فارسی

روش‌های متنوع ذخیره‌سازی هیدروژن، چالش‌های آن‌ها و پیشرفت‌هایی که آینده انرژی پایدار را هدایت می‌کنند را بررسی کنید. یک چشم انداز جهانی.

درک ذخیره سازی هیدروژن: یک راهنمای جامع جهانی

هیدروژن به طور فزاینده ای به عنوان یک حامل انرژی کلیدی در انتقال جهانی به سوی آینده ای پایدار شناخته می شود. پتانسیل آن برای کربن زدایی بخش های مختلف، از جمله حمل و نقل، صنعت و تولید برق، قابل توجه است. با این حال، پذیرش گسترده انرژی هیدروژن بستگی به توسعه راه حل های ذخیره سازی کارآمد و مقرون به صرفه دارد. این راهنما یک مرور جامع از روش های مختلف ذخیره سازی هیدروژن، چالش های آنها و آخرین پیشرفت هایی که نوآوری را در این زمینه حیاتی هدایت می کنند، ارائه می دهد.

چرا ذخیره سازی هیدروژن مهم است

هیدروژن، در حالی که فراوان است، عمدتاً در ترکیباتی مانند آب (H2O) یا هیدروکربن ها (به عنوان مثال، متان، CH4) وجود دارد. استخراج هیدروژن خالص به انرژی نیاز دارد و ذخیره سازی آن به دلیل چگالی کم و قابلیت اشتعال بالای آن، چالش های منحصر به فردی را ایجاد می کند. ذخیره سازی کارآمد به چند دلیل بسیار مهم است:

روش های ذخیره سازی هیدروژن

فن آوری های ذخیره سازی هیدروژن را می توان به طور کلی به روش های ذخیره سازی فیزیکی و شیمیایی دسته بندی کرد. هر رویکرد دارای مزایا و معایب خود از نظر ظرفیت ذخیره سازی، راندمان انرژی، هزینه و ایمنی است.

1. ذخیره سازی فیزیکی

ذخیره سازی فیزیکی شامل ذخیره سازی هیدروژن به صورت گاز یا مایع تحت شرایط دما و فشار خاص است.

الف) گاز هیدروژن فشرده

ذخیره سازی گاز هیدروژن فشرده شامل فشرده سازی هیدروژن تا فشارهای بالا (به طور معمول 350-700 بار، و حتی تا 1000 بار در برخی کاربردها) و ذخیره سازی آن در مخازن تحت فشار قوی است. این یک فناوری نسبتاً بالغ با راه حل های تجاری موجود است.

مزایا:
معایب:
مثال ها:

هیدروژن فشرده به طور گسترده در FCEV ها استفاده می شود. به عنوان مثال، NEXO FCEV هیوندای از سه مخزن هیدروژن با فشار بالا با ظرفیت ذخیره سازی 6.33 کیلوگرم در 700 بار استفاده می کند و دامنه ای بیش از 600 کیلومتر (استاندارد WLTP) را فراهم می کند.

ب) هیدروژن مایع

ذخیره سازی هیدروژن مایع شامل خنک کردن هیدروژن تا نقطه جوش برودتی آن (-253 درجه سانتیگراد) برای متراکم کردن آن به مایع است. این امر چگالی انرژی حجمی را در مقایسه با گاز فشرده به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

مزایا:
معایب:
مثال ها:

هیدروژن مایع در برنامه های فضایی (به عنوان مثال، شاتل فضایی ناسا) استفاده می شود و برای کاربردهای حمل و نقل طولانی مدت مانند هواپیما و کشتی در حال بررسی است. به عنوان مثال، ایرباس در حال توسعه هواپیماهای با سوخت هیدروژن است که از ذخیره سازی هیدروژن مایع استفاده می کنند.

2. ذخیره سازی شیمیایی

ذخیره سازی شیمیایی شامل ذخیره سازی هیدروژن در ترکیبات شیمیایی است که در اثر واکنش با یک محرک، مانند گرما یا یک کاتالیزور، هیدروژن آزاد می کنند.

الف) هیدریدهای فلزی

هیدریدهای فلزی ترکیباتی هستند که از واکنش هیدروژن با فلزات یا آلیاژهای خاص تشکیل می شوند. هیدروژن در داخل شبکه فلزی ذخیره می شود و می تواند با گرم کردن هیدرید آزاد شود.

مزایا:
معایب:
مثال ها:

لانتانیوم نیکل هیدرید (LaNi5H6) و منیزیم هیدرید (MgH2) نمونه هایی از هیدریدهای فلزی هستند که برای ذخیره سازی هیدروژن مورد بررسی قرار می گیرند. تمرکز تحقیقات بر بهبود ظرفیت و سینتیک ذخیره سازی هیدروژن آنها از طریق آلیاژسازی و نانوساختار است. به عنوان مثال، محققان در ژاپن به طور فعال بر روی سیستم های مبتنی بر MgH2 کار می کنند که با کاتالیزورها اصلاح شده اند تا عملکرد آنها را بهبود بخشند.

ب) هیدریدهای شیمیایی

هیدریدهای شیمیایی ترکیباتی هستند که در اثر واکنش با آب یا یک واکنشگر دیگر هیدروژن آزاد می کنند. به عنوان مثال می توان به سدیم بوروهیدرید (NaBH4) و آمونیاک بوران (NH3BH3) اشاره کرد.

مزایا:
معایب:
مثال ها:

سدیم بوروهیدرید (NaBH4) در برخی از کاربردهای پیل سوختی استفاده شده است. تحقیقات بر روی توسعه روش های کارآمد برای بازسازی بوروهیدرید مصرف شده متمرکز شده است. آمونیاک بوران (NH3BH3) یکی دیگر از هیدریدهای شیمیایی امیدوارکننده است، اما بازسازی آن همچنان یک چالش است. محققان در آلمان و ایالات متحده در حال بررسی مسیرهای مختلف برای بازسازی کارآمد این مواد هستند.

ج) حامل های هیدروژن آلی مایع (LOHC)

LOHCها مایعات آلی هستند که می توانند به طور برگشت پذیر هیدروژن را از طریق واکنش های هیدروژناسیون و دهیدروژناسیون متصل کنند. به عنوان مثال می توان به تولوئن/متیل سیکلوهگزان و دی بنزیل تولوئن/پرهیدرو-دی بنزیل تولوئن اشاره کرد.

مزایا:
معایب:
مثال ها:

سیستم تولوئن/متیل سیکلوهگزان یکی از پرمطالعه ترین LOHCها است. هیدروژن به تولوئن اضافه می شود تا متیل سیکلوهگزان تشکیل شود که می تواند حمل و ذخیره شود. سپس هیدروژن با دهیدروژناسیون متیل سیکلوهگزان به تولوئن آزاد می شود. شرکت هایی در ژاپن و آلمان به طور فعال در حال توسعه و استقرار راه حل های ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن مبتنی بر LOHC هستند. شرکت چیودا در ژاپن یک زنجیره تامین جهانی هیدروژن را با استفاده از فناوری SPERA Hydrogen™ خود بر اساس سیستم LOHC تولوئن/متیل سیکلوهگزان به نمایش گذاشته است و هیدروژن را از برونئی به ژاپن حمل می کند.

3. ذخیره سازی مبتنی بر مواد (جذب)

این روش از موادی با سطح مقطع بالا مانند کربن فعال، چارچوب های فلزی-آلی (MOF) و نانولوله های کربنی برای جذب مولکول های هیدروژن استفاده می کند.

مزایا:
معایب:
مثال ها:

محققان در سراسر جهان به طور فعال در حال توسعه و مشخصه یابی MOF های جدید و سایر مواد نانو متخلخل برای ذخیره سازی هیدروژن هستند. به عنوان مثال، دانشمندان در دانشگاه ها و موسسات تحقیقاتی در ایالات متحده، اروپا و آسیا در حال سنتز MOF هایی با خواص جذب هیدروژن پیشرفته، مانند افزایش سطح مقطع و تعاملات قوی تر با مولکول های هیدروژن هستند. جستجو برای موادی که بتوانند به طور موثر هیدروژن را در دماها و فشارهای نزدیک به محیط ذخیره کنند، همچنان یک تمرکز کلیدی است.

چالش ها و مسیرهای آینده در ذخیره سازی هیدروژن

در حالی که پیشرفت های قابل توجهی در فن آوری های ذخیره سازی هیدروژن حاصل شده است، چندین چالش باقی مانده است:

تلاش های تحقیق و توسعه آینده بر روی پرداختن به این چالش ها و توسعه راه حل های نوآورانه ذخیره سازی هیدروژن متمرکز شده است. برخی از زمینه های کلیدی مورد تمرکز عبارتند از:

ابتکارات و سرمایه گذاری های جهانی

دولت ها و صنایع در سراسر جهان سرمایه گذاری زیادی در تحقیق و توسعه ذخیره سازی هیدروژن انجام می دهند. به عنوان مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نتیجه گیری

ذخیره سازی هیدروژن یک فناوری توانمندساز حیاتی برای پذیرش گسترده انرژی هیدروژن است. در حالی که چالش ها همچنان وجود دارد، تلاش های تحقیق و توسعه مداوم در حال هدایت نوآوری در علم مواد، مهندسی و طراحی سیستم است. با بالغ شدن فن آوری های هیدروژن و کاهش هزینه ها، ذخیره سازی هیدروژن نقش مهمی در کربن زدایی بخش های مختلف و ایجاد آینده ای پایدار برای انرژی برای جهان ایفا خواهد کرد. کلید باز کردن پتانسیل کامل هیدروژن در پیگیری مستمر راه حل های ذخیره سازی کارآمد، ایمن و مقرون به صرفه است که می تواند نیازهای متنوع یک اقتصاد جهانی هیدروژن را برآورده کند. همکاری بین المللی و به اشتراک گذاری دانش برای تسریع پیشرفت در این زمینه حیاتی ضروری است.