Razumevanje shranjevanja vodika: Celovit globalni vodnik

Vodik je vse bolj prepoznan kot ključni nosilec energije v globalnem prehodu v trajnostno prihodnost. Njegov potencial za dekarbonizacijo različnih sektorjev, vključno s prometom, industrijo in proizvodnjo električne energije, je pomemben. Vendar pa je široka uporaba vodikove energije odvisna od razvoja učinkovitih in stroškovno ugodnih rešitev za shranjevanje. Ta vodnik ponuja celovit pregled različnih metod shranjevanja vodika, njihovih izzivov in najnovejših napredkov, ki spodbujajo inovacije na tem kritičnem področju.

Zakaj je shranjevanje vodika pomembno

Vodik, čeprav ga je v naravi veliko, obstaja predvsem v spojinah, kot sta voda (H2O) ali ogljikovodiki (npr. metan, CH4). Pridobivanje čistega vodika zahteva energijo, njegovo shranjevanje pa predstavlja edinstvene izzive zaradi nizke gostote in visoke vnetljivosti. Učinkovito shranjevanje je ključno iz več razlogov:

• Omogočanje prometa na vodikov pogon: Shranjevanje zadostne količine vodika v vozilih je bistveno za doseganje praktičnih doseg vožnje za električna vozila na gorivne celice (FCEV).
• Vključevanje obnovljivih virov energije: Vodik lahko deluje kot energetski blažilnik, ki shranjuje presežno obnovljivo energijo (npr. sončno, vetrno) v obdobjih visoke proizvodnje in jo sprošča, ko je povpraševanje visoko, kar prispeva k stabilnosti omrežja.
• Dekarbonizacija industrijskih procesov: Mnogi industrijski procesi potrebujejo vodik kot surovino. Učinkovito shranjevanje omogoča zanesljivo dobavo vodika, proizvedenega iz obnovljivih virov, s čimer se zmanjša odvisnost od fosilnih goriv.
• Ustvarjanje globalnega vodikovega gospodarstva: Učinkovite rešitve za shranjevanje so ključne za olajšanje mednarodne trgovine z vodikom, kar državam z bogatimi viri obnovljive energije omogoča izvoz vodika v države z višjimi energetskimi potrebami.

Metode shranjevanja vodika

Tehnologije shranjevanja vodika lahko v grobem razdelimo na fizikalne in kemične metode shranjevanja. Vsak pristop ima svoje prednosti in slabosti glede na zmogljivost shranjevanja, energetsko učinkovitost, stroške in varnost.

1. Fizikalno shranjevanje

Fizikalno shranjevanje vključuje shranjevanje vodika kot plina ali tekočine pod določenimi pogoji temperature in tlaka.

a) Stisnjen vodikov plin

Shranjevanje stisnjenega vodikovega plina vključuje stiskanje vodika na visoke tlake (običajno 350-700 barov, v nekaterih primerih celo do 1000 barov) in shranjevanje v robustnih tlačnih posodah. To je relativno zrela tehnologija s komercialno dostopnimi rešitvami.

Prednosti:

• Relativno preprosta tehnologija.
• Hitri časi polnjenja.
• Dobro uveljavljena infrastruktura za ravnanje s plini.

Slabosti:

• Nizka volumetrična energijska gostota (v primerjavi s tekočimi gorivi).
• Visoka poraba energije za stiskanje.
• Varnostni pomisleki, povezani s shranjevanjem pod visokim tlakom.
• Težke in prostorne posode za shranjevanje.

Primeri:

Stisnjen vodik se pogosto uporablja v vozilih FCEV. Na primer, Hyundaijev NEXO FCEV uporablja tri visokotlačne posode za vodik s kapaciteto shranjevanja 6,33 kg pri 700 barih, kar omogoča doseg več kot 600 km (po standardu WLTP).

b) Utekočinjen vodik

Shranjevanje utekočinjenega vodika vključuje hlajenje vodika na njegovo kriogeno vrelišče (-253°C), da se kondenzira v tekočino. To znatno poveča volumetrično energijsko gostoto v primerjavi s stisnjenim plinom.

Prednosti:

• Višja volumetrična energijska gostota kot pri stisnjenem plinu.
• Nižji tlak shranjevanja.

Slabosti:

• Visoka poraba energije za utekočinjenje.
• Izgube zaradi izparevanja (izhlapevanje vodika zaradi vdora toplote v posodo).
• Kompleksna in draga kriogena infrastruktura.

Primeri:

Utekočinjen vodik se uporablja v vesoljskih programih (npr. NASA-in Space Shuttle) in se preučuje za uporabo v prevozu na dolge razdalje, kot so letala in ladje. Na primer, Airbus razvija letala na vodikov pogon, ki bodo uporabljala shranjevanje utekočinjenega vodika.

2. Kemično shranjevanje

Kemično shranjevanje vključuje shranjevanje vodika v kemičnih spojinah, ki sproščajo vodik ob reakciji s sprožilcem, kot je toplota ali katalizator.

a) Kovinski hidridi

Kovinski hidridi so spojine, ki nastanejo z reakcijo vodika z določenimi kovinami ali zlitinami. Vodik je shranjen znotraj kovinske mreže in se lahko sprosti s segrevanjem hidrida.

Prednosti:

• Višja volumetrična energijska gostota kot pri stisnjenem plinu.
• Relativno varno shranjevanje.
• Potencial za reverzibilno shranjevanje (ponovno polnjenje z vodikom).

Slabosti:

• Velika teža materiala kovinskega hidrida.
• Relativno počasna kinetika sproščanja vodika.
• Visoki stroški nekaterih materialov kovinskih hidridov.
• Izzivi pri upravljanju toplote med polnjenjem in praznjenjem.

Primeri:

Lantan-nikljev hidrid (LaNi5H6) in magnezijev hidrid (MgH2) sta primera kovinskih hidridov, ki se preiskujejo za shranjevanje vodika. Raziskave so osredotočene na izboljšanje njihove zmogljivosti shranjevanja vodika in kinetike z legiranjem in nanostrukturiranjem. Na primer, raziskovalci na Japonskem aktivno delajo na sistemih na osnovi MgH2, modificiranih s katalizatorji za izboljšanje njihove učinkovitosti.

b) Kemični hidridi

Kemični hidridi so spojine, ki sproščajo vodik ob reakciji z vodo ali drugim reaktantom. Primeri vključujejo natrijev borohidrid (NaBH4) in amonijev boran (NH3BH3).

Prednosti:

• Visoka zmogljivost shranjevanja vodika.
• Stabilni pri sobni temperaturi.

Slabosti:

• Ireverzibilno sproščanje vodika pri nekaterih kemičnih hidridih (zahteva regeneracijo).
• Kompleksnost reakcije in upravljanje stranskih produktov.
• Visoki stroški nekaterih kemičnih hidridov.

Primeri:

Natrijev borohidrid (NaBH4) se je uporabljal v nekaterih aplikacijah gorivnih celic. Raziskave so osredotočene na razvoj učinkovitih metod za regeneracijo porabljenega borohidrida. Amonijev boran (NH3BH3) je še en obetaven kemični hidrid, vendar njegova regeneracija ostaja izziv. Raziskovalci v Nemčiji in Združenih državah Amerike raziskujejo različne poti za učinkovito regeneracijo teh materialov.

c) Tekoči organski nosilci vodika (LOHC)

LOHC so organske tekočine, ki lahko reverzibilno vežejo vodik z reakcijami hidrogeniranja in dehidrogeniranja. Primeri vključujejo toluen/metilcikloheksan in dibenziltoluen/perhidro-dibenziltoluen.

Prednosti:

• Visoka volumetrična energijska gostota.
• Enostaven transport in shranjevanje z uporabo obstoječe infrastrukture.
• Relativno varni in stabilni pri sobnih pogojih.

Slabosti:

• Visoka poraba energije za hidrogeniranje in dehidrogeniranje.
• Stroški katalizatorjev in LOHC materialov.
• Možnost deaktivacije katalizatorja.
• Delna razgradnja LOHC po več ciklih.

Primeri:

Sistem toluen/metilcikloheksan je eden najbolj preučevanih LOHC. Vodik se doda toluenu, da nastane metilcikloheksan, ki ga je mogoče prevažati in shranjevati. Vodik se nato sprosti z dehidrogeniranjem metilcikloheksana nazaj v toluen. Podjetja na Japonskem in v Nemčiji aktivno razvijajo in uvajajo rešitve za shranjevanje in transport vodika na osnovi LOHC. Korporacija Chiyoda na Japonskem je predstavila globalno dobavno verigo vodika z uporabo svoje tehnologije SPERA Hydrogen™ na osnovi sistema LOHC toluen/metilcikloheksan, s katero prevaža vodik iz Bruneja na Japonsko.

3. Shranjevanje na osnovi materialov (adsorpcija)

Ta metoda uporablja materiale z veliko površino, kot so aktivno oglje, kovinsko-organski ogrodji (MOF) in ogljikove nanocevke, za adsorpcijo molekul vodika.

Prednosti:

• Relativno nizek tlak shranjevanja v primerjavi s stisnjenim plinom.
• Potencial za visoko zmogljivost shranjevanja vodika pri nizkih temperaturah.

Slabosti:

• Nizka zmogljivost shranjevanja vodika pri sobnih temperaturah.
• Visoki stroški nekaterih naprednih materialov (npr. MOF).
• Izzivi pri sintezi materialov in povečevanju obsega proizvodnje.

Primeri:

Raziskovalci po vsem svetu aktivno razvijajo in karakterizirajo nove MOF in druge nanoporozne materiale za shranjevanje vodika. Na primer, znanstveniki na univerzah in raziskovalnih inštitutih v Združenih državah Amerike, Evropi in Aziji sintetizirajo MOF z izboljšanimi lastnostmi adsorpcije vodika, kot so povečana površina in močnejše interakcije z molekulami vodika. Iskanje materialov, ki lahko učinkovito shranjujejo vodik pri temperaturah in tlakih blizu sobnih, ostaja ključnega pomena.

Izzivi in prihodnje usmeritve pri shranjevanju vodika

Čeprav je bil pri tehnologijah shranjevanja vodika dosežen pomemben napredek, ostaja več izzivov:

• Stroški: Zmanjšanje stroškov sistemov za shranjevanje vodika je ključnega pomena za konkurenčnost vodikove energije v primerjavi s konvencionalnimi gorivi. To vključuje zmanjšanje stroškov materialov, proizvodnje in infrastrukture.
• Energetska učinkovitost: Izboljšanje energetske učinkovitosti procesov shranjevanja vodika, kot so stiskanje, utekočinjenje in hidrogeniranje/dehidrogeniranje, je bistveno za maksimiranje celotne energetske učinkovitosti vodikove vrednostne verige.
• Zmogljivost shranjevanja: Povečanje gravimetrične (glede na maso) in volumetrične (glede na prostornino) zmogljivosti shranjevanja vodika je ključno za aplikacije, kjer sta prostor in teža kritična dejavnika, kot je promet.
• Varnost: Zagotavljanje varnega shranjevanja in ravnanja z vodikom je najpomembnejše. To vključuje razvoj robustnih varnostnih protokolov in tehnologij za preprečevanje puščanja in eksplozij.
• Trajnost: Povečanje trajnosti in življenjske dobe sistemov za shranjevanje vodika je pomembno za zmanjšanje stroškov vzdrževanja in zagotavljanje dolgoročne zanesljivosti.
• Infrastruktura: Razvoj široko razvejane vodikove infrastrukture, vključno s polnilnimi postajami in cevovodi, je nujen za široko uporabo vodikove energije.
• Stabilnost materialov: Izboljšanje dolgoročne stabilnosti materialov, ki se uporabljajo pri kemičnem shranjevanju, je pomembno za preprečevanje razgradnje in ohranjanje učinkovitosti v daljših obdobjih.

Prihodnja raziskovalna in razvojna prizadevanja so osredotočena na reševanje teh izzivov in razvoj inovativnih rešitev za shranjevanje vodika. Nekatera ključna področja so:

• Napredni materiali: Razvoj novih materialov z izboljšanimi lastnostmi shranjevanja vodika, kot so MOF, kovalentna organska ogrodja (COF) in visokotropne zlitine.
• Nanotehnologija: Uporaba nanotehnologije za izboljšanje delovanja obstoječih materialov za shranjevanje in ustvarjanje novih konceptov shranjevanja.
• Kriokompresija: Združevanje kriogenega hlajenja s stiskanjem za doseganje visoke gostote vodika pri zmernih tlakih.
• Elektrokemično shranjevanje: Raziskovanje elektrokemičnih metod za shranjevanje vodika, kot so vodikove baterije.
• Večnamenski materiali: Razvoj materialov, ki lahko opravljajo več funkcij, kot sta shranjevanje vodika in proizvodnja električne energije.
• Izboljšani procesi regeneracije: Razvoj učinkovitejših in stroškovno ugodnejših metod za regeneracijo porabljenih kemičnih hidridov.
• Optimizirani sistemi LOHC: Načrtovanje sistemov LOHC z nižjimi temperaturami hidrogeniranja/dehidrogeniranja in stabilnejšimi katalizatorji.

Globalne pobude in naložbe

Vlade in industrije po vsem svetu veliko vlagajo v raziskave in razvoj na področju shranjevanja vodika. Primeri vključujejo:

• Program za vodik Ministrstva za energijo ZDA (DOE): Podpira raziskovalne, razvojne in demonstracijske projekte, namenjene napredku tehnologij vodika in gorivnih celic, vključno s shranjevanjem vodika.
• Vodikova strategija Evropske unije: Njen cilj je pospešiti razvoj in uvajanje vodikovih tehnologij po vsej Evropi, vključno s shranjevanjem vodika.
• Svet za vodik (The Hydrogen Council): Globalna pobuda vodilnih podjetij iz energetike, prometa, industrije in naložb, ki jih vodijo generalni direktorji, z enotno vizijo in dolgoročnimi ambicijami za vodik, da bi spodbudili energetski prehod.
• Nacionalne vodikove strategije: Številne države, vključno z Avstralijo, Kanado, Nemčijo, Japonsko in Južno Korejo, so razvile nacionalne vodikove strategije, ki vključujejo cilje in financiranje za raziskave in uvajanje shranjevanja vodika.

Zaključek

Shranjevanje vodika je ključna tehnologija, ki omogoča široko uporabo vodikove energije. Čeprav izzivi ostajajo, nenehna prizadevanja na področju raziskav in razvoja spodbujajo inovacije v znanosti o materialih, inženirstvu in načrtovanju sistemov. Z zorenjem vodikovih tehnologij in zniževanjem stroškov bo shranjevanje vodika igralo vse pomembnejšo vlogo pri dekarbonizaciji različnih sektorjev in ustvarjanju trajnostne energetske prihodnosti za svet. Ključ do sprostitve celotnega potenciala vodika je v nenehnem prizadevanju za učinkovite, varne in stroškovno ugodne rešitve za shranjevanje, ki lahko zadovoljijo raznolike potrebe globalnega vodikovega gospodarstva. Mednarodno sodelovanje in izmenjava znanja sta bistvenega pomena za pospešitev napredka na tem vitalnem področju.