Розуміння зберігання водню: вичерпний глобальний посібник

Водень все частіше визнається ключовим енергоносієм у глобальному переході до сталого майбутнього. Його потенціал для декарбонізації різних секторів, включаючи транспорт, промисловість та виробництво електроенергії, є значним. Однак широке впровадження водневої енергетики залежить від розробки ефективних та економічно вигідних рішень для зберігання. Цей посібник надає вичерпний огляд різних методів зберігання водню, їхніх викликів та останніх досягнень, що стимулюють інновації в цій критично важливій галузі.

Чому зберігання водню має значення

Водень, хоча й є рясним, існує переважно у сполуках, таких як вода (H2O) або вуглеводні (наприклад, метан, CH4). Видобуток чистого водню вимагає енергії, а його зберігання створює унікальні виклики через його низьку щільність та високу займистість. Ефективне зберігання має вирішальне значення з кількох причин:

• Забезпечення транспорту, що працює на водні: Зберігання достатньої кількості водню на борту транспортних засобів є важливим для досягнення практичного запасу ходу для електромобілів на паливних елементах (FCEV).
• Інтеграція відновлюваних джерел енергії: Водень може діяти як енергетичний буфер, зберігаючи надлишкову відновлювану енергію (наприклад, сонячну, вітрову) під час періодів високого виробництва та вивільняючи її, коли попит високий, сприяючи стабільності мережі.
• Декарбонізація промислових процесів: Багато промислових процесів потребують водню як сировини. Ефективне зберігання забезпечує надійне постачання водню, виробленого з відновлюваних джерел, зменшуючи залежність від викопного палива.
• Створення глобальної водневої економіки: Ефективні рішення для зберігання є життєво важливими для полегшення міжнародної торгівлі воднем, дозволяючи країнам з рясними відновлюваними джерелами енергії експортувати водень до тих, хто має вищі енергетичні потреби.

Методи зберігання водню

Технології зберігання водню можна умовно розділити на фізичні та хімічні методи зберігання. Кожен підхід має свої переваги та недоліки з точки зору ємності зберігання, енергоефективності, вартості та безпеки.

1. Фізичне зберігання

Фізичне зберігання передбачає зберігання водню у вигляді газу або рідини за певних температурних та тискових умов.

a) Стиснений водень

Зберігання стисненого водню передбачає стиснення водню до високих тисків (зазвичай 350-700 бар, а в деяких застосуваннях навіть до 1000 бар) та зберігання його в міцних балонах. Це відносно зріла технологія з комерційно доступними рішеннями.

Переваги:

• Відносно проста технологія.
• Швидкий час заправки.
• Добре налагоджена інфраструктура для роботи з газом.

Недоліки:

• Низька об'ємна енергетична щільність (порівняно з рідкими паливами).
• Високе споживання енергії для стиснення.
• Проблеми безпеки, пов'язані зі зберіганням під високим тиском.
• Важкі та громіздкі балони для зберігання.

Приклади:

Стиснений водень широко використовується в FCEV. Наприклад, Hyundai NEXO FCEV використовує три балони для водню високого тиску з ємністю зберігання 6,33 кг при 700 барах, забезпечуючи запас ходу понад 600 км (стандарт WLTP).

b) Рідкий водень

Зберігання рідкого водню передбачає охолодження водню до його кріогенної температури кипіння (-253°C) для конденсації його в рідину. Це значно збільшує об'ємну енергетичну щільність порівняно зі стисненим газом.

Переваги:

• Вища об'ємна енергетична щільність, ніж у стисненого газу.
• Нижчий тиск зберігання.

Недоліки:

• Високе споживання енергії для зрідження.
• Втрати через випаровування (випаровування водню через теплове проникнення в балон).
• Складна та дорога кріогенна інфраструктура.

Приклади:

Рідкий водень використовується в космічних програмах (наприклад, космічний шатл NASA) і досліджується для застосувань у далекомагістральному транспорті, такому як літаки та кораблі. Наприклад, Airbus розробляє літаки, що працюють на водні, які використовуватимуть зберігання рідкого водню.

2. Хімічне зберігання

Хімічне зберігання передбачає зберігання водню в хімічних сполуках, які вивільняють водень під час реакції з тригером, таким як тепло або каталізатор.

a) Металогідриди

Металогідриди — це сполуки, утворені реакцією водню з певними металами або сплавами. Водень зберігається в кристалічній решітці металу та може бути вивільнений шляхом нагрівання гідриду.

Переваги:

• Вища об'ємна енергетична щільність, ніж у стисненого газу.
• Відносно безпечне зберігання.
• Потенціал для зворотного зберігання (перезарядка воднем).

Недоліки:

• Висока вага матеріалу металогідриду.
• Відносно повільна кінетика вивільнення водню.
• Висока вартість деяких металогідридних матеріалів.
• Проблеми управління теплом під час зарядки та розрядки.

Приклади:

Лантан-нікелевий гідрид (LaNi5H6) та магнієвий гідрид (MgH2) є прикладами металогідридів, що досліджуються для зберігання водню. Дослідження зосереджені на покращенні їхньої ємності зберігання водню та кінетики шляхом легування та наноструктурування. Наприклад, дослідники в Японії активно працюють над системами на основі MgH2, модифікованими каталізаторами для покращення їхньої продуктивності.

b) Хімічні гідриди

Хімічні гідриди — це сполуки, які вивільняють водень під час реакції з водою або іншим реагентом. Приклади включають борогідрид натрію (NaBH4) та аміачний боран (NH3BH3).

Переваги:

• Висока ємність зберігання водню.
• Стабільність при температурі навколишнього середовища.

Недоліки:

• Необоротне вивільнення водню для деяких хімічних гідридів (що потребує регенерації).
• Складність реакції та управління побічними продуктами.
• Висока вартість деяких хімічних гідридів.

Приклади:

Борогідрид натрію (NaBH4) використовувався в деяких застосуваннях паливних елементів. Дослідження зосереджені на розробці ефективних методів регенерації відпрацьованого борогідриду. Аміачний боран (NH3BH3) є ще одним перспективним хімічним гідридом, але його регенерація залишається викликом. Дослідники в Німеччині та Сполучених Штатах досліджують різні шляхи ефективної регенерації цих матеріалів.

c) Рідкі органічні водневі носії (LOHC)

LOHC — це органічні рідини, які можуть оборотно зв'язувати водень через реакції гідрування та дегідрування. Приклади включають толуол/метилциклогексан та дибензиловий толуол/пергідро-дибензиловий толуол.

Переваги:

• Висока об'ємна енергетична щільність.
• Легко транспортувати та зберігати за допомогою існуючої інфраструктури.
• Відносно безпечні та стабільні за умов навколишнього середовища.

Недоліки:

• Високе споживання енергії для гідрування та дегідрування.
• Вартість каталізаторів та матеріалів LOHC.
• Потенціал деактивації каталізатора.
• Часткова деградація LOHC протягом кількох циклів.

Приклади:

Система толуол/метилциклогексан є однією з найбільш досліджених LOHC. Водень додається до толуолу для утворення метилциклогексану, який можна транспортувати та зберігати. Потім водень вивільняється шляхом дегідрування метилциклогексану назад до толуолу. Компанії в Японії та Німеччині активно розробляють та впроваджують рішення для зберігання та транспортування водню на основі LOHC. Chiyoda Corporation у Японії продемонструвала глобальний ланцюжок постачання водню, використовуючи свою технологію SPERA Hydrogen™, що базується на системі LOHC толуол/метилциклогексан, транспортуючи водень з Брунею до Японії.

3. Матеріально-орієнтоване зберігання (адсорбція)

Цей метод використовує матеріали з великою площею поверхні, такі як активоване вугілля, металоорганічні каркаси (MOFs) та вуглецеві нанотрубки, для адсорбції молекул водню.

Переваги:

• Відносно низький тиск зберігання порівняно зі стисненим газом.
• Потенціал високої ємності зберігання водню при низьких температурах.

Недоліки:

• Низька ємність зберігання водню при температурах навколишнього середовища.
• Висока вартість деяких передових матеріалів (наприклад, MOFs).
• Проблеми з синтезом матеріалів та масштабуванням.

Приклади:

Дослідники по всьому світу активно розробляють та характеризують нові MOFs та інші нанопористі матеріали для зберігання водню. Наприклад, науковці з університетів та науково-дослідних інститутів у Сполучених Штатах, Європі та Азії синтезують MOFs із покращеними властивостями адсорбції водню, такими як збільшена площа поверхні та сильніші взаємодії з молекулами водню. Пошук матеріалів, які можуть ефективно зберігати водень при температурах і тисках, близьких до навколишнього середовища, залишається ключовим напрямком.

Виклики та майбутні напрямки розвитку зберігання водню

Незважаючи на значний прогрес у технологіях зберігання водню, залишається кілька викликів:

• Вартість: Зниження вартості систем зберігання водню є ключовим для того, щоб зробити водневу енергетику конкурентоспроможною порівняно з традиційними видами палива. Це включає зниження вартості матеріалів, виробництва та інфраструктури.
• Енергоефективність: Підвищення енергоефективності процесів зберігання водню, таких як стиснення, зрідження та гідрування/дегідрування, є важливим для максимізації загальної енергоефективності водневого ланцюжка створення вартості.
• Ємність зберігання: Збільшення гравіметричної (за вагою) та об'ємної (за об'ємом) ємності зберігання водню є життєво важливим для застосувань, де простір і вага є критичними факторами, такими як транспорт.
• Безпека: Забезпечення безпечного зберігання та поводження з воднем є першочерговим. Це включає розробку надійних протоколів безпеки та технологій для запобігання витокам та вибухам.
• Довговічність: Підвищення довговічності та терміну служби систем зберігання водню є важливим для зменшення витрат на обслуговування та забезпечення довгострокової надійності.
• Інфраструктура: Розбудова широкої водневої інфраструктури, включаючи заправні станції та трубопроводи, необхідна для широкого впровадження водневої енергетики.
• Стабільність матеріалів: Підвищення довгострокової стабільності матеріалів, що використовуються в хімічному зберіганні, є важливим для запобігання деградації та підтримки продуктивності протягом тривалого часу.

Майбутні зусилля з досліджень та розробок зосереджені на вирішенні цих викликів та розробці інноваційних рішень для зберігання водню. Деякі ключові напрямки включають:

• Передові матеріали: Розробка нових матеріалів із покращеними властивостями зберігання водню, такими як MOFs, ковалентні органічні каркаси (COFs) та високоентропійні сплави.
• Нанотехнології: Використання нанотехнологій для покращення продуктивності існуючих матеріалів зберігання та створення нових концепцій зберігання.
• Кріо-стиснення: Поєднання кріогенного охолодження зі стисненням для досягнення високої щільності водню при помірних тисках.
• Електрохімічне зберігання: Дослідження електрохімічних методів зберігання водню, таких як водневі батареї.
• Багатофункціональні матеріали: Розробка матеріалів, які можуть виконувати кілька функцій, таких як зберігання водню та вироблення електроенергії.
• Покращені процеси регенерації: Розробка більш ефективних та економічно вигідних методів регенерації відпрацьованих хімічних гідридів.
• Оптимізовані системи LOHC: Розробка систем LOHC з нижчими температурами гідрування/дегідрування та більш стабільними каталізаторами.

Глобальні ініціативи та інвестиції

Уряди та промисловості по всьому світу інвестують значні кошти в дослідження та розробку зберігання водню. Приклади включають:

• Програма водню Міністерства енергетики США (DOE): Підтримує дослідження, розробку та демонстраційні проєкти, спрямовані на розвиток водневих технологій та паливних елементів, включаючи зберігання водню.
• Стратегія водню Європейського Союзу: Спрямована на прискорення розробки та впровадження водневих технологій у Європі, включаючи зберігання водню.
• Hydrogen Council: Глобальна ініціатива CEO провідних компаній в галузі енергетики, транспорту, промисловості та інвестицій з об'єднаним баченням та довгостроковими амбіціями щодо водню для сприяння енергетичному переходу.
• Національні водневі стратегії: Багато країн, включаючи Австралію, Канаду, Німеччину, Японію та Південну Корею, розробили національні водневі стратегії, які включають цілі та фінансування для досліджень та впровадження зберігання водню.

Висновок

Зберігання водню є критично важливою технологією для широкого впровадження водневої енергетики. Незважаючи на те, що виклики залишаються, поточні дослідження та розробки стимулюють інновації в матеріалознавстві, інженерії та проєктуванні систем. У міру дозрівання водневих технологій та зниження витрат, зберігання водню відіграватиме все більш важливу роль у декарбонізації різних секторів та створенні сталого енергетичного майбутнього для світу. Ключ до розкриття повного потенціалу водню полягає в безперервному пошуку ефективних, безпечних та економічно вигідних рішень для зберігання, які можуть задовольнити різноманітні потреби глобальної водневої економіки. Міжнародна співпраця та обмін знаннями є необхідними для прискорення прогресу в цій життєво важливій галузі.