Geliştirin veya kontrol edilecek şeyleri tartışın . Banner'ı yeni yapıştırdıysanız, lütfen kontrol edilecek noktaları burada belirtin .
Hidrojen depolama kavramı , daha sonra kimyasal veya enerji taşıyıcısı olarak kullanılabilirliği açısından hidrojenin tüm depolama biçimlerini belirtir .
Avantajları ve dezavantajları olan çeşitli olasılıklar mevcuttur. Gaz halindeki hidrojen çok yoğun değildir ve kuvvetli bir şekilde sıkıştırılması gerekir. Sıvılaştırma hidrojenin çok düşük bir sıcaklıkta gerçekleşir. Katı hidrojenin diğer bileşenlere, özellikle hidrit formunda bağlanması gerekir .
Hidrojen, onu geleceğin enerji vektörlerinden biri haline getirebilecek birkaç ilginç özelliğe sahiptir . Dizelden üç kat daha yüksek bir kütle enerji yoğunluğuna sahiptir .
Özellikle araç motorlarına güç sağlamak için kolaylıkla kullanılabilir;
Hidrojen de depolamak için nasıl bilgi konu bir eko-hareketliliği nedeniyle, hidrojen sadece yayan yakılarak: hidrokarbonlara alternatif olarak görünmektedir , su buharı ve bazı NOx ve hiçbir CO2 ya da CO .
Mobil hidrojen depolamanın maliyeti (2012'de) hala fahiş ve nakliyesi 2000'lerin başında doğal gazdan yaklaşık %50 daha pahalıydı . Ek olarak, bir birim hidrojen, bir birim doğal gazdan üç kat daha az enerji taşır.
Büyük miktarlarda hidrojenin hızla tersine çevrilebilir ve güvenli bir şekilde depolanması hala teknolojik ve bilimsel bir zorluktur. Çok küçük hidrojen atomu, bir hidrojen molekülü şeklinde de dahil olmak üzere, içermesi en zor olanlardan biridir. Sıvılaştırılması yaklaşık -253 ° C'ye kadar soğutmayı gerektirir (tüm gazlardan sadece helyumun sıvılaştırılması daha zordur). Bu sıvılaştırma şu anda çok fazla enerji tüketiyor.
Dağıtım ağı hala mütevazı. Avrupa'da 2010 civarında, esas sanayicileri ve birkaç servis deneysel hizmet istasyonları etrafında 1.050 aracılığıyla, (ABD, Japonya, Almanya ve İzlanda dahil olmak üzere 2012 yılında yaklaşık 40 dünya çapında) km arasında hidrojen boru hatları tarafından işletilen Air Liquide de France , Germany ve Benelüks esas olarak, ancak gelişmeye hazır görünüyor) ... Gaz şebekesinin büyük miktarda hidrojen emebileceğini de göz önünde bulundurmak gerekiyor .
Güvenlik sorunları da vardır, çünkü hidrojen, diyatomik gaz biçiminde patlayıcı ve yanıcıdır . Hidrokarbonlarla karşılaştırıldığında, sızıntı riski daha yüksektir ve tutuşturmak için gereken enerji, doğal gaz için gerekenden 10 kat daha azdır . Ancak havada daha hızlı dağılır ve patlama riskini sınırlar. Havadaki oksijen ile reaksiyon 2 H 2 + O 2'dir.→ 2 H 2 O.
Hidrojen, hafif atomu, normal şartlar altında 0.09 kg / m bir yoğunluğu olan, 3 . Bir aile arabasının direksiyonunda 100 km seyahat etmek için gerekli kütlenin 1 kg hidrojen olduğunu tahmin ettiğimize göre, bir aracın 400 km menzile sahip olması için gerekli hidrojen kütlesi , yani 4 kg , yaklaşık olarak hacim kaplar. 45 m 3 ( 45,000 litre). Bu nedenle, ortam basıncındaki bir tankın bir kenarı yaklaşık 3,5 m'lik bir küp boyutuna sahip olmalıdır veya tersine, mevcut boyutlarda bir tankla donatılmış bir araç en iyi durumda sadece 600 m yol kat edebilir . Bu koşullar, hidrojenin tasarlandığı ihtiyaçlara karşılık gelmemektedir.
Bu formda, temel olarak küçük ayak izi, düşük ağırlık, sınırlı enerji rezervi ile karakterize edilen ancak kullanımı çok basit olan göçebe veya ultra mobil uygulamalar için kullanılır.
En yaygın uygulamalar şunlardır:
Yüksek basınçlar, daha çok, enerji rezervinin büyük ve kompakt olması gereken mobil uygulamalarla ilgilidir. Boyle-Mariotte yasasına göre, sabit sıcaklıkta bir gazın hacmini azaltmanın tek yolu rezervuardaki basıncı artırmaktır .
Mevcut teknikler, bir hidrojen kompresörü (pistonlu, elektrokimyasal veya hidrit ) aracılığıyla 700 barlık bir basınca ulaşmayı mümkün kılmaktadır . Bu basınçta, hidrojen 42 kg / m yoğunluğa sahip 3 , çevre basıncında ve sıcaklığında, yoğunluğu ile karşılaştırıldığında yaklaşık 500 kat arasında, yani bir kazanç. Bu tanklar genellikle daha hafif olan ve hidrojenin sızmasını önlemesi gereken bir metal veya polimer astardan oluşur . Bu birinci zarf, basınç kuvvetlerini içeren ve olası şoklara veya ısı kaynaklarına karşı dirençli, genellikle bir filament sargısı ile güçlendirilmiş kompozit malzemelerden (özellikle karbon fiber, ancak diğer malzemeler bazalt fiberler olarak test edilir) yapılan bir ikinci tarafından korunur .
Bu tanklar, basınca dayanıklılık (partiden bir numune için patlamaya kadar), yangına dayanıklılık ve darbe direncinin (gerçek mühimmat) kontrol edildiği çok karmaşık niteliklere tabidir .
2000'li yılların başında, 200 bar'lık tanklarda ustalaştı, ancak enerji ve tank kütlesi arasında ilginç bir uzlaşma sunması için yerleşik bir hacme sahip olmak için basıncın 700 bar veya daha fazlasına çıkarılması gerekiyordu. Öte yandan, gazın atmosferik basınçta depolanması ideal olarak, gazın içine sokulabilmesi ve buradan çıkartılabilmesi için sızdırmaz halde kalırken rezervuarın kabuğunun deforme olmasını gerektirecektir. Teknik cevap daha açık değil.
İki hatta üç standart bir arada bulunur :
"Tank kafası" , iyi güvenlik koşullarında (aşırı basınç veya patlama riski olmadan) aküye veya motora istenen basınca ( entegre regülatör sayesinde) besleyerek gazın doldurulmasına izin vermelidir . Sensörler ayrıca kalan gaz miktarı hakkında bilgi sağlamalıdır.
Hala uzay fırlatıcıları için ayrılan bu çözüm, gelecekte kara araçlarını ilgilendirebilir. Aslında, sıvı hidrojen 70,973 kg / m yoğunluğa 3 ; bu koşullar altında, yukarıda bahsedilen 4 kg hidrojeni depolamak için gerekli olan tankın hacmi 56 litre, yani mevcut benzinli bir arabanın deposunun hacmi olacaktır.
O halde zorluk, hidrojeni -252.8 °C'lik bir sıcaklıkta giymek ve muhafaza etmektir . Tank daha sonra yüksek basınçlara dayanmalı ve hidrojeni düşük sıcaklıkta ve atmosferik basıncın en azından biraz üzerinde bir basınçta tutan ikincil sistemlere sahip olmalıdır . Ek olarak, hidrojenin sıvılaştırılması ve sıcaklığının korunması yüksek bir enerji maliyetine sahiptir ve bu nedenle kirleticidir .
Kriyo-sıkıştırma ( son Geliştirilmiş) hacimsel ve yığın depolama etkinliğini geliştirmek ve çok düşük sıcaklıkta (sıvı hidrojen kullanımı soğutuldu kolaylaştırabilir 20.3 K yaklaşık olarak).
Hidrojen, çevredeki ortamdan gelen ısı girişinin etkisi altında ısındığında ve basıncı arttığında (bir düdüklü tencerede olduğu gibi), son basınç yaklaşık 350 bardır (örneğin BMW otomobil Hydrogen 7'de geliştirilen sıvı tankına bakınız ). Karşılaştırma için, geleneksel bir benzin deposu yalnızca birkaç barı ve bir LPG deposu 30 barı destekler. Geleneksel sürüş senaryolarında, 350 barlık "sınır" basınca çok nadiren ulaşılır (çünkü hidrojen tüketildikçe tanktaki basınç ve sıcaklık düşer).
ABD Enerji Bakanlığı (DOE) zaten 5-13 arasında 2015 (küçük tanklar için tavsiye edilen değerlere ulaşmıştır hidrojen ve cryo sıkıştırılmış teknolojisi için yerleşik depolama kapasitesi için “hedef değerler” yayınladı kg aralığı için yeterli Hidrojen yakıt hücreli 300 mil ).
Kriyo-sıkıştırma, incelenen farklı depolama biçimleri arasında en ucuz çözüm olacaktır : son kullanıcı için maliyet (üretim, sıvılaştırma, taşıma ve hidrojenin dağıtım maliyetleri dahil) 0,12 $ / mil (yani 0.06 €/ km'den biraz daha az ), geleneksel bir benzinli araç için 0,05 ila 0,07 $/mil (0,024 ila 0,034 €/km ) arasındadır (daha fazla bilgi için slayt 13'e bakın).
Bu nedenlerle, Alman üretici BMW , hidrojen sektörünün geliştirilmesinde ana unsur olarak "kriyo sıkıştırılmış" sistemi entegre etmişti, ancak bu çözüm (geçici olarak mı?) araç. , bu teknolojiyle ilişkili diğer risklere ek olarak.
Derin okyanuslarda bulduğumuz gibi, ancak yüksek basınçlarda ve / veya düşük sıcaklıklarda "su kafeslerine" ( klatratlar ) bir veya daha fazla hidrojen molekülü sokmak mümkündür . Bunu daha az aşırı sıcaklık ve basınç koşullarında elde etmeye çalışıyoruz.
Adsorpsiyon diğer yüzey üzerinde bir bileşiğin "kilitleme" bulunmaktadır.
Hidrojen çoğu katı yüzeye bağlanabilir, ancak henüz araştırmanın ilk aşamalarında olan depolama için neredeyse sadece karbon yüzeylerine adsorpsiyon düşünülür.
Nanoteknolojilerin sorumluluğunda olan, geniş spesifik yüzeyler sunan malzemeler gerektirir . Karbon nanotüplerin kullanımı düşünülüyor, ancak bunlar yalnızca çok düşük sıcaklıkta ( -196 ° C ) hidrojeni adsorbe ediyor ; ancak nanometrik karbon konilerinin yolu öngörülmüştür. Sonuçlar hala bu çözümün geleceğini tahmin edemeyecek kadar parçalı.
Farklı bileşikler, polar etkileşimler yoluyla hidrojen ile etkileşime girerek ilginç tutma olasılıkları sunar. Bunlar küçük bileşikler (özellikle çeşitli hidritler, formik asit ) veya makromoleküler ve kristal komplekslerdir (özellikle fullerenler gibi karbonlu ).
Adsorpsiyon veya absorpsiyon kapasitelerini geliştirmek ve hidrojen salınımını kontrol etmek için yapılması gereken önemli araştırmalar bulunmaktadır.
Hidritler olan bileşikler, hidrojen ve burada ikinci bir sahiptir içeren polarizasyon , bağlı olduğu için elemanına negatif göreli. Hidrürler, hidrojen ile diğer element arasındaki ana bağın doğasına göre sınıflandırılabilir. Bağ kovalent tipte olduğunda hidritlerin "kovalent" olduğu söylenir . Bağlantı metalik tipte olduğunda "metalik" oldukları söylenir .
Bazı metaller (saf veya alaşımlı ) içlerindeki hidrojeni emer. Metalik bileşik ( örneğin magnezyum ) bir hidrojen süngeri gibi davranır. Metal hidritlerde hidrojen atomik (H) olarak depolanır ve rezervuarlarda olduğu gibi artık moleküler (H 2 ) formda değildir.
Hidrojen (aynı zamanda emme hibritleşme ) aracılığı ile gerçekleştirilebilir hidrojen gazı (H 2 iki verilen bir sıcaklık ve basınçta, hidrojen (H) atomları ve emici malzeme özellikleri ayrışmış). Hidrojenin absorpsiyonu ayrıca ortam sıcaklığında ve basıncında elektrokimyasal bir yolla ve daha kesin olarak suyun elektrolizi ile gerçekleştirilebilir.
Metal hidritlerin depolama kapasitesi önemli olabilir; böylece Mg 2 FeH 6 alaşımı metreküp başına 150 kg hidrojen "depolar" . Bir 26- litrelik tank daha sonra “bizim” 4 için yeterli olacaktır kg hidrojen. Bununla birlikte, hacim yoğunluğu yeterli değildir, yine de hidridin kolayca tersine çevrilebilir olması gereklidir ( önceden ısıtma veya basıncın düşürülmesi yoluyla). Gerçekten de, mobil uygulamalarda kullanılmak üzere, dikkate alınan metal hidritlerin, söz konusu uygulamalarla uyumlu denge sıcaklıklarına ve basınçlarına sahip olması gerekir ( basınç için 1 ila 10 bar arasında , sıcaklık için 0 ila 100 °C arasında ). Birkaç intermetalik alaşım hidrit ailesi düşünülür ve mümkündür: AB 5 (LaNi 5, vb.); AB 2 (ZRV 2 ); A 2 B (Mg 2 Ni) ... türetilen alaşımlar Lani'nın 5 olanlar kullanılan şarj edilebilir nikel-metal hidrid (Ni-MH) pil birkaç milyon birim olan her yıl dünya çapında satılmaktadır, .
2011 yılında EADS, nanometrik ölçekte modifiye edilmiş magnezyum hidritler üzerinde çalıştığını duyurdu.
Alkali metal bir elemanı ile bağlantılı bir grup 13 (örn. Bor veya alüminyum ) ve hidrojen "denilen atomlu yapılar oluşturabilir kompleks ".
Hidrojen depolamak için en ilginç kompleks hidritler, M tetrahidroboratlar (BH 4 ) ve M tetrahidroalüminatlar veya alanatlardır (AlH 4 ). Depolanan hidrojen ve “depolama” terimi, bileşiğin, toplam kütlesi arasında mümkün olan en yüksek kütle oranına sahip olmak için, E sıklıkla temsil lityum veya sodyum ( LiBH 4 , NaBH 4 , LiAIH 4 , NaAIH 4 ).
Bugüne kadar, bileşik LiBH 4 hidrojen yüksek kütle yoğunluğu (% 18) sahiptir. Depolama kinetiği uzun süre (özellikle sıcaklık koşulları için) oldukça elverişsiz kaldı, ancak 2007'de bu bileşiğin daha kararsız bir formu bulundu, ancak sentezlenmesi için aşırı basınç gerektiren (200.000 atmosfer, ancak yapı ortaya çıkmaya başladı. 10.000 atmosfer; şu anda ilaç endüstrisi tarafından hapları sıkıştırmak için kullanılan basınç ”).
Bu kompleks hidritlerde hidrojen , merkezi bir alüminyum veya bor atomu tarafından işgal edilen bir tetrahedronun köşelerini işgal eder . Bu tetrahedralar, Li + veya Na + katyonlarının pozitif yükü ile dengelenen bir negatif yük taşırlar .
Hidrojen depolama ve salma prensipleri, kompleks hidritler için metal hidritler için olduğundan farklıdır. Aslında depolama, metal hidritlerde olduğu gibi yapının “boşluklarının” “basit” işgali ile değil, kimyasal reaksiyon sırasında birincisi için gerçekleştirilir. Sodyum alanat için hidrojen salınımının mekanizması:
6 NaAlH 4⟶ 2 Na 3 AlH 6+ 4, Al + 6H 2⟶ 6 NaH + 6 Al + 9 H 290'lı yılların sonuna kadar ve titanyum bazlı katalizörlerin kullanımına kadar , orta koşullarda ters reaksiyon yani hidrojen depolaması mümkün değildi. Bu keşif, mobil uygulamalarda hidrojenin depolanması için kullanımlarını öngörmeyi mümkün kılıyor: yaklaşık otuz kilogram kompleks hidrit, aslında daha önce bahsedilen 4 kg hidrojeni barındırmak için yeterli olacaktır .
2006 yılında, EPFL'den (İsviçre) bir araştırma ekibi, hidrojen depolama solüsyonu olarak formik asit kullanımını sundu . Rutenyum katalizörlerinin sulu bir çözelti göre homojen bir katalitik sistem, formik asit (HCOOH) ayrıştırır dihidrojen H 2 ve karbondioksit (CO 2). Dihidrojen böylece geniş bir basınç aralığında (1 - 600 bar) üretilebilir ve reaksiyon karbon monoksit üretmez . Bu katalitik sistem, formik asidin ayrışması için mevcut katalizörlerin sorunlarını (düşük stabilite, sınırlı katalizör ömrü, karbon monoksit oluşumu) çözer ve bu hidrojen depolama yöntemini uygulanabilir kılar.
Bu ayrışmanın yan ürünü olan karbon dioksit, hidrojenasyon yoluyla tekrar formik asit üretmek için ikinci bir aşamada kullanılabilir. CO 2'nin katalitik hidrojenasyonu kapsamlı bir şekilde çalışılmış ve etkili yöntemler geliştirilmiştir.
Formik asit, 350 barda sıkıştırılan hidrojenin enerji yoğunluğunun iki katı olan oda sıcaklığında ve basıncında 53 g/L hidrojen içerir. Saf, formik asit, 69 °C'de benzin ( -40 °C ) veya etanolden ( 13 °C ) üstün olan yanıcı bir sıvıdır . %85 oranında seyreltildiğinde artık yanıcı değildir. Seyreltilmiş formik asit, Gıda ve İlaç İdaresi'nin (FDA) gıda katkı maddeleri listesinde bile yer almaktadır.
Diğer hidrit türleri düşünülebilir. Örneğin, amino-boranlar ailesi (NH x BH x ), ikincisi teorik olarak kütlece %20'den fazlasını absorbe edebildiğinden umut verici bir yol teşkil eder. Bileşik NH 4 BH 4 kütle itibariyle% 24,5 emebilir ancak yukarıda kararsız -20 ° C'de bu pratik hale getirir. Diğer taraftan, bileşik NH 3 BH 3 (% 20) normal koşullar altında kararlıdır ve potansiyel olarak daha ilginç kılan hidrojen, serbest bırakmak için, orta sıcaklık gerektirir.
Platin bir sünger gözeneklerinde hidrojen hacminin 743 katına kadar yoğunlaşabilir.
Hidrojeni emmek için farklı makromoleküler ve kristal yapılar değerlendirilir (bazen bir adsorpsiyon bileşeni ile ). Gerçekten de, daha kararlı, kompakt, daha ucuz olan toz halinde "tutuklanmış" hidrojenin depolanmasına izin verecekler... Ancak, absorpsiyon kapasitesini ve hidrojen salınımının kontrolünü geliştirmek için yapılması gereken önemli araştırmalar var. hidrojen.
Fulleren olur mümkün Jüpiter kalp yaklaşır depolanmış hidrojen yoğunlukları yetişmek olun. Örneğin buckminsterfullerene (60 karbon atomu) 23 ila 25 molekül hidrojen depolayabilir . Sayısal simülasyonlarla, 20 hidrojen molekülünün ötesinde karbon atomları arasında oluşan kovalent bağlar nedeniyle tek bir C60 molekülünün 58 hidrojen molekülüne kadar absorbe edebildiği gösterilmiştir.
Sonuç olarak, moleküler depolama çok ilginç ve avantajlı görünmektedir. Bununla birlikte, fullerenlerin hidrojen moleküllerini iyi bir verimlilikle "enjekte etme" ve "serbest bırakma" araçları hala bulunmayı beklemektedir, yani tekniklerin endüstriyel üretim aşamasından uzakta, henüz başlangıç aşamasında olduğu söylenebilir.
Amonyak (NH 3) sıvı haldeyken belirli bir hacim için sıvılaştırılmış hidrojenden daha fazla hidrojen atomu içerir . Enerji verimi , NH bölgesinin 3 sentezitarafından Haber-Bosch- süreç hidrojen ve atmosferik dınitrojen % 70 mertebesindedir. Enerji yoğunluğu 6,5 kWh / kg olup, petrolün yarısı kadardır ancak mobil uygulamalarda düşük maliyetli kullanım için düşünülebilir. Amonyak , birinci çözelti, sıvı formda saklanır gaz sahiplerine soğutulmuş -28 ° C'de atmosferik basınçta; taşıma , ortam sıcaklığında 10 bar basınç altında da gerçekleştirilebilir .
Amonyak bir enerji kaynağı olarak kullanılabilir:
Bir enerji depolama çözümü olarak, hidrojene bir alternatif sunabilir, gerekli koşullar gaz veya sıvı hidrokarbonlarınkiyle karşılaştırılabilir. Daha sonra, aralıklı ve mevsimlik üretimi, %70'lik bir üretim verimiyle (yukarıda bahsedilen) dalgalı tüketim ihtiyaçlarına uyarlamak için yeterli hacimde depolanabilir.
Ana tehlike toksisitesidir: 10.000 ppm'ye birkaç dakika maruz kalmak ölümcül olabilir. Öte yandan, amonyak çok yanıcı değildir; NH3 ile beslenen bir araç için alınması gereken önlemler LPG için alınan önlemlerle karşılaştırılabilir. Ancak yanmada, koşullar kontrol edilmezse nitrojen oksit üretimi toksik olabilir. Bununla birlikte, boğucu kokusu nedeniyle amonyak kolayca saptanabilir: algılama eşiği 1 ila 50 ppm arasındadır .
Mobil depolama hala birçok soruna yol açsa da, mevcut teknolojilerle tanklarda yerel depolama mümkündür:
Bir yeraltı hidrojen depolaması düşünülmekte ve derin boşluklarda (tuz kubbeleri) ve eski petrol sahalarında ve egzoz gazlarında kullanılmaktadır. Bu nedenle, büyük miktarlarda hidrojen gazı, örneğin ICI ve Storengy tarafından uzun yıllardır ve herhangi bir özel zorlukla karşılaşılmadan yer altı mağaralarında depolanmıştır .
Büyük miktarlarda sıvı hidrojenin devasa yeraltı depolaması, bir ağ yaklaşımının ( İngilizce konuşanlar için şebeke enerji depolaması ) ve bir enerji karışımının parçası olabilir . Enerji verimliliği açısından, depolama için kullanılan enerji ile geri kazanılabilir enerji arasındaki oran yaklaşık %40'tır ( hidroelektrik depolama için %78'e karşı ), ancak maliyet, pompalı depolamaya göre biraz daha yüksektir .
Mevcut doğalgaz dağıtım şebekesi de hidrojen depolamaya uygundur.
Doğal gaza geçmeden önce, Alman gaz şebekeleri , kısmen hidrojenden oluşan şehir gazını kullandı . AB-27 gaz şebekesi etrafında 79 olan GNM 3 / yıl veya 27 bir kapasite GW doğalgaz için .
Alman doğalgaz şebekesinin mevcut depolama kapasitesi, birkaç aylık enerji ihtiyacı için yeterli olan 200 TWh'nin üzerindedir. Karşılaştırıldığında, tüm Alman pompalı depolama tesislerinin kapasitesi sadece 40 GWh civarındadır. Ek olarak, gazlı enerji taşıyıcısının gaz şebekesi yoluyla taşınması, bir elektrik dağıtım şebekesine (yaklaşık %8) kıyasla çok daha az kayıpla (<%0,1) yapılır.
Almanya'da hidrojen için mevcut doğal gaz sisteminin kullanımı Avrupa projesi NaturalHy tarafından araştırılmıştır.
Araştırma birçok ülkede aktiftir ve helyumun depolanmasını da ilerletebilir . Laboratuvar çalışmaları ve üretici testleri, özellikle hafif, çok sıkı olan ve hidrojen ile temasta bozulmayan polimer tanklarının geliştirilmesine ilişkindir.
Avrupa'da, yüksek basınçlı gaz depolama (700 bar'a kadar), sıvı formda depolama ( -253 ° C'de kriyojenik ) ve depolamadaki ilerlemeyi hızlandırmak için 2004 yılında StorHy projesi (“otomotiv uygulamaları için hidrojen depolama sistemi”) başlatıldı. emilim yoluyla.
Konu ile ilgili genel
İlk hidrojenli araçlar