Przechowywanie wodoru

Przechowywanie wodoru – dział techniki poświęcony metodom przechowywania wodoru, głównie jako paliwa o bardzo wysokiej wartości energetycznej. Przechowywanie wodoru jest przedmiotem licznych badań, zarówno cywilnych jak i wojskowych, ośrodków naukowych, szczególnie w kontekście zwiększonego zainteresowania bezpieczeństwem energetycznym i polityką ochrony środowiska naturalnego przed szkodliwymi skutkami użytkowania paliw kopalnych. Atrakcyjność wodoru jako źródła energii wynika z tego, że można go stosunkowo łatwo pozyskiwać z gazu ziemnego oraz wody, która jest też jedynym produktem jego spalania lub utleniania tlenem.

Wodór jest wytwarzany na skalę przemysłową w kilku procesach, z których najbardziej korzystnym ekonomicznie jest wytwarzanie wodoru z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej (reforming parowy). Wodór jest również wytwarzany na drodze elektrolizy wody, co pozwala na uzyskanie wodoru o dużej czystości (około 99,9%).

Skroplony wodór od lat 40. XX wieku stosuje się w silnikach rakietowych, które wykorzystują energię odrzutu gazów powstającą przy spalaniu paliwa zmieszanego z utleniaczem (ciekłym tlenem). Wodór może być również spalany w klasycznym silniku tłokowym^[1]. Szerokie zastosowanie znajdują ogniwa paliwowe zasilane wodorem, służące jako źródło energii elektrycznej zarówno dla urządzeń elektronicznych, jak i pojazdów mechanicznych^[2].^,[3] Wodór może zatem być traktowany jako bezpośrednie źródło energii lub jako, alternatywny dla ogniw galwanicznych, sposób magazynowania energii uzyskanej z innych źródeł (na przykład energii wiatru).

Wodór w normalnych warunkach jest gazem, więc jego objętościowa gęstość energii jest niewielka w porównaniu do ciekłych paliw kopalnych. Oznacza to, że dla dostarczenia jednakowej ilości energii potrzebna jest o wiele większa objętość wodoru (a zatem zbiornik o większej objętości) niż w przypadku paliw płynnych, na przykład benzyny. Stosowane są różnorodne metody przechowywania wodoru w postaci gazowej i ciekłej. Najnowsze podejście do tego zagadnienia zakłada przechowywanie wodoru związanego na drodze chemisorpcji lub fizysorpcji (lub obydwu jednocześnie) w materiałach stałych. Przechowywanie wodoru w materiałach stałych jest najbardziej korzystne zarówno ze względu na bezpieczeństwo użycia wodoru, jak i ze względów energetycznych (znacznie zwiększona gęstość objętościowa energii).

Technologie przechowywania wodoru

Wodór w stanie gazowym

Najdłużej stosowaną metodą jest przechowywanie wodoru w gazowym stanie skupienia. Gazowy wodór może zostać sprężony do wysokiego ciśnienia, w celu podwyższenia jego gęstości energii. Podwajając ciśnienie w zbiorniku z grubsza biorąc podwaja się ilość zgromadzonej w nim energii. Obecnie przechowywanie pod ciśnieniem 200-350 barów jest technicznie możliwe. Jednakże, gęstość objętościowa pozostaje wciąż około 10 razy niższa niż w przypadku benzyny. W przypadku zastosowań komunikacyjnych to znacznie ogranicza zakres działania. Wyjątkiem są autobusy miejskie, które mogą często tankować. Prowadzone są prace nad zastosowaniem lekkich materiałów kompozytowych, które mogą znacznie obniżyć wagę i objętość zbiorników na wodór gazowy^[4]. Rozwijana jest również technologia zbiorników krio-ciśnieniowych, w których przechowywany jest sprężony wodór w obniżonej temperaturze (od około -120 do -196 °C). Kilku producentów samochodowych stosuje ciśnieniowy zbiornik wodoru w swoich samochodach. 700-barowy system został zbudowany we współpracy General Motors z Quantum Fuel Systems Technology Worldwide, Inc.^[5]

Porównanie zbiornika na wodór ciekły i gazowy (na dole), sprężony pod ciśnieniem 350 barów

Wodór w stanie ciekłym

Ciekły wodór musi być przechowywany poniżej -240,18 °C (temperatura krytyczna wodoru), zazwyczaj jest to około -250 °C. Gęstość energii jest znacznie wyższa niż w przypadku wodoru sprężonego, skroplenie i utrzymanie wodoru w stanie ciekłym jest bardzo energochłonne. Pomimo tego, że skomplikowanie układu czyni go bardziej odpowiednim do dużych ilości, producenci samochodowi, jak BMW i General Motors prowadzą badania nad samochodami wyposażonymi w zbiornik z ciekłym wodorem oraz wodorowy silnik spalinowy lub ogniwo paliwowe. Duża część badań nad skraplaniem wodoru została przeprowadzona przy projektach kosmicznych, gdzie wodór jest wykorzystywany jako paliwo do napędu rakiet.

Zobacz też

• energetyka
• bezpieczeństwo energetyczne
• podziemne magazyny gazu

Przypisy

Bibliografia

• Maciej Chorowski, Technologie kriogeniczne. Konspekt do wykładu
• Wojciech Kwinta, Magazynowanie wodoru. Ciężki los lekkiego gazu

Linki zewnętrzne

• DoE Hydrogen Program
• EU StorHy
• NESSHy
• The Fuel Cell Way