05222018út

Transport a skladování vodíku

Skladování vodíku II

V předchozím článku našeho seriálu jsme si přiblížili současné možnosti skladování vodíku. Vedle tradičních způsobů však existuje také velké množství nových, alternativních způsobů skladování. Všechny systémy v této kategorii jsou převážně ve výzkumné a vývojové fázi, jejich realizace jsou nekomerční, demonstrační. Dosažené parametry proto mají velký rozptyl v závislosti na řešiteli a jsou obtížně dostupné.

V tomto článku se budeme držet hodnocení skladovacích systémů, které jsme definovali v předchozím článku. Pro potřeby tohoto článku jsme vybrali pouze některé reprezentativní a nejčastěji zmiňované technologie.

Hydridy

Systémy skladování vodíku v hydridech jsou založeny na principu absorpce vodíku do materiálů na bázi kovů. Jedná se o exotermní reakci, tzn. že je při absorpci vyvíjeno teplo. Opačného děje - desorpce, tedy uvolňování vodíku z materiálu je naopak dosaženo dodáním tepla. Sledovanými parametry u těchto systémů jsou především teplota, při které dochází k desorpci vodíku z materiálu, hmotnostní kapacita absorbátoru (případně celého systému), objemová kapacita absorbátoru a v neposlední řadě cena a složitost systému. Podskupinou hydridů jsou metalhydridy (v angl. lit. označované také jako Conventional Hydrides) a komplexní hydridy.

Metalhydridy

V následující tabulce jsou uvedeny nejčastější metalhydridy včetně vybraných parametrů.

hydridy

Z tabulky je patrné, že objemová kapacita systémů s metalhydridy je ve srovnání s konvečním způsobem skladování velmi vysoká (až 110 gH2/l u Mg-H2 oproti 71 g/l pro LH2).

U sloučenin s lehkými kovy, jako je například magnesium, vychází celková hmotnost systému pouze o 30 % vyšší oproti systému skladující kapalný vodík. Tyto příznivé parametry kompenzuje potřeba vysoké desorpční teploty, nízký tlak produkovaného vodíku a v neposlední řadě vysoká cena hydridu.

Alanáty

Alanáty se řadí mezi reverzibilní komplexní hydridy, jsou to sloučeniny na bázi hliníku. V následující tabulce jsou uvedeny nejčastěji studované alanáty včetně hmotnostních a objemových ukazatelů.

alanaty

Z předcházející tabulky je patrné, že alanáty velmi vysokou hmotnostní i objemovou kapacitu. Limitující je poměrně vysoká cena hydridu a vysoká desorpční teplota (nad 150 ºC).

Borohydridy

Borohydridy jsou komplexní sloučeniny vodíku, ve kterých se společně s borem vyskytují kovy, případně prvky alkalických zemin. V tabulce jsou uvedeny některé sloučeniny včetně teoretické hmotnostní kapacity.

borohydridy

Borohydrid NaBH4 je v běžných podmínkách kapalný. Vodík se uvolňuje při reakci s vodou.

Uhlíkaté struktury

Mezi uhlíkaté nanostruktury řadíme vysokoporézní grafit a uhlíkaté nanotrubice. V poslední době se pozornost zaměřuje na studium nanotrubic s jednoduchou stěnou, které disponují velkým potenciálem pro skladování vodíku. Problematikou se zabývá mnoho výzkumných týmů po celém světě. Hodnoty hmotnostní kapacity adsorbovaného vodíku v nanostrukturách uhlíku se dle jednotlivých studií pohybují v rozmezí 0,4 - 7 % hm.

Uhlíkové nanotrubice

Uhlíkaté nanotrubice jsou známé již více než deset let. Základním stavebním prvkem nanotrubic je grafit. Grafit je forma uhlíku s atomy tvořícími šestiúhelníkovou krystalovou mříž.

Nanotrubice jsou tvořeny jednou příp. několika vrstvami stočenými do trubice konečné délky, mohou být zakončené polovinou fullerenu jak je patrné na následujícím obrázku. Průměr trubic se pohybuje od 0,7 - 3 nm.

nano

Existuje velké množství studií zabývající se skladováním vodíku v uhlíkatých nanostrukturách. Jednotlivé závěry jsou natolik odlišné, že je velmi obtížné objektivně posoudit publikované údaje. Dle většiny těchto studií nedosahují uhlíkaté nanotrubice pro vodík vyšší hmotnostní kapacitu než 7 % hm., navíc za velmi krajních podmínek (80 K, 7 MPa).

Skleněné mikrokuličky

Skleněné mikrokuličky jsou duté kuličky z křemitého skla, MgAlSi skla, polyamidu, atd. Typické rozměry jsou 25 - 200 μm při tloušťce stěny 0,5 - 20 μm. Mohou být plněny plynným vodíkem až do přetlaku 100 MPa. Plnění probíhá mechanismem difůze molekul vodíku skrze stěnu při zvýšené teplotě (200 °C) a vysokém tlaku. Uvolňování vodíku je dosaženo opětovným zvýšením teploty. Hmotnostní kapacita se pohybuje do 15 % hm. při 700 barech, objemová kapacita do 20 gH2/l.

Skleněné mikrokuličky naplněné vodíkem je možné čerpat do nádrže podobně jako tekutinu. Prázdné mikrokuličky mohou být poté opět odčerpány a znovu plněny. Skladování vodíku ve skleněných mikrokuličkách je ve stádiu výzkumu a vývoje a v současnosti není známa žádná komerční realizace.

mikrokulicky

Chemické sloučeniny obsahující vodík

Vodík můžeme skladovat a přepravovat také ve formě sloučenin bohatých na vodík. V jednom litru vody je paradoxně více atomů vodíku než v jednom litru kapalného vodíku. Nejznámější skupinou bohatou na vodík jsou uhlovodíky. Ty je možné skladovat v tlakových nádobách při běžných teplotách v kapalném stavu jako například propan, butan, zemní plyn, atd. Benzín a naftu, jako příklad směsi vyšších uhlovodíků, můžeme skladovat v kapalném stavu přímo za běžného tlaku a teploty. Tyto sloučeniny jsou obvykle chápany jako primární zdroj vodíku. Pro koncové aplikace, které vyžadují pro svojí činnost čistý vodík, je nutné zařadit mezi nádrž a palivový článek ještě reformer paliva.

Aplikovatelnost

V některých aplikacích se začínají prosazovat skladovací systémy na bázi Metalhydridů, limitujícím faktorem je vysoká cena a vyšší hmotnost těchto systémů.

Poměrně vyspělou technologií se v současné době jeví také systém na bázi NaBH4 + H20. Teoreticky můžebýt pro tuto reakci použita vodní pára, která vzniká jako produkt spalování vodíku v PEM palivovém článku. Problematická je především produkce NaBH4 a neexistující infrastruktura.

Systémy na bázi uhlíkatých nanostruktur a skleněných mikrokuliček jsou ve fázi vývoje a výzkumu.

Porovnání parametrů

Následující obrázek zobrazuje hmotnostní a objemovou kapacitu vodíku pro vybrané materiály.

srovnani

Jednotlivé systémy využívající uvedené materiály mají velmi odlišné hmotnostní a objemové kapacity. Následující obrázek proto zobrazuje stejné parametry jednotlivých materiálů v rámci celého systému včetně cílů jež vytyčilo americké ministerstvo dopravy U.S DOE (United States Department Of Energy).

 

srovnani2

Z obrázku je patrné, že požadavky pro rok 2005 splňují pouze skladovací systémy na bázi zkapalněného vodíku.

V současné době představuje skladování vodíku největší technologickou překážku. Cílem tohoto článku bylo proto přiblížit možnosti a zejména limity systémů pro skladování vodíku. Jednotlivé koncepce skladování vodíku není možné jednoduše porovnat, volba skladovacího systému bude vždy záležet na konkrétní aplikaci. Jednotlivé koncepce jsou navíc ve značně odlišných stádiích vývoje a s uváděnými parametry je tedy třeba zacházet s velkou opatrností.

Objemová kapacita systému je u konvenčních způsobů skladování vodíku limitována především hustotou kapalného případně stlačeného vodíku, hmotnostní kapacita systému potom především hmotnostní skladovacích nádob. Konveční způsoby skladování vodíku jsou bezpečné a lety provozu ověřené systémy, jejich technologický potenciál je však téměř vyčerpán.

Alternativní způsoby skladování vodíků naopak disponují značným potenciálem a je velmi pravděpodobné, že se v blízké budoucnosti stanou dominantní a to především v mobilních aplikacích.

související články:

Hydrogen Days 2018

Akce aktuální

06 6. 2018
8TH GERMAN HYDROGEN CONGRESS 2018

6-7. June 2018 Berlin, Germany

10 6. 2018
CIMTEC 2018

10-14 June 2018, Perugia (Italy)

11 6. 2018

Facebook

Tento web používá k poskytování služeb a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte.