Vandenilio saugojimas: išsamus pasaulinis vadovas

Vandenilis vis labiau pripažįstamas kaip pagrindinis energijos nešiklis pasauliniame perėjime prie tvarios ateities. Jo potencialas dekarbonizuoti įvairius sektorius, įskaitant transportą, pramonę ir elektros energijos gamybą, yra didelis. Tačiau plačiai paplitęs vandenilio energetikos pritaikymas priklauso nuo efektyvių ir ekonomiškų saugojimo sprendimų sukūrimo. Šis vadovas pateikia išsamią skirtingų vandenilio saugojimo metodų apžvalgą, jų iššūkius ir naujausius pasiekimus, skatinančius inovacijas šioje kritiškai svarbioje srityje.

Kodėl vandenilio saugojimas yra svarbus

Vandenilis, nors ir gausus, daugiausia egzistuoja junginiuose, tokiuose kaip vanduo (H2O) ar angliavandeniliai (pvz., metanas, CH4). Gryno vandenilio išgavimas reikalauja energijos, o jo saugojimas kelia unikalių iššūkių dėl mažo tankio ir didelio degumo. Efektyvus saugojimas yra labai svarbus dėl kelių priežasčių:

• Vandeniliu varomo transporto įgalinimas: Pakankamo vandenilio kiekio saugojimas transporto priemonėse yra būtinas, norint pasiekti praktišką kuro elementų elektrinių transporto priemonių (FCEV) nuvažiuojamą atstumą.
• Atsinaujinančių energijos šaltinių integravimas: Vandenilis gali veikti kaip energijos buferis, saugodamas atsinaujinančios energijos perteklių (pvz., saulės, vėjo) didelės gamybos laikotarpiais ir išlaisvindamas jį, kai paklausa yra didelė, taip prisidėdamas prie tinklo stabilumo.
• Pramonės procesų dekarbonizavimas: Daugeliui pramonės procesų vandenilis reikalingas kaip žaliava. Efektyvus saugojimas leidžia patikimai tiekti vandenilį, pagamintą iš atsinaujinančių šaltinių, taip sumažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro.
• Pasaulinės vandenilio ekonomikos kūrimas: Efektyvūs saugojimo sprendimai yra gyvybiškai svarbūs siekiant palengvinti tarptautinę prekybą vandeniliu, leidžiant šalims, turinčioms gausių atsinaujinančios energijos išteklių, eksportuoti vandenilį į šalis, kurių energijos poreikiai yra didesni.

Vandenilio saugojimo metodai

Vandenilio saugojimo technologijas galima plačiai suskirstyti į fizikinio ir cheminio saugojimo metodus. Kiekvienas metodas turi savo privalumų ir trūkumų, susijusių su saugojimo talpa, energijos vartojimo efektyvumu, kaina ir saugumu.

1. Fizikinis saugojimas

Fizikinis saugojimas apima vandenilio saugojimą dujų arba skysčio pavidalu esant tam tikroms temperatūros ir slėgio sąlygoms.

a) Suslėgtos vandenilio dujos

Saugojant suslėgtas vandenilio dujas, vandenilis suspaudžiamas iki aukšto slėgio (paprastai 350–700 barų, o kai kuriose srityse net iki 1000 barų) ir laikomas tvirtuose slėginiuose induose. Tai yra gana brandi technologija su komerciškai prieinamais sprendimais.

Privalumai:

• Santykinai paprasta technologija.
• Greitas degalų papildymo laikas.
• Gerai išvystyta dujų tvarkymo infrastruktūra.

Trūkumai:

• Mažas tūrinis energijos tankis (palyginti su skystaisiais degalais).
• Didelės energijos sąnaudos suspaudimui.
• Saugumo problemos, susijusios su aukšto slėgio saugojimu.
• Sunkios ir didelių gabaritų saugojimo talpyklos.

Pavyzdžiai:

Suslėgtas vandenilis plačiai naudojamas FCEV. Pavyzdžiui, „Hyundai“ NEXO FCEV modelyje naudojamos trys aukšto slėgio vandenilio talpyklos, kurių talpa 6,33 kg esant 700 barų slėgiui, užtikrinančios daugiau nei 600 km nuvažiuojamą atstumą (pagal WLTP standartą).

b) Skystas vandenilis

Saugojant skystą vandenilį, vandenilis atšaldomas iki kriogeninės virimo temperatūros (-253 °C), kad kondensuotųsi į skystį. Tai žymiai padidina tūrinį energijos tankį, palyginti su suslėgtomis dujomis.

Privalumai:

• Didesnis tūrinis energijos tankis nei suslėgtų dujų.
• Mažesnis saugojimo slėgis.

Trūkumai:

• Didelės energijos sąnaudos suskystinimui.
• Nuostoliai dėl išgaravimo (vandenilio garavimas dėl šilumos patekimo į talpyklą).
• Sudėtinga ir brangi kriogeninė infrastruktūra.

Pavyzdžiai:

Skystas vandenilis naudojamas kosmoso programose (pvz., NASA „Space Shuttle“) ir tiriamas ilgųjų nuotolių transporto priemonėse, tokiose kaip lėktuvai ir laivai. Pavyzdžiui, „Airbus“ kuria vandeniliu varomus orlaivius, kuriuose bus naudojamas skysto vandenilio saugojimas.

2. Cheminis saugojimas

Cheminis saugojimas apima vandenilio saugojimą cheminiuose junginiuose, kurie išskiria vandenilį reaguodami su veiksniu, tokiu kaip karštis ar katalizatorius.

a) Metalo hidridai

Metalo hidridai yra junginiai, susidarantys vandeniliui reaguojant su tam tikrais metalais ar lydiniais. Vandenilis yra saugomas metalo gardelėje ir gali būti išlaisvintas kaitinant hidridą.

Privalumai:

• Didesnis tūrinis energijos tankis nei suslėgtų dujų.
• Santykinai saugus saugojimas.
• Galimybė grįžtamai saugoti (pakartotinai įkrauti vandeniliu).

Trūkumai:

• Didelis metalo hidrido medžiagos svoris.
• Santykinai lėta vandenilio išsiskyrimo kinetika.
• Aukšta kai kurių metalo hidridų medžiagų kaina.
• Šilumos valdymo iššūkiai įkrovimo ir iškrovimo metu.

Pavyzdžiai:

Lantano nikelio hidridas (LaNi5H6) ir magnio hidridas (MgH2) yra metalo hidridų, tiriamų vandenilio saugojimui, pavyzdžiai. Tyrimai yra sutelkti į jų vandenilio saugojimo talpos ir kinetikos gerinimą legiruojant ir taikant nanostruktūrizavimą. Pavyzdžiui, mokslininkai Japonijoje aktyviai dirba su MgH2 pagrindu sukurtomis sistemomis, modifikuotomis katalizatoriais, siekdami pagerinti jų veikimą.

b) Cheminiai hidridai

Cheminiai hidridai yra junginiai, kurie išskiria vandenilį reaguodami su vandeniu ar kitu reagentu. Pavyzdžiai: natrio borohidridas (NaBH4) ir amoniako boranas (NH3BH3).

Privalumai:

• Didelė vandenilio saugojimo talpa.
• Stabilūs aplinkos temperatūroje.

Trūkumai:

• Negrįžtamas vandenilio išsiskyrimas kai kuriems cheminiams hidridams (reikalingas regeneravimas).
• Reakcijos ir šalutinių produktų valdymo sudėtingumas.
• Aukšta kai kurių cheminių hidridų kaina.

Pavyzdžiai:

Natrio borohidridas (NaBH4) buvo naudojamas kai kuriose kuro elementų srityse. Tyrimai sutelkti į efektyvių panaudoto borohidrido regeneravimo metodų kūrimą. Amoniako boranas (NH3BH3) yra dar vienas perspektyvus cheminis hidridas, tačiau jo regeneravimas tebėra iššūkis. Mokslininkai Vokietijoje ir Jungtinėse Valstijose tiria įvairius būdus, kaip efektyviai regeneruoti šias medžiagas.

c) Skystieji organiniai vandenilio nešikliai (LOHC)

LOHC yra organiniai skysčiai, kurie gali grįžtamai surišti vandenilį per hidrinimo ir dehidrinimo reakcijas. Pavyzdžiai: toluenas/metilcikloheksanas ir dibenziltoluenas/perhidro-dibenziltoluenas.

Privalumai:

• Didelis tūrinis energijos tankis.
• Lengva transportuoti ir saugoti naudojant esamą infrastruktūrą.
• Santykinai saugūs ir stabilūs aplinkos sąlygomis.

Trūkumai:

• Didelės energijos sąnaudos hidrinimui ir dehidrinimui.
• Katalizatorių ir LOHC medžiagų kaina.
• Galimas katalizatoriaus deaktyvavimas.
• Dalinis LOHC skilimas per kelis ciklus.

Pavyzdžiai:

Toluego/metilcikloheksano sistema yra viena iš labiausiai ištirtų LOHC. Vandenilis pridedamas prie tolueno, kad susidarytų metilcikloheksanas, kurį galima transportuoti ir saugoti. Tada vandenilis išlaisvinamas dehidrinant metilcikloheksaną atgal į tolueną. Įmonės Japonijoje ir Vokietijoje aktyviai kuria ir diegia LOHC pagrįstus vandenilio saugojimo ir transportavimo sprendimus. Japonijos korporacija „Chiyoda“ pademonstravo pasaulinę vandenilio tiekimo grandinę, naudodama savo „SPERA Hydrogen™“ technologiją, pagrįstą tolueno/metilcikloheksano LOHC sistema, transportuodama vandenilį iš Brunėjaus į Japoniją.

3. Medžiagomis pagrįstas saugojimas (Adsorbcija)

Šis metodas naudoja medžiagas su dideliu paviršiaus plotu, tokias kaip aktyvuota anglis, metalo-organiniai karkasai (MOF) ir anglies nanovamzdeliai, kad adsorbuotų vandenilio molekules.

Privalumai:

• Santykinai mažesnis saugojimo slėgis, palyginti su suslėgtomis dujomis.
• Potencialiai didelė vandenilio saugojimo talpa žemose temperatūrose.

Trūkumai:

• Maža vandenilio saugojimo talpa aplinkos temperatūroje.
• Aukšta kai kurių pažangių medžiagų (pvz., MOF) kaina.
• Medžiagų sintezės ir mastelio didinimo iššūkiai.

Pavyzdžiai:

Mokslininkai visame pasaulyje aktyviai kuria ir apibūdina naujus MOF ir kitas nanoporėtas medžiagas vandenilio saugojimui. Pavyzdžiui, mokslininkai universitetuose ir tyrimų institutuose Jungtinėse Valstijose, Europoje ir Azijoje sintetina MOF su pagerintomis vandenilio adsorbcijos savybėmis, tokiomis kaip padidintas paviršiaus plotas ir stipresnė sąveika su vandenilio molekulėmis. Medžiagų, galinčių efektyviai saugoti vandenilį artimose aplinkos temperatūrai ir slėgiui sąlygose, paieška tebėra pagrindinis tikslas.

Iššūkiai ir ateities kryptys vandenilio saugojime

Nors vandenilio saugojimo technologijose pasiekta didelė pažanga, išlieka keletas iššūkių:

• Kaina: Vandenilio saugojimo sistemų kainos mažinimas yra labai svarbus, kad vandenilio energija taptų konkurencinga tradiciniams degalams. Tai apima medžiagų, gamybos ir infrastruktūros išlaidų mažinimą.
• Energijos vartojimo efektyvumas: Vandenilio saugojimo procesų, tokių kaip suspaudimas, suskystinimas ir hidrinimas/dehidrinimas, energijos vartojimo efektyvumo didinimas yra būtinas siekiant maksimaliai padidinti bendrą vandenilio vertės grandinės energijos vartojimo efektyvumą.
• Saugojimo talpa: Saugojimo sistemų gravimetrinės (pagal svorį) ir tūrinės (pagal tūrį) vandenilio saugojimo talpos didinimas yra gyvybiškai svarbus tais atvejais, kai erdvė ir svoris yra kritiniai veiksniai, pavyzdžiui, transporte.
• Saugumas: Užtikrinti saugų vandenilio saugojimą ir tvarkymą yra svarbiausia. Tai apima tvirtų saugos protokolų ir technologijų kūrimą, siekiant išvengti nuotėkių ir sprogimų.
• Patvarumas: Vandenilio saugojimo sistemų patvarumo ir tarnavimo laiko didinimas yra svarbus siekiant sumažinti priežiūros išlaidas ir užtikrinti ilgalaikį patikimumą.
• Infrastruktūra: Plačiai paplitusios vandenilio infrastruktūros, įskaitant degalų papildymo stotis ir vamzdynus, plėtra yra būtina norint plačiai pritaikyti vandenilio energetiką.
• Medžiagų stabilumas: Ilgalaikio cheminiam saugojimui naudojamų medžiagų stabilumo didinimas yra svarbus siekiant išvengti skilimo ir išlaikyti našumą ilgą laiką.

Ateities mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos yra sutelktos į šių iššūkių sprendimą ir inovatyvių vandenilio saugojimo sprendimų kūrimą. Kai kurios pagrindinės sritys yra:

• Pažangios medžiagos: Naujų medžiagų su pagerintomis vandenilio saugojimo savybėmis kūrimas, tokių kaip MOF, kovalentiniai organiniai karkasai (COF) ir didelės entropijos lydiniai.
• Nanotechnologijos: Nanotechnologijų panaudojimas siekiant pagerinti esamų saugojimo medžiagų veikimą ir sukurti naujas saugojimo koncepcijas.
• Kriogeninis suspaudimas: Kriogeninio aušinimo derinimas su suspaudimu siekiant didelio vandenilio tankio esant vidutiniam slėgiui.
• Elektrocheminis saugojimas: Elektrocheminių vandenilio saugojimo metodų, tokių kaip vandenilio baterijos, tyrimas.
• Daugiafunkcinės medžiagos: Medžiagų, galinčių atlikti kelias funkcijas, tokias kaip vandenilio saugojimas ir elektros energijos gamyba, kūrimas.
• Patobulinti regeneravimo procesai: Efektyvesnių ir ekonomiškesnių panaudotų cheminių hidridų regeneravimo metodų kūrimas.
• Optimizuotos LOHC sistemos: LOHC sistemų su žemesnėmis hidrinimo/dehidrinimo temperatūromis ir stabilesniais katalizatoriais projektavimas.

Pasaulinės iniciatyvos ir investicijos

Vyriausybės ir pramonės įmonės visame pasaulyje daug investuoja į vandenilio saugojimo tyrimus ir plėtrą. Pavyzdžiai:

• JAV Energetikos departamento (DOE) vandenilio programa: Remia mokslinių tyrimų, plėtros ir demonstravimo projektus, kuriais siekiama tobulinti vandenilio ir kuro elementų technologijas, įskaitant vandenilio saugojimą.
• Europos Sąjungos vandenilio strategija: Siekiama paspartinti vandenilio technologijų, įskaitant vandenilio saugojimą, plėtrą ir diegimą visoje Europoje.
• Vandenilio taryba (Hydrogen Council): Pasaulinė generalinių direktorių vadovaujama pirmaujančių energetikos, transporto, pramonės ir investicinių bendrovių iniciatyva, turinti bendrą viziją ir ilgalaikį siekį, kad vandenilis skatintų energetikos perėjimą.
• Nacionalinės vandenilio strategijos: Daugelis šalių, įskaitant Australiją, Kanadą, Vokietiją, Japoniją ir Pietų Korėją, parengė nacionalines vandenilio strategijas, kuriose numatyti tikslai ir finansavimas vandenilio saugojimo tyrimams ir diegimui.

Išvada

Vandenilio saugojimas yra kritiškai svarbi technologija, leidžianti plačiai pritaikyti vandenilio energiją. Nors iššūkių išlieka, nuolatinės mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos skatina inovacijas medžiagų mokslo, inžinerijos ir sistemų projektavimo srityse. Vandenilio technologijoms bręstant ir mažėjant išlaidoms, vandenilio saugojimas vaidins vis svarbesnį vaidmenį dekarbonizuojant įvairius sektorius ir kuriant tvarią energetikos ateitį pasauliui. Raktas į viso vandenilio potencialo atskleidimą slypi nuolatiniame efektyvių, saugių ir ekonomiškų saugojimo sprendimų, galinčių patenkinti įvairius pasaulinės vandenilio ekonomikos poreikius, siekyje. Tarptautinis bendradarbiavimas ir dalijimasis žiniomis yra būtini norint paspartinti pažangą šioje gyvybiškai svarbioje srityje.