No description available.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Based on plane wave DFT calculation, we carried out micro level investigation of hydrogen storage in nanoporous silicon (npSi). One quarter of a hexagonal pore with Palladium catalyst placed at the surface has been studied for hydrogen dissociation, spillover, bond hopping, and diffusion for both single catalyst atom and small catalyst cluster consisting of multiple catalyst atoms. All the DFT computations were done in one of the biggest research supercomputer facilities of the world, Big Red II. We opted ABINIT, an open source DFT tool for our computations. Our calculation revealed low dissociation, spillover, and bond hoping energy barrier. The energy required to be provided from external sources to fully recharge the storage medium from a gaseous source at a completely empty state has also been evaluated. Hydrogen diffusion along the inner surface of the pore as a means of bond hopping and the possibility of quantum tunneling, a low temperature phenomena used to spontaneously go over an otherwise less likely high energy barrier have been studied as well. Using these micro level parameter values evaluated from the DFT study, the performance of any potential hydrogen storage material can be compared to a set of characteristics sought in an efficient storage media. Thus, the micro scale feasibility of this novel npSi material based hydrogen storage technology was studied as a part of a STTR Phase I project.

No description available.

The European Energy system is currently transitioning towards a reduced use of fossil fuels and increasing use of renewable energy. Hydrogen as energy carrier for renewable electricity has a potential to play a significant role in this transition. It can be stored and transported in its gaseous or liquid state, and utilized in industries that require highprocess heat, which makes them difficult to decarbonize. Further, hydrogen storage canbe employed to store over‐produced renewable electricity in large scale and for long periods of time. This research aims to develop a methodology to conduct a layout and dispatch optimization for utilizing locally produced hydrogen. The objective is to find the least cost supply pathway for a defined demand. In this case study, hydrogen is produced by water electrolysis supplied by the local electricity grid and renewable electricity, such as solar PV, onshore and offshore wind turbines. The scope is limited to gaseous hydrogen thereby the distribution is also limited to pipelines or road trucks. The optimized supplychain comprises four main stages: I) electricity generation and storage; II) hydrogen production; III) hydrogen compression and storage; IV) hydrogen transportation to the end consumer. It results in the system's optimum hourly dispatch schedule and a proposed least‐cost layout. The developed methodology is finally applied to an industrial case study in Sweden, for which scenarios with varying boundary conditions are tested. The least cost supply chain for the case study resulted in a system solely supplied with electricity purchased from the grid, a PEM electrolyzer, a hydrogen storage in a Lined Rock Cavern, and hydrogen transport via pipeline. The lowest Levelized Cost of Hydrogen from electricity purchase until delivery is 5.17 EUR/kgH2. The study concludes that there is no one optimum solution for all and the constraints of the optimization problem need to be evaluated case by case.The study further highlights that intermittency and peaks of both electricity availability and hydrogen demand can lead to an increase in system cost owing to the oversizing and storage needs. / Det europeiska energisystemet är för närvarande i en övergångsprocess mot en minskande användning av fossila bränslen och en ökande användning av förnybar energi. Vätgas som energibärare för förnybar el har potential att spela en viktig roll i denna övergång. Vätgas kan lagras och transporteras i gasform eller flytande form, och användas i industrier som kräver hög processvärme vars koldioxidutsläpp därför är svåra att minska. Vidare kan vätgaslagring användas för att lagra överproducerad förnybar el istor skala och under långa perioder. Denna forskning syftar till att utveckla en metod för layout och distributions optimering för utnyttjandet av lokalt producerad vätgas. Målet är att hitta den minst kostsamma försörjningsvägen för en definierad efterfrågan. I den här fallstudien produceras vätgas genom vattenelektrolys som försörjs av det lokala elnätet och förnybar el, t.ex. solceller, vindkraftverk på land och till havs. Omfattningen är begränsad till gasformig vätgas och därmed är distributionen också begränsad till rörledningar eller lastbilar. Den optimerade försörjningskedjan består av fyra huvudsteg: I) elproduktion och lagring, II) vätgasproduktion, III) komprimering och lagring av vätgas, IV) transport av vätgas till slutkonsumenten. Metodens output är systemets optimala timplan och ett förslag till layout med den lägsta kostnaden.  Den utvecklade metoden tillämpas slutligen i en industriell fallstudie i Sverige, för vilken scenarier med varierande randvillkor testas. Den minst kostsamma försörjningskedjan för fallstudien resulterade i ett system som enbart försörjs med el som köps från nätet, en PEM‐elektrolyser, ett magasin för vätgaslagring i ett fodrat bergrum och vätgastransport via en rörledning. Den lägsta Levelized Cost för vätgas från el inköp till leverans är 5,17EUR/ kgH2. I studien dras slutsatsen att det inte finns någon optimal lösning i allmänhet och att begränsningarna i optimeringsproblemet måste utvärderas från fall till fall. Studien belyser vidare att ostadighet och toppar i både eltillgången och efterfrågan på vätgas kan leda till en ökning av systemkostnaderna på grund av överdimensionering och lagringsbehov.

There is a well-established market for hydrogen, mainly for refining purposes, producing chemicals, and producing fertilizers. Today, almost all hydrogen is sourced from fossil fuels, with less than 1% of hydrogen sourced from renewable sources. Alternative solutions for fossil-free hydrogen are necessary to ensure that the demand for hydrogen can be met in a sustainable fashion. The objective of this study is to analyse the feasibility and cost-effectiveness of combining hydrogen production through electrolysis with electricity production from an array of wave energy converters to supply the hydrogen market with fossil-free hydrogen. A techno-economic analysis is performed for 16 cases of offshore hydrogen production and storage in eastern Japan, using three storage mediums; Compressed hydrogen, liquid hydrogen and ammonia. Technical and economical specifications of all components required for the production systems are modelled for each case to find the most beneficial system through the Levelized Cost Of Hydrogen (LCOH), which is compared to other available renewable and fossil hydrogen sources today. The production systems evaluated in this study reach an LCOH of $5.5-7.1 /kgH2 depending on the hydrogen storage medium, where compressed hydrogen is the cheapest. This can be considered competitive with other renewable hydrogen sources, but not with fossil counterparts. / Det finns en väletablerad marknad för vätgas, främst för raffinering och framställning av kemikalier samt gödningsmedel. Idag produceras nästan all vätgas av fossila bränslen, med mindre än 1% från förnybara källor. Alternativa lösningar för förnybar vätgas är nödvändiga för att möta efterfrågan på ett hållbart sätt. Syftet med denna studie är att analysera om det är ekonomiskt försvarbart att producera vätgas offshore genom elektrolys av el från vågkraftverk för att förse vätgasmarknaden med fossilfri vätgas. Detta utförs genom en tekno-ekonomisk analys av 16 fall av havsbaserad vätgasproduktion och lagring i östra Japan. Fallen behandlar tre lagringsmedium; komprimerad vätgas, flytande vätgas och ammoniak. Tekniska och ekonomiska specifikationer för alla komponenter som krävs för produktionssystemet modelleras för varje fall. Det mest fördelaktiga systemet beräknas genom Levelized Cost of Hydrogen (LCOH), som jämförs med andra tillgängliga förnybara och fossila produktionssystem för att avgöra systemets konkurrenskraft på marknaden. Produktionssystemen som utvärderas i denna studie har en LCOH från $5.5-7.1 /kgH2 beroende på lagringsmedium, där komprimerad vätgas är det billigaste. Detta resultat kan betraktas som konkurrenskraftigt med andra förnybara vätgaskällor, men inte med fossila motsvarigheter.

Sweden has goals to reach net-zero emissions by 2045. Although electricity sector is almost fossil free, industry & transport still rely on fossil fuels. Ambitious initiatives such as HYBRIT, growth of EV market & expansion of wind power aim to expedite emission reduction. Decarbonization of transport, industry and large-scale wind & solar PV integration in the future necessitates studying energy system of Sweden at national scale in the context of sector coupling, external transmission & storage technologies. Therefore, this study aims to evaluate the impact of thermal energy storage, hydrogen storage and batteries via Power-to-heat & Power-to-hydrogen strategies in the future Swedish energy system (2045) with high proportions of wind power. Two scenarios SWE_2045 & NFF_2045 were formulated to represent two distinct energy systems of the future. The SWE_2045 energy system still relies on fossil fuels, but to a lower extent compared to 2019 level and has increased levels of electrification and biofuels in the transport and industrial sectors. In comparison, the fossil fuels are completely removed in NFF_2045 and the industrial sector has significant demand for electrolytic hydrogen. Both the scenarios were simulated using EnergyPLAN, a deterministic energy system model, under each storage technology. The results indicate that HPs coupled with TES has the potential to increase wind integration from 29.12% to 31.8% in SWE_2045 and 26.78% to 29.17% in NFF_2045. HP & TES also reduces heat production from boilers by 67% to 72% depending on the scenario, leading to overall reduction in total fuel and annual costs by at least 2.5% and 0.5% respectively. However, for wind integration of 31.1% in SWE_2045 the annual cost increases by 5.1% with hydrogen storage compared to TES. However, hydrogen storage shows better performance in NFF_2045, wherein the wind integration increases from 26.78% to 29.3%. Furthermore, increasing hydrogen storage for a lower wind capacity (60 GW) in NFF_2045 reduces both electricity import and export while simultaneously increasing the contribution of storage in fulfilling the hydrogen demand from 1.62% to 6.2%. Compared to TES and HS, the contribution of battery storage is minimal in sector integration. For increase in wind integration of 28% to 29%, the annual cost of a system with battery storage is 1.3% to 2% higher than that of the system with TES and hydrogen storage respectively. Therefore, HPs coupled with TES can improve flexibility in both scenarios. Hydrogen storage is not a promising option if the end goal is only to store excess electricity, as shown by the results in SWE_2045. However, it demonstrates better utilization in terms of wind integration, reduction in electricity import and export when there is a considerable demand for hydrogen, as in the case of NFF_2045. / Sverige ligger i framkant när det gäller avkarbonisering och har mål att nå nettonollutsläpp till 2045. Även om elsektorn är nästan fossilfri, är industri och transport fortfarande beroende av fossila bränslen. Ambitiösa initiativ som Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT), tillväxt av elbilsmarknaden och expansion av vindkraft syftar till att påskynda utsläppsminskningar. Dekarbonisering av transport, industri och storskalig vind- och solcellsintegrering i framtiden kräver att man studerar Sveriges energisystem i nationell skala i samband med sektorskoppling, extern transmissions- och lagringsteknik.  Därför syftar denna studie till att bestämma effekten av termisk energilagring, vätelagring och batterier via Power-to-heat & Power-to-hydrogen-strategier i det framtida svenska energisystemet (2045) med höga andelar vindkraft. Två scenarier SWE_2045 & NFF_2045 formulerades för att representera två distinkta framtidens energisystem. Energisystemet SWE_2045 är fortfarande beroende av fossila bränslen, men i lägre utsträckning jämfört med 2019 års nivå och har ökat nivåerna av elektrifiering och biobränslen inom transport- och industrisektorn. Som jämförelse är de fossila bränslena helt borttagna i NFF_2045-scenariot där transportsektorn endast är beroende av el och biobränslen, medan industrisektorn har en betydande efterfrågan på elektrolytiskt väte. Båda energisystemen simuleras med EnergyPLAN, en deterministisk energisystemmodell, för olika testfall under varje lagringsteknik. Resultatet av simuleringen bedömdes i termer av kritisk överskottselproduktion, potential för ytterligare vindintegration, total bränslebalans i systemet och årliga kostnader.  Resultatet indikerar att värmepumpar i kombination med termisk energilagring kan förbättra flexibiliteten i båda scenarierna genom att minska den kritiska överskottselproduktionen och bränsleförbrukningen samtidigt som vindintegrationen förbättras. Vätgaslagring är inget lovande alternativ om målet är att endast lagra överskottsel, vilket framgår av vindintegrationsnivåerna i SWE_2045. Det förbättrar dock vindintegration och tillförlitlighet avsevärt när det finns en betydande efterfrågan på vätgas i NFF_2045. Som jämförelse är batteriernas bidrag till vindintegration minimalt i båda scenarierna i samband med sektorintegration på grund av utnyttjandet av överskottsel av värmepumpar och extern överföring av restel. Valet av lagringsteknik i framtiden beror dock på dess tekniska ekonomiska utveckling och energipolitik.

En av de största utmaningarna framöver är att säkerställa en jämn övergång från fossila bränslen till förnybar energi utan att kompromissa driftstabilitet. För att genomföra detta behövs det någon form av energilagring för att lagra överskott av förnybar energi, exempelvis solenergi, som sedan kan användas när solenergin inte räcker till för att täcka elbehovet. Syftet med detta projektet är att modellera ett fristående mikronät med vätgaslagring i Simulink. Empiriska data har samlats för samtliga komponenter, som inkluderar en PEM bränslecell, ett NMC622 litiumjonbatteri och en AEM elektrolysör. På så sätt kunde ideala driftparametrar identifieras för komponenterna. Det modellerade systemet klarade elbehovet av en 2 W lampa för en hel vinter-, vår- och sommardag. Genom att använda väderdata för en vårdag kunde systemet dimensioneras för att uppfylla kravet för neutral balans med avseende på vätgasnivån och batteriernas laddningstillstånd. Det krävdes 38 solceller (med en total nominell effekt på 37.95 W), 5 batterier (med en total kapacitet av 175 mAh, 2 bränsleceller (med en vald effekt på 2.34 W inom det ohmiska intervallet) och 2 elektrolysörer (med en maximal effekt på 14.8504 W) för att uppfylla kravet. För att mikronätsystemet ska ha en större ekonomisk potential och en bättre genomförbarhet bör simuleringen förbättras genom att inkludera fler parametrar och använda väderdata som täcker längre perioder.

No description available.

Safe, effective hydrogen fuel cells are one of the contenders for the next shift in mobile power technology. One of the solutions to the inherent risks of high pressure hydrogen fuel cells is an outer low pressure container with an inner high pressure containers containing a micro-electromechanical systems (MEMS) valve which regulating the pressure. These MEMS valves consist of several etched Si-chips stacked and bonded, which shall withstand the pressure and temperature range in the high pressure fuel cell as well as the embrittlement caused by the hydrogen gas. Hydrogen embrittlement is a phenomena where materials, mostly metals, lose their ductility due to diffusion of hydrogen atoms into their grain boundaries. A suitable method for stacking the chips is needed and thus a literature study was conducted. Several chip-to-chip bonding methods were investigated in the purpose of finding the most suitable methods tolerating temperatures between -40 to 85°C, pressure up to 1000 bar, hermetically sealing, withstanding hydrogen embrittlement and still bond with particulate contaminations caused by testing each chip. The method found to be best fitting for the purpose was anodic bonding with an alkali glass. Alternatively anodic bonding with a ceramic glass system could be considered if technique from alkali glass is adaptable.

Une organisation contrôlée de la porosité offre l’opportunité de combiner les avantages structuraux des macropores (diamètres supérieures à 50 nm), assurant l’intégrité et l’interconnectivité de l’ossature du matériau, avec ceux des pores plus étroits (méso- et micropores), déployant des surfaces spécifiques réactives importantes. L’élaboration de telles architectures, dites « hiérarchisées », à l’échelle du laboratoire représente un véritable défi physico-chimique. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’intéresse à l’élaboration de matériaux poreux fonctionnels avancés, s’inscrivant dans le concept de chimie intégrative, en combinant matière molle (mésophases lyotropes, émulsions directes concentrées, auto-assemblages organique-organique, etc.), procédé sol-gel, polymérisation organique et principe de l’empreinte « dure ». Dans une première approche générale, des monolithes hybrides macrocellulaires à base de silice ont été fonctionnalisés par greffage covalent post-synthèse ou par co-condensation de précurseurs organosilanes appropriés. Dès lors, l’encapsulation de complexes luminescents (ions europium), de catalyseurs métalliques piégés dans une phase liquide ionique supportée (sels ou nanoparticules de palladium), ou d’entités biologiques (enzymes hydrosolubles : lipases) a offert une modulation rationnelle des propriétés optiques, catalytiques ou biocatalytiques induites in fine. Dans une seconde approche générale, l’utilisation de monolithes de silice macrocellulaires comme empreintes dures « sacrificielles » a permis la genèse de composés carbonés poreux, associée à un contrôle structural sur plusieurs échelles. Dès lors, une surface spécifique développée et une porosité hiérarchisée, conjuguées à des propriétés intrinsèques opportunes (stabilités thermique et chimique, conductivité électrique), ont offert un large champ d’applications, comme électrodes pour systèmes de stockage de l’énergie électrochimique (batteries Li-ion et condensateurs à double couche électrochimique), sites de nucléation de borohydrures de lithium (LiBH4) pour le stockage de l’hydrogène, ou encore comme électrodes enzymatiques pour biopiles. / Mainly induced by the wide scope of expected applications, designing hierarchical porous architectures appears today as a strong and competitive field of research. The opportunity to combine the structural advantages of both macropores (diameters larger than 50 nm), providing interconnected framework while reducing the diffusion low kinetic issue, with those of the more narrow pores (meso and micropores), generating high surface reactive areas, has induced a need for novel synthetic routes to achieve hierarchical structures. In this view, by combining soft mater (lyotropic mesophases, concentrated direct emulsions or organic-organic self-assemblies, etc.), sol-gel process, organic polymerization and hard-template approaches, we have generated new functional porous materials, fitting with the transversal integrative chemistry concept. In a first general approach, organically grafted silica foams have been designed, either by a grafting method or a one-pot co-condensation route of organosilane derivatives, to encapsulate luminescent complexes (europium ions), metallic catalysts entrapped into supported ionic liquid phase (palladium salts or nanoparticules) or bio-related entities (water-soluble enzymes: lipases), dealing with promising optical, catalytic or biocatalytic properties. In a second synthetic pathway, using siliceous foams as “sacrificial” hard templates, carbonaceous foams have been obtained addressed through a structural design over several length scales. Due to inherent high surface area, chemical inertness, thermal stability and good conductivity, this new foams series has offered a large field of applications, such as electrodes for electrochemical energy storage devices (Li-ion batteries and electrochemical double-layer capacitors), host sites for hydrogen storage through LiBH4 nucleation, as well as advanced porous electrodes for enzyme-based biofuel cells.