Ūdeņraža uzglabāšanas izpratne: visaptverošs globālais ceļvedis

Ūdeņradis arvien vairāk tiek atzīts par galveno enerģijas nesēju globālajā pārejā uz ilgtspējīgu nākotni. Tā potenciāls dekarbonizēt dažādas nozares, tostarp transportu, rūpniecību un enerģijas ražošanu, ir ievērojams. Tomēr plaša ūdeņraža enerģijas ieviešana ir atkarīga no efektīvu un rentablu uzglabāšanas risinājumu izstrādes. Šis ceļvedis sniedz visaptverošu pārskatu par dažādām ūdeņraža uzglabāšanas metodēm, to izaicinājumiem un jaunākajiem sasniegumiem, kas veicina inovācijas šajā kritiskajā jomā.

Kāpēc ūdeņraža uzglabāšana ir svarīga

Ūdeņradis, lai arī ir bagātīgs, galvenokārt atrodas tādos savienojumos kā ūdens (H2O) vai ogļūdeņraži (piemēram, metāns, CH4). Tīra ūdeņraža ieguvei ir nepieciešama enerģija, un tā uzglabāšana rada unikālus izaicinājumus tā zemās blīvuma un augstās uzliesmojamības dēļ. Efektīva uzglabāšana ir būtiska vairāku iemeslu dēļ:

• Ūdeņraža transportlīdzekļu nodrošināšana: Pietiekama ūdeņraža uzglabāšana transportlīdzekļos ir būtiska, lai sasniegtu praktiskus braukšanas attālumus elektrotransportlīdzekļiem ar degvielas elementiem (FCEV).
• Atjaunojamo enerģijas avotu integrēšana: Ūdeņradis var darboties kā enerģijas buferis, uzglabājot pārmērīgu atjaunojamo enerģiju (piemēram, saules, vēja) augstas ražošanas periodos un atbrīvojot to, kad pieprasījums ir augsts, veicinot tīkla stabilitāti.
• Rūpniecisko procesu dekarbonizācija: Daudzos rūpnieciskos procesos ir nepieciešams ūdeņradis kā izejviela. Efektīva uzglabāšana ļauj nodrošināt uzticamu ūdeņraža piegādi, kas ražots no atjaunojamiem avotiem, samazinot atkarību no fosilā kurināmā.
• Globālas ūdeņraža ekonomikas izveide: Efektīvi uzglabāšanas risinājumi ir būtiski, lai atvieglotu starptautisko ūdeņraža tirdzniecību, ļaujot valstīm ar bagātīgiem atjaunojamās enerģijas resursiem eksportēt ūdeņradi uz valstīm ar augstāku enerģijas pieprasījumu.

Ūdeņraža uzglabāšanas metodes

Ūdeņraža uzglabāšanas tehnoloģijas var iedalīt fiziskās un ķīmiskās uzglabāšanas metodēs. Katram pieejai ir savas priekšrocības un trūkumi attiecībā uz uzglabāšanas jaudu, energoefektivitāti, izmaksām un drošību.

1. Fiziskā uzglabāšana

Fiziskā uzglabāšana ietver ūdeņraža uzglabāšanu gāzes vai šķidrā veidā noteiktos temperatūras un spiediena apstākļos.

a) Saspiesta ūdeņraža gāze

Saspiesta ūdeņraža gāzes uzglabāšana ietver ūdeņraža saspiešanu līdz augstam spiedienam (parasti 350–700 bāri un pat līdz 1000 bāriem dažos lietojumos) un uzglabāšanu izturīgos spiedtvertnēs. Tā ir salīdzinoši nobriedusi tehnoloģija ar komerciāli pieejamiem risinājumiem.

Priekšrocības:

• Salīdzinoši vienkārša tehnoloģija.
• Ātrs uzpildes laiks.
• Labāk attīstīta infrastruktūra gāzes apstrādei.

Trūkumi:

• Zems tilpuma enerģijas blīvums (salīdzinājumā ar šķidro kurināmo).
• Augsts enerģijas patēriņš saspiešanai.
• Drošības apsvērumi, kas saistīti ar augstspiediena uzglabāšanu.
• Smagas un apjomīgas uzglabāšanas tvertnes.

Piemēri:

Saspiests ūdeņradis tiek plaši izmantots FCEV. Piemēram, Hyundai NEXO FCEV izmanto trīs augstspiediena ūdeņraža tvertnes ar uzglabāšanas jaudu 6,33 kg pie 700 bāriem, nodrošinot attālumu vairāk nekā 600 km (WLTP standarts).

b) Šķidrais ūdeņradis

Šķidrā ūdeņraža uzglabāšana ietver ūdeņraža atdzesēšanu līdz tā kriogēnai viršanas temperatūrai (-253°C), lai to kondensētu šķidrumā. Tas ievērojami palielina tilpuma enerģijas blīvumu salīdzinājumā ar saspiestu gāzi.

Priekšrocības:

• Augstāks tilpuma enerģijas blīvums nekā saspiestai gāzei.
• Zemāks uzglabāšanas spiediens.

Trūkumi:

• Augsts enerģijas patēriņš sašķidrināšanai.
• Zaudējumi no iztvaikošanas (ūdeņraža iztvaikošana siltuma noplūdes dēļ tvertnē).
• Sarežģīta un dārga kriogēnā infrastruktūra.

Piemēri:

Šķidro ūdeņradi izmanto kosmosa programmās (piemēram, NASA Space Shuttle), un to pēta attālajos transporta lietojumos, piemēram, lidmašīnās un kuģos. Piemēram, Airbus izstrādā ar ūdeņradi darbināmas lidmašīnas, kurās tiks izmantota šķidrā ūdeņraža uzglabāšana.

2. Ķīmiskā uzglabāšana

Ķīmiskā uzglabāšana ietver ūdeņraža uzglabāšanu ķīmiskos savienojumos, kas atbrīvo ūdeņradi, reaģējot ar tādu aktivatoru kā siltums vai katalizators.

a) Metālu hidrīdi

Metālu hidrīdi ir savienojumi, kas veidojas ūdeņraža reakcijā ar noteiktiem metāliem vai sakausējumiem. Ūdeņradis tiek uzglabāts metāla režģī un var atbrīvoties, sildot hidrīdu.

Priekšrocības:

• Augstāks tilpuma enerģijas blīvums nekā saspiestai gāzei.
• Salīdzinoši droša uzglabāšana.
• Potenciāls atgriezeniskai uzglabāšanai (uzlādei ar ūdeņradi).

Trūkumi:

• Metāla hidrīda materiāla liels svars.
• Salīdzinoši lēna ūdeņraža atbrīvošanas kinētika.
• Dažu metālu hidrīda materiālu augstās izmaksas.
• Siltuma pārvaldības problēmas uzlādes un izlādes laikā.

Piemēri:

Lantāna niķeļa hidrīds (LaNi5H6) un magnija hidrīds (MgH2) ir metālu hidrīdu piemēri, kas tiek pētīti ūdeņraža uzglabāšanai. Pētījumi ir vērsti uz to ūdeņraža uzglabāšanas jaudas un kinētikas uzlabošanu, izmantojot sakausēšanu un nanostrukturēšanu. Piemēram, pētnieki Japānā aktīvi strādā pie MgH2 bāzes sistēmām, kas modificētas ar katalizatoriem, lai uzlabotu to veiktspēju.

b) Ķīmiskie hidrīdi

Ķīmiskie hidrīdi ir savienojumi, kas atbrīvo ūdeņradi, reaģējot ar ūdeni vai citu reaģentu. Piemēram, nātrija borohidrīds (NaBH4) un amonija borāns (NH3BH3).

Priekšrocības:

• Augsta ūdeņraža uzglabāšanas jauda.
• Stabils apkārtējās vides temperatūrā.

Trūkumi:

• Neatgriezeniska ūdeņraža atbrīvošana dažiem ķīmiskajiem hidrīdiem (nepieciešama reģenerācija).
• Reakcijas sarežģītība un blakusproduktu pārvaldība.
• Dažu ķīmisko hidrīdu augstās izmaksas.

Piemēri:

Nātrija borohidrīds (NaBH4) ir izmantots dažos degvielas elementu lietojumos. Pētījumi ir vērsti uz efektīvu metožu izstrādi izlietotā borohidrīda reģenerācijai. Amonija borāns (NH3BH3) ir vēl viens daudzsološs ķīmiskais hidrīds, taču tā reģenerācija joprojām ir izaicinājums. Pētnieki Vācijā un Amerikas Savienotajās Valstīs pēta dažādus veidus, kā efektīvi reģenerēt šos materiālus.

c) Šķidrie organiskie ūdeņraža nesēji (LOHC)

LOHC ir organiskie šķidrumi, kas var atgriezeniski saistīt ūdeņradi, izmantojot hidrogenēšanas un dehidrogenēšanas reakcijas. Piemēram, toluols/metilcikloheksāns un dibenziltoluols/perhidro-dibenziltoluols.

Priekšrocības:

• Augsts tilpuma enerģijas blīvums.
• Viegli transportēt un uzglabāt, izmantojot esošo infrastruktūru.
• Salīdzinoši droši un stabili apkārtējās vides apstākļos.

Trūkumi:

• Augsts enerģijas patēriņš hidrogenēšanai un dehidrogenēšanai.
• Katalizatoru un LOHC materiālu izmaksas.
• Iespējamā katalizatora deaktivizēšanās.
• Daļēja LOHC degradācija vairākos ciklos.

Piemēri:

Toluola/metilcikloheksāna sistēma ir viena no visvairāk pētītajām LOHC. Ūdeņradis tiek pievienots toluolam, veidojot metilcikloheksānu, ko var transportēt un uzglabāt. Pēc tam ūdeņradis tiek atbrīvots, dehidrogenējot metilcikloheksānu atpakaļ par toluolu. Kompānijas Japānā un Vācijā aktīvi izstrādā un izmanto uz LOHC balstītus ūdeņraža uzglabāšanas un transporta risinājumus. Chiyoda Corporation Japānā ir demonstrējusi globālu ūdeņraža piegādes ķēdi, izmantojot savu SPERA Hydrogen™ tehnoloģiju, kuras pamatā ir toluola/metilcikloheksāna LOHC sistēma, transportējot ūdeņradi no Brunejas uz Japānu.

3. Uz materiāliem balstīta uzglabāšana (adsorbcija)

Šī metode izmanto materiālus ar lielu virsmas laukumu, piemēram, aktivēto ogli, metāla organiskos karkasus (MOF) un oglekļa nanocaurulītes, lai adsorbētu ūdeņraža molekulas.

Priekšrocības:

• Salīdzinoši zems uzglabāšanas spiediens salīdzinājumā ar saspiestu gāzi.
• Potenciāls augstas ūdeņraža uzglabāšanas jaudai zemā temperatūrā.

Trūkumi:

• Zema ūdeņraža uzglabāšanas jauda apkārtējās vides temperatūrā.
• Dažu modernu materiālu (piemēram, MOF) augstās izmaksas.
• Izaicinājumi materiālu sintēzē un mērogošanā.

Piemēri:

Pētnieki visā pasaulē aktīvi izstrādā un raksturo jaunus MOF un citus nanoporainus materiālus ūdeņraža uzglabāšanai. Piemēram, zinātnieki universitātēs un pētniecības iestādēs Amerikas Savienotajās Valstīs, Eiropā un Āzijā sintezē MOF ar uzlabotām ūdeņraža adsorbcijas īpašībām, piemēram, palielinātu virsmas laukumu un spēcīgāku mijiedarbību ar ūdeņraža molekulām. Jaunu materiālu meklēšana, kas var efektīvi uzglabāt ūdeņradi gandrīz apkārtējās vides temperatūrā un spiedienā, joprojām ir galvenais fokuss.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni ūdeņraža uzglabāšanā

Lai gan ūdeņraža uzglabāšanas tehnoloģijās ir panākts ievērojams progress, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi:

• Izmaksas: Ūdeņraža enerģijas konkurētspējas nodrošināšanai ar parasto kurināmo ir ļoti svarīgi samazināt ūdeņraža uzglabāšanas sistēmu izmaksas. Tas ietver materiālu, ražošanas un infrastruktūras izmaksu samazināšanu.
• Energoefektivitāte: Lai maksimāli palielinātu ūdeņraža vērtības ķēdes vispārējo energoefektivitāti, ir svarīgi uzlabot ūdeņraža uzglabāšanas procesu, piemēram, saspiešanas, sašķidrināšanas un hidrogenēšanas/dehidrogenēšanas, energoefektivitāti.
• Uzglabāšanas jauda: Uzglabāšanas sistēmu gravitācijas (svara) un tilpuma (tilpuma) ūdeņraža uzglabāšanas jaudas palielināšana ir ļoti svarīga lietojumos, kur telpa un svars ir kritiski faktori, piemēram, transportā.
• Drošība: Ūdeņraža droša uzglabāšana un apstrāde ir vissvarīgākā. Tas ietver stabilu drošības protokolu un tehnoloģiju izstrādi, lai novērstu noplūdes un sprādzienus.
• Izturība: Ūdeņraža uzglabāšanas sistēmu izturības un kalpošanas laika uzlabošana ir svarīga, lai samazinātu uzturēšanas izmaksas un nodrošinātu ilgtermiņa uzticamību.
• Infrastruktūra: Plašas ūdeņraža infrastruktūras, tostarp uzpildes staciju un cauruļvadu, izstrāde ir nepieciešama plašai ūdeņraža enerģijas ieviešanai.
• Materiālu stabilitāte: Ķīmiskajā uzglabāšanā izmantoto materiālu ilgtermiņa stabilitātes uzlabošana ir svarīga, lai novērstu degradāciju un uzturētu veiktspēju ilgstoši.

Nākotnes pētniecības un attīstības centieni ir vērsti uz šo izaicinājumu risināšanu un inovatīvu ūdeņraža uzglabāšanas risinājumu izstrādi. Dažas galvenās fokusa jomas ir:

• Papildu materiāli: Jaunu materiālu izstrāde ar uzlabotām ūdeņraža uzglabāšanas īpašībām, piemēram, MOF, kovalentie organiskie karkasi (COF) un augstas entropijas sakausējumi.
• Nanotehnoloģijas: Nanotehnoloģiju izmantošana esošo uzglabāšanas materiālu veiktspējas uzlabošanai un jaunu uzglabāšanas koncepciju izveidei.
• Kriokompresija: Kriogēnās dzesēšanas apvienošana ar saspiešanu, lai sasniegtu augstu ūdeņraža blīvumu mērenā spiedienā.
• Elektroķīmiskā uzglabāšana: Elektroķīmisko metožu izpēte ūdeņraža uzglabāšanai, piemēram, ūdeņraža baterijas.
• Daudzfunkcionāli materiāli: Materiālu izstrāde, kas var veikt vairākas funkcijas, piemēram, uzglabāt ūdeņradi un ģenerēt elektrību.
• Uzlaboti reģenerācijas procesi: Efektīvāku un rentablāku metožu izstrāde izlietoto ķīmisko hidrīdu reģenerācijai.
• Optimizētas LOHC sistēmas: LOHC sistēmu projektēšana ar zemāku hidrogenēšanas/dehidrogenēšanas temperatūru un stabilākiem katalizatoriem.

Globālās iniciatīvas un investīcijas

Valdības un nozares visā pasaulē ievērojami investē ūdeņraža uzglabāšanas pētniecībā un attīstībā. Piemēram:

• ASV Enerģētikas departamenta (DOE) ūdeņraža programma: Atbalsta pētniecības, attīstības un demonstrācijas projektus, kuru mērķis ir uzlabot ūdeņraža un degvielas elementu tehnoloģijas, ieskaitot ūdeņraža uzglabāšanu.
• Eiropas Savienības ūdeņraža stratēģija: Mērķis ir paātrināt ūdeņraža tehnoloģiju attīstību un izmantošanu visā Eiropā, ieskaitot ūdeņraža uzglabāšanu.
• Ūdeņraža padome: Globāla iniciatīva, ko vada izpilddirektori, kas apvieno vadošās enerģijas, transporta, rūpniecības un investīciju kompānijas ar vienotu vīziju un ilgtermiņa ambīcijām attiecībā uz ūdeņradi, lai veicinātu enerģētisko pāreju.
• Valsts ūdeņraža stratēģijas: Daudzas valstis, tostarp Austrālija, Kanāda, Vācija, Japāna un Dienvidkoreja, ir izstrādājušas valsts ūdeņraža stratēģijas, kas ietver mērķus un finansējumu ūdeņraža uzglabāšanas pētniecībai un izvietošanai.

Secinājums

Ūdeņraža uzglabāšana ir kritiski svarīga tehnoloģija, kas nodrošina plašu ūdeņraža enerģijas ieviešanu. Lai gan izaicinājumi joprojām pastāv, notiekošie pētniecības un attīstības centieni veicina inovācijas materiālu zinātnē, inženierzinātnēs un sistēmu projektēšanā. Ūdeņraža tehnoloģiju attīstībai un izmaksu samazināšanai ūdeņraža uzglabāšanai būs arvien svarīgāka loma dažādu nozaru dekarbonizācijā un ilgtspējīgas enerģijas nākotnes radīšanā pasaulei. Atslēga ūdeņraža pilnā potenciāla atklāšanai ir nepārtraukta efektīvu, drošu un rentablu uzglabāšanas risinājumu meklēšana, kas var apmierināt globālās ūdeņraža ekonomikas daudzveidīgās vajadzības. Starptautiska sadarbība un zināšanu apmaiņa ir būtiska, lai paātrinātu progresu šajā svarīgajā jomā.