Hvorfor Raman-spektroskopi er viktig for flytendegjøring av hydrogen og kvalitetssikring

Etter hvert som den globale etterspørselen øker, blir transport av hydrogen fra produksjonsanleggene til sluttbrukerne en sentral utfordring. Hydrogen i sin naturlige gassform har lav volumetrisk energitetthet, noe som betyr at det opptar et svært stort volum i forhold til mengden energi det inneholder. Dette gjør lagring og transport svært ineffektivt uten videre bearbeiding.

For å overvinne disse begrensningene forventes det i stadig større grad at hydrogen vil bli flytendegjort, en praksis som lenge har vært etablert i naturgassindustrien (f.eks. LNG). Ved flytendegjøring kjøles hydrogen ned til ekstremt lave temperaturer (20 K, eller –253 °C), noe som reduserer volumet med en faktor på nesten 800×. Denne dramatiske reduksjonen gjør det langt mer praktisk å:

• transportere hydrogen over lange avstander med skip, lastebil eller tog
• lagre store mengder på sentrale knutepunkter
• distribuere hydrogen til industrien og fyllestasjoner som en del av en fremtidig global hydrogenøkonomi

Dermed åpner flytendegjøring av hydrogen nye muligheter for globale forsyningskjeder og bruk i stor skala.

Hydrogen er i ferd med å bli en sentral drivkraft i den globale energiovergangen, særlig i sektorer som gjødselproduksjon, raffinering og kjemisk industri.

Hydrogen oppfører seg imidlertid på en helt spesiell måte ved kryogene temperaturer. Den finnes i to spinn-isomerer:

• Ortohydrogen (orto-H₂) – dominerende ved romtemperatur (~75 %)
• Parahydrogen (para-H₂) – dominerende ved kryogene temperaturer (> 99 % ved 20 K)

Under flytendegjøring, orto-til-para-konvertering, frigjøres det varme, og hvis denne omdannelsen ikke er fullført når hydrogenet avkjøles, kan den gjenværende reaksjonen føre til avgassing (BOG) og produkttap gjennom hele forsyningskjeden. For operatører av systemer for flytendegjøring, lagring og transport er nøyaktig kvantifisering av hydrogenisomerer i sanntid avgjørende for prosesseffektivitet og sikkerhet.

Raman-spektroskopi er spesielt egnet til å måle hydrogenets orto/para-forhold, fordi det direkte registrerer hver isomers molekylære fingeravtrykk. Etter hvert som produksjonen og håndteringen av LH₂ øker i omfang, blir denne funksjonaliteten – kombinert med et feltklar, utplasserbart system – stadig viktigere for operatører som trenger nøyaktig innsikt i isomersammensetningen i sanntid.

Mens andre teknologier kun måler para-H₂, kan Raman-spektroskopi skille mellom orto-H₂ og para-H₂ ved å måle begge deres signaturer i ett og samme spektrum. Dette eliminerer behovet for å benytte indirekte inferensmetoder som kan føre til usikkerhet eller betydelige feil.

I motsetning til laboratoriebaserte eller indirekte analysemetoder gir Raman-spektroskopisystemer mulighet til:

• kontinuerlig overvåking under prosessen
• ikke-invasiv måling
• ingen prøveforberedelse
• ingen forstyrrelser i prosessforholdene

Dette gir operatørene umiddelbar oversikt over isomerforholdene og muliggjør proaktiv prosesstyring.

Raman-spektroskopi muliggjør kvantifisering av parahydrogen under omgivelsesbetingelser, samtidig som det opprinnelige orto/para-forholdet som ble oppnådd under flytendegjøringen, bevares. I et reelt anlegg for flytendegjøring av hydrogen kjøles gassen ned i flere trinn, der ulike katalysatorer driver omdannelsen til spinn-isomerer. Raman-spektroskopi kan benyttes i hvert trinn for å verifisere effektiviteten av orto-para-omdannelsen, og siden omdannelsen tilbake (para → orto) er ekstremt langsom uten katalysator, påvirker oppvarming av hydrogenprøven ikke den målbare sammensetningen. Denne atferden:

• eliminerer behovet for kryogene analyseoppsett
• øker sikkerheten og hastigheten
• reduserer kompleksiteten ved måling

Tradisjonelle metoder, som ofte baserer seg på indirekte målinger av fysiske egenskaper, omfatter:

• kalorimetri
• varmeledningsevne
• måling av lydhastigheten

Disse metodene står overfor velkjente utfordringer, som for eksempel:

• stor følsomhet overfor temperatur- og trykkvariasjoner
• manglende evne til å skille ekte parahydrogen fra målefeil
• dårlig pålitelighet når katalysatorens ytelse svekkes

I motsetning til dette, gjør Raman-spektroskopi følgende:

• påviser orto- og para-H₂ samtidig
• gir umiddelbar bekreftelse på ufullstendig flytendegjøring
• hjelper med å skille mellom prosessavvik og problemer med instrumenter eller katalysatorer
• fanger opp alle Raman-aktive partikler i én enkelt måling

• Påvist nøyaktighet og repeterbarhet i orto- og para-H₂-kvantifisering for å sikre streng kontroll under flytendegjøring og lagring av hydrogen
• Pålitelig innsikt i sanntid for prosessoptimalisering for å redusere tap og sikre produktkvaliteten
• Minimalt vedlikehold og enkel drift uten behov for kryogenisk analyseutstyr, noe som gir raskere og sikrere arbeidsflyt

Hydrogen fremstår i stadig større grad som en sentral faktor i den globale overgangen til renere og mer bærekraftige energisystemer. I takt med at land og næringer trapper opp innsatsen for å redusere karbonutslippene og redusere avhengigheten av fossilt brensel, fremstår hydrogen som en allsidig og kraftfull energibærer som kan bidra til denne omstillingen.

Etter hvert som hydrogen går fra å være begrenset til industriell bruk til å bli en energibærer i global skala, vil flytendegjøring spille en stadig viktigere rolle i transport og lagring. Denne endringen understreker hvor viktig det er å ha nøyaktig forståelse av og kontroll over utbyttet ved omdannelsen fra orto- til parahydrogen – en parameter som har direkte innvirkning på effektivitet, avgassingsatferd og sikkerhet i hele LH₂-forsyningskjeden.

Raman-spektroskopi tilbyr en unik, kraftfull, praktisk og fremtidsrettet løsning for å imøtekomme dette målebehovet, som gjør det mulig for operatører å overvåke isomersammensetningen i sanntid, uten behov for kryogen håndtering, og med den nøyaktigheten som kreves for en raskt voksende hydrogenøkonomi.

1. "Hydrogen liquefaction: a review of the fundamental physics, engineering practice and future opportunities." Energy & Environmental Science, RSC Publishing, DOI:10.1039 /D2EE00099G.
2. “Hydrogen Liquefaction, Storage, Transport and Application of Liquid Hydrogen.” Wasserstoff‑Leitprojekte
3. "Liquid Hydrogen: A Review on Liquefaction, Storage, Transportation, and Safety."
4. "Liquid Hydrogen Delivery." U.S. Department of Energy.
5. "Liquefying Hydrogen for Storage & Transport." Linde.
6. National Aeronautics and Space Administration. Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems: Guidelines for Hydrogen System Design, Materials Selection, Operations, Storage and Transportation (NSS 1740.16). NASA Technical Reports Server.
7. “Ortho‑Para Hydrogen Conversion.” Sustainability Directory, ESG Directory.
8. "Quantitative In-situ Monitoring of Parahydrogen Fraction Using Raman Spectroscopy."
9. Weitzel, D.H., Loebenstein, W. V., Draper, J. W., & Park, O. E. “Ortho-Para Catalysis In Liquid-Hydrogen Production.” Journal of Research of the National Bureau of Standards, vol. 60, no, 3, 1958, s. 221-226. NIST.
10. Wijnans, S. “Smart Management of Boil‑Off Gas Across the LH₂ Supply Chain.” Shell TechXplorer Digest, 2024.