Depozitarea hidrogenului

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un recipient voluminos de înaltă presiune utilizat pentru stocarea hidrogenului.

Stocarea hidrogenului (sau de stocare a hidrogenului) descrie metode de stocare a H 2 pentru utilizare ulterioară. Metodologiile acoperă numeroase abordări, inclusiv presiune înaltă și criogenă , dar se concentrează de obicei pe materiale care eliberează reversibil hidrogen prin încălzire.

Depozitarea hidrogenului reprezintă un pas fundamental în dezvoltarea unei economii de hidrogen . Majoritatea cercetărilor privind stocarea hidrogenului indică o scădere a volumului de stocare, pentru aplicațiile mobile . Această cercetare este, de asemenea, importantă pentru rolul pe care hidrogenul l-ar putea juca în furnizarea unui depozit de energie electrică din surse imprevizibile, cum ar fi energia eoliană . În zilele noastre, principala dificultate în utilizarea hidrogenului ca sistem de stocare este că energia → hidrogen → transformările energetice sunt scumpe și complexe din punct de vedere tehnologic.

Hidrocarburile tradiționale sunt de obicei depozitate acolo unde este prevăzută utilizarea lor: depozitarea este posibilă atât în faza lichidă , în rezervoarele de benzină , motorină și GPL , cât și în faza gazoasă , în rezervoarele de propan și metan . Pe de altă parte, hidrogenul este foarte scump de depozitat și / sau transportat cu tehnologiile actuale.

Hidrogenul are o densitate energetică ridicată pe unitate de masă, dar densitate de energie volumetrică scăzută în comparație cu hidrocarburile, necesitând astfel rezervoare mai mari pentru stocarea acestuia. Aceste tancuri sunt, prin urmare, mai grele decât cele ale hidrocarburilor cu același conținut de energie, lăsând neschimbați toți ceilalți factori. Creșterea presiunii gazului ar îmbunătăți densitatea energetică pe unitate de volum, rezultând recipiente mai puțin voluminoase, dar nu mai ușoare. [1] Comprimarea unui gaz necesită energie pentru alimentarea compresorului: o compresie mai mare are ca rezultat o pierdere mai mare de energie în timpul procesului de compresie.

Alternativ, ar putea fi utilizat hidrogen lichid (sau zăpadă cu hidrogen ) cu o densitate de energie volumetrică mai mare (ca în naveta spațială ). Cu toate acestea, hidrogenul lichid necesită stocare criogenică și fierbe la aproximativ 20.268 K (-252.882 ° C sau -423.188 ° F ). Prin urmare, lichefierea sa impune o pierdere mare de energie (deoarece energia este necesară pentru a o răci până la acele temperaturi). Rezervoarele trebuie, de asemenea, să fie bine izolate pentru a evita fierberea, iar izolarea cu hidrogen lichid este de obicei scumpă și delicată. Presupunând că toate acestea pot fi rezolvate, problema densității rămâne. Hidrogenul lichid are o densitate de energie pe unitate de volum care este de aproximativ 4 ori mai mică decât alte hidrocarburi, cum ar fi benzina. Acest lucru evidențiază problema densității hidrogenului pur: există de fapt 64% mai mult hidrogen într-un litru de benzină (116 grame de hidrogen) decât într-un litru de hidrogen lichid pur (71 grame). Carbonul din benzină contribuie, de asemenea, în mod activ la energia de ardere.

Propuneri și cercetări

Depozitare sub formă de amoniac

Amoniacul (NH 3 ) poate fi un mijloc de stocare chimică a hidrogenului și apoi eliberare într-un „ reformator ” catalitic. Amoniacul oferă potențial de stocare a hidrogenului de înaltă densitate ca lichid răcit la temperaturi sub -35 ° C cu presurizare ușoară și o izolație criogenică modestă. Amestecat cu apă, poate fi depozitat în condiții de siguranță la temperaturi și presiuni ambientale normale.

Procesele industriale ale amoniacului sunt cunoscute pe scară largă, deoarece este a doua substanță chimică cea mai frecvent produsă din lume, iar infrastructurile uriașe pentru producția, transportul și distribuția acestuia sunt disponibile pe scară largă. Amoniacul poate fi transformat ( reformat ) pentru a produce hidrogen fără a produce gaze toxice sau poate fi amestecat cu combustibilii existenți și arde eficient. Amoniacul pur arde greu la presiuni atmosferice egale cu cele găsite în cuptoare sau încălzitoare de apă alimentate cu gaze naturale. Când amoniacul este comprimat într-un motor cu ardere internă, acesta devine un combustibil util pentru motoarele pe benzină ușor modificate. Amoniacul este foarte scump din punct de vedere energetic, iar infrastructura existentă ar trebui extinsă pentru a răspunde nevoilor energetice ale sistemului de transport.

Amoniacul în sine, la o temperatură de 25 ° C și presiunea ambiantă (760 mmHg) este un gaz toxic și are un miros foarte înțepător și penetrant, precum și efecte lacrimale.

Hidruri metalice

Depozitarea hidrogenului în hidruri metalice

Hidrurile metalice , cu diferite grade de eficiență, pot fi utilizate ca mediu de stocare pentru hidrogen, adesea reversibil. [2] Unele sunt lichide la temperatura și presiunea camerei standard, altele sunt solide care pot fi transformate în bile. Hidrurile propuse pentru utilizare în economia hidrogenului includ hidruri simple de magneziu sau metale de tranziție și hidruri metalice complexe , care conțin de obicei sodiu , litiu sau calciu și aluminiu sau bor . Aceste materiale au o densitate energetică bună pe unitate volumetrică, deși densitatea lor de energie pe unitate de greutate este adesea mai proastă decât combustibilii cu hidrocarburi mai obișnuiți. În plus, sunt deseori necesare temperaturi ridicate pentru ca conținutul lor de hidrogen să fie eliberat.

Depozitarea hidrurilor solide este o posibilă soluție pentru depozitarea auto. Un rezervor de hidrură este de aproximativ trei ori mai mare și de patru ori mai greu decât un rezervor de benzină care produce aceeași energie. Pentru o mașină standard, aceasta ajunge la aproximativ 0,17 m 3 de spațiu și 270 kg față de 0,057 m 3 și 70 kg. Un rezervor normal de gaz cântărește câteva zeci de kilograme și este construit din oțel al cărui preț este estimat la aproximativ 2,20 USD / kg. Litiul, principalul constituent în greutate al unui vas de stocare a hidrurii, costă în prezent 90 USD / kg. Fiecare hidrură va trebui reciclată sau reîncărcată cu hidrogen, în mașină sau într-o instalație de reciclare. O celulă de energie metal-oxid, de exemplu o celulă de combustibil zinc-aer sau o celulă de combustibil litiu-aer , va oferi o utilizare mai bună pentru greutatea adăugată decât o celulă de combustibil cu hidrogen cu un rezervor de stocare a hidrurii metalice.

Hidrurile reacționează adesea prin ardere, destul de violent la expunerea la aerul umed și sunt foarte toxice în contact cu pielea sau ochii și, prin urmare, sunt suficient de voluminoase pentru a fi manipulate (vezi boran , hidrură de litiu și hidrură de aluminiu ). Acesta este motivul (pe lângă greutate și cost) pentru care anumiți combustibili, chiar dacă au fost propuși de industria lansării spațiale care a petrecut timp și resurse în această cercetare, nu au fost folosiți niciodată pentru niciun vehicul de lansare spațială.

Unele hidruri oferă reactivitate scăzută (și, prin urmare, siguranță ridicată) și densități de stocare ridicate (peste 10% din greutate). Principalii candidați sunt borohidrura de sodiu , aluminatul de tetrahidrură de litiu și boranul de amoniu . Borohidrura de sodiu și boranul de amoniu pot fi depozitate sub formă lichidă atunci când sunt amestecate cu apă, dar acestea trebuie depozitate în concentrații mari pentru a produce o densitate acceptabilă de hidrogen și acest lucru necesită un sistem complicat de reciclare a apei în celula de combustibil . Sub formă lichidă, borohidrura de sodiu oferă avantajul că poate reacționa direct în celula de ardere, permițând producerea de pile de combustie mai puțin costisitoare, mai eficiente și mai puternice , care nu au nevoie de catalizatori de platină . Reciclarea borohidrurii de sodiu este foarte costisitoare din punct de vedere energetic și ar fi necesare instalații speciale de reciclare. Sisteme mai eficiente de reciclare a borohidrurii de sodiu sunt încă în stadiul experimental. Sistemele de reciclare a boranului de amoniu nu sunt încă complet testate.

Hidrocarburi sintetice

O alternativă la hidruri este utilizarea hidrocarburilor normale ca purtători de hidrogen. Ulterior, un mic reformator de hidrogen ar extrage hidrogenul în funcție de consumul celulei de combustibil . Problema este că reformatorii se extrag lent și unele pierderi de energie, datorită eficienței scăzute, adăugate la costul suplimentar al celulei de ardere, fac probabil mai ieftină arderea hidrocarburii într-un motor cu combustie internă mai ieftin.

Celula de combustibil cu metanol nu necesită un reformator, dar asigură o eficiență energetică și o densitate de putere mai mici decât celulele de combustie convenționale, deși acest lucru ar putea fi compensat de densitatea energetică mult mai mare a etanolului și metanolului decât hidrogenul. Alcoolul ca combustibil este deja astăzi, datorită agriculturii , o resursă regenerabilă .

Celula de combustibil cu oxid solid poate funcționa pe hidrocarburi cu lanț scurt, cum ar fi propan și metan , fără a fi nevoie de un reformator, sau pot funcționa pe hidrocarburi cu lanț mai lung ( butan , hexan și octan ) cu o reformare doar parțială, dar temperaturile ridicate și timpul de pornire lent al acestor celule de combustibil le fac nepotrivite pentru utilizarea auto.

Hythane (pod către economia hidrogenului)

Amestecul cunoscut sub numele de Hythane sau hydromethane a fost propus în 2007 de ASTER , ENEA și Hythane of Littleton (Colorado) [3] . Amestecul constă din metan și hidrogen gazos, menținut la presiune ridicată (300 bari) și la temperatura camerei, într-un recipient de oțel căptușit cu materiale plastice rezistente la șocuri. Aceste vase pot conține de la 5 până la 30% hidrogen, iar restul amestecului este alcătuit din CH 4. Amestecul nu poate fi utilizat în prezent în pilele de combustibil, dar poate fi ars cu o eficiență relativă la motoarele cu combustie internă cu compresie redusă, cum ar fi la motoarele pe benzină din SUA ( ciclul Otto ) sau la motorul Wankel . [4]

Deja amestecul 7% are avantaje ecologice peste metan pur, datorită inferioară punctului de flacără al hidrogenului, care conduce la arderea completă a hythane în motoarele cu ardere internă [5] . Hythane amestec reduce producția de substanțe poluante de NOx de șapte ori [6] .

Alte metode: nanotuburi de carbon, nanotuburi de siliciu

Animația unui nanotub

În prezent, sunt studiate alte metode mai exotice de transport al hidrogenului, de exemplu bazate pe nanotehnologii , precum diferitele tipuri de micro-sferule de carbon-60 cunoscute sub numele de buckyballs și nanotuburi de carbon, dar acestea sunt încă într-un stadiu incipient de cercetare [7] ] .

În 2008, a fost anunțată posibilitatea utilizării nanotuburilor de siliciu pentru transportul hidrogenului în autovehicule [8] . Simulările fizice / chimice pe computer cu metoda matematică "Grand Canonical Monte Carlo" indică faptul că nanotuburile de siliciu pot absorbi mai mult hidrogen decât nanotuburile de carbon [9] .

În februarie 2011 , Cell Energy Ltd. (o subdiviziune a Laboratorului Rutherford Appleton [10] ) va prezenta o tehnologie practică și rentabilă pentru stocarea hidrogenului în micro-fibre împletite pentru a forma micro-fibre la celula de combustibil și la energia hidrogenului Expo din Washington.granule foarte fine (mult mai fine decât nisipul, cum ar fi să aibă o consistență semilichidă), care ar permite servirea hidrogenului de la distribuitori similari cu pompele de benzină actuale.

Împreună cu Universitatea din Oxford și Universitatea din Londra , acești cercetători au produs (cu tehnici „electrospinning” și „electrospray”) fibre cu un diametru cuprins între doi și 50 nanometri care se împletesc între ele pentru a crea un fel de microporos "țesătură". [11]

Notă

  1. ^ în acest sens, a se vedea intrarea „ recipient sub presiune ”
  2. ^ DOE Hidruri metalice
  3. ^ TreeHugger: Hidrogen + Metan = Hythane , la treehugger.com . Adus la 28 aprilie 2009 (arhivat din original la 31 octombrie 2009) .
  4. ^ ENEA propune amestecul de hidrogen-metan [ conexiunea întreruptă ] ( PDF ).
  5. ^ www.hythane.com/system.html , pe hythane.com . Adus la 28 aprilie 2009 (arhivat din original la 20 noiembrie 2008) .
  6. ^ Hythane reduce NOx mai mult de 7 ori în comparație cu utilizarea pur H 2 (PDF), pe edenenergy.com.au. Adus la 28 aprilie 2009 (arhivat din original la 14 septembrie 2009) .
  7. ^ Universitatea din Trois Rivieres (Canada): Nanotuburile de carbon măresc cantitatea de H 2 stocată , pe nanotechweb.org . Adus la 28 aprilie 2009 (arhivat din original la 11 decembrie 2008) .
  8. ^ Nanotuburi de siliciu pentru stocarea hidrogenului în vehiculele cu celule de combustibil - ScienceDaily (24 aprilie 2008)
  9. ^ http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jpccck/2008/112/i14/abs/jp711754h.html Viitorul nanotuburi de siliciu pentru depozitarea hidrogenului: de la prima lege a termodinamicii la Monte Carlo simulări (Jianhui Lan, Daojian Cheng, Dapeng Cao și Wenchuan Wang)
  10. ^ Cella Energy Ltd. este un spin-off al laboratorului britanic Rutherford Appleton
  11. ^ ȘTIINȚE: Un nou material pentru pomparea hidrogenului de la distribuitorul obișnuit

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 34305
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Storage_dell%27hydrogen&oldid=121756943 ”