne et<br />
hydrid som tar opp hydrogen, men som også gjerne gir det fra seg igjen. Et eksempel er ZrV2.<br />
I praksis har dette vist seg å ikke være så enkelt, og med tanke på vektprosent er det<br />
tvilsomt om disse materialene vil kunne nå ønskede krav.<br />
Figur 5‐1: Strukturen til kubisk en AB2‐legering (f.eks. Cu2Mg). Tetraheder posisjonene 4B, 2A2B og 1A3B<br />
viser mulig hydrogenokkupasjon (figur hentet fra ”Materials for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av<br />
Bjørn C. Hauback ved UiO)..<br />
13
6. Karbon nanorør<br />
Karbon danner forskjellige typer strykturer som diamant, grafitt, fotballmolekyler og rør, se<br />
figur 1‐1 og figur 1‐2. Hvis disse strukturene er tilstrekkelig små får de nye egenskaper og<br />
kalles da for nano‐partikler. Mange av disse strukturene har en evne til å lagre hydrogen i<br />
seg. Noen eksempler på disse er multi‐vegg nanorør, enkelt‐vegg nanorør og nano‐bjeller.<br />
Særlig virker enkelt‐vegg nanorør lovende. I disse rørene kan hydrogen sette seg på<br />
overflaten av karbonatomene og den teoretiske lagringen er på 4‐14 wt %.<br />
Figur 6‐1: Vertikalt ordnede karbon nanorør<br />
(Bilde hentet fra<br />
http://buzz.smm.org/buzz/image/nanotubes1)<br />
Figur 6‐2: Forskjellige karbonformer; øverst til venstre<br />
fullerene, i midten og nederst til høyre nanorør (Bilde<br />
hentet fra<br />
http://biotech.indymedia.org/or/2006/05/5095.shtml)<br />
Tabell 6‐1: Tabellen viser forskjellige data for hydrogenlagrning i karbon‐nanorør (Tabell hentet fra Technische<br />
Universiteit Endhoven).<br />
14
Problemet til nanorørene er at de har dårlig kinetikk ved romtemperatur pr. i dag. I figur 1‐3<br />
er det listet opp forskjellige typer karbon‐nanopartikler med deres hydrogenopptak i<br />
vektprosent Forskjellige metoder brukes til å få hydrogen inn i materialet, blant annet<br />
dynking i konsentrert HCl og fordampe klorgassen i vakuum etterpå. En annen metode er å<br />
sette hydrogengass og nanorørene under høyt trykk. For å få reaksjonen til å gå effektivt<br />
ved vanlig atmosfæretrykk må man opp i ca. 50‐450 °C. Dette betyr at for å fylle opp tanken<br />
på personbilen trengs det en oppvarming til disse temperaturene og det er svært<br />
energikrevende.<br />
Ved å koble mange nanorør vertikalt med sidene mot hverandre får man en array av rør som<br />
former en flate, som figur 6‐1 og 6‐2 viser. Denne flaten kan adsorbere hydrogen meget bra.<br />
Det er rapportert om hydrogenopptak på opptil 8 wt % hydrogen, se figur 6‐3, og målt en<br />
formasjonsentalpi på bare 19,6 kJ/mol H noe som er meget bra. I forhold til legeringer er<br />
dette litt over halvparten av energien til det som er vanlig.<br />
Figur 6‐3: Hvordan hydrogen tas opp i karbon nanorør (Bildet er hentet fra DOE National Renewable Energy Laboratory).<br />
Nanorør kan tilsettes en legering<br />
som for eksempel Ti0.86Al0.1V0.04 i en<br />
konsentrasjon på 25 wt %. Denne<br />
legeringen kan absorbere omtrent 3<br />
wt %. Med denne legeringen i<br />
blandingen kan hydrogenopptaket<br />
være så høyt som 6,5 wt % som det<br />
kan sees i Figur 1‐5. Ved å dele opp<br />
rørene med laser kan man få rør<br />
med få defekter og endene forblir<br />
åpne i stedet for å lukke seg som<br />
nanorørene vanligvis gjør.<br />
Figur 6‐4: De røde prikkene viser<br />
lagringskapasiteten for nanorør‐blandinger<br />
tilsatt forskjellige mengder TiAlV‐katalysator.<br />
(Bildet er hentet fra DOE National Renewable Energy Laboratory)<br />
15
Modellering<br />
Det er foretatt modelleringer for å finne ut av hva mekanismen for absorpsjon av hydrogen<br />
er. En undersøkelse ledet av en Froudakis brukte en kvantemekanisk modell for å se på<br />
hydrogenadsorpsjon på et 200‐atom stort karbon‐nanorør. Røret ble delt inn i tre sylindriske<br />
deler, se Figur 1‐6. Den indre delen (QM) ble behandlet med en metode som heter DFT,<br />
tetthets‐funskjonal teori. De to andre delene (MM) ble behandlet med molekyl‐<br />
kvantemekanikk.<br />
Det ble undersøkt hva et hydrogenatom føler når det kommer<br />
nærme nanorøret. Det ble konkludert med at det er to forskjellige<br />
veier hydrogenatomet velger; enten direkte mot et karbonatom eller<br />
mot senteret av en C‐seksring. Uansett hvilken vei som velges vil H‐<br />
atomet til slutt føle et potensial fra C‐atomene, og binde seg til<br />
veggen til røret, men ikke gå på innsiden. To effekter påvirker H‐<br />
atomet når det nærmer seg; dess mer hydrogen som er bundet til C‐<br />
seksringen, jo større blir den og det blir lettere for H‐atomet å<br />
komme inn i røret, på den annen side vil H‐atomene som allerede er<br />
bundet til ringen skjerme for tiltrekningen mot karbon for det<br />
ankommende H‐atomet.<br />
Som et resultat av dette er det mest energigunstige tidspunktet for<br />
hydrogen å binde seg til røret når rørveggen er halvfylt med<br />
hydrogen. Det ble i tillegg konkludert med at adsorpsjonen skjedde i<br />
et sikksakk mønster rundt rørveggen og ikke i linjer langs aksen til<br />
røret. Dette førte til at formen på røret ble endret og dets volum<br />
økte med 15 %.<br />
Figur 6‐5: 200‐atoms SWNT (Bilde hentet fra http://students.chem.tue.nl/ifp03/energy.html)<br />
Figur 6‐6: En skog av nanorør (Bilde hentet fra http://www.abc.net.au/science/news/stories/s1244935.htm)<br />
16
7. Zeolitter<br />
Det er mulig å lagre hydrogen i mikroporøse mineraler, zeolitter. Zeolitter er hydratiserte<br />
aluminiumsilikater med en åpen struktur og inneholder kationer fra gruppe I og II. Kationene<br />
er ikke særlig sterkt bundet og kan lett byttes ut. Navnet kommer fra gresk, ”zeo” som betyr<br />
å koke og ”lithos” som betyr stein, steinen som koker. Når en zeolitt varmes opp fordamper<br />
vannet i den. Et eksempel på en zeolitt er natrolitt med strukturformel Na2Al2Si3O10 ∙ 2H2O.<br />
Det finnes 48 naturlig forekommende zeolitter og man har klart å syntetisere mer enn 150.<br />
Zeolitter innholder ”tunneler” og ”bur” i strukturen som kan fange inn hydrogengass eller<br />
hydrogen. Hydrogenet kan i teorien bli sugd opp i zeolitten som vann i en svamp.<br />
Man kan tilsette negativt ladede ioner slik at disse fungerer som ”korker” på åpningene til<br />
burene og tunnelene. Ved å varme opp zeolitten litt flytter de negative ionene seg vekk fra<br />
åpningen og hydrogen kan komme inn i strukturen. Ved å senke temperaturen igjen glir de<br />
negative ionene på plass igjen og forsegler strukturen slik at hydrogenet ikke unnslipper.<br />
Teoretisk kan de beste zeolittene inneholde 3‐4,5 wt % hydrogen, de beste resultatene tyder<br />
på 2‐3 wt % hydrogen. Dette er selvfølgelig ikke bra nok, men ikke uinteressant å undersøke<br />
videre da det kan tenkes at man finner metoder som gjør zeolittene enda mer mottakelige<br />
for hydrogen. NASA har for eksempel gjort forsøk med å gro zeolitter i verdensrommet, dvs. i<br />
et så godt som gravitasjonsfritt miljø. Da har det vist seg at zeolittene som dannes har en<br />
mer ordnet struktur og kan bli større, noe som igjen kan føre til at de kan holde på mer<br />
hydrogen.<br />
Figur 7‐1: Det øverste bildet er av zeolitter laget på jorden, det nederste av zeolitter grodd i verdensrommet,<br />
dvs. så godt som uten gravitasjon.<br />
17
8. Metall‐organiske porøse <strong>materialer</strong><br />
Hydrogengass kan lagres inne i Metall‐organiske rammeverk, eller MOFer (Metal Organic<br />
Framework). Disse består av metalloksid‐klaser som er bundet til andre klaser med<br />
aromatiske ringmolekyler i mellom. Det som er enestående med disse strukturene er at de<br />
har ekstremt mange porer og er derfor meget porøse. Porene bidrar til at de kan ha et<br />
enormt overflateareal på over 3000 m 2 pr. gram.<br />
Figur 8‐1: Nøytron‐scattering bilde av MOF5: Zn 4O(BDC) 3 (benzendikarboksylat). De røde og grønne ringene er hydrogen<br />
som har koblet seg til metalloksid‐klaser (Bilde hentet fra<br />
http://www.greencarcongress.com/2005/12/metalorganic_fr.html)<br />
Hydrogengass blir tiltrukket av de aromatiske ringene og kan adsorberes på den store<br />
overflaten. Siden det er en adsorbsjonsprosess kreves det ikke høyt trykk for å lagre gassen,<br />
og fylling av slike <strong>materialer</strong> kan dermed skje ved romtemperatur med moderate trykk på<br />
under 100 bar. Ved svært lave temperaturer som ‐192 °C kan MOFer adsorbere opptil 10 wt<br />
% H. Forskere har greid å syntetisere MOFer som kan holde på så mye som 2 wt % ved<br />
romtemperatur, men potensialet er mye høyere. Forskere er overbevist om at målet til DOE<br />
(US. Departement of energy) på 6 wt % er innen rekkevidde innen noen år.<br />
Figur 8‐2: En grafisk fremstilling av et metall‐organisk<br />
rammeverk. Hydrogen er de blå kulene (Bilde hentet fra<br />
http://www.trnmag.com/Stories/2003/052103/‐<br />
Hydrogen_storage_eased_052103.html)<br />
18
Nye konsepter for hydrogenlagring<br />
Introduksjon<br />
Hvis det hadde vært en enkel måte å lagre hydrogen på hadde vi allerede gjort det på denne<br />
måten. Dessverre er det ikke det. Problemet har blitt undersøkt grundigere og grundigere de<br />
siste årene av meget oppegående forskere. Å komme på en helt nye måte er derfor ikke lett.<br />
Allikevel dukker det nå og da opp en idé som ingen har tenkt på før. Kanskje det er nettopp<br />
en slik enkeltstående idé som trengs for å få et gjennombrudd? Under følger noen forslag til<br />
lagring av hydrogen. Levedyktigheten til slike metoder er vanskelig å avgjøre. Særdeles høye<br />
trykk er for eksempel ikke gunstig (klatrater).<br />
9. Trykktank med absorberende/adsorberende innside<br />
Honda melder på sine nettsider at de har utviklet en mellomting mellom en<br />
metallhydridtank og en vanlig trykktank. Hydrogenet lagres ved 350 bars trykk, men inne i<br />
tanken er det et hydrogenabsorberende materiale. Flere detaljer, som for eksempel hvilket<br />
materiale som brukes, er selvfølgelig ikke mulig å oppdrive.<br />
Om tanken til Honda faktisk er absorberende eller adsorberende er egentlig også usikkert<br />
selv om de skriver at den er absorberende. Det er heller ikke oppgitt om tanken har for<br />
eksempel flere lag med hydrogenabsorberende <strong>materialer</strong> inni eller om det faktisk er selve<br />
tankveggen som er absorberende.<br />
Det siste er kanskje en mulighet. Å la veggene i tanken være absorberende eller<br />
adsorberende vil unektelige øke mengden hydrogen man kan få inn i tanken. Hvor mye mer<br />
hydrogen man det vil være snakk om er dog usikkert.<br />
10. Klatrater<br />
Hydrogen kan fanges inne i vann‐klatrater ved ekstremt høye trykk som 20 000‐30 000 bar.<br />
Vann‐klatrater er lukkede strukturer som består kun av vann. De er kun stabile så lenge det<br />
er et eller flere atomer inni, ellers går de i oppløsning. Hydrogen blir pakket veldig tett i<br />
burene som vannmolekylene danner slik figur 10‐1 viser. Dette fører til at<br />
lagringskapasiteten er ganske høy, helt opp i 5 wt % H er blitt rapportert. Etter at klatratene<br />
er dannet er de forholdsvis stabile og kan oppbevares ved romtemperatur. Trykket må<br />
dessverre være en god del høyere enn atmosfæretrykk for at forbindelsen skal være stabil.<br />
Vannklatrater har flere gode egenskaper som er interessante når det gjelder<br />
hydrogenlagring. Det er kun vann som er biprodukt når hydrogen forbrukes og dermed er<br />
dette en veldig miljøvennlig måte å lagre på. H2 er ikke bundet til hydrat‐strukturen så det er<br />
ingen vanskeligheter med å få ut gassen av materialet, bare å varme opp til ca 30‐ 50 °C så<br />
smelter det. Reaksjonene er fullstendig reverserbare og har god kinetikk. Det eneste som<br />
taler imot er det ekstreme trykket som trengs for å danne klatratene.<br />
19
Til venstre: Figur 10‐1: Hydrogen (grønne kuler) fanget inne i vann‐klatrater.<br />
(Bilde hentet fra:<br />
www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review06/bes_st11_sloan.pdf)<br />
Til høyre: Figur 10‐2: THF er tilsatt vann‐<br />
klatratene. De røde kulene er THF‐molekylet<br />
og de grøne er hydrogenatomer. (Bilde hentet<br />
fra: http://www.mines.edu/~sdec/Hydrogen‐<br />
Storage.html)<br />
Figur 10‐3 viser at hydrogen fanget i vannklatrater må ha et eksternt trykk på hele 3000 bar<br />
ved romtemperatur. Det har vist seg at tilsetting av THF (tetrahydrofuran) forbedrer<br />
stabiliteten betraktelig ved lavere trykk, slik at det er mulig å lagre ved et trykk på rundt 100<br />
bar ved romtemperatur. Ved 6 °C trenger ikke trykket å være høyere enn 50 bar. Ulempen<br />
med THF‐tilsetninger er at lagringskapasiteten går ned til bare 1 wt % H.<br />
Figur 10‐3: Trykk og temperatur diagram for hydrogen vann‐klatrater (Bilde hentet fra<br />
http://www.dct.tudelft.nl/pcmt/html/science_paper.html).<br />
11. Polyacetylen<br />
I august 2006 kunngjorde en forskergruppe fra Seoul National University i Sør‐Korea at de<br />
hadde funnet en polymer som kunne lagre så mye som 63 kg hydrogen pr. m 3 . De hadde ved<br />
datasimuleringer identifisert hvilken polymer som lagret best, og den beste kandidaten var<br />
polyacetylen ”dekorert” med titanatomer. Den store lagringskapasiteten er begrunnet med<br />
at utallige hydrogenmolekyler tiltrekkes metallatomene som er festet langs kjeden. Ved<br />
første ordens elektronstruktur kalkulasjoner fant de ut hvor mye energi<br />
hydrogenmolekylene trenger for å binde seg til metallatomene.<br />
20
Mange kombinasjoner av metallatomer, blant annet titan, skandium, og vanadium ble tilsatt<br />
forskjellige polymerer som polyacetylen, polypyrrol og polyanilin, men valget falt som sagt<br />
på polyacetylen.<br />
Figur 11‐1: Konfigurasjonen til cis‐polyacetylen. De grønne kulene<br />
er karbonskjelettet, de blå er titanatomer og de røde er<br />
hydrogenatomer. Som bildet viser vil cis‐polyacetylen ordne seg<br />
slik at hvert titanatom har fem hydrogenmolekyler festet til seg.<br />
(Bilde hentet fra:<br />
http://physicsweb.org/articles/news/10/8/15/1#hydrogen)<br />
Polyacetylen består av en karbonkjede med alternerende enkelt og dobbeltbindinger. For<br />
hvert karbonatom er det et hydrogenatom som kan byttes ut med et titanatom. Opp til fem<br />
hydrogenmolekyler kan sette seg på hvert titanatom, og det gir en lagringskapasitet på 7,6<br />
wt %. Dette er ved moderate temperaturer og trykk noe som gjør oppdagelsen enestående.<br />
Forskningsgruppen er allerede i gang med syntetisering av Ti‐polyacetylen og måling av<br />
lagringskapasiteten, så får tiden vise om dette blir den nye måten å lagre hydrogen.<br />
12. Polyhydrogen TM – Hvis verden bare var så enkel…<br />
Et lite undersøkt konsept, mye på grunn av naturens lover, er hydrogenlagring som<br />
Polyhydrogen. Dette er kjeder av hydrogenatomer som er bundet i hverandre i<br />
tredimensjonale nettverk. Det store problemet hittil har vært at et hydrogenatom kun<br />
binder seg til ett annet, og der stopper kjeden. Da fås et ekstremt flyktig molekyl som har<br />
veldig lav tetthet og som kalles hydrogengass i flertall.<br />
Grunnen til at hydrogengass bare opptrer i form av H2, er elektronorbitalenes<br />
(energitilstander) natur. De fylles opp med elektroner i en rekkefølge der orbitaler med<br />
lavest energi fylles først og så videre i stigende rekkefølge. (Dette gjelder først og fremst<br />
atomer frem til grunnstoffnummer 20, kalsium.) Første orbital kalles 1s og har kun mulighet<br />
til å inneholde to elektroner. Hydrogenatomets elektron befinner seg i denne orbitalen<br />
mesteparten av tiden.<br />
Når to hydrogenatomer slår sammen orbitalene sine lages binding på grunn av at orbitalene<br />
overlapper, og de to elektronene som finnes der kommer i lavere energitilstand og blir<br />
bindende. Det er fortsatt plass til to elektroner til i overlappsorbitalen, men disse blir<br />
antibindende energetisk sett. Et hydrogenmolekyl burde derfor bare inneholde to elektroner<br />
for at det skal ha lavest mulig energi. Det er blant annet derfor dihelium He2 ikke finnes.<br />
21
Figur 12‐1: Til venstre: To 1s‐orbitaler med samme fortegn overlapper og danner en bindende orbital. Prikkene i midten<br />
er hydrogenkjernene. (Bilde hentet fra: http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/H2/1s1s‐sigma/index.html)<br />
Til høyre: To 1s‐orbitaler med motsatt fortegn frastøter hverandre og lager ikke overlapp. (Bilde hentet fra:<br />
http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/MOs/H2/1s1s‐sigma‐star/index.html)<br />
Figur 12‐2: Skjematisk oversikt over to hydrogenatomer som danner binding (Bilde hentet fra:<br />
http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/c120/mo.html)<br />
For å lage en kjemisk binding trengs minst to elektroner, og den egenskapen overstyrer s‐<br />
orbitalenes evne til å lage flere bindinger enn én. De neste orbitalene elektroner kan<br />
oppholde seg i er 2s og 2p. I 2s er det også kun plass til to<br />
elektroner, men i 2p derimot, er det plass til seks elektroner<br />
og dermed er det mulig med flere bindinger enn en.<br />
Som et eksperiment kan det tenkes at hvis hydrogen hadde<br />
hatt mulighet til å ha elektronet i 2p‐orbitalen i en<br />
metastabil tilstand, ville det kunne danne flere overlapp<br />
med andre atomer og dermed danne flere bindinger. Det<br />
antas også at ett enkelt elektron vil kunne befinne seg over<br />
alt i alle p‐orbitalene til enhver tid.<br />
Figur 12‐3: p‐orbitaler (Bilde hentet<br />
fra:<br />
http://winter.group.shef.ac.uk/orbi<br />
tron/AOs/2p/index.html)<br />
For å få hydrogenets elektron til å befinne seg i 2p‐orbitalen,<br />
må energien dets økes betraktelig, siden 2p‐orbitalen er i en energitilstand langt høyere enn<br />
1s‐orbitalen. Ved å føre hydrogengass gjennom en elektrisk lysbue (gnist) kan atomene<br />
eksiteres og danne kjeder av hydrogen, som i stor mengde danner en gjennomsiktig<br />
tyntflytende masse, ”Polyhydrogen”. Tettheten til massen vil sannsynligvis være en del<br />
høyere enn for flytende hydrogen. Hvis det tas utgangspunkt i lengden til en H‐H binding<br />
som er 74 pm og antar at lengden i Polyhydrogen er litt lengre, ~150 pm i alle retninger, og<br />
hvert atom har en radius på ~50 pm vil det være mulig å pakke hydrogen ekstremt tett. Ved<br />
22
også å anta at hydrogen pakkes som primitiv kulepakking kan den teoretiske tettheten<br />
regnes ut:<br />
Volum av en kube:<br />
3 3<br />
7<br />
250 pm = 1,<br />
56 × 10 pm<br />
Antall kuber som får plass i 1 m 3 :<br />
36 3<br />
1×<br />
10 pm 28<br />
= 6,<br />
37 × 10 kuber<br />
7 3<br />
1,<br />
56×<br />
10 pm / kube<br />
3<br />
Det går et hydrogenatom pr. kube, deler på Avogadros tall for å finne antall mol:<br />
28<br />
3<br />
6,<br />
37 × 10 atomer / m<br />
5<br />
3<br />
= 1,<br />
058×<br />
10 mol / m<br />
23<br />
6,<br />
022×<br />
10 atomer / mol<br />
Siden hydrogen veier 1.01 g/mol vil tettheten være:<br />
5<br />
3<br />
−3<br />
3<br />
1, 058×<br />
10 mol / m ⋅1,<br />
01×<br />
10 kg / mol ≈ 106,<br />
8kg<br />
/ m<br />
Figur 12‐4: Tenkt primitiv kulepakking av hydrogen<br />
Som utregningene viser vil tettheten være halvannen gang tettheten til flytende hydrogen<br />
(~70,8 kg/m 3 ). Dette var ikke en veldig stor forbedring i potensial, men det må huskes på at<br />
Polyhydrogen kan lagres ved normalt trykk og temperatur. 50 liter Polyhydrogen lagret i en<br />
komposittank som veier ca. 10 kg vil ha en teoretisk lagringstetthet på hele 53 wt % H.<br />
Tenkeeksperimentet over var selvsagt et helt umulig konsept å gjennomføre, men det hadde<br />
løst alle problemene vi har i dag med selve hydrogenlagringen. Vanskeligheter som<br />
produksjon og langvarig oppbevaring av dette metastabile materialet, kan nok sannsynligvis<br />
aldri løses, og bevilgning til videre forskning er ganske sikkert utelukket.<br />
23
Konklusjon<br />
Med dagens teknologi er det NaBH4 som ligger best an hvis man ser bort fra pris. Det er<br />
enkelt å oppbevare og transportere, men produksjon og resirkulering er komplisert og<br />
energikrevende. Det skal godt gjøres å forbedre produksjonsprosessen så om det vil bli en<br />
realitet i fremtiden er usikkert.<br />
Ser vi bort fra kinetikk er magnesium en god kandidat. Her er det absolutt et<br />
forbedringspotensial, men spørsmålet er om dette vil gå ut over vektprosenten og hvor mye<br />
hydrogen som faktisk blir tatt opp.<br />
Et materiale for fremtiden kan kanskje være MOF‐er. Ved svært lave temperaturer kan MOF‐<br />
ene holde på opp mot 10 wt % H. Klarer man dette ved romtemperatur har man løsningen.<br />
Tabell 13‐1: Oversikt over forskjellige lagrings<strong>materialer</strong> for hydrogen<br />
Materiale Lagringskapasitet Kinetikk Temp Trykk Pris<br />
MgH2 7,6 wt % Dårlig 350 °C 5 bar Billig<br />
NaAlH4 4,5 wt % Passe 125 °C 80‐90 bar Billig<br />
NaBH4 6,7 wt % Bra 25 °C 20 bar Dyrt<br />
LaNi5H6,7<br />
Karbon‐<br />
1,8 wt % Passe 20 °C 1,8 bar Passe<br />
nanorør 6‐7 wt % Dårlig 25 °C 0,7 bar Veldig dyrt<br />
Zeolitter 3 wt % Passe 300 °C 25‐100 bar Passe<br />
MOF‐er 2 wt % Passe 25 °C 80‐100 bar Passe<br />
Klatrater 5 wt % Bra 6 °C 30 000 bar Veldig dyrt<br />
Polyacetylen 7,6 wt % Passe 25 °C ~100 bar Billig<br />
Hva de aller nyeste konseptene for hydrogenlagring angår så er selvfølgelig ”Polyhydrogen”<br />
ren ønsketenkning, polyacetylen ser meget lovende ut, men det er fortsatt kun gjort<br />
teoretiske beregninger. Hvis polyacetylen viser seg å være like bra som antatt er det ikke tvil<br />
om at dette er fremtiden, men som sagt gjenstår praktisk utprøvning.<br />
Trykktanker med absorberende/adsorberende innside finnes det lite informasjon om, men<br />
det er tvilsomt om dette konseptet vil øke vektprosenten drastisk. Vannklatrater er<br />
interessante, men med det skyhøye trykket som kreves for fremstilling er det helt<br />
usannsynlig at dette kan bli realisert kommersielt.<br />
24
Kilder<br />
”Materials for Hydrogen Technology ‐ Metal Hydrides” av Bjørn C. Hauback ved UiO<br />
US. Depatrment of Energy: http://www.eere.energy.gov/<br />
Vann‐klatrater: http://chronicle.uchicago.edu/040122/hydrogen.shtml<br />
Tilsette karbon‐nanorør til alanater:<br />
http://nanotechweb.org/articles/news/4/2/9/1<br />
Natriumborhydrid: http://gcep.stanford.edu/pdfs/hydrogen_workshop/Wu.pdf<br />
Zeolitter: http://www.uni‐stuttgart.de/sfb270/B7_E.htm<br />
http://science.nasa.gov/headlines/y2003/17apr_zeolite.htm<br />
Karbon nanorør: http://students.chem.tue.nl/ifp03/energy.html<br />
http://www.nrel.gov/<br />
Metall‐organiske <strong>materialer</strong>:<br />
http://www.greencarcongress.com/2005/12/metalorganic_fr.html<br />
http://www.trnmag.com/Stories/2003/052103/Hydrogen_storage_eased_052103.html<br />
Polymer med Ti: http://physicsweb.org/articles/news/10/8/15/1<br />
Oversikt over lagringsevne:<br />
http://www.gkss.de/Themen/W/WTP/wasserstoff/eSpeicher.html<br />
Kombinasjonstank: http://world.honda.com/news/2006/4060108FCX/<br />
25