Vesiniku säilitamise mõistmine: põhjalik ülemaailmne juhend

Vesinikku tunnistatakse üha enam võtmetähtsusega energiakandjana ülemaailmsel üleminekul jätkusuutlikule tulevikule. Selle potentsiaal dekarboniseerida erinevaid sektoreid, sealhulgas transporti, tööstust ja elektritootmist, on märkimisväärne. Vesinikuenergia laialdane kasutuselevõtt sõltub aga tõhusate ja kulutõhusate säilituslahenduste väljatöötamisest. See juhend annab põhjaliku ülevaate vesiniku säilitamise erinevatest meetoditest, nende väljakutsetest ja viimastest edusammudest, mis edendavad innovatsiooni selles kriitilises valdkonnas.

Miks on vesiniku säilitamine oluline

Vesinik, kuigi seda on palju, eksisteerib peamiselt ühendites nagu vesi (H2O) või süsivesinikud (nt metaan, CH4). Puhta vesiniku eraldamine nõuab energiat ja selle säilitamine kujutab endast ainulaadseid väljakutseid selle madala tiheduse ja kõrge süttivuse tõttu. Tõhus säilitamine on mitmel põhjusel ülioluline:

Vesiniktoitega transpordi võimaldamine: piisava vesiniku säilitamine sõidukites on hädavajalik, et saavutada kütuseelementidega elektrisõidukite (FCEV) praktiline sõiduulatus.
Taastuvate energiaallikate integreerimine: vesinik võib toimida energiasalvestina, salvestades liigse taastuvenergia (nt päikese-, tuuleenergia) kõrge tootmise perioodidel ja vabastades selle, kui nõudlus on suur, aidates kaasa võrgu stabiilsusele.
Tööstusprotsesside dekarboniseerimine: paljud tööstusprotsessid vajavad vesinikku toorainena. Tõhus säilitamine võimaldab usaldusväärselt tarnida taastuvatest allikatest toodetud vesinikku, vähendades sõltuvust fossiilkütustest.
Ülemaailmse vesiniku majanduse loomine: tõhusad säilituslahendused on üliolulised vesiniku rahvusvahelise kaubanduse hõlbustamiseks, võimaldades riikidel, kus on palju taastuvenergia ressursse, eksportida vesinikku riikidesse, kus on suurem energianõudlus.

Vesiniku säilitamise meetodid

Vesiniku säilitamise tehnoloogiad saab laias laastus jagada füüsilisteks ja keemilisteks säilitusmeetoditeks. Igal lähenemisviisil on oma eelised ja puudused säilitusmahu, energiatõhususe, maksumuse ja ohutuse osas.

1. Füüsiline säilitamine

Füüsiline säilitamine hõlmab vesiniku säilitamist gaasi või vedelikuna kindlatel temperatuuri- ja rõhutingimustel.

a) Kokkusurutud vesinikgaas

Kokkusurutud vesinikgaasi säilitamine hõlmab vesiniku kokkusurumist kõrge rõhu alla (tavaliselt 350–700 baari ja mõnes rakenduses isegi kuni 1000 baari) ja selle säilitamist tugevates surveanumates. See on suhteliselt küps tehnoloogia, millel on kaubanduslikult saadaval lahendusi.

Eelised:

Suhteliselt lihtne tehnoloogia.
Kiired tankimisajad.
Hästi väljakujunenud gaasikäitluse infrastruktuur.

Puudused:

Madal mahuline energiatihedus (võrreldes vedelkütustega).
Kõrge energiatarbimine kokkusurumisel.
Ohutusprobleemid, mis on seotud kõrge rõhuga säilitamisega.
Rasked ja mahukad mahutid.

Näited:

Kokkusurutud vesinikku kasutatakse laialdaselt FCEV-des. Näiteks Hyundai NEXO FCEV kasutab kolme kõrgsurve vesinikupaaki, mille säilitusmaht on 6,33 kg 700 baari juures, pakkudes sõiduulatust üle 600 km (WLTP standard).

b) Vedel vesinik

Vedela vesiniku säilitamine hõlmab vesiniku jahutamist selle krüogeense keemistemperatuurini (-253 °C), et see vedelikuks kondenseerida. See suurendab oluliselt mahulist energiatihedust võrreldes kokkusurutud gaasiga.

Eelised:

Suurem mahuline energiatihedus kui kokkusurutud gaasil.
Madalam säilitusrõhk.

Puudused:

Kõrge energiatarbimine vedeldamisel.
Aurustumiskaod (vesiniku aurustumine soojuslekke tõttu paaki).
Keeruline ja kallis krüogeenne infrastruktuur.

Näited:

Vedelat vesinikku kasutatakse kosmoseprogrammides (nt NASA Space Shuttle) ja seda uuritakse pikamaatranspordirakenduste jaoks, nagu lennukid ja laevad. Näiteks Airbus arendab vesiniktoitega lennukit, mis kasutab vedela vesiniku säilitamist.

2. Keemiline säilitamine

Keemiline säilitamine hõlmab vesiniku säilitamist keemilistes ühendites, mis vabastavad vesiniku reaktsioonil päästikuga, näiteks kuumuse või katalüsaatoriga.

a) Metallhüdriidid

Metallhüdriidid on ühendid, mis tekivad vesiniku reaktsioonil teatud metallide või sulamitega. Vesinikku säilitatakse metallvõres ja seda saab vabastada hüdriidi kuumutamisel.

Eelised:

Suurem mahuline energiatihedus kui kokkusurutud gaasil.
Suhteliselt ohutu säilitamine.
Pööratava säilitamise potentsiaal (vesinikuga laadimine).

Puudused:

Metallhüdriidimaterjali suur kaal.
Suhteliselt aeglane vesiniku vabanemise kineetika.
Mõnede metallhüdriidimaterjalide kõrge hind.
Soojusjuhtimise probleemid laadimise ja tühjendamise ajal.

Näited:

Lantaan-nikkelhüdriid (LaNi5H6) ja magneesiumhüdriid (MgH2) on näited metallhüdriididest, mida uuritakse vesiniku säilitamiseks. Uurimistöö keskendub nende vesiniku säilitusmahu ja kineetika parandamisele legeerimise ja nanostruktureerimise kaudu. Näiteks Jaapani teadlased töötavad aktiivselt MgH2-põhiste süsteemidega, mida on modifitseeritud katalüsaatoritega, et parandada nende jõudlust.

b) Keemilised hüdriidid

Keemilised hüdriidid on ühendid, mis vabastavad vesiniku reaktsioonil vee või muu reagendiga. Näideteks on naatriumboorhüdriid (NaBH4) ja ammoniaakboraan (NH3BH3).

Eelised:

Kõrge vesiniku säilitusmaht.
Stabiilne ümbritsevatel temperatuuridel.

Puudused:

Pöördumatu vesiniku vabanemine mõnede keemiliste hüdriidide puhul (nõuab regenereerimist).
Reaktsiooni keerukus ja kõrvalsaaduste käitlemine.
Mõnede keemiliste hüdriidide kõrge hind.

Näited:

Naatriumboorhüdriidi (NaBH4) on kasutatud mõnes kütuseelementide rakenduses. Uurimistöö keskendub tõhusate meetodite väljatöötamisele kasutatud boorhüdriidi regenereerimiseks. Ammoniaakboraan (NH3BH3) on teine paljulubav keemiline hüdriid, kuid selle regenereerimine on endiselt väljakutse. Saksamaa ja Ameerika Ühendriikide teadlased uurivad erinevaid viise nende materjalide tõhusaks regenereerimiseks.

c) Vedelad orgaanilised vesinikukandjad (LOHC)

LOHC-d on orgaanilised vedelikud, mis võivad vesinikku pöörduvalt siduda hüdrogeenimise ja dehüdrogeenimise reaktsioonide kaudu. Näideteks on tolueen/metüültsükloheksaan ja dibensüültolueen/perhüdro-dibensüültolueen.

Eelised:

Kõrge mahuline energiatihedus.
Lihtne transportida ja säilitada olemasoleva infrastruktuuri abil.
Suhteliselt ohutu ja stabiilne ümbritsevatel tingimustel.

Puudused:

Kõrge energiatarbimine hüdrogeenimisel ja dehüdrogeenimisel.
Katalüsaatorite ja LOHC materjalide hind.
Katalüsaatori deaktiveerimise potentsiaal.
LOHC osaline lagunemine mitme tsükli jooksul.

Näited:

Tolueeni/metüültsükloheksaani süsteem on üks enim uuritud LOHC-sid. Vesinikku lisatakse tolueenile, et moodustada metüültsükloheksaan, mida saab transportida ja säilitada. Vesinik vabastatakse seejärel metüültsükloheksaani dehüdrogeenimisel tagasi tolueeniks. Jaapani ja Saksamaa ettevõtted arendavad ja võtavad aktiivselt kasutusele LOHC-põhiseid vesiniku säilitamise ja transpordi lahendusi. Jaapani Chiyoda Corporation on demonstreerinud ülemaailmset vesiniku tarneahelat, kasutades oma SPERA Hydrogen™ tehnoloogiat, mis põhineb tolueeni/metüültsükloheksaani LOHC süsteemil, transportides vesinikku Bruneist Jaapanisse.

3. Materjalipõhine säilitamine (adsorptsioon)

See meetod kasutab materjale, millel on suur pindala, nagu aktiivsüsi, metallorgaanilised raamistikud (MOF) ja süsiniknanotorud, et adsorbeerida vesiniku molekule.

Eelised:

Suhteliselt madal säilitusrõhk võrreldes kokkusurutud gaasiga.
Potentsiaalne kõrge vesiniku säilitusmaht madalatel temperatuuridel.

Puudused:

Madal vesiniku säilitusmaht ümbritsevatel temperatuuridel.
Mõnede arenenud materjalide (nt MOF-id) kõrge hind.
Väljakutsed materjali sünteesimisel ja suurendamisel.

Näited:

Teadlased kogu maailmas arendavad ja iseloomustavad aktiivselt uusi MOF-e ja muid nanopoorseid materjale vesiniku säilitamiseks. Näiteks sünteesivad teadlased Ameerika Ühendriikide, Euroopa ja Aasia ülikoolides ja teadusasutustes MOF-e, millel on täiustatud vesiniku adsorptsiooni omadused, nagu suurem pindala ja tugevam interaktsioon vesiniku molekulidega. Materjalide otsimine, mis suudavad tõhusalt säilitada vesinikku peaaegu ümbritsevatel temperatuuridel ja rõhkudel, on endiselt peamine fookus.

Väljakutsed ja tuleviku suunad vesiniku säilitamisel

Kuigi vesiniku säilitamise tehnoloogiatega on tehtud märkimisväärseid edusamme, on mitmeid väljakutseid endiselt alles:

Hind: Vesiniku säilitussüsteemide hinna alandamine on ülioluline, et muuta vesinikuenergia konkurentsivõimeliseks tavakütustega. See hõlmab materjalide, tootmise ja infrastruktuuri maksumuse vähendamist.
Energiatõhusus: Vesiniku säilitamise protsesside, nagu kokkusurumine, vedeldamine ja hüdrogeenimine/dehüdrogeenimine, energiatõhususe parandamine on oluline vesiniku väärtusahela üldise energiatõhususe maksimeerimiseks.
Säilitusmaht: Säilitussüsteemide gravimeetrilise (kaalupõhise) ja mahulise (mahupõhise) vesiniku säilitusmahu suurendamine on oluline rakenduste jaoks, kus ruum ja kaal on kriitilised tegurid, näiteks transport.
Ohutus: Vesiniku ohutu säilitamise ja käitlemise tagamine on ülimalt tähtis. See hõlmab tugevate ohutusprotokollide ja -tehnoloogiate väljatöötamist lekete ja plahvatuste vältimiseks.
Vastupidavus: Vesiniku säilitussüsteemide vastupidavuse ja eluea suurendamine on oluline hoolduskulude vähendamiseks ja pikaajalise töökindluse tagamiseks.
Infrastruktuur: Laialdase vesiniku infrastruktuuri, sealhulgas tanklate ja torujuhtmete, arendamine on vajalik vesinikuenergia laialdaseks kasutuselevõtuks.
Materjali stabiilsus: Keemilises säilitamisel kasutatavate materjalide pikaajalise stabiilsuse suurendamine on oluline lagunemise vältimiseks ja jõudluse säilitamiseks pikaajaliselt.

Tulevased teadus- ja arendustegevused on suunatud nende väljakutsete lahendamisele ja uuenduslike vesiniku säilitamise lahenduste väljatöötamisele. Mõned peamised fookusvaldkonnad on:

Täiustatud materjalid: Uute materjalide väljatöötamine, millel on täiustatud vesiniku säilitamise omadused, nagu MOF-id, kovalentsed orgaanilised raamistikud (COF-id) ja kõrge entroopiaga sulamid.
Nanotehnoloogia: Nanotehnoloogia kasutamine olemasolevate säilitusmaterjalide jõudluse parandamiseks ja uute säilituskontseptsioonide loomiseks.
Krüo-kompressioon: Krüogeense jahutuse kombineerimine kokkusurumisega, et saavutada kõrge vesiniku tihedus mõõdukatel rõhkudel.
Elektrokeemiline säilitamine: Elektrokeemiliste meetodite uurimine vesiniku säilitamiseks, näiteks vesinikpatareid.
Multifunktsionaalsed materjalid: Materjalide väljatöötamine, mis suudavad täita mitmeid funktsioone, nagu vesiniku säilitamine ja elektri tootmine.
Täiustatud regenereerimisprotsessid: Tõhusamate ja kulutõhusamate meetodite väljatöötamine kasutatud keemiliste hüdriidide regenereerimiseks.
Optimeeritud LOHC süsteemid: LOHC süsteemide projekteerimine madalamate hüdrogeenimis-/dehüdrogeenimistemperatuuride ja stabiilsemate katalüsaatoritega.

Ülemaailmsed algatused ja investeeringud

Valitsused ja tööstused kogu maailmas investeerivad palju vesiniku säilitamise teadus- ja arendustegevusse. Näited hõlmavad järgmist:

USA energeetikaministeeriumi (DOE) vesinikuprogramm: Toetab teadus-, arendus- ja tutvustusprojekte, mille eesmärk on edendada vesiniku- ja kütuseelementide tehnoloogiaid, sealhulgas vesiniku säilitamist.
Euroopa Liidu vesinikustrateegia: Eesmärk on kiirendada vesinikutehnoloogiate arendamist ja kasutuselevõttu kogu Euroopas, sealhulgas vesiniku säilitamist.
Vesinikunõukogu: Ülemaailmne juhtivate energia-, transpordi-, tööstus- ja investeerimisettevõtete tegevjuhtide juhitud algatus, millel on ühine visioon ja pikaajaline ambitsioon, et vesinik edendaks energiaüleminekut.
Riiklikud vesinikustrateegiad: Paljud riigid, sealhulgas Austraalia, Kanada, Saksamaa, Jaapan ja Lõuna-Korea, on välja töötanud riiklikud vesinikustrateegiad, mis sisaldavad vesiniku säilitamise teadus- ja arendustegevuse eesmärke ja rahastamist.

Järeldus

Vesiniku säilitamine on ülioluline võimaldav tehnoloogia vesinikuenergia laialdaseks kasutuselevõtuks. Kuigi väljakutsed on endiselt alles, edendavad käimasolevad teadus- ja arendustegevused innovatsiooni materjaliteaduses, inseneriteaduses ja süsteemide projekteerimisel. Kuna vesinikutehnoloogiad küpsevad ja kulud vähenevad, mängib vesiniku säilitamine üha olulisemat rolli erinevate sektorite dekarboniseerimisel ja jätkusuutliku energia tuleviku loomisel maailmale. Vesiniku täieliku potentsiaali avamise võti peitub tõhusate, ohutute ja kulutõhusate säilituslahenduste pidevas otsimises, mis suudavad rahuldada ülemaailmse vesiniku majanduse erinevaid vajadusi. Rahvusvaheline koostöö ja teadmiste jagamine on olulised edusammude kiirendamiseks selles olulises valdkonnas.