Хранение водорода: всеобъемлющее глобальное руководство

Водород все чаще признается ключевым энергоносителем в глобальном переходе к устойчивому будущему. Его потенциал для декарбонизации различных секторов, включая транспорт, промышленность и производство электроэнергии, значителен. Однако широкое внедрение водородной энергетики зависит от разработки эффективных и экономичных решений для хранения. Это руководство представляет собой всеобъемлющий обзор различных методов хранения водорода, их проблем и последних достижений, стимулирующих инновации в этой критически важной области.

Почему хранение водорода так важно

Водород, несмотря на свою распространенность, существует в основном в виде соединений, таких как вода (H2O) или углеводороды (например, метан, CH4). Для извлечения чистого водорода требуется энергия, а его хранение сопряжено с уникальными проблемами из-за его низкой плотности и высокой горючести. Эффективное хранение имеет решающее значение по нескольким причинам:

• Обеспечение транспорта на водородном топливе: Хранение достаточного количества водорода на борту транспортных средств необходимо для достижения практического запаса хода для электромобилей на топливных элементах (FCEV).
• Интеграция возобновляемых источников энергии: Водород может выступать в качестве энергетического буфера, накапливая избыточную возобновляемую энергию (например, солнечную, ветровую) в периоды высокой выработки и высвобождая ее при высоком спросе, способствуя стабильности энергосистемы.
• Декарбонизация промышленных процессов: Многие промышленные процессы требуют водорода в качестве сырья. Эффективное хранение обеспечивает надежные поставки водорода, произведенного из возобновляемых источников, снижая зависимость от ископаемого топлива.
• Создание глобальной водородной экономики: Эффективные решения для хранения жизненно важны для содействия международной торговле водородом, позволяя странам с обильными возобновляемыми энергоресурсами экспортировать водород в страны с более высокими энергетическими потребностями.

Методы хранения водорода

Технологии хранения водорода можно условно разделить на физические и химические методы хранения. Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения емкости хранения, энергоэффективности, стоимости и безопасности.

1. Физическое хранение

Физическое хранение предполагает хранение водорода в виде газа или жидкости при определенных условиях температуры и давления.

а) Сжатый газообразный водород

Хранение сжатого газообразного водорода включает сжатие водорода до высоких давлений (обычно 350-700 бар, а в некоторых применениях до 1000 бар) и его хранение в прочных сосудах под давлением. Это относительно зрелая технология с коммерчески доступными решениями.

Преимущества:

• Относительно простая технология.
• Быстрое время заправки.
• Хорошо развитая инфраструктура для работы с газами.

Недостатки:

• Низкая объемная плотность энергии (по сравнению с жидким топливом).
• Высокое энергопотребление для сжатия.
• Проблемы безопасности, связанные с хранением под высоким давлением.
• Тяжелые и громоздкие баки для хранения.

Примеры:

Сжатый водород широко используется в FCEV. Например, Hyundai NEXO FCEV использует три водородных бака высокого давления с емкостью хранения 6,33 кг при 700 бар, обеспечивая запас хода более 600 км (по стандарту WLTP).

б) Жидкий водород

Хранение жидкого водорода включает охлаждение водорода до его криогенной точки кипения (-253°C) для его конденсации в жидкость. Это значительно увеличивает объемную плотность энергии по сравнению со сжатым газом.

Преимущества:

• Более высокая объемная плотность энергии, чем у сжатого газа.
• Более низкое давление хранения.

Недостатки:

• Высокое энергопотребление для сжижения.
• Потери от выкипания (испарение водорода из-за утечки тепла в бак).
• Сложная и дорогая криогенная инфраструктура.

Примеры:

Жидкий водород используется в космических программах (например, в Space Shuttle от NASA) и рассматривается для применения в дальнемагистральных перевозках, таких как самолеты и корабли. Например, Airbus разрабатывает самолеты на водородном топливе, которые будут использовать хранение жидкого водорода.

2. Химическое хранение

Химическое хранение предполагает хранение водорода в химических соединениях, которые высвобождают водород при реакции с триггером, таким как тепло или катализатор.

а) Гидриды металлов

Гидриды металлов — это соединения, образующиеся в результате реакции водорода с определенными металлами или сплавами. Водород хранится в металлической решетке и может быть высвобожден при нагревании гидрида.

Преимущества:

• Более высокая объемная плотность энергии, чем у сжатого газа.
• Относительно безопасное хранение.
• Потенциал для обратимого хранения (перезарядка водородом).

Недостатки:

• Большой вес материала гидрида металла.
• Относительно медленная кинетика высвобождения водорода.
• Высокая стоимость некоторых гидридов металлов.
• Проблемы с управлением теплом во время зарядки и разрядки.

Примеры:

Гидрид лантана-никеля (LaNi5H6) и гидрид магния (MgH2) являются примерами гидридов металлов, исследуемых для хранения водорода. Исследования сосредоточены на улучшении их емкости хранения водорода и кинетики путем легирования и наноструктурирования. Например, исследователи в Японии активно работают над системами на основе MgH2, модифицированными катализаторами для улучшения их производительности.

б) Химические гидриды

Химические гидриды — это соединения, которые выделяют водород при реакции с водой или другим реагентом. Примеры включают боргидрид натрия (NaBH4) и аминоборан (NH3BH3).

Преимущества:

• Высокая емкость хранения водорода.
• Стабильность при комнатной температуре.

Недостатки:

• Необратимое выделение водорода для некоторых химических гидридов (требуется регенерация).
• Сложность реакции и управления побочными продуктами.
• Высокая стоимость некоторых химических гидридов.

Примеры:

Боргидрид натрия (NaBH4) использовался в некоторых приложениях на топливных элементах. Исследования сосредоточены на разработке эффективных методов регенерации отработанного боргидрида. Аминоборан (NH3BH3) — еще один перспективный химический гидрид, но его регенерация остается сложной задачей. Исследователи в Германии и США изучают различные пути эффективной регенерации этих материалов.

в) Жидкие органические носители водорода (LOHC)

LOHC — это органические жидкости, которые могут обратимо связывать водород посредством реакций гидрирования и дегидрирования. Примеры включают толуол/метилциклогексан и дибензилтолуол/пергидро-дибензилтолуол.

Преимущества:

• Высокая объемная плотность энергии.
• Легкость транспортировки и хранения с использованием существующей инфраструктуры.
• Относительная безопасность и стабильность при комнатных условиях.

Недостатки:

• Высокое энергопотребление для гидрирования и дегидрирования.
• Стоимость катализаторов и материалов LOHC.
• Потенциал деактивации катализатора.
• Частичная деградация LOHC после множества циклов.

Примеры:

Система толуол/метилциклогексан является одной из наиболее изученных LOHC. Водород добавляется к толуолу для образования метилциклогексана, который можно транспортировать и хранить. Затем водород высвобождается путем дегидрирования метилциклогексана обратно в толуол. Компании в Японии и Германии активно разрабатывают и внедряют решения для хранения и транспортировки водорода на основе LOHC. Корпорация Chiyoda в Японии продемонстрировала глобальную цепочку поставок водорода с использованием своей технологии SPERA Hydrogen™ на основе системы LOHC толуол/метилциклогексан, транспортируя водород из Брунея в Японию.

3. Хранение на основе материалов (Адсорбция)

Этот метод использует материалы с большой площадью поверхности, такие как активированный уголь, металл-органические каркасные структуры (MOF) и углеродные нанотрубки, для адсорбции молекул водорода.

Преимущества:

• Относительно низкое давление хранения по сравнению со сжатым газом.
• Потенциал для высокой емкости хранения водорода при низких температурах.

Недостатки:

• Низкая емкость хранения водорода при комнатной температуре.
• Высокая стоимость некоторых передовых материалов (например, MOF).
• Сложности в синтезе и масштабировании материалов.

Примеры:

Исследователи по всему миру активно разрабатывают и характеризуют новые MOF и другие нанопористые материалы для хранения водорода. Например, ученые в университетах и исследовательских институтах США, Европы и Азии синтезируют MOF с улучшенными свойствами адсорбции водорода, такими как увеличенная площадь поверхности и более сильные взаимодействия с молекулами водорода. Поиск материалов, которые могут эффективно хранить водород при температурах и давлениях, близких к комнатным, остается ключевым направлением.

Проблемы и будущие направления в области хранения водорода

Несмотря на значительный прогресс в технологиях хранения водорода, остается несколько проблем:

• Стоимость: Снижение стоимости систем хранения водорода имеет решающее значение для того, чтобы сделать водородную энергию конкурентоспособной по сравнению с традиционными видами топлива. Это включает снижение стоимости материалов, производства и инфраструктуры.
• Энергоэффективность: Повышение энергоэффективности процессов хранения водорода, таких как сжатие, сжижение и гидрирование/дегидрирование, необходимо для максимизации общей энергоэффективности всей цепочки создания стоимости водорода.
• Емкость хранения: Увеличение гравиметрической (по весу) и объемной (по объему) емкости хранения водорода в системах хранения жизненно важно для применений, где пространство и вес являются критическими факторами, например, в транспорте.
• Безопасность: Обеспечение безопасного хранения и обращения с водородом имеет первостепенное значение. Это включает разработку надежных протоколов безопасности и технологий для предотвращения утечек и взрывов.
• Долговечность: Повышение долговечности и срока службы систем хранения водорода важно для снижения затрат на техническое обслуживание и обеспечения долгосрочной надежности.
• Инфраструктура: Развитие широкой водородной инфраструктуры, включая заправочные станции и трубопроводы, необходимо для широкого внедрения водородной энергетики.
• Стабильность материалов: Повышение долгосрочной стабильности материалов, используемых в химическом хранении, важно для предотвращения деградации и поддержания производительности в течение длительных периодов.

Будущие исследования и разработки направлены на решение этих проблем и создание инновационных решений для хранения водорода. Некоторые из ключевых направлений включают:

• Передовые материалы: Разработка новых материалов с улучшенными свойствами хранения водорода, таких как MOF, ковалентно-органические каркасные структуры (COF) и высокоэнтропийные сплавы.
• Нанотехнологии: Использование нанотехнологий для улучшения характеристик существующих материалов для хранения и создания новых концепций хранения.
• Криокомпрессия: Сочетание криогенного охлаждения со сжатием для достижения высокой плотности водорода при умеренных давлениях.
• Электрохимическое хранение: Изучение электрохимических методов хранения водорода, таких как водородные батареи.
• Многофункциональные материалы: Разработка материалов, которые могут выполнять несколько функций, таких как хранение водорода и выработка электроэнергии.
• Улучшенные процессы регенерации: Разработка более эффективных и экономичных методов регенерации отработанных химических гидридов.
• Оптимизированные системы LOHC: Проектирование систем LOHC с более низкими температурами гидрирования/дегидрирования и более стабильными катализаторами.

Глобальные инициативы и инвестиции

Правительства и промышленные предприятия по всему миру активно инвестируют в исследования и разработки в области хранения водорода. Примеры включают:

• Водородная программа Министерства энергетики США (DOE Hydrogen Program): Поддерживает исследовательские, опытно-конструкторские и демонстрационные проекты, направленные на продвижение водородных и топливных элементов, включая хранение водорода.
• Водородная стратегия Европейского союза (The European Union's Hydrogen Strategy): Направлена на ускорение разработки и внедрения водородных технологий по всей Европе, включая хранение водорода.
• Водородный совет (The Hydrogen Council): Глобальная инициатива, возглавляемая генеральными директорами ведущих компаний в области энергетики, транспорта, промышленности и инвестиций, с единым видением и долгосрочными амбициями по содействию энергетическому переходу с помощью водорода.
• Национальные водородные стратегии: Многие страны, включая Австралию, Канаду, Германию, Японию и Южную Корею, разработали национальные водородные стратегии, которые включают цели и финансирование для исследований и внедрения систем хранения водорода.

Заключение

Хранение водорода является критически важной технологией для широкого внедрения водородной энергетики. Несмотря на существующие проблемы, текущие исследования и разработки стимулируют инновации в материаловедении, инженерии и проектировании систем. По мере созревания водородных технологий и снижения затрат хранение водорода будет играть все более важную роль в декарбонизации различных секторов и создании устойчивого энергетического будущего для всего мира. Ключ к раскрытию полного потенциала водорода лежит в непрерывном поиске эффективных, безопасных и экономически выгодных решений для хранения, которые могут удовлетворить разнообразные потребности глобальной водородной экономики. Международное сотрудничество и обмен знаниями необходимы для ускорения прогресса в этой жизненно важной области.