Fejlessze vagy vitassa meg az ellenőrizendő dolgokat . Ha nemrég helyezte el a szalaghirdetést, kérjük, adja meg itt az ellenőrizni kívánt pontokat .
A koncepció a hidrogén tárolására jelöl minden formájának tárolásával hidrogénatom , azzal a céllal, hogy annak későbbi rendelkezésre állás, mint a kémiai vagy energiahordozó.
Számos lehetőség létezik, amelyeknek vannak előnyei és hátrányai. Gáz formájában a hidrogén nem túl sűrű, ezért erősen össze kell nyomni. A hidrogén cseppfolyósítása nagyon alacsony hőmérsékleten történik. A szilárd hidrogént más komponensekhez kell kötni, különösen hidrid formájában .
A hidrogén számos érdekes tulajdonsággal rendelkezik, amelyek a jövő egyik energiavektorává tehetik . A tömegenergia- sűrűsége háromszor nagyobb, mint a gázolajé.
Különösen könnyen használható járművek motorjainak meghajtására;
Megtanulják, hogyan kell tárolni hidrogénatom szintén probléma a ökomobilitásról , mert a hidrogén tűnik, hogy egy alternatív, hogy szénhidrogének: elégetésével bocsát ki csak a vízgőz és néhány NOx , és nem a CO2 vagy CO .
A mobil hidrogén-tárolás költségei továbbra is (2012-ben) túlzott mértékűek, és szállítása a 2000-es évek elején körülbelül 50% -kal volt drágább, mint a földgázé . Ezenkívül egy egységnyi hidrogén háromszor kevesebb energiát szállít, mint egy egységnyi földgáz.
A nagy mennyiségű hidrogén gyorsan visszafordítható és biztonságos tárolása még mindig technológiai és tudományos kihívás. A nagyon kicsi hidrogénatom a legnehezebben befogadható, többek között hidrogénmolekula formájában is. Cseppfolyósításához körülbelül -253 ° C-ra kell hűteni (az összes gáz közül csak a hélium nehezebben cseppfolyósítható). Ez a cseppfolyósítás jelenleg sok energiát emészt fel.
Az elosztó hálózat továbbra is szerény. Európában 2010 körül, ez foleg iparosok és néhány kísérleti töltőállomásokon (körülbelül 40 világszerte 2012-ben, többek között az Egyesült Államok, Japán, Németország és Izland) keresztül mintegy 1050 km-re a hidrogén csővezetékek által üzemeltetett Air Liquide a France , Germany és főként a Benelux államokban , de úgy tűnik, hogy fejlődni készül) ... Azt is figyelembe kell venni, hogy a gázhálózat nagy mennyiségű hidrogént képes elnyelni.
Biztonsági kérdések azért is léteznek, mert diatomi gáz formájában a hidrogén robbanékony és gyúlékony . A szénhidrogénekhez képest a szivárgás kockázata nagyobb, és a meggyulladáshoz szükséges energia tízszer kisebb, mint a földgázhoz szükséges . Gyorsabban szétszóródik a levegőben, korlátozva a robbanás kockázatát. A levegő oxigénnel történő reakciója 2 H 2 + O 2→ 2 H20.
A hidrogén a legkönnyebb atom normál körülmények között , sűrűsége 0,09 kg / m 3 . Tekintettel arra, hogy becsléseink szerint 1 kg hidrogén az a tömeg, amely ahhoz szükséges, hogy 100 km- t megtegyünk egy családi autó kerekénél, a hidrogén tömege, amely ahhoz szükséges, hogy a jármű hatótávolsága 400 km , azaz 4 kg , kb. 45 m 3 ( 45 000 liter). A környezeti nyomáson lévő tartálynak ezért egy oldalán kb. 3,5 m méretű kocka méreteinek kell lennie, vagy éppen ellenkezőleg, az aktuális méretű tartállyal felszerelt jármű a legjobb esetben csak 600 métert tud megtenni . Ezek a feltételek nem felelnek meg a hidrogén szükségleteinek.
Ebben a formában főleg nomád vagy ultramobil alkalmazásokhoz használják, amelyekre kis méret, kis súly, korlátozott energiatartalék, de nagyon egyszerűen használható.
A leggyakoribb alkalmazások:
A nagy nyomás inkább a mobil alkalmazásokhoz kapcsolódik, amelyek energia-tartalékának nagynak és kompaktnak kell lennie. A gázmennyiség állandó hőmérsékleten történő csökkentésének egyetlen módja a nyomás növelése a tartályban, Boyle-Mariotte törvénye szerint .
A jelenlegi technikák lehetővé teszik, hogy elérje a nyomás 700 bar keresztül hidrogén-kompresszor (dugattyús, elektrokémiai vagy hidrid ). Ennél a nyomásnál a hidrogén sűrűsége 42 kg / m 3 , vagyis a környezeti nyomáson és a hőmérsékleten mért sűrűségéhez viszonyítva körülbelül 500-szoros nyeresége van. Ezek a tartályok általában egy könnyebb fémből vagy polimer bélésből állnak , amely megakadályozza a hidrogén behatolását . Ezt az első burkolatot egy, a nyomáserőket tartalmazó második védi, amely ellenáll az esetleges sokkoknak vagy hőforrásoknak, általában kompozit anyagokból, amelyet izzószálak tekercselésével erősítenek meg (speciális szénszál, főleg, de más anyagokat bazaltszálként tesztelnek) .
Ezeket a tartályokat nagyon összetett minősítésnek vetik alá, ahol ellenőrzik a nyomással szembeni ellenállást (a sorozatból származó minta felrepedéséig), a tűzállóságot és az ütésállóságot (élő lőszer) .
A 2000-es évek elején a 200 bar-os tartályokat elsajátították, de a nyomást 700 bar-ra vagy annál nagyobbra kellett növelni ahhoz, hogy a fedélzeti térfogat érdekes kompromisszumot kínáljon a tartály energiája és tömege között. Másrészt a gáz atmoszférikus nyomáson történő tárolása ideális esetben megkövetelné, hogy a tartály héja deformálódjon, miközben zárva marad, hogy a gázt be lehessen juttatni abba és kivonhassák onnan. A technikai válasz nem egyértelműbb.
Két vagy akár három szabvány létezik egymás mellett :
A "tartályfejnek" lehetővé kell tennie a gáz feltöltését, az akkumulátorba vagy a motorba történő szállítását a kívánt nyomáson (az integrált szabályozónak köszönhetően ), jó biztonsági körülmények között (túlnyomás és robbanásveszély nélkül). Az érzékelőknek tájékoztatást kell adniuk a megmaradt gáz mennyiségéről is.
Ez a megoldás, amelyet továbbra is az űrhajók számára tartanak fenn, a jövőben szárazföldi járművekre vonatkozhat. Sőt, a folyékony hidrogén sűrűsége 70,973 kg / m 3 ; ilyen körülmények között a fent említett 4 kg hidrogén tárolásához szükséges tartály térfogata 56 liter lenne , vagyis egy jelenlegi benzines autó tartályának térfogata.
A nehézséget a hidrogén -252,8 ° C hőmérsékleten való viselése és fenntartása jelenti . A tartálynak ekkor ellen kell állnia a nagy nyomásnak, és rendelkeznie kell olyan másodlagos rendszerekkel, amelyek alacsony hőmérsékleten és legalább kissé a légköri nyomás felett tartják a hidrogént . Ezenkívül a hidrogén cseppfolyósítása és hőmérsékletének fenntartása magas energiaköltségekkel jár, ezért szennyező .
A krio-kompressziós ( közelmúltban Developed) lehetett hatékonyságának javítása a térfogati és tömegtároló és megkönnyíti a lehűtött folyékony hidrogén használata nagyon alacsony hőmérsékleten ( 20,3 K kb).
Amikor a hidrogén felmelegszik és növekszik a nyomás a környező környezet hőbevitelének hatására (mint egy nyomástartó tűzhelynél), a végső nyomás 350 bar körül van (lásd például a BMW Hydrogen 7 autónál kifejlesztett folyadéktartályt ). Összehasonlításképpen, egy hagyományos benzintartály csak néhány rudat, az LPG-tartály pedig 30 rudat támogat . Hagyományos vezetési forgatókönyvek esetén a 350 bar „határ” nyomást nagyon ritkán lehet elérni (mert a nyomás és a hőmérséklet csökken a tartályban, amikor a hidrogént fogyasztják).
Az Egyesült Államok Energetikai Minisztériuma (DOE) közzétette a fedélzeti hidrogéntárolási kapacitás "célértékeit", és a krio-sűrített technológia már elérte a 2015-re ajánlott értékeket (5-13 kg-os kis tartályok elegendőek a Hidrogén üzemanyagcellával 300 mérföld ).
Cryo-tömörítés lenne a legolcsóbb megoldás között a különböző formájú tároló vizsgált: a költségeket a végfelhasználó számára (beleértve a termelési költségeket, cseppfolyósítás, szállítása és elosztása hidrogén) becsülik. 0,12 $ / km (azaz valamivel kevesebb, mint 0,06 € / km ), míg 0,05–0,07 USD / mi (0,024–0,034 € / km ) egy hagyományos benzinjármű esetében (további információkért lásd a 13. diát).
Ezen okok miatt a német gyártó BMW integrálódott „cryo-tömörített”, mint a fő eleme a fejlesztés a hidrogén szektorban, de ez a megoldás volt (átmenetileg?) Elhagyott, mert nem garantálja a megőrzése gázra egy elhúzódó leállás az e technológiával kapcsolatos egyéb kockázatok mellett.
Lehetséges egy vagy több hidrogénmolekula bevezetése a „vizes ketrecekbe” ( klatrátokba ), például a mély óceánokban, de nagy nyomáson és / vagy alacsony hőmérsékleten. Kevésbé szélsőséges hőmérsékleti és nyomási körülmények között próbáljuk elérni.
Az adszorpció egy vegyület "rögzítésében" van a másik felületen.
A hidrogén a legtöbb szilárd felszínhez képes kötődni, de szinte csak a szénfelületeken történő adszorpciót veszik figyelembe tárolás céljából, ami még mindig a kutatás korai szakaszában van.
Ehhez nagy specifikus felületű anyagokra van szükség , a nanotechnológiák felelősségére . A szén nanocsövek alkalmazását fontolgatják, de ezek csak nagyon alacsony hőmérsékleten ( –196 ° C ) adszorbeálják a hidrogént ; a nanometrikus szénkúpok útját azonban tervezik. Az eredmények még mindig túl töredezettek ahhoz, hogy megjósolhassák ennek a megoldásnak a jövőjét.
A különböző vegyületek poláros kölcsönhatásokon keresztül kölcsönhatásba lépnek a hidrogénnel, érdekes retenciós lehetőségeket kínálva. Ezek kicsi vegyületek (különösen különféle hidridek, hangyasav ) vagy makromolekuláris és kristályos komplexek (különösen széntartalmúak, például fullerének ).
Jelentős kutatások várnak még az adszorpciós vagy abszorpciós képességük javítására és a hidrogén felszabadulásának szabályozására.
A hidridek olyan vegyületek , amely hidrogénatom, és ahol az utóbbi egy polarizációs negatív elemhez képest, amelyhez hozzá van kötve. A hidrideket a hidrogén és a másik elem közötti fő kötés jellege szerint osztályozhatjuk. A hidrideket akkor mondják „kovalensnek”, ha a kötés kovalens típusú . Azt mondják, hogy „fémesek”, ha a csatlakozás fémes típusú .
Néhány fém (tiszta vagy ötvözetekben ) elnyeli bennük a hidrogént. A fémvegyület ( pl. Magnézium ) hidrogénszivacsként működik. A fémhidridekben a hidrogén atomban (H) van tárolva, és már nem molekuláris (H 2 ) formában van, mint a tartályok esetében.
A hidrogén abszorpcióját (más néven hidridálásnak ) a hidrogén (H 2 ) két atomjává disszociálódó hidrogéngáz (H2) közvetítésével lehet elvégezni a megadott hőmérsékleten és nyomáson, valamint az abszorbens anyag jellemzői mellett. A hidrogén abszorpciója környezeti hőmérsékleten és nyomáson is elvégezhető elektrokémiai úton , pontosabban a víz elektrolízisével .
A fémhidridek tárolási kapacitása jelentős lehet; így az Mg 2 FeH 6 ötvözet köbméterenként 150 kg hidrogént „tárol” . Ekkor egy 26 literes tartály elegendő lenne a 4 kg hidrogénhez. Mindazonáltal a térfogatsűrűség nem elegendő, továbbra is szükséges, hogy a hidrid könnyen visszafordítható legyen ( eleve melegítéssel vagy a nyomás csökkentésével). A mobil alkalmazásokban való felhasználáshoz a figyelembe vett fémhidrideknek egyensúlyi hőmérsékletnek és nyomásnak kell lennie, amely kompatibilis az említett alkalmazásokkal ( nyomás esetén 1 és 10 bar között , hőmérséklet esetén 0 és 100 ° C között). Számos intermetallikus ötvözetű hidridcsalád tekinthető és lehetséges: AB 5 (LaNi 5 stb.); AB 2 (ZrV 2 ); az A 2 B (Mg 2 Ni)… A LaNi 5-ből származó ötvözeteket olyan újratölthető nikkel-fém-hidrid (Ni-MH) akkumulátorokban használják , amelyekből évente több millió egységet adnak el a világon .
2011-ben az EADS bejelentette, hogy nanometrikus méretben módosított magnézium-hidrideken dolgozik.
A 13. csoport egyik eleméhez (pl. Bór vagy alumínium ) kapcsolódó alkálifém és hidrogén többatomú struktúrákat képezhet, úgynevezett komplexként .
A hidrogén tárolására a legérdekesebb komplex hidridek az M tetrahidroborátok (BH 4 ) és az M tetrahidroaluminátok vagy alaninátok ( AlH 4 ). Annak érdekében, hogy a lehető legnagyobb tömegarány legyen a tárolt hidrogén és a „tároló” vegyület teljes tömege között, M gyakran lítiumot vagy nátriumot jelent ( LiBH 4 , NaBH 4 , LiAlH 4 , NaAlH 4 ).
A mai napig a LiBH 4 vegyület rendelkezik a legnagyobb hidrogén tömegsűrűséggel (18%). A tárolási kinetika sokáig meglehetősen kedvezőtlen maradt (különösen a hőmérsékleti viszonyok szempontjából), de ennek a vegyületnek egy instabilabb formáját találták 2007-ben, amely azonban rendkívüli nyomás szintetizálását igényli (200 000 atmoszféra, de a szerkezet kezd 10 000 atmoszféra; a gyógyszeripar jelenleg a tabletták összenyomásához használja a nyomást ”).
Ezekben a komplex hidridekben a hidrogén egy tetraéder csúcsait foglalja el, amelynek középpontját alumínium- vagy bóratom foglalja el. Ezek a tetraéderek negatív töltést hordoznak, amelyet a Li + vagy Na + kation pozitív töltése kompenzál .
A hidrogén tárolásának és felszabadulásának elvei különböznek a komplex hidrideknél, mint a fémhidrideknél. Valójában az előbbit a kémiai reakció során tárolják, és nem a szerkezet „üregeinek” „egyszerű” elfoglalásával, mint a fémhidridek esetében. A nátrium-alanin esetében a hidrogén felszabadulásának mechanizmusa:
6 NaAlH 4⟶ 2 Na 3 AIH 6+ 4 Al + 6 H 2⟶ 6 NaH + 6 Al + 9 H 2Amíg a végén a 90-es évek és a használata titán- alapú katalizátorok , a fordított reakció, azaz a hidrogén tárolására, nem volt lehetséges, mérsékelt körülmények között. Ez a felfedezés lehetővé teszi a hidrogén mobil alkalmazásokban történő felhasználásának megfontolását: körülbelül harminc kilogramm komplex hidrid elegendő a már említett 4 kg hidrogén befogadására .
2006-ban az EPFL (svájci) kutatócsoport bemutatta a hangyasav hidrogéntároló oldatként való alkalmazását. A homogén katalizátor-rendszer, alapuló vizes ruténium katalizátorok bomlik hangyasavat (HCOOH) be -dihidrogén- H 2 és a szén-dioxid (CO 2). A dihidrogén így széles nyomástartományban (1–600 bar) állítható elő, és a reakció során nem keletkezik szén-monoxid . Ez a katalitikus rendszer megoldja a hangyasav bomlásához szükséges katalizátorok problémáit (alacsony stabilitás, korlátozott élettartam, szén-monoxid-képződés), és életképessé teszi ezt a hidrogéntárolási módszert.
Ennek a bomlásnak a melléktermékét, a szén-dioxidot lehet felhasználni egy második lépésben, hogy hidrogénezéssel ismét hangyasavat állítsunk elő. A CO 2 katalitikus hidrogénezése hosszasan tanulmányozták és hatékony módszereket fejlesztettek ki.
A hangyasav szobahőmérsékleten és nyomáson 53 g / l hidrogént tartalmaz, ami kétszerese a 350 bar nyomáson összenyomott hidrogén energiasűrűségének. A tiszta hangyasav 69 ° C-on gyúlékony folyadék , amely jobb, mint a benzin ( -40 ° C ) vagy az etanol ( 13 ° C ). 85% -tól hígítva már nem gyúlékony. A hígított hangyasav még az Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatal (FDA) élelmiszer-adalékanyagainak listáján is szerepel.
Más típusú hidridek is figyelembe vehetők. Például az amino-boránok családja (NH x BH x ) ígéretes útvonalat jelent, mivel utóbbi elméletileg több mint 20 tömeg% -ot képes felvenni. Az NH 4 BH 4 vegyület 24,5 tömeg% -ot képes felvenni, de –20 ° C felett instabil, ami miatt nem praktikus. Másrészt az NH 3 BH 3 vegyület (20%) normál körülmények között stabil és mérsékelt hőmérsékletet igényel a hidrogén felszabadításához, ami potenciálisan érdekesebbé teszi.
A platina szivacs a pórusaiban a hidrogén térfogatának akár 743-szorosáig is kondenzálódhat.
Különböző makromolekuláris és kristályos szerkezeteket értékelünk a hidrogén felszívására (néha adszorpciós komponenssel ). Valóban lehetővé tennék a "csapdába esett" hidrogén por alakú tárolását, amely stabilabb, kompaktabb, olcsóbb ... De fontos kutatások várnak még a felszívóképesség javítására és a hidrogén felszabadulásának ellenőrzésére hidrogén.
A fullerének lehetővé tennék a tárolt hidrogén sűrűségének elérését, megközelítve a Jupiter szívének sűrűségét. Például a buckminsterfullerene (60 szénatom) 23-25 hidrogénmolekulát képes tárolni . Numerikus szimulációkkal kimutatták, hogy egyetlen C60 molekula akár 58 hidrogénmolekulát képes felvenni, a 20 hidrogénmolekulán túli szénatomok között képződő kovalens kötések miatt.
Összefoglalva, a molekuláris tárolás nagyon érdekesnek és előnyösnek tűnik. Azonban, az eszközöket a „intravénás” és a „felszabadító” jó hatásfokú a hidrogén molekulák a fullerének továbbra is meg kell találni, hogy az, hogy azt mondják, hogy a technikák még mindig csak a kezdet, távol a szakaszában az ipari termelés.
Az ammónia (NH 3) folyékony állapotban egy adott térfogatnál több hidrogénatomot tartalmaz, mint a cseppfolyósított hidrogén . Az NH 3 szintézis energiahozamaa Haber-Bosch eljárás a hidrogén és a légköri dinitrogén nagyságrendű 70%. Energiasűrűsége 6,5 kWh / kg , amely fele a kőolajénak, de elképzelhetővé teszi alacsony költségű mobil alkalmazásokban történő felhasználását. Az ammónia , oldatot az első, van tárolva folyékony formában a gáz tartók hűtjük -28 ° C atmoszferikus nyomáson; a szállítás 10 bar nyomáson, környezeti hőmérsékleten is elvégezhető .
Az ammónia felhasználható energiaforrásként:
Energiatároló megoldásként alternatívát jelenthet a hidrogénnel szemben, a szükséges feltételek összehasonlíthatók a gáz vagy folyékony szénhidrogénekével. Ezután elegendő mennyiségben tárolható ahhoz, hogy az időszakos és szezonális termelést az ingadozó fogyasztási igényekhez igazítsa, 70% -os (fent említett) termelési hozammal.
A fő veszély a toxicitása: néhány perc 10 000 ppm expozíció végzetes lehet. Másrészt az ammónia nem nagyon gyúlékony; az NH3-mal ellátott jármű esetében meg kell tenni az óvintézkedéseket, mint az LPG-vel szemben. Az égés során azonban a nitrogén-oxidok termelése mérgező lehet, ha a körülményeket nem ellenőrzik. Az ammónia azonban fojtogató szaga miatt könnyen detektálható: az érzékelési küszöb 1-50 ppm nagyságrendű .
Míg a mobil tárolás még mindig sok problémát jelent, a tartályokban történő helyi tárolás lehetséges a rendelkezésre álló technológiákkal:
A föld alatti hidrogént tárolják és használják a mély üregekben (sókupolák), valamint a régi olajmezőkben és a kipufogógázban. Így nagy mennyiségű hidrogéngázt már évek óta tároltak a földalatti üregekben, például az ICI és a Storengy , különösebb nehézségek nélkül.
Nagy mennyiségű folyékony hidrogén hatalmas földalatti tárolása része lehet a hálózati megközelítésnek ( grid energiatárolás az angolul beszélőknek) és az energiakeveréknek . Energiahatékonyság szempontjából a tároláshoz felhasznált energia és a hasznosítható energia aránya körülbelül 40% (szemben a hidroelektromos tárolás 78% -ával ), de a költségek valamivel magasabbak maradnak, mint a szivattyús tárolóké .
A meglévő földgázelosztó hálózat hidrogén tárolására is alkalmas.
A földgázra való áttérés előtt a német gázhálózatok városi gázt használtak , amely részben hidrogénből készül. Az EU-27 gázhálózata körülbelül 79 GNm 3 / év , vagyis 27 GW kapacitású földgáz .
A német földgázhálózat jelenlegi tárolókapacitása meghaladja a 200 TWh-t, ami több hónapos energiaigényre elegendő. Összehasonlításképpen: az összes német szivattyús tároló üzem kapacitása csak 40 GWh körül van. Ezenkívül a gáz halmazállapotú energiahordozó szállítása a gázhálózaton keresztül sokkal kisebb veszteséggel (<0,1%) történik, mint egy elektromos elosztó hálózat (körülbelül 8%).
A németországi meglévő földgázrendszer hidrogénhasználatát a NaturalHy európai projekt vizsgálta.
A kutatás sok országban aktív, és elősegítheti a hélium tárolását is . A laboratóriumi munka és a gyártói tesztek különösen a könnyű, nagyon szoros és hidrogénnel érintkezve nem lebomló polimer tartályok kifejlesztésére vonatkoznak.
Európában a StorHy projekt („Hidrogéntároló rendszer autóipari alkalmazásokhoz”) 2004-ben indult, hogy felgyorsítsa a nagynyomású (700 bar-ig) gáztárolásban, folyékony (kriogén, -253 ° C-os) tárolásban és tárolásban való előrehaladást. felszívódással.
A témához kapcsolódó általános
Az első hidrogénjárművek