Paranna sitä tai keskustele tarkistettavista asioista . Jos olet juuri kiinnittänyt bannerin, ilmoita tarkistettavat kohdat täällä .
Käsite vedyn varastointi tarkoittaa kaikkia muotoja varastoinnin vety , jotta sen myöhempi saatavuus kemiallisena tai energian kantaja.
On olemassa useita mahdollisuuksia, joilla on etuja ja haittoja. Kaasun muodossa vety ei ole kovin tiheä ja sitä on puristettava voimakkaasti. Nesteyttäminen vedyn tapahtuu erittäin alhaisessa lämpötilassa. Kiinteä vety on sidottava muihin komponentteihin, erityisesti hydridin muodossa .
Vedyllä on useita mielenkiintoisia ominaisuuksia, jotka voivat tehdä siitä yhden tulevaisuuden energiavektoreista . Sen massaenergiatiheys on kolme kertaa suurempi kuin dieselillä.
Erityisesti sitä voidaan helposti käyttää ajoneuvojen moottoreiden tehostamiseen;
Oppia miten säilyttää vety on myös kysymys on ekologisen liikkuvuutta , koska vety näyttää olevan vaihtoehto hiilivetyjen: polttamalla se lähettää ainoastaan vesihöyryä ja joitakin NOx , ja ei CO2 tai CO .
Vedyn mobiilivarastoinnin kustannukset ovat edelleen (vuonna 2012) kohtuuttomat, ja sen kuljetus oli 2000-luvun alussa noin 50% kalliimpaa kuin maakaasulla . Lisäksi vedyn tilavuusyksikkö kuljettaa kolme kertaa vähemmän energiaa kuin maakaasun tilavuusyksikkö.
Suurten vetymäärien nopea palautuva ja turvallinen varastointi on edelleen tekninen ja tieteellinen haaste. Hyvin pieni vetyatomi on vaikeimmin sisällytettävissä, myös vetymolekyylin muodossa. Sen nesteytys vaatii jäähdytyksen noin -253 ° C: seen (kaikista kaasuista vain heliumia on vaikeampaa nesteyttää). Tämä nesteytys kuluttaa tällä hetkellä paljon energiaa.
Jakeluverkko on edelleen vaatimaton. Euroopassa noin 2010, se toimineet pääasiassa teollisuuden ja muutama kokeellinen huoltoasemat (noin 40 maailmanlaajuisesti vuonna 2012, myös Yhdysvallat, Japani, Saksa ja Islanti) kautta noin 1050 km: n ja vedyn putkistojen operoi Air Liquide on Ranskassa , Saksassa ja Benelux pääasiassa, mutta se näyttää olevan asetettu kehittää) ... on myös tutkittava, että kaasuverkon voi imeä suuria määriä vetyä.
Turvallisuuskysymyksiä esiintyy myös siksi, että vety on piimaakaasun muodossa räjähtävää ja syttyvää . Hiilivetyihin verrattuna vuotoriski on suurempi ja syttymiseen tarvittava energia on 10 kertaa pienempi kuin maakaasulla . Se leviää kuitenkin nopeammin ilmassa, mikä rajoittaa räjähdysvaaraa. Reaktio ilmassa olevan hapen kanssa on 2 H 2 + O 2→ 2 H20.
Vety on kevyin atomi normaaleissa olosuhteissa , tiheys 0,09 kg / m 3 . Ottaen huomioon, että arviomme mukaan 1 kg vetyä on massa, joka tarvitaan kulkemaan 100 km perheauton pyörällä, vedyn massa, joka tarvitaan ajoneuvon 400 km : n tai 4 kg: n kantama-alueelle , on noin 45 m 3 ( 45 000 litraa). Ympäristön paineessa olevan säiliön kuution mitat tulisi sen vuoksi olla noin 3,5 m sivussa, tai päinvastoin, ajoneuvon, joka on varustettu nykyisen mittasäiliöllä, voi parhaimmillaan liikkua vain 600 m . Nämä olosuhteet eivät vastaa tarpeita, joille vetyä suunnitellaan.
Tässä muodossa sitä käytetään pääasiassa nomadisiin tai ultramobiilisovelluksiin, joille on tunnusomaista pieni jalanjälki, pieni paino, rajallinen energiavaranto, mutta erittäin helppo käyttää.
Yleisimmät sovellukset ovat:
Suuret paineet liittyvät enemmän mobiilisovelluksiin, joiden energivarannon on oltava suuri ja kompakti. Ainoa tapa vähentää kaasun tilavuutta vakiolämpötilassa on nostaa säiliön painetta Boyle-Mariotten lain mukaan .
Nykyiset tekniikat tekevät mahdolliseksi saavuttaa paineessa 700 baaria kautta vety kompressori (mäntä, sähkökemiallinen tai hydridi ). Tämän paine, vety tiheys on 42 kg / m 3 , eli vahvistus on noin kertoimella 500 verrattuna sen tiheys ympäristön paineessa ja lämpötilassa. Nämä säiliöt koostuvat tavallisesti metallia tai polymeeriä liner , joka on kevyempi, joka on estää läpäisyn vety. Tämä ensimmäinen vaippa on suojattu toisella, joka sisältää painovoimat ja kestää mahdollisia iskuja tai lämmönlähteitä, yleensä valmistettu komposiittimateriaaleista, jotka on vahvistettu filamenttien käämityksellä (erityinen hiilikuitu, pääasiassa mutta muita materiaaleja testataan basalttikuiduina) .
Nämä säiliöt ovat erittäin monimutkaisten vaatimusten mukaisia, kun paineenkestävyys (aina erästä peräisin olevan näytteen halkeamiseen asti), palonkestävyys ja iskunkestävyys (elävät ampumatarvikkeet) tarkistetaan .
2000-luvun alussa 200 baarin säiliöt hallittiin, mutta paine olisi nostettava vähintään 700 baariin, jotta aluksella olevan tilavuuden katsotaan tarjoavan mielenkiintoisen kompromissin säiliön energian ja massan välillä. Toisaalta kaasun varastointi ilmakehän paineessa edellyttäisi ihannetapauksessa, että säiliön kuori voidaan muodostaa, kun se pysyy suljettuna niin, että kaasu voidaan viedä siihen ja poistaa siitä. Tekninen vastaus ei ole selvempi.
Kaksi tai jopa kolme standardia esiintyy rinnakkain :
"Säiliön pään" on sallittava kaasun täyttäminen syöttämällä akku tai moottori haluttuun paineeseen ( integroidun säätimen ansiosta ) hyvissä turvallisuusolosuhteissa (ilman ylipainetta tai räjähdysvaaraa). Anturien on annettava myös tietoa jäljellä olevan kaasun määrästä.
Tämä edelleen avaruusalusten kantoraketeille varattu ratkaisu voi tulevaisuudessa koskea maakulkuneuvoja. Itse asiassa, nestemäistä vetyä tiheys on 70,973 kg / m 3 ; näissä olosuhteissa yllä mainitun 4 kg vedyn varastointiin tarvittavan säiliön tilavuus olisi 56 litraa, ts. nykyisen bensiiniauton säiliön tilavuus.
Vaikeus on sitten käyttää ja ylläpitää vety lämpötilassa -252,8 ° C . Säiliön on tällöin kestettävä korkeita paineita ja siinä on oltava toissijaiset järjestelmät, jotka pitävät vetyä alhaisessa lämpötilassa ja paineessa, joka on vähintään hiukan ilmakehän paineen yläpuolella . Lisäksi vedyn nesteyttämisellä ja sen lämpötilan ylläpidolla on korkeat energiakustannukset ja siksi ne saastuttavat .
Kryo-pakkaus ( äskettäin Kehitetty) voisi tehostaa volumetrisen ja massamuisti ja helpottaa jäähdytettiin nestemäistä vetyä käytettäväksi erittäin alhaisessa lämpötilassa ( 20,3 K suunnilleen).
Kun vety lämpenee ja paine nousee ympäröivän ympäristön lämmöntuotannon vaikutuksesta (kuten painekattilassa), lopullinen paine on noin 350 baaria (katso esimerkiksi BMW- autoon Hydrogen 7 kehitetty nestesäiliö ) . Vertailun vuoksi perinteinen bensiinisäiliö tukee vain muutamia tankoja ja nestekaasusäiliö 30 baaria. Tavanomaisissa ajo-olosuhteissa 350 barin "raja" -paine saavutettaisiin hyvin harvoin (koska paine ja lämpötila laskevat säiliössä vedyn kulutuksen yhteydessä).
US Department of Energy (DOE) on julkaissut "tavoitearvoja" ajoneuvoihin asennettaviin varastointikapasiteetti vetyä ja kylmäpresipitaattien pakattu tekniikka on jo saavuttanut suositellut arvot 2015 (pienissä säiliöissä on 5-13 kg riittää erilaisia 300 mailia vedyn polttokennolla).
Kryokompressio olisi edullisin ratkaisu tutkittavien varastointimuotojen joukossa : loppukäyttäjälle aiheutuvien kustannusten (mukaan lukien vedyn tuotanto-, nesteytys-, kuljetus- ja jakelukustannukset) on arvioitu olevan 0,12 $ / mi (ts. hieman alle 0,06 € / km ), kun taas perinteisen bensiiniajoneuvon hinnat ovat 0,05-0,07 $ / mi (0,024-0,034 € / km ) (katso lisätietoja dia 13).
Näistä syistä saksalainen BMW- valmistaja oli integroinut "kryokompressoidun" vetysektorinsa kehityksen pääelementiksi, mutta tämä ratkaisu hylättiin (väliaikaisesti?), Koska se ei takaa kaasun säästöä pitkäkestoisen seisokin aikana. ajoneuvoon. muiden tähän tekniikkaan liittyvien riskien lisäksi.
On mahdollista lisätä yksi tai useampi vetymolekyyli "vesihäkkeihin" ( klatraatteihin ), kuten löydämme syvistä valtameristä, mutta korkeissa paineissa ja / tai matalissa lämpötiloissa. Yritämme saavuttaa se vähemmän äärimmäisissä lämpötila- ja paineolosuhteissa.
Adsorptio on "lukitus" yhdisteen toiselle pinnalle.
Vety voi sitoutua useimpiin kiinteisiin pintoihin, mutta melkein vain adsorptiota hiilipintoihin harkitaan varastointiin, mikä on vielä tutkimuksen alkuvaiheessa.
Se vaatii materiaaleja, jotka tarjoavat suuria erityispintoja , nanoteknologian vastuuta . Käyttö hiilinanoputkien harkitaan, mutta ne vain adsorboivat vety hyvin alhaisessa lämpötilassa ( -196 ° C ); nanometristen hiilikartioiden polku on kuitenkin suunniteltu. Tulokset ovat edelleen liian hajanaiset voidakseen ennustaa ratkaisun tulevaisuuden.
Eri yhdisteet ovat vuorovaikutuksessa vedyn kanssa polaaristen vuorovaikutusten kautta tarjoten mielenkiintoisia retentio-mahdollisuuksia. Ne ovat pieniä yhdisteitä (erityisesti erilaisia hydridejä, muurahaishappoa ) tai makromolekyylisiä ja kiteisiä komplekseja (erityisesti hiilipitoisia, kuten fullereeneja ).
Merkittävää tutkimusta on vielä tehtävä niiden adsorptio- tai imukyvyn parantamiseksi ja vedyn vapautumisen hallitsemiseksi.
Hydridejä ovat yhdisteet kuuluvat vety ja kun tämä on polarisaatio negatiivinen osan suhteen, johon se on sitoutunut. Hydridit voidaan luokitella vedyn ja toisen alkuaineen välisen pääsidoksen luonteen mukaan. Hydridien sanotaan olevan "kovalentteja", kun sidos on kovalenttityyppiä . Niiden sanotaan olevan "metallisia", kun sidos on metallityyppiä .
Jotkut metallit (puhtaat tai seoksissa ) imevät vetyä niihin. Metalliyhdiste ( esim. Magnesium ) toimii kuin vetysieni. Metalli- hydridejä, vety on tallennettu atomi (H) ja ei enää molekyylipainon (H 2 ) muodossa, kuten tapauksessa säiliöt.
Vedyn (kutsutaan myös hydridimuodostus- ) voidaan suorittaa avulla vetykaasun (H 2 ) hajotetaan kaksi vety- (H) tietyssä lämpötilassa ja paineessa ja ominaisuudet imukykyistä materiaalia. Vedyn absorptio voidaan suorittaa myös ympäristön lämpötilassa ja paineessa sähkökemiallisesti ja tarkemmin veden elektrolyysillä .
Metallihydridien varastointikapasiteetti voi olla merkittävä; siis Mg 2 FeH 6 -seos "varastoi" 150 kg vetyä kuutiometriä kohti. Tällöin 26 litran säiliö riittäisi 4 kg : n vetyä varten. Tilavuuden tiheys ei kuitenkaan ole riittävä, on myös välttämätöntä, että hydridi on helposti palautuva ( a priori kuumentamalla tai vähentämällä painetta). Todellakin, voidaan käyttää liikkuvissa sovelluksissa metallihydridit katsotaan on oltava tasapaino lämpötiloissa ja paineissa on yhteensopiva mainitun sovellukset (välillä 1 ja 10 bar paineessa, välillä 0 ja 100 ° C: n lämpötila). Useita metallien välisiä metalliseoshydridiperheitä pidetään ja mahdollisia: AB 5 (LaNi 5, jne.); AB 2 (ZrV 2 ); a 2 B (Mg 2 Ni)… LaNi 5: stä peräisin olevia seoksia käytetään ladattavissa nikkelimetallihydridiakkuissa (Ni-MH) , joista useita miljoonia yksiköitä myydään ympäri maailmaa vuodessa .
Vuonna 2011 EADS ilmoitti työskentelevänsä nanometrisessä mittakaavassa modifioiduilla magnesiumhydrideillä.
Alkalimetalli liittyy elementti ryhmän 13 (esim. Boori tai alumiini ) ja vetyä voidaan muodostaa moniatomiseen rakenteita "kutsuttu monimutkainen ".
Mielenkiintoisin kompleksihydrideillä tallentamiseksi vety, ovat M tetrahydroborates (BH 4 ) ja M tetrahydroaluminates tai alanates (AIH- 4 ). Saadakseen mahdollisimman välinen massasuhde varastoitunut vety ja kokonaismassa ”tallennetaan” yhdiste, M edustaa usein litium tai natrium ( LiBH 4 , NaBH 4 , LiAlH 4 , NaAlH 4 ).
Tähän mennessä yhdisteellä LiBH 4 on vedyn suurin massatiheys (18%). Varastokineetiikka pysyi pitkään melko epäsuotuisana (erityisesti lämpötiloissa), mutta epäyhtenäisempi muoto tästä yhdisteestä löydettiin vuonna 2007, mikä vaatii kuitenkin äärimmäisen paineen syntetisointia (200 000 ilmakehää, mutta rakenne alkaa näkyä 10 000 ilmakehää; paine, jota lääketeollisuus käyttää tällä hetkellä pillereiden pakkaamiseen ”).
Näissä monimutkaisissa hydrideissä vety on tetraedronin kärjissä, jonka keskuksen vie alumiini- tai booriatomi. Nämä tetraederit sisältävät negatiivisen varauksen, joka kompensoidaan Li + - tai Na + -kationien positiivisella varauksella .
Vedyn varastoinnin ja vapauttamisen periaatteet ovat erilaiset monimutkaisille hydrideille kuin metallihydrideille. Itse asiassa varastointi tapahtuu ensimmäiselle kemiallisen reaktion aikana eikä rakenteen "tyhjien" "yksinkertaisella" miehittämisellä, kuten metallihydridien tapauksessa. Natriumalanaanille vedyn vapautumismekanismi on:
6 NaAlH 4⟶ 2 Na 3 AlH 6+ 4 AI + 6 H 2⟶ 6 NaH + 6 AI + 9 H 2Kunnes 90-luvun lopulla ja käyttö titaani- pohjainen katalyyttien , käänteinen reaktio, toisin sanoen vedyn varastointi, ei ollut mahdollista kohtuullisissa olosuhteissa. Tämä löytö tekee mahdolliseksi harkita niiden käyttöä vedyn varastointiin mobiilisovelluksissa: noin kolmekymmentä kiloa monimutkaisia hydridejä riittäisi tosiasiallisesti jo mainittujen 4 kg : n vetyyn.
Vuonna 2006 tutkimusryhmä EPFL: stä (Sveitsi) esitteli muurahaishapon käytön vedyn varastointiliuoksena. Saatiin homogeeninen katalyyttinen järjestelmä, joka perustuu vesiliuosta ruteniumkatalyytit hajoaa muurahaishappoa (HCOOH) otetaan divetyfosfaatti H 2 ja hiilidioksidi (CO 2). Divetyä voidaan siten tuottaa laajalla painealueella (1 - 600 bar) eikä reaktio tuota hiilimonoksidia . Tämä katalyyttinen järjestelmä ratkaisee olemassa olevien katalyyttien ongelmat muurahaishapon hajoamisessa (alhainen stabiilisuus, rajoitettu katalysaattorin käyttöikä, hiilimonoksidin muodostuminen) ja tekee tämän vedyn varastointimenetelmän elinkelpoiseksi.
Tämän hajoamisen sivutuotetta, hiilidioksidia, voidaan käyttää toisessa vaiheessa muurahaishapon muodostamiseksi uudelleen hydraamalla. Katalyyttisellä hydrauksella CO 2 on tutkittu perusteellisesti ja kehitetty tehokkaita menetelmiä.
Muurahaishappo sisältää 53 g / l vetyä huoneenlämpötilassa ja paineessa, mikä on kaksinkertainen 350 baarin paineessa puristetun vedyn energiatiheys. Puhdas muurahaishappo on syttyvä neste 69 ° C: ssa , joka on parempi kuin bensiini ( -40 ° C ) tai etanoli ( 13 ° C ). Laimennettu 85%: sta, se ei ole enää syttyvää. Laimennettu muurahaishappo on jopa Food and Drug Administrationin (FDA) elintarvikelisäaineiden luettelossa.
Muun tyyppisiä hydridejä voidaan harkita. Esimerkiksi aminoboraaniperhe (NH x BH x ) on lupaava reitti, koska jälkimmäinen voi teoreettisesti absorboida yli 20 painoprosenttia. Yhdistettä NH 4 BH 4 voi absorboida 24,5 massa-%, mutta se on epästabiili yli -20 ° C: ssa , joka tekee siitä epäkäytännöllistä. Toisaalta, yhdiste NH 3 BH 3 (20%) on stabiili normaaleissa olosuhteissa ja vaatii kohtalainen lämpötila vapauttaa vetyä, mikä tekee siitä mahdollisesti kiinnostavia.
Platina-sieni voi tiivistyä huokosiinsa jopa 743 kertaa vetyä.
Erilaisten makromolekyylisten ja kiteisten rakenteiden arvioidaan absorboivan vetyä (joskus adsorptiokomponentin kanssa ). Ne antaisivat todellakin "loukkuun jääneen" vedyn varastoinnin jauhemuodossa, joka on vakaampaa, pienikokoisempaa, halvempaa ... Mutta tärkeitä tutkimuksia on vielä tehtävä imukyvyn parantamiseksi ja vedyn vapautumisen hallitsemiseksi. vety.
Fulleriinien voisi mahdollistaa päästä tiheydet varastoidun vedyn lähestyvät sydämessä Jupiter. Esimerkiksi buckminsterfullerene (60 hiiliatomia) voi varastoida 23-25 molekyyliä vetyä . Numeerisilla simulaatioilla osoitetaan, että yksi C60-molekyyli voisi absorboida jopa 58 vetymolekyyliä johtuen kovalenttisista sidoksista, jotka muodostuvat 20 vetymolekyylin ulkopuolisten hiiliatomien väliin.
Yhteenvetona voidaan todeta, että molekyylivarastointi vaikuttaa erittäin mielenkiintoiselta ja edulliselta. Kuitenkin keinot "injektoida" ja "vapauttaa" hyvällä tehokkuudella fullereenien vetymolekyylit ovat vielä löydettävissä, toisin sanoen tekniikat ovat vielä vasta alussa, kaukana teollisen tuotannon vaiheesta.
Ammoniakki (NH 3) nestemäisessä tilassa sisältää enemmän vetyatomeja tietyssä tilavuudessa kuin nesteytetty vety . Energia saanto NH 3 synteesijonka Haber-Boschin menetelmä, vedystä ja ilmakehän dityppioksidin on luokkaa 70%. Sen energiatiheys on 6,5 kWh / kg , mikä on puolet öljyn tiheydestä , mutta tekee siitä mahdollisen edullisen käytön mobiilisovelluksissa. Ensimmäisen ammoniakki , liuos, varastoidaan nestemäisessä muodossa kaasupidikkeisiin, jotka on jäähdytetty -28 ° C : seen ilmakehän paineessa; kuljetus voidaan suorittaa myös 10 baarin paineessa ympäristön lämpötilassa.
Ammoniakkia voidaan käyttää energialähteenä:
Energian varastointiratkaisuna se voi olla vaihtoehto vedylle, tarvittavat olosuhteet ovat verrattavissa kaasumaisten tai nestemäisten hiilivetyjen olosuhteisiin. Sitä voidaan sitten varastoida riittävässä määrin jaksottaisen ja kausittaisen tuotannon mukauttamiseksi vaihteleviin kulutustarpeisiin, ja tuotanto (edellä mainittu) on 70 prosenttia.
Tärkein vaara on sen myrkyllisyys: Muutaman minuutin altistuminen 10000 ppm: lle voi olla kohtalokasta. Toisaalta ammoniakki ei ole kovin syttyvää; NH3: n mukana toimitetun ajoneuvon varotoimenpiteet ovat verrattavissa nestekaasuun. Poltossa typpioksidien tuotanto voi kuitenkin olla myrkyllistä, jos olosuhteita ei hallita. Ammoniakki on kuitenkin helposti havaittavissa tukehtuvan hajunsa vuoksi: havaintokynnys on luokkaa 1-50 ppm .
Vaikka mobiilivarastointi aiheuttaa edelleen monia ongelmia, paikallinen varastointi säiliöissä on mahdollista käytettävissä olevilla tekniikoilla:
Maanalaisen varastoinnin vety on ajateltavissa ja käytetään syvän onteloita (suolakupuihin), ja vanha öljy- ja loppuun kaasua. Suuria määriä vetykaasua on siis jo varastoitu maanalaisiin luoliin, esimerkiksi ICI: n ja Storengyn , vuosien ajan ilman erityisiä vaikeuksia.
Suurten nestemäisen vetymäärän massiivinen maanalainen varastointi voi olla osa verkkolähestymistapaa ( verkkoverkon varastointia englanninkielisille) ja energiayhdistelmää . Suhteen energiatehokkuutta , välinen suhde käytetyn energian varastointiin ja kierrätettävissä oleva energia on noin 40% (verrattuna 78% ja vesivoiman varastointi ), mutta kustannukset edelleen hieman suurempi kuin pumppausvarastoon. .
Nykyinen maakaasun jakeluverkko soveltuu myös vedyn varastointiin.
Ennen siirtymistä maakaasua, Saksan kaasu käytetyt verkot kaupunki kaasu , joka on osittain valmistettu vety. EU-27: n kaasuverkko on noin 79 GNm 3 / vuosi tai maakaasun kapasiteetti 27 GW .
Saksan maakaasuverkon nykyinen varastointikapasiteetti on yli 200 TWh, mikä riittää useiden kuukausien energiantarpeeseen. Vertailun vuoksi kaikkien saksalaisten pumppausvarastojen kapasiteetti on vain noin 40 GWh. Lisäksi kaasumaisen energian kantajan kuljettaminen kaasuverkon kautta tapahtuu paljon pienemmillä menetyksillä (<0,1%) verrattuna sähköiseen jakeluverkkoon (noin 8%).
Saksan nykyisen maakaasujärjestelmän käyttöä vedyn suhteen on tutkittu eurooppalaisessa hankkeessa NaturalHy.
Tutkimus on aktiivista monissa maissa, ja se voi myös edistää heliumin varastointia . Laboratoriotyöt ja valmistajien testit liittyvät erityisesti sellaisten polymeerisäiliöiden kehittämiseen, jotka ovat kevyitä, erittäin tiukkoja ja eivät hajoa kosketuksessa vedyn kanssa.
Euroopassa StorHy-projekti ("Vedyn varastointijärjestelmä autoteollisuudessa") käynnistettiin vuonna 2004, jotta voidaan nopeuttaa korkeapaineisten kaasujen varastointia (enintään 700 bar), nestemäistä varastointia (kryogeeninen, -253 ° C) ja varastointia. imeytymällä.
Aiheeseen liittyviä yleisiä
Ensimmäiset vetyajoneuvot