Українська

Дослідіть різноманітні методи зберігання водню, їх виклики та досягнення, що сприяють сталому енергетичному майбутньому. Глобальна перспектива.

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:

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:
Недоліки:
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:
Недоліки:
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:
Недоліки:
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:
Недоліки:
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:
Недоліки:
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:
Недоліки:
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:

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

Глобальні ініціативи та інвестиції

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

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.