مقاله فناوری‌های نوین ذخیره‌سازی و انتقال سوخت هیدروژن

بخشی از مقاله

چکیده _

در عصر حاضر، ذخیره انرژی به یک مسئله بسیار مهم تبدیل شده است، زیرا منابع انرژی مانند سوختهای فسیلی و گاز طبیعی به صورت بیپایان در دسترس نخواهند بود و همچنین احتراق آنها یا محصولات پایانی حاصل از آنها با محیط زیستسازگار نیستند. یکی از گزینهها برای اجتناب از این مشکل، استفاده از هیدروژن به عنوان منبع انرژی میباشد.گاز هیدروژن یک سوخت تجدیدپذیر پاک، بسیار فراوان و غیر سمی است کهبا سوزاندن آن، تنها بخار آب به محیط زیست وارد میشود.

هیدروژنحاوی انرژی در واحد وزن بسیار بالا 3 - برابر بیشتر از بنزین - و انرژی بسیار پاییندر واحد حجم 4 - برابر کمتر از بنزین - است و سریع تر از بنزین معمولیمیسوزد.از این رو، هیدروژنبه عنوان یکحامل انرژی شناخته شده است، به این معنی که هیدروژن، انرژی را در یک فرم قابل استفاده ذخیره و عرضه میکند. از ویژگی جذاب هیدروژن، سازگاری طبیعی آن با پیل های سوختی میباشد.

راندمان بالاتر هیدروژن - 60 - درمقایسه با بنزین - 22 - ویا دیزل 45 - - ، راندمان مصرف انرژی آینده را بهبود می بخشد. انتظار می رود در آینده هیدروژن نقش بسیار مهمی را در تحول جهانی به سمت سیستمهای انرژی پاک، ایمن و پایداربویژه در سیستم حمل و نقل ایفاکند. اگرچه هیدروژن دارای مزایای فراوانی است، ذخیرهسازی آنیکچالش کلیدی در فناوریهای ذخیره مطمئن و مؤثر هیدروژن میباشد. از اینرو اینمقاله وضعیت فعلی مواد، روشها و فناوریهای مختلف در رابطه با ذخیرهسازی و انتقال هیدروژنرا مورد بررسی قرار داده است.

هدف، شناسایی مسیرهای تحقیقاتی است که منجر به طراحیو بهینه سازی فناوری ذخیره هیدروژن شده است.فن آوری ذخیرهسازی هیدروژن مناسب برای کاربردهای صنعتی باید الزاماتی از قبیل درصد وزنی بالا، تراکم بالا، سینتیک سریع برای جذب/واجذب، طول عمر چرخه بلندمدت و عملکرد امنیتیمناسبی را برآورده سازد، که فناوری نانو نیز توانسته نقش قابل توجهی در این زمینه ایفا کند. با توجه به شرایط فعلی و وضعیت توسعه، ذخیرهسازی گاز هیدروژن با فشار بالا، ذخیره و انتقال هیدروژن در حالت مایع و ذخیرهسازی هیدروژن درهیدریدهای فلزی عملی ترین روشهای ممکن می باشند.

.1 مقدمه

ذخیرهسازی هیدروژن یک فناوری کلیدی برای پیشرفت فناوریاستفاده از هیدروژن به عنوان حامل پاک انرژیو به کارگیری در پیل سوختی در زمینه حمل و نقل، کاربردهای ایستگاهی و کاربردهای پرتابل میباشد. به عنوان مثال ذخیره سازی هیدروژن در راستای توسعه وسایل نقلیه الکتریکی-سوختی - FCEV - 1 در صنعت خودرو بسیار حائز اهمیت است. مرسوم ترین نوع ذخیرهسازی هیدروژن در صنایعی است که هیدروژن را در محل مورد مصرف قرار می دهند و این مورد باعث میشود که هیدروژن در محل به سرعت تولید و مورد استفاده قرار گرفته و خدمات مورد نیاز را فراهم کند.

هیدروژن را میتوان در مقیاس های بزرگ در مخازن و یا در غارهای زیرزمینی ذخیره کرد. قابلیت ذخیرهسازی مخازن، به دلیل نیاز به مطابقت با تقاضای بالای مصرف کنندهها، یک فاکتور تعیینکننده سوخت برای وسایط نقلیه جادهای میباشد. به عنوان مثال مسافت طی شده در یک مدت زمان معین توسط وسایط نقلیه رایج که با سوخت مایع کار میکنند، به وضوح بالاتر از وسایل نقلیه الکتریکی هستند که با باتری برقی تأمین میشوند. مورد ذکر شده به این دلیل است که توزیع ترنهای برق در حال حاضر به شدت محدود شده است. ترنهای با پیلهای سوخت هیدروژنی میتوانند در بازار وسیع خودرو وارد شوند؛ زیرا تنها رقبای بالقوهای هستند که می توانند پاسخگوی این مسئله مهم باشند

ذخیرهسازی هیدروژن یکی از اجزای مهم در اقتصاد هیدروژن است و یکی از برنامههای فوری و چالش برانگیز ذخیرهسازی هیدروژن، توسعه و دستیابی به یک مکانیزم ذخیره ایمن، قابل اعتماد، کارآمد و مؤثر میباشد. به طور طبیعی، هیدروژن تراکم انرژی گراویمتری بالایی دارد، در حالی که تراکم انرژی حجمیکمی دارد.بسته به کاربرد هیدروژن، تأکید بر نوع ذخیرهسازی هیدروژن متفاوت است.

به عنوان مثال، برای کاربرد در خودروها، چگالی گراویمتری مهمترین فاکتور برای یک سیستم ذخیرهسازی هیدروژن است، که در اینجا سیستم ذخیره هیدروژنبدون اینکه وزن بیش از حدی را به خودرو اضافه کند باید با ابعاد خودرو تطبیق داشته باشد و در عین حال میزان زمان رانندگی قابل قبولی را ارائه دهد. به عبارت دیگر، در بخش حمل و نقل، بهتر است که H2 را در مخازن سبک وزن و ایمن با تراکم بالا ذخیره کرد. از سوی دیگر، در کاربردهای ایستگاهی، تراکم حجمی بیشتر ترجیح داده میشود زیرا وزن فاکتور اصلیموثر در کارایی نمی باشد.

هیدروژن در سراسر جهان در کاربردهای صنعتی - فرایند حرارتی فلزات، صنایع شیشه ای و غیره - استفاده میشود. هیدروژن در قالبهای فشرده ذخیره و حمل می گردد. توسعه هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی مطمئن به شدت به عملکرد و سطح ایمنی اجزاء ذخیره و توزیع هیدروژن وابسته است. در این راستا، دستیابی به شیوه ذخیرهسازی کارآمد و قابل اطمینان برای کمک به بازار انرژی هیدروژنی که شامل موارد زیر میباشد ضروری است: - 1هیدروژن به عنوانسوخت برای حمل و نقل: کشتی، هوپیما، اتوبوس و اتومبیل و غیره، - 2استفاده و کاربرد ایستگاهی: منبع سوخت گیری، منبع تغذیه به خارج از شبکه، ژنراتور برق برای مصارف مسکونی و - 3جهت استفاده در موارد قابل حمل: منبع تغذیه پشتیبان قابل حمل یا در ژنراتور برق

.1,1 روشهایذخیرهسازیهیدروژن

روشهای معمول برای ذخیره هیدروژن، ذخیره فیزیکی به صورت گاز فشرده، ذخیره فیزیکی به صورت هیدروژن مایعبرودتی و ذخیرهسازی مبتنی بر مواد یا ذخیرهسازی حالت جامد میباشد. از میان روش های مذکور، دو مورد اول، یعنی ذخیرهسازی هیدروژن به صورت گاز فشرده و به صورت مایع، از روشهای تکامل یافته هستند کهدر حال حاضر به طور گسترده ای استفاده میشود. آخرین روش ذخیره سازی، روش ذخیره مبتنی بر مواد است که هنوز به طور گسترده تحت تحقیق و توسعه قرار دارد و به شدت به توسعه مواد پیشرفته وابسته است.هیدروژن بر پایه روش ذخیرهسازی به دو دسته ذخیره فیزیکی و ذخیرهسازی بر پایه مواد تقسیم میشود. خلاصه ای از روشهای ذخیره هیدروژن بر اساس دسته بندی مذکور همراه با زیر شاخه های آن ها به صورت نمودار درختی در شکل 1 نشان داده شده است

شکل -1 روشهای ذخیرهسازی هیدروژن.

.1,2 ذخیره فیزیکی هیدروژن

ذخیره فیزیکی شامل ذخیره هیدروژن مایع و یا ذخیره هیدروژن گازی فشرده شده و همچنین ذخیره سازی کرایوژنیک فشرده میباشد. بنابراین ذخیره فیزیکی هیدروژن یا به صورت گاز فشرده و یا هیدروژن مایع میباشد.

.1,3 ذخیرهسازی هیدروژن بر پایه مواد

در طی دهه گذشته پیشرفت قابل توجهی برای درک مفاهیم و کشف مواد مناسب برای ذخیرهسازی هیدروژن صورت گرفته است، اما ضروری است که سیستمهای ذخیرهسازی هیدروژن کم هزینه با ظرفیت ذخیرهسازی مناسب که به طور عملی قابل استفاده باشد و ویژگی های سینتیک و ترمودینامیکی مناسبداشته باشند، ابداع شوند.مکانیزمهای بنیادی برای ذخیرهسازی هیدروژن مبتنی بر مواد وجود دارد که عبارتند از:جذب شیمیایی که مولکولهای هیدروژن به اتمهای هیدروژن تفکیک شده و در شبکه مواد تلفیق و متصل میشوند. این روش این امکان را فراهم میکند که تحت فشار و دمای محیطی حجم زیادی از هیدروژن را بتوان در حجم کوچکی ذخیره کرد و جذب فیزیکی کهبا این مکانیزم، اتمها یا مولکولهای هیدروژن به سطح مواد می چسبند.

مواد ذخیرهساز هیدروژن به صورت ترجیحیباید دارای ظرفیت گراویمتری و حجمی بالا باشند، مراحل هیدریدینگ و دی هیدریدینگبرگشت پذیر باشند، دارای خصوصیات دما و فشار مطلوب باشند، هیدرید تشکیل شده پایداری کافی داشته و حساسیت کمی نسبت به ناخالصیهای موجود در گاز مورد استفاده داشته باشند

.1,1,3 جذب شیمیایی

هیدروژن میتواند برای تشکیل هیدرید فلزی - MH - با فلزاتی مانند Li، Na، Mg، Ti ، آلیاژ و یا ترکیبات میان فلزی - IMC - واکنش دهد . واکنش برگشت پذیر گاز هیدروژن با فلز/آلیاژ تشکیل دهنده هیدرید و یا IMC برای تشکیل هیدرید فلزی میتواند به صورت زیر بیان شود:

در این فرمولM یک فلز، یک آلیاژ یا یک IMC است وQ گرمای تولید شده در طی تشکیل MH یا گرمای مورد نیاز برای آزاد کردن هیدروژن از MH است.

.2,1,3 جذب فیزیکی

فرایند جذب فرآیندی است که در آن مولکولهای H2 در سطح ماده بصورت ضعیفی جذب میشوند. یکی از راه های بهبود سینتیک ذخیرهسازی، حفظ هویت مولکولیH2 در طی فرایندی است که توسط جذب فیریکیامکان پذیر است. مواد مورد مطالعه بیشتر مواد متخلخل مانند مواد کربنی - فولرینها، نانولولهها و گرافیت - ، زئولیتها، چارچوبهای آلی فلزی 2 - MOFs - ، چارچوبهای آلی کووالنت - COFs - 3، کلاترها4 و کمپلکسها با شیمی آلی فلزی هستند.

.3,1,3 هیدریدهای فلزی

هیدریدهای فلزی بخاطر توانایی منحصر به فردشان جهت جذب و رهاسازی هیدروژن یا در دمای اتاق و یا از طریق گرمایش مخزن معروف هستند . هیدریدهای فلزی دارای ظرفیت ذخیرهسازی هیدروژنی 7-5 درصد وزنی می باشند، اما این امرتنها زمانی محقق می شود که تا دمای 2500 درجه سانتی گراد ویا دمای بالاتر حرارت داده میشود .

هیدریدهای فلزی تمایل به پیوند قوی با هیدروژن دارد که این عمل نیاز به دمای بالا در حدود 200-120 درجه سانتی گراد برای رهاسازی محتوای هیدروژن است. هیدریدهای انتخاب شده برای برنامههای ذخیرهسازی دارای واکنش پذیری کم - ایمنی بالا - و تراکم ذخیرهسازی بالای هیدروژن استNaHH4 .[2]، AlH3، LiBH4، Mg - BH4 - 2، آمونیاک بوران - NH3BH3 - ، سیستمهای آمید/ ایمید، Li2NH Li3NH، LiAlH4، MgH2 و NaBH4 در حال حاضر تنها هیدریدهایی هستند که قادر به دستیابی به اهداف گراویمتری 9 wt هستند.

.3,1,3 هیدریدهای کمپلکس

هیدرید کمپلکس از لحاظ تراکم جرم و حجم هیدروژن نسبت به آلیاژهای رایج ذخیرهسازی هیدروژنی ارجحیت دارد. به عنوان مثال، محتوای هیدروژنNaAlH4 وLiAlH4 به ترتیب به 7/4 و 10/5 درصد وزنی از هیدروژن می رسد. در تئوریNaAlH4 در دمای زیر 200 درجه سانتیگراد میتواند 5.6 wt%هیدروژن ذخیره کند. با این حال، در دمای زیر 200 درجه سانتیگراد ظرفیت تئوریLiAlH4 حاوی wt% 7/9 هیدروژن است.

با بررسی و مقایسه خواص ذخیرهسازی هیدروژن LiBH4 که باCaHClو CaH2دوپ شده، مشخص شد کهLiBH4 دوپ شده باCaHClمیتواند پایداری ترمودینامیکی آن را کاهش دهد در حالیکه سینتیک آن را در مقایسه با آن نمونهای که با CaH2 دوپ شده افزایش دهد. با اضافه کردن برخی از کاتالیزورهای مؤثر نیز، خواص ذخیرهسازی هیدروژن سیستم بهبود می یابد و بنابراین میتواند یک روش ذخیرهسازی هیدروژنی امیدوار کننده در آینده باشد

.4,1,3 هیدریدهای شیمیایی

آمونیاک از لحاظ میزان فراوانی در تولید، در بین مواد شیمیایی دومین رتبه را در جهان دارد. زیرساختهای مربوط به تولید، انتقالو توزیع آمونیاک بسیار وسیع است