13/04/2007
I en verden, der i stigende grad søger væk fra fossile brændstoffer, er der et voksende fokus på brint som en ren og bæredygtig energikilde. Forskere undersøger aktivt, hvordan brint kan spille en større rolle i forskellige sektorer, fra transport og industri til bygninger og energiproduktion. Brint har potentiale til at drive brændselscellekøretøjer, opvarme boliger med brændselskedler, generere elektricitet i gasturbiner og fungere som et lager for vedvarende energi. Men selvom brugen af brint er ren og ikke producerer CO2-emissioner, er selve produktionen af brint ofte det modsatte. I dag fremstilles næsten al brint ved hjælp af processer, der er baseret på fossile brændstoffer, og som tilsammen genererer mere end 2% af de globale drivhusgasemissioner. Derudover produceres brint ofte et sted og forbruges et andet, hvilket skaber logistiske udfordringer.
En lovende alternativ metode til at producere brint kommer fra en måske overraskende kilde: reaktionen mellem aluminium og vand. Aluminiummetal reagerer nemlig villigt med vand ved stuetemperatur og danner aluminiumhydroxid og brint. Denne reaktion sker dog normalt ikke, fordi et lag af aluminiumoxid naturligt dækker det rene metal og forhindrer det i at komme i direkte kontakt med vand.
Brug af aluminium-vand reaktionen til at generere brint producerer ingen drivhusgasemissioner og lover at løse transportproblemet for ethvert sted med adgang til vand. Man kan simpelthen transportere aluminiummet og reagere det med vand på stedet. "Grundlæggende bliver aluminium en mekanisme til at lagre brint – og en meget effektiv en af slagsen," siger Douglas P. Hart, professor i maskiningeniørvidenskab ved MIT. "Ved at bruge aluminium som vores kilde kan vi 'lagre' brint med en densitet, der er 10 gange større end hvis vi bare lagrede det som en komprimeret gas."
Udfordringer og løsninger
To store problemer har hidtil forhindret aluminium i at blive en sikker og økonomisk rentabel kilde til brintproduktion. Det første problem er at sikre, at aluminiumoverfladen er ren og tilgængelig for reaktion med vand. Et praktisk system skal inkludere en metode til først at modificere oxidlaget og derefter forhindre det i at gendannes, mens reaktionen forløber.
Det andet problem er, at rent aluminium er energikrævende at udvinde og producere, så enhver praktisk tilgang skal bruge skrotaluminium fra forskellige kilder. Men skrotaluminium er ikke et let udgangsmateriale. Det forekommer typisk i legeret form, hvilket betyder, at det indeholder andre elementer, der er tilsat for at ændre aluminiumets egenskaber til forskellige anvendelser. For eksempel øger tilsætning af magnesium styrken og korrosionsbestandigheden, tilsætning af silicium sænker smeltepunktet, og tilsætning af lidt af begge skaber en legering, der er moderat stærk og korrosionsbestandig.
Trods omfattende forskning i aluminium som brintkilde er der stadig to centrale spørgsmål: Hvad er den bedste måde at forhindre dannelsen af et oxidlag på aluminiumoverfladen, og hvordan påvirker legeringselementer i et stykke skrotaluminium den samlede mængde brint, der genereres, og den hastighed, hvormed den genereres? "Hvis vi skal bruge skrotaluminium til brintproduktion i en praktisk anvendelse, skal vi være i stand til bedre at forudsige, hvilke brintgenereringsegenskaber vi vil observere fra aluminium-vand reaktionen," siger Laureen Meroueh PhD ’20, der har en doktorgrad i maskiningeniørvidenskab.
Forbehandling af aluminium
For at maksimere brintproduktionen er det nødvendigt at forhindre dannelsen af oxidlaget på alle de indre korngrænser i aluminium. Forskere har undersøgt forskellige metoder til at holde aluminiumkornene "aktiverede" til reaktion med vand. Nogle har knust skrotprøver til partikler, der er så små, at oxidlaget ikke kan hæfte sig. Men aluminiumpulvere er farlige, da de kan reagere med fugtighed og eksplodere. En anden tilgang er at male skrotprøver og tilsætte flydende metaller for at forhindre oxiddeponering. Men formaling er en kostbar og energikrævende proces.
En lovende tilgang, først introduceret af Jonathan Slocum ScD ’18, involverer forbehandling af det faste aluminium ved at påføre flydende metaller ovenpå og lade dem trænge ind gennem korngrænserne. For at undersøge effektiviteten af denne tilgang brugte forskerne en gallium-indium eutektisk blanding – en blanding af gallium og indium, der forbliver flydende ved stuetemperatur. De belagde aluminiumprøver med denne blanding og lod den trænge ind i perioder fra 48 til 96 timer. Derefter udsatte de prøverne for vand og overvågede brintudbyttet og flowhastigheden i 250 minutter. Efter 48 timer tog de også højmagnifikationsbilleder med scanningselektronmikroskop (SEM) for at observere grænserne mellem de tilstødende aluminiumkorn.
Baseret på målingerne af brintudbyttet og SEM-billederne konkluderede forskerholdet, at gallium-indium eutektikumet naturligt trænger ind og når de indre korngrænser. Permeationshastigheden var den samme i siliciumdoterede aluminiumprøver som i rene aluminiumprøver, men langsommere i magnesiumdoterede prøver. Resultaterne fra prøver, der var doteret med både silicium og magnesium - en aluminiumlegering, der ofte findes i genbrugsstrømme - var særligt interessante. Silicium og magnesium binder sig kemisk til at danne magnesiumsilicid, som forekommer som faste aflejringer på de indre korngrænser. Eksperimenterne og billederne bekræftede, at de faste aflejringer fungerede som barrierer, og billeder af prøver, der var forbehandlet i 48 timer, viste, at permeationen ikke var fuldstændig. En længere forbehandlingsperiode er afgørende for at maksimere brintudbyttet fra aluminiumskrot, der indeholder både silicium og magnesium.
Legeringselementernes indvirkning på brintproduktion
Forskerne undersøgte derefter, hvordan tilstedeværelsen af legeringselementer påvirker brintproduktionen. De testede prøver, der var blevet behandlet med eutektikum i 96 timer. Tilstedeværelsen af 0,6% silicium øgede brintudbyttet for en given vægt aluminium med 20% sammenlignet med rent aluminium. I modsætning hertil producerede tilstedeværelsen af 1% magnesium langt mindre brint, mens tilsætning af både silicium og magnesium øgede udbyttet, men ikke til niveauet for rent aluminium. Tilstedeværelsen af silicium accelererede også reaktionshastigheden betydeligt og producerede en langt højere peak i flowhastigheden, men forkortede varigheden af brintproduktionen. Tilstedeværelsen af magnesium producerede en lavere flowhastighed, men tillod brintproduktionen at forblive relativt konstant over tid. Aluminium med begge legeringselementer producerede en flowhastighed, der lå mellem magnesiumdopet og rent aluminium.
Disse resultater giver praktisk vejledning i, hvordan man justerer brintproduktionen, så den passer til driftsbehovene i en brintforbrugende enhed. Hvis udgangsmaterialet er kommercielt rent aluminium, kan tilsætning af små mængder af omhyggeligt udvalgte legeringselementer skræddersy brintudbyttet og flowhastigheden. Hvis udgangsmaterialet er skrotaluminium, kan omhyggeligt valg af kilde være afgørende. Til høje, korte brintudbrud kan stykker af siliciumholdigt aluminium fra en autoophugger fungere godt. Til lavere, men længerevarende flows kan magnesiumholdigt skrot fra rammen af en nedrevet bygning være bedre. Til resultater et sted midt imellem bør aluminium, der indeholder både silicium og magnesium, fungere godt; sådant materiale er rigeligt tilgængeligt fra skrottede biler og motorcykler, lystbåde, cykelstel og endda smartphone-etuier.
Justering af kornstørrelse
En anden praktisk måde at påvirke brintproduktionen på kan være at reducere størrelsen af aluminiumkornene - en ændring, der bør øge det samlede overfladeareal, der er tilgængeligt for reaktioner. Forskerne fandt, at reducering af kornstørrelsen øgede effektiviteten og mindskede reaktionens varighed i varierende grad i de forskellige prøver. Igen havde tilstedeværelsen af bestemte legeringselementer en stor effekt på resultatet. For eksempel øgede reducering af kornstørrelsen den maksimale brintflux fra siliciumdoteret aluminium så meget som 100 gange.
Behov for en revideret teori
Gennem deres eksperimenter stødte forskerne på nogle uventede resultater. For eksempel forudsiger standard korrosionsteori, at rent aluminium vil generere mere brint end siliciumdoteret aluminium – det modsatte af, hvad de observerede i deres eksperimenter. For at kaste lys over de underliggende kemiske reaktioner undersøgte forskerne brintflux, dvs. mængden af brint, der genereres over tid på hver kvadratcentimeter aluminiumoverflade, inklusive de indre korn. Deres resultater viser, at reducering af kornstørrelsen har betydelige effekter.
Hart, Meroueh og Eagar har demonstreret to praktiske måder at justere brintreaktionshastigheden på: ved at tilsætte visse elementer til aluminiumet og ved at manipulere størrelsen af de indre aluminiumkorn. Kombineret kan disse tilgange give betydelige resultater. "Hvis du går fra magnesiumholdigt aluminium med den største kornstørrelse til siliciumholdigt aluminium med den mindste kornstørrelse, får du en brintreaktionshastighed, der adskiller sig med to størrelsesordener," siger Meroueh. "Det er enormt, hvis du forsøger at designe et reelt system, der vil bruge denne reaktion."
Ofte stillede spørgsmål (FAQ)
Er aluminium-vand reaktionen sikker?
Reaktionen i sig selv er sikker, men håndtering af brint kræver visse sikkerhedsforanstaltninger, da brint er brandfarligt. Desuden skal man være opmærksom på håndtering af skrotaluminium og de involverede kemikalier, såsom gallium-indium eutektikum.
Hvor effektiv er brintproduktion fra aluminium og vand?
Effektiviteten afhænger af flere faktorer, herunder typen af aluminiumlegering, kornstørrelsen og effektiviteten af forbehandlingen. Forskning viser, at processen har potentiale til at være meget effektiv, især med skrotaluminium, hvilket gør det til en bæredygtig løsning.
Kan denne teknologi skaleres op til industriel produktion?
Der er stadig behov for yderligere forskning og udvikling for at skalere teknologien op til industriel produktion. Men det er et lovende område, og forskningen skrider hurtigt fremad. Adgangen til skrotaluminium og vand, samt den relative enkelhed i processen, gør det til en attraktiv mulighed for fremtidig brintproduktion.
Er gallium og indium dyre?
Ja, især indium er et relativt sjældent og dyrt metal. En af fordelene ved den anvendte metode er dog, at gallium-indium eutektikumet ikke forbruges i reaktionen og kan genvindes og genbruges, hvilket reducerer omkostningerne og miljøpåvirkningen.
Hvad er fordelene ved at bruge aluminium til brintlagring i forhold til traditionelle metoder?
Aluminium giver mulighed for at lagre brint med en meget højere densitet end komprimeret gas. Dette gør transport og lagring af brint mere effektivt og potentielt billigere. Desuden er aluminium let tilgængeligt, især som skrotmateriale, og reaktionen med vand er ren og producerer ikke drivhusgasemissioner.
Konklusion
Forskningen i brintproduktion fra aluminium og vand er lovende og viser potentialet for at udnytte skrotaluminium som en bæredygtig brintkilde. Ved at forstå og kontrollere faktorer som legeringselementer og kornstørrelse kan brintproduktionen optimeres til forskellige anvendelser. Selvom der stadig er udfordringer at overvinde, især i forhold til opskalering og omkostninger, repræsenterer denne teknologi et vigtigt skridt i retning af en renere og mere bæredygtig energifremtid, hvor aluminium kan spille en central rolle i brintøkonomien.