Razumijevanje skladištenja vodika: Sveobuhvatni globalni vodič

Vodik se sve više prepoznaje kao ključni nositelj energije u globalnoj tranziciji prema održivoj budućnosti. Njegov potencijal za dekarbonizaciju različitih sektora, uključujući transport, industriju i proizvodnju električne energije, je značajan. Međutim, široko rasprostranjeno usvajanje vodikove energije ovisi o razvoju učinkovitih i isplativih rješenja za skladištenje. Ovaj vodič pruža sveobuhvatan pregled različitih metoda skladištenja vodika, njihovih izazova i najnovijih napredaka koji pokreću inovacije u ovom kritičnom području.

Zašto je skladištenje vodika važno

Vodik, iako ga ima u izobilju, prvenstveno postoji u spojevima kao što su voda (H2O) ili ugljikovodici (npr. metan, CH4). Ekstrakcija čistog vodika zahtijeva energiju, a njegovo skladištenje predstavlja jedinstvene izazove zbog njegove niske gustoće i visoke zapaljivosti. Učinkovito skladištenje je ključno iz nekoliko razloga:

• Omogućavanje transporta na vodikov pogon: Skladištenje dovoljne količine vodika u vozilima je bitno za postizanje praktičnog dometa vožnje za električna vozila s gorivnim ćelijama (FCEV).
• Integracija izvora obnovljive energije: Vodik može djelovati kao energetski spremnik, skladišteći višak obnovljive energije (npr. solarnu, vjetrovnu) tijekom razdoblja visoke proizvodnje i oslobađajući je kada je potražnja visoka, doprinoseći stabilnosti mreže.
• Dekarbonizacija industrijskih procesa: Mnogi industrijski procesi zahtijevaju vodik kao sirovinu. Učinkovito skladištenje omogućuje pouzdanu opskrbu vodikom proizvedenim iz obnovljivih izvora, smanjujući ovisnost o fosilnim gorivima.
• Stvaranje globalne vodikove ekonomije: Učinkovita rješenja za skladištenje su vitalna za olakšavanje međunarodne trgovine vodikom, omogućujući zemljama s obilnim resursima obnovljive energije da izvoze vodik u one s većom potražnjom za energijom.

Metode skladištenja vodika

Tehnologije skladištenja vodika mogu se općenito podijeliti na fizičke i kemijske metode skladištenja. Svaki pristup ima svoje prednosti i nedostatke u smislu kapaciteta skladištenja, energetske učinkovitosti, troškova i sigurnosti.

1. Fizičko skladištenje

Fizičko skladištenje uključuje skladištenje vodika kao plina ili tekućine pod određenim uvjetima temperature i tlaka.

a) Komprimirani vodikov plin

Skladištenje komprimiranog vodikovog plina uključuje komprimiranje vodika na visoke tlakove (obično 350-700 bara, pa čak i do 1000 bara u nekim primjenama) i njegovo skladištenje u robusnim tlačnim posudama. Ovo je relativno zrela tehnologija s komercijalno dostupnim rješenjima.

Prednosti:

• Relativno jednostavna tehnologija.
• Brzo vrijeme punjenja gorivom.
• Dobro uspostavljena infrastruktura za rukovanje plinom.

Nedostaci:

• Niska volumetrijska gustoća energije (u usporedbi s tekućim gorivima).
• Visoka potrošnja energije za kompresiju.
• Sigurnosni problemi povezani s visokotlačnim skladištenjem.
• Teški i glomazni spremnici za skladištenje.

Primjeri:

Komprimirani vodik se široko koristi u FCEV-ovima. Na primjer, Hyundaijev NEXO FCEV koristi tri visokotlačna spremnika vodika s kapacitetom skladištenja od 6,33 kg pri 700 bara, što osigurava domet od preko 600 km (WLTP standard).

b) Tekući vodik

Skladištenje tekućeg vodika uključuje hlađenje vodika do njegove kriogene točke vrelišta (-253°C) kako bi se kondenzirao u tekućinu. Ovo značajno povećava volumetrijsku gustoću energije u usporedbi s komprimiranim plinom.

Prednosti:

• Viša volumetrijska gustoća energije od komprimiranog plina.
• Niži tlak skladištenja.

Nedostaci:

• Visoka potrošnja energije za ukapljivanje.
• Gubici isparavanjem (isparavanje vodika zbog propuštanja topline u spremnik).
• Složena i skupa kriogena infrastruktura.

Primjeri:

Tekući vodik se koristi u svemirskim programima (npr. NASA-in Space Shuttle) i istražuje se za primjene u prijevozu na duge relacije, kao što su zrakoplovi i brodovi. Na primjer, Airbus razvija zrakoplove na vodikov pogon koji će koristiti skladištenje tekućeg vodika.

2. Kemijsko skladištenje

Kemijsko skladištenje uključuje skladištenje vodika u kemijskim spojevima, koji oslobađaju vodik reakcijom s okidačem, kao što je toplina ili katalizator.

a) Metalni hidridi

Metalni hidridi su spojevi nastali reakcijom vodika s određenim metalima ili legurama. Vodik se skladišti unutar metalne rešetke i može se osloboditi zagrijavanjem hidrida.

Prednosti:

• Viša volumetrijska gustoća energije od komprimiranog plina.
• Relativno sigurno skladištenje.
• Potencijal za reverzibilno skladištenje (ponovno punjenje vodikom).

Nedostaci:

• Visoka težina metalnog hidridnog materijala.
• Relativno spora kinetika oslobađanja vodika.
• Visoka cijena nekih metalnih hidridnih materijala.
• Izazovi upravljanja toplinom tijekom punjenja i pražnjenja.

Primjeri:

Lantanov nikal hidrid (LaNi5H6) i magnezijev hidrid (MgH2) su primjeri metalnih hidrida koji se istražuju za skladištenje vodika. Istraživanja su usmjerena na poboljšanje njihovog kapaciteta i kinetike skladištenja vodika legiranjem i nanostrukturiranjem. Na primjer, istraživači u Japanu aktivno rade na sustavima temeljenim na MgH2 modificiranim s katalizatorima kako bi poboljšali njihovu učinkovitost.

b) Kemijski hidridi

Kemijski hidridi su spojevi koji oslobađaju vodik reakcijom s vodom ili drugim reaktantom. Primjeri uključuju natrijev borohidrid (NaBH4) i amonij boran (NH3BH3).

Prednosti:

• Visoki kapacitet skladištenja vodika.
• Stabilni na temperaturama okoline.

Nedostaci:

• Nepovratno oslobađanje vodika za neke kemijske hidride (zahtijeva regeneraciju).
• Složenost reakcije i upravljanje nusproduktima.
• Visoka cijena nekih kemijskih hidrida.

Primjeri:

Natrijev borohidrid (NaBH4) se koristi u nekim primjenama gorivnih ćelija. Istraživanja su usmjerena na razvoj učinkovitih metoda za regeneraciju iskorištenog borohidrida. Amonij boran (NH3BH3) je još jedan obećavajući kemijski hidrid, ali njegova regeneracija ostaje izazov. Istraživači u Njemačkoj i Sjedinjenim Državama istražuju različite načine za učinkovitu regeneraciju ovih materijala.

c) Tekući organski nosači vodika (LOHC)

LOHC-i su organske tekućine koje mogu reverzibilno vezati vodik putem reakcija hidrogenacije i dehidrogenacije. Primjeri uključuju toluen/metilcikloheksan i dibenziltoluen/perhidro-dibenziltoluen.

Prednosti:

• Visoka volumetrijska gustoća energije.
• Jednostavan za transport i skladištenje koristeći postojeću infrastrukturu.
• Relativno siguran i stabilan u uvjetima okoline.

Nedostaci:

• Visoka potrošnja energije za hidrogenaciju i dehidrogenaciju.
• Troškovi katalizatora i LOHC materijala.
• Potencijal za deaktivaciju katalizatora.
• Djelomična degradacija LOHC-a tijekom više ciklusa.

Primjeri:

Sustav toluen/metilcikloheksan je jedan od najistraženijih LOHC-a. Vodik se dodaje toluenu da bi se formirao metilcikloheksan, koji se može transportirati i skladištiti. Vodik se zatim oslobađa dehidrogenacijom metilcikloheksana natrag u toluen. Tvrtke u Japanu i Njemačkoj aktivno razvijaju i implementiraju rješenja za skladištenje i transport vodika temeljena na LOHC-u. Chiyoda Corporation u Japanu demonstrirala je globalni lanac opskrbe vodikom koristeći svoju SPERA Hydrogen™ tehnologiju temeljenu na LOHC sustavu toluen/metilcikloheksan, transportirajući vodik iz Bruneja u Japan.

3. Skladištenje na bazi materijala (Adsorpcija)

Ova metoda koristi materijale s visokom površinom, kao što su aktivni ugljen, metalno-organske mreže (MOF) i ugljične nanocjevčice, za adsorbiranje molekula vodika.

Prednosti:

• Relativno nizak tlak skladištenja u usporedbi s komprimiranim plinom.
• Potencijal za visoki kapacitet skladištenja vodika pri niskim temperaturama.

Nedostaci:

• Nizak kapacitet skladištenja vodika pri temperaturama okoline.
• Visoka cijena nekih naprednih materijala (npr. MOF).
• Izazovi u sintezi materijala i povećanju proizvodnje.

Primjeri:

Istraživači diljem svijeta aktivno razvijaju i karakteriziraju nove MOF-ove i druge nanoporozne materijale za skladištenje vodika. Na primjer, znanstvenici na sveučilištima i istraživačkim institucijama u Sjedinjenim Državama, Europi i Aziji sintetiziraju MOF-ove s poboljšanim svojstvima adsorpcije vodika, kao što su povećana površina i jače interakcije s molekulama vodika. Potraga za materijalima koji mogu učinkovito skladištiti vodik pri temperaturama i tlakovima bliskim okolini ostaje ključni fokus.

Izazovi i budući smjerovi u skladištenju vodika

Iako je postignut značajan napredak u tehnologijama skladištenja vodika, ostaje nekoliko izazova:

• Troškovi: Smanjenje troškova sustava za skladištenje vodika ključno je za to da vodikova energija postane konkurentna konvencionalnim gorivima. To uključuje smanjenje troškova materijala, proizvodnje i infrastrukture.
• Energetska učinkovitost: Poboljšanje energetske učinkovitosti procesa skladištenja vodika, kao što su kompresija, ukapljivanje i hidrogenacija/dehidrogenacija, bitno je za maksimiziranje ukupne energetske učinkovitosti lanca vrijednosti vodika.
• Kapacitet skladištenja: Povećanje gravimetrijskog (na temelju težine) i volumetrijskog (na temelju volumena) kapaciteta skladištenja vodika sustava za skladištenje je vitalno za primjene gdje su prostor i težina kritični faktori, kao što je transport.
• Sigurnost: Osiguravanje sigurnog skladištenja i rukovanja vodikom je najvažnije. To uključuje razvoj robusnih sigurnosnih protokola i tehnologija za sprječavanje curenja i eksplozija.
• Trajnost: Poboljšanje trajnosti i životnog vijeka sustava za skladištenje vodika je važno za smanjenje troškova održavanja i osiguravanje dugoročne pouzdanosti.
• Infrastruktura: Razvoj široko rasprostranjene vodikove infrastrukture, uključujući postaje za punjenje gorivom i cjevovode, neophodan je za široko rasprostranjeno usvajanje vodikove energije.
• Stabilnost materijala: Poboljšanje dugoročne stabilnosti materijala koji se koriste u kemijskom skladištenju važno je za sprječavanje degradacije i održavanje performansi tijekom duljih razdoblja.

Budući istraživački i razvojni napori usmjereni su na rješavanje ovih izazova i razvoj inovativnih rješenja za skladištenje vodika. Neka ključna područja fokusa uključuju:

• Napredni materijali: Razvoj novih materijala s poboljšanim svojstvima skladištenja vodika, kao što su MOF-ovi, kovalentne organske mreže (COF) i legure visoke entropije.
• Nanotehnologija: Korištenje nanotehnologije za poboljšanje performansi postojećih materijala za skladištenje i stvaranje novih koncepata skladištenja.
• Krio-kompresija: Kombiniranje kriogenog hlađenja s kompresijom za postizanje visoke gustoće vodika pri umjerenim tlakovima.
• Elektrokemijsko skladištenje: Istraživanje elektrokemijskih metoda za skladištenje vodika, kao što su vodikove baterije.
• Višenamjenski materijali: Razvoj materijala koji mogu obavljati više funkcija, kao što su skladištenje vodika i generiranje električne energije.
• Poboljšani procesi regeneracije: Razvoj učinkovitijih i isplativijih metoda za regeneraciju iskorištenih kemijskih hidrida.
• Optimizirani LOHC sustavi: Dizajniranje LOHC sustava s nižim temperaturama hidrogenacije/dehidrogenacije i stabilnijim katalizatorima.

Globalne inicijative i ulaganja

Vlade i industrije diljem svijeta ulažu značajna sredstva u istraživanje i razvoj skladištenja vodika. Primjeri uključuju:

• Program vodika Ministarstva energetike SAD-a (DOE): Podržava istraživačke, razvojne i demonstracijske projekte usmjerene na unapređenje vodikovih i gorivnih ćelija, uključujući skladištenje vodika.
• Strategija vodika Europske unije: Ima za cilj ubrzati razvoj i implementaciju vodikovih tehnologija diljem Europe, uključujući skladištenje vodika.
• Vijeće za vodik: Globalna inicijativa koju vode izvršni direktori vodećih energetskih, transportnih, industrijskih i investicijskih tvrtki s ujedinjenom vizijom i dugoročnom ambicijom da vodik potakne energetsku tranziciju.
• Nacionalne strategije za vodik: Mnoge zemlje, uključujući Australiju, Kanadu, Njemačku, Japan i Južnu Koreju, razvile su nacionalne strategije za vodik koje uključuju ciljeve i financiranje za istraživanje i implementaciju skladištenja vodika.

Zaključak

Skladištenje vodika je kritična tehnologija koja omogućuje široko rasprostranjeno usvajanje vodikove energije. Iako izazovi ostaju, tekući istraživački i razvojni napori pokreću inovacije u znanosti o materijalima, inženjerstvu i dizajnu sustava. Kako vodikove tehnologije sazrijevaju i troškovi se smanjuju, skladištenje vodika će igrati sve važniju ulogu u dekarbonizaciji različitih sektora i stvaranju održive energetske budućnosti za svijet. Ključ za otključavanje punog potencijala vodika leži u kontinuiranoj potrazi za učinkovitim, sigurnim i isplativim rješenjima za skladištenje koja mogu zadovoljiti različite potrebe globalne vodikove ekonomije. Međunarodna suradnja i razmjena znanja su bitni za ubrzavanje napretka u ovom vitalnom području.