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:

• فعال کردن حمل و نقل با سوخت هیدروژن: ذخیره سازی کافی هیدروژن در خودروها برای دستیابی به برد رانندگی عملی برای خودروهای الکتریکی پیل سوختی (FCEV) ضروری است.
• ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر: هیدروژن می تواند به عنوان یک بافر انرژی عمل کند، انرژی تجدیدپذیر اضافی (به عنوان مثال، خورشیدی، بادی) را در دوره های تولید بالا ذخیره می کند و در زمان تقاضای بالا آن را آزاد می کند و به ثبات شبکه کمک می کند.
• کربن زدایی فرایندهای صنعتی: بسیاری از فرایندهای صنعتی به هیدروژن به عنوان ماده اولیه نیاز دارند. ذخیره سازی کارآمد امکان تامین مطمئن هیدروژن تولید شده از منابع تجدیدپذیر را فراهم می کند و وابستگی به سوخت های فسیلی را کاهش می دهد.
• ایجاد یک اقتصاد جهانی هیدروژن: راه حل های ذخیره سازی موثر برای تسهیل تجارت بین المللی هیدروژن، فعال کردن کشورهایی با منابع انرژی تجدیدپذیر فراوان برای صادرات هیدروژن به کشورهایی با تقاضای انرژی بالاتر، حیاتی هستند.

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:

• فناوری نسبتاً ساده.
• زمان سوخت گیری سریع.
• زیرساخت های به خوبی تثبیت شده برای جابجایی گاز.

معایب:

• چگالی انرژی حجمی پایین (در مقایسه با سوخت های مایع).
• مصرف انرژی بالا برای فشرده سازی.
• نگرانی های ایمنی مربوط به ذخیره سازی با فشار بالا.
• مخازن ذخیره سازی سنگین و حجیم.

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:

• چگالی انرژی حجمی بالاتر از گاز فشرده.
• فشار ذخیره سازی کمتر.

معایب:

• مصرف انرژی بالا برای مایع سازی.
• تلفات ناشی از جوشش (تبخیر هیدروژن به دلیل نشت حرارت به داخل مخزن).
• زیرساخت های برودتی پیچیده و گران قیمت.

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:

• چگالی انرژی حجمی بالاتر از گاز فشرده.
• ذخیره سازی نسبتاً ایمن.
• پتانسیل ذخیره سازی برگشت پذیر (شارژ مجدد با هیدروژن).

معایب:

• وزن زیاد مواد هیدرید فلزی.
• سینتیک نسبتاً کند آزادسازی هیدروژن.
• هزینه بالای برخی از مواد هیدرید فلزی.
• چالش های مدیریت حرارت در هنگام شارژ و دشارژ.

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:

• ظرفیت ذخیره سازی بالای هیدروژن.
• در دمای محیط پایدار است.

معایب:

• آزادسازی غیرقابل برگشت هیدروژن برای برخی از هیدریدهای شیمیایی (نیاز به بازسازی).
• پیچیدگی واکنش و مدیریت محصول جانبی.
• هزینه بالای برخی از هیدریدهای شیمیایی.

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:

• چگالی انرژی حجمی بالا.
• حمل و نقل و ذخیره سازی آسان با استفاده از زیرساخت های موجود.
• نسبتاً ایمن و پایدار در شرایط محیطی.

معایب:

• مصرف انرژی بالا برای هیدروژناسیون و دهیدروژناسیون.
• هزینه کاتالیزورها و مواد LOHC.
• پتانسیل غیرفعال شدن کاتالیزور.
• تخریب جزئی LOHC در طول چرخه های متعدد.

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:

• فشار ذخیره سازی نسبتاً کم در مقایسه با گاز فشرده.
• پتانسیل ظرفیت ذخیره سازی بالای هیدروژن در دماهای پایین.

معایب:

• ظرفیت ذخیره سازی کم هیدروژن در دمای محیط.
• هزینه بالای برخی از مواد پیشرفته (به عنوان مثال، MOF).
• چالش ها در سنتز و مقیاس بندی مواد.

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:

• هزینه: کاهش هزینه سیستم های ذخیره سازی هیدروژن برای رقابتی کردن انرژی هیدروژن با سوخت های معمولی بسیار مهم است. این شامل کاهش هزینه مواد، تولید و زیرساخت ها می شود.
• بهره وری انرژی: بهبود بهره وری انرژی فرایندهای ذخیره سازی هیدروژن، مانند فشرده سازی، مایع سازی و هیدروژناسیون/دهیدروژناسیون، برای به حداکثر رساندن بهره وری کلی انرژی زنجیره ارزش هیدروژن ضروری است.
• ظرفیت ذخیره سازی: افزایش ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن گرانشی (بر اساس وزن) و حجمی (بر اساس حجم) سیستم های ذخیره سازی برای کاربردهایی که فضا و وزن عوامل مهمی هستند، مانند حمل و نقل، حیاتی است.
• ایمنی: اطمینان از ذخیره سازی و جابجایی ایمن هیدروژن از اهمیت بالایی برخوردار است. این شامل توسعه پروتکل ها و فن آوری های ایمنی قوی برای جلوگیری از نشت و انفجار می شود.
• ماندگاری: افزایش ماندگاری و طول عمر سیستم های ذخیره سازی هیدروژن برای کاهش هزینه های نگهداری و اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت مهم است.
• زیرساخت: توسعه یک زیرساخت گسترده هیدروژن، از جمله ایستگاه های سوخت گیری و خطوط لوله، برای پذیرش گسترده انرژی هیدروژن ضروری است.
• پایداری مواد: افزایش پایداری طولانی مدت مواد مورد استفاده در ذخیره سازی شیمیایی برای جلوگیری از تخریب و حفظ عملکرد در دوره های طولانی مهم 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:

• مواد پیشرفته: توسعه مواد جدید با خواص ذخیره سازی هیدروژن پیشرفته، مانند MOF ها، چارچوب های آلی کووالانسی (COF) و آلیاژهای با آنتروپی بالا.
• نانوفناوری: استفاده از نانوفناوری برای بهبود عملکرد مواد ذخیره سازی موجود و ایجاد مفاهیم ذخیره سازی جدید.
• فشرده سازی برودتی: ترکیب خنک کننده برودتی با فشرده سازی برای دستیابی به چگالی بالای هیدروژن در فشارهای متوسط.
• ذخیره سازی الکتروشیمیایی: بررسی روش های الکتروشیمیایی برای ذخیره سازی هیدروژن، مانند باتری های هیدروژنی.
• مواد چند منظوره: توسعه موادی که می توانند عملکردهای متعددی را انجام دهند، مانند ذخیره سازی هیدروژن و تولید برق.
• فرایندهای بازسازی بهبود یافته: توسعه روش های کارآمدتر و مقرون به صرفه تر برای بازسازی هیدریدهای شیمیایی مصرف شده.
• سیستم های LOHC بهینه شده: طراحی سیستم های LOHC با دماهای هیدروژناسیون/دهیدروژناسیون پایین تر و کاتالیزورهای پایدارتر.

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:

• برنامه هیدروژن وزارت انرژی ایالات متحده (DOE): از پروژه های تحقیق، توسعه و نمایش با هدف پیشبرد فن آوری های هیدروژن و پیل سوختی، از جمله ذخیره سازی هیدروژن، پشتیبانی می کند.
• استراتژی هیدروژن اتحادیه اروپا: هدف آن تسریع توسعه و استقرار فن آوری های هیدروژن در سراسر اروپا، از جمله ذخیره سازی هیدروژن است.
• شورای هیدروژن: یک ابتکار جهانی به رهبری مدیران عامل شرکت های پیشرو در زمینه انرژی، حمل و نقل، صنعت و سرمایه گذاری با دیدگاهی متحد و جاه طلبی بلند مدت برای هیدروژن برای تقویت انتقال انرژی.
• استراتژی های ملی هیدروژن: بسیاری از کشورها، از جمله استرالیا، کانادا، آلمان، ژاپن و کره جنوبی، استراتژی های ملی هیدروژن را توسعه داده اند که شامل اهداف و بودجه برای تحقیق و استقرار ذخیره سازی هیدروژن است.

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.