Latviešu

Izpētiet dažādas ūdeņraža uzglabāšanas metodes, to izaicinājumus un sasniegumus, kas veicina ilgtspējīgu enerģijas nākotni. Globāla perspektīva.

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 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:
Trūkumi:
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:
Trūkumi:
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:
Trūkumi:
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:
Trūkumi:
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:
Trūkumi:
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:
Trūkumi:
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:

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

Globālās iniciatīvas un investīcijas

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

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.