El Твердый водород перестал быть чем-то из области научной фантастики. Эта область становится одной из самых перспективных в энергетическом переходе. От стартапов, зародившихся в университетских аудиториях, до исследовательских групп, десятилетиями борющихся с той же проблемой, все они преследуют одну и ту же цель: найти безопасный, дешевый и эффективный способ хранения возобновляемой энергии, которую мы сейчас растрачиваем впустую.
Эта проблема во многом связана с тем, что мы уже испытываем: Возобновляемых источников энергии становится все больше, но их производство носит нерегулярный характер.Когда светит солнце или дует ветер, мы вырабатываем больше электроэнергии, чем можем потребить в данный момент, и если нет разумного способа её хранения, большая часть теряется или «отдаётся» в сеть по смехотворно низким ценам. Именно здесь вступают в игру такие технологии, как гидриды металлов, магниевые диски, твердоводные водородные баллоны и другие. новые наноматериалы которые впитывают газы, как губка.
Почему хранение энергии является главным узким местом
Многие страны, такие как Испания уже страдает от энергетической напряженности и неравенства. из-за этой ситуации. Есть области, где Возобновляемый потенциал огромен.Однако энергосистемы и системы хранения энергии не готовы к такому большому избытку. Это привело к конфликтам между регионами и серьезным сомнениям относительно того, как интегрировать все больше возобновляемых источников энергии, не перегружая систему.
Сегодня используются различные стратегии для постарайтесь сохранить этот излишек: большой стационарные батареиПерекачка воды в водохранилища (для последующего использования в турбинах), бытовые батареи в системах автономного потребления… Но у всех этих методов есть очевидные ограничения: высокая стоимость, зависимость от критически важных сырьевых материалов, необходимость в определенных местах или трудности с масштабированием до национального уровня.
Именно поэтому многие эксперты сходятся во мнении, что Недостающим звеном является место для хранения. Для того чтобы возобновляемые источники энергии стали по-настоящему независимыми, не завися так сильно от парогазовых или атомных электростанций, необходим гибкий, надежный и широко распространенный способ хранения электроэнергии. Маловероятно, что эти технологии полностью доминируют на энергетическом рынке.
Водород как энергоноситель: что он предлагает по сравнению с другими решениями.
В этом контексте водород выделяется как один из наиболее перспективных энергетических векторовЭто самый распространенный химический элемент во Вселенной, входящий в состав таких распространенных молекул, как вода и углеводороды. При использовании в топливных элементах он соединяется с кислородом из воздуха, генерируя электричество, тепло и воду в качестве единственного прямого побочного продукта, при этом выбросы CO2 в процессе преобразования отсутствуют.
Кроме того, Зеленый водород, производимый из возобновляемых источников энергии методом электролиза.Это идеально соответствует необходимости использования избыточной электроэнергии. Вместо того чтобы тратить лишнюю электроэнергию, её используют для расщепления воды на водород и кислород. Затем этот водород хранится и повторно используется для производства электроэнергии, питания транспортных средств или отопления.
Еще одним ключевым преимуществом является его высокая плотность энергии на единицу массыВодород содержит примерно в три раза больше энергии, чем бензин, что делает его очень привлекательным топливом для тяжелого транспорта, промышленности или в тех областях применения, где вес имеет решающее значение.
Однако водород представляет собой серьезную проблему: как его хранить и транспортировать практичным и безопасным способомТрадиционно использовались два метода: в виде сжатого газа под высоким давлением или в жидком виде при криогенных температурах. Оба метода требуют больших затрат энергии, предполагают сложную инфраструктуру и, в некоторых случаях, использование потенциально опасных веществ.
Действительно ли существует твердый водород?
На чисто физическом уровне, Твердый водород как чистый элемент известен с 1899 года.Исследователь Джеймс Дьюар первым получил его, охладив до чрезвычайно низких температур, ниже примерно -259,14 °C, близких к абсолютному нулю. В этих экстремальных условиях водород затвердевает.
Изучение этого материала — задача совсем не из лёгких: Образцы микроскопические, и водород очень слабо взаимодействует с рентгеновскими лучами.Это значительно усложняет изучение его внутренней структуры. Тем не менее, наука выявила несколько твердых фаз водорода, которые зависят от температуры и, прежде всего, от приложенного давления.
В звонке Фаза IПри низком давлении и температуре молекулы H2 могут свободно перемещаться. Повышение давления при низких температурах приводит к... Фаза IIдо давления около 110 ГПа, где это движение ограничено. Если давление увеличить еще больше, примерно до 160 ГПа, произойдет следующее: Фаза IIIА повысив температуру до нескольких сотен кельвинов при давлении выше 220 ГПа, можно получить доступ к Фаза IV с еще более сложными свойствами.
В любом случае, при нормальных условиях на поверхности Земли. Твердый водород в природе не встречается.В сфере энергетики разрабатываются не столько сверххолодные «чистые» твердые вещества, сколько технологии, позволяющие улавливать водород внутри твердых материалов или соединений, которые на практике ведут себя как твердое, безопасное и управляемое хранилище.
АТОМ H2: Металлогидриды для хранения излишков возобновляемых источников энергии
Один из самых ярких примеров приводится группой Испанские инженеры, создавшие проект ATOM H2.Лауреат премии Джеймса Дайсона 2024 года, а также участник таких инициатив в области предпринимательства, как EmprendeXXI в Каталонии. Этот стартап буквально родился в учебном классе: его основатели, недавние выпускники факультетов промышленного дизайна и химической инженерии, были полны решимости не допустить, чтобы их академические работы просто пылились в ящике.
Идея, лежащая в основе ATOM H2, относительно проста для объяснения, хотя и технологически сложна: Используйте избыточную возобновляемую энергию для производства водорода и его хранения в твердом состоянии. Используя гидриды металлов. Вместо резервуаров для хранения газа под высоким давлением или криогенных емкостей, они применяют специальный материал, который «поглощает» водород и хранит его компактным и безопасным способом.
Процесс начинается с электролиз водыПри наличии избытка электроэнергии от солнечных батарей или других возобновляемых источников, она используется для расщепления молекул воды (H2O) на кислород и водород. Этот водород, вместо сжатия или сжижения, помещается в резервуар, где он реагирует с металлическим материалом, образуя гидриды. Это позволяет хранить гораздо большие объемы водорода в меньшем объеме и при гораздо меньшем давлении.
Когда требуется энергия, система высвобождает водород из этих гидридов и направляет его в... топливная ячейкаТам газ вступает в реакцию с кислородом в воздухе, выделяя электричество, тепло и воду в качестве побочного продукта. Компания не уточняет в своих публичных материалах, возвращается ли вода обратно в систему, но подчеркивает, что этот процесс не приводит к образованию загрязняющих отходов.
Согласно их теоретическим оценкам, эта технология Твердый водород мог бы обеспечивать энергией десятки миллионов домов в год.Однако они признают, что эта цифра рассчитана в больших масштабах и что до достижения реального уровня развертывания еще далеко. Интересным моментом является модульная конструкция системы: при необходимости можно добавлять дополнительные блоки хранения, что является ключевым фактором для адаптации к различным размерам установок.
От школьных классов до телекоммуникационных вышек: практическое применение атома H2.
На ранних этапах создания ATOM H2 основатели компании размышляли о следующем: применять свои технологии непосредственно в домах.Это позволяет людям хранить собственную возобновляемую энергию в виде твердого водорода. Однако, после общения со многими компаниями и анализа различных ниш, они поняли, что рынок жилых домов не является наиболее подходящим вариантом.
Настоящий поворотный момент наступил, когда они столкнулись с этим сектором. телекоммуникационные башниЭти объекты критической инфраструктуры, как правило, оснащены резервными дизельными генераторами, которые запускаются в случае отключения электроэнергии или чрезвычайных ситуаций. Эти системы надежны, но сильно загрязняют окружающую среду, а затраты на их использование, связанные с ископаемым топливом, постоянно растут.
Команда увидела в этом огромную возможность: Замените эти дизельные генераторы гибридной системой, основанной на солнечной энергии, аккумуляторах и твердом водороде.Когда башне не требуется вся вырабатываемая ею энергия, излишки используются для производства водорода, который хранится в ее «резервуарах для твердых веществ». В случае отключения электроэнергии или необходимости резервного электроснабжения водород преобразуется обратно в электричество с помощью топливных элементов.
Такой подход предлагает ряд преимуществ: с одной стороны, Это значительно сокращает выбросы, связанные с резервным энергоснабжением. В телекоммуникациях это дает преимущества; с другой стороны, это повышает автономность и надежность за счет устранения зависимости от дизельного топлива. Кроме того, высокая плотность хранения гидридов металлов позволяет создавать компактные и удобные в управлении решения.
ATOM H2 уже находится на стадии индустриализацияпривлекая многомиллионные инвестиции в евро и работая над своим проектом. первая коммерческая реализация с крупным оператором, таким как Cellnex. а также участвует в международных программах, таких как Атлантический акселератор оборонных инноваций НАТО (DIANA). Краткосрочная цель — развертывание первых коммерческих образцов и проверка модели в полевых условиях.
Твердоводородные диски: французский подход с использованием магния и графита.
Параллельно с испанской инициативой, Группа французских исследователей разработала систему хранения твердого водорода в виде дисков. Напоминает старые виниловые пластинки со скоростью вращения 33 об/мин. Эта работа, благодаря которой они вошли в число финалистов в категории «Исследования» Европейской премии изобретателей 2023 года, является результатом более чем двух десятилетий исследований, объединяющих физику, инженерию и промышленность.
Проект начался в Институт Нееля в Греноблегде команда под руководством Даниэля Фрушара потратила десять лет на исследование способов хранения водорода в твердом состоянии. Впоследствии группа Патрисии де Ранго продолжила работу, сосредоточив свои усилия на разработке эффективных и обратимых резервуаров.
Ключевым технологическим фактором стало использование гидрид магния (MgH2) в сочетании с вспученным графитомМагний — один из наиболее эффективных материалов для поглощения водорода, но процесс его выделения сопровождается выделением тепла, которое необходимо тщательно контролировать. Вспененный графит действует как «теплоотвод», помогая рассеивать это тепло и лучше контролировать реакции.
Этот обратимый подход был предложен Фрушартом и промышленником Мишелем Жеаном при основании компании. МакФи в 2008 годуДжехан внес свой вклад, используя свой опыт в производстве гранул магния и микроскопических порошков, а также крупномасштабного оборудования, что позволило, несмотря на типичные трудности стартапа, преобразовать результаты лабораторных исследований в решения, более приближенные к рынку.
В результате получается дисковая система, которая Его можно хранить в стабильных условиях, и он потребляет меньше энергии, чем сжатие или сжижение.Он не вступает в самопроизвольные реакции с воздухом и сохраняет свои свойства с течением времени. Эти диски можно размещать на поверхности без риска возгорания, что облегчает их обращение и транспортировку.
Международный маркетинг и потенциальные области применения твердотельных накопителей
Это далеко не просто лабораторный эксперимент. Надежные дисковые хранилища водорода уже коммерциализированы. в таких странах, как Италия и Япония. Кроме того, команда ведет активные переговоры в Норвегии об адаптации этой технологии для паромов, морского транспорта и крупных химических предприятий.
Потенциал этой системы заключается в том, что Он обеспечивает высокую плотность хранения данных в компактном и модульном формате.Благодаря возможности обращаться с дисками практически как с «твердым топливом», их интеграция в условия, где использование газовых баллонов высокого давления затруднено или небезопасно, упрощается.
От автомобильного и морского транспорта до распределенной генерации электроэнергии и промышленных применений — существует широкий спектр возможностей. секторы, которые могут извлечь выгоду из стабильного и обратимого твердого водородаВозможность адаптировать систему к различным масштабам — от небольших модулей до больших резервуаров — открывает двери для создания высокогибких энергетических архитектур.
Еще одна сильная сторона - это присущая твердотельным накопителям безопасностьБлагодаря интеграции водорода в материал, риск катастрофических утечек или взрывов значительно снижается по сравнению с системами, использующими сжатый газ. Это может способствовать его социальному и нормативному признанию в чувствительных средах.
Если к этому добавить растущее давление с целью сокращения выбросов в таких секторах, как судоходство или производство тяжелой химической продукции, становится ясно, почему подобные технологии вызывают такой большой интерес. Это позволило бы декарбонизировать производственные процессы, не отказываясь при этом от универсального топлива. как водород.
Фотоцикл: баллоны с твердым водородом для домов и зданий.
Еще одно направление инноваций исходит из Северной Европы. Стартап Компания Photoncycle разрабатывает систему сезонного хранения энергии. Основана на медном цилиндре, изолированном толстым слоем пенополистирола, содержащим запатентованный раствор водорода в твердой форме.
Этот прототип, в настоящее время установленный в подвале научного парка в Осло и имеющий размеры примерно с кресло, планируется увеличить до размеров, позволяющих его собрать. три кубических метра В коммерческом варианте он устанавливается в нескольких метрах от жилых зданий. Его функция проста: подключаться к расположенным поблизости солнечным панелям, поглощать всю неиспользованную летом электроэнергию и высвобождать её в виде полезной энергии зимой.
По словам его основателя, Используется лишь около 50% солнечной энергии. Этот водород производится летом во многих северных странах. Остальная часть либо теряется, либо продается в сеть по очень низким ценам. Если этот избыток можно хранить в виде твердого водорода и использовать позже, когда спрос и цены вырастут, это создаст огромную добавленную стоимость как для потребителей, так и для электроэнергетической системы.
Photoncycle использует высокотемпературный обратимый топливный элементОна способна работать в обоих направлениях: производить водород из электричества и, наоборот, генерировать электричество — и тепло — из этого водорода. Ключевое отличие их предложения заключается в том, что водород «заключен» в негорючее твердое вещество с плотностью энергии выше, чем у литиевых батарей, и без необходимости криогенного охлаждения.
Одна из проблем, которую решает компания, заключается в следующем: управление теплопотерями В процессе преобразования водорода внутри и вне топливного элемента. Фактически, их цель — использовать это тепло для покрытия части потребностей домов в отоплении, что имеет большое значение, учитывая, что примерно 70% бытового потребления энергии приходится на отопление.
Установка оборудования Photoncycle, целевой рынок и стратегия.
Система Photoncycle предназначена для установить за один деньЭто включает в себя установку солнечных панелей и подключение к существующей инфраструктуре здания. После ввода в эксплуатацию система сможет полностью заменить природный газ в когенерационной установке, обеспечивая электроэнергией и отоплением за счет накопленной возобновляемой энергии.
Ещё одним привлекательным моментом является то, что владельцы могли продают обратно в сеть излишки, которые они не потребляютповышение рентабельности инвестиций в возобновляемые источники энергии. Такое решение особенно хорошо подходит для стран с очень высокими ценами на энергоносители, таких как Дания, которую компания выбрала в качестве тестового рынка.
С точки зрения безопасности, тот факт, что Твердый водород, полученный с помощью фотонного цикла, не воспламеняется в нормальных условиях. А поскольку они не требуют экстремальных рабочих температур, они снижают многие проблемы, связанные с этим газом. Более высокая плотность энергии по сравнению с батареями также позволяет им обеспечивать длительную автономность, не занимая при этом много места.
Компания продолжает работать над оптимизацией эффективности, рекуперацией тепла и снижением затрат, и ее подход очень хорошо это иллюстрирует. Как можно интегрировать твердый водород непосредственно в зданияНе только на крупных промышленных предприятиях. Если им удастся масштабировать технологию и сделать ее дешевле, они смогут изменить представление о хранении солнечной энергии в условиях холодного климата.
Австралийский метод шарового измельчения: газы, захваченные в нанопорошках.
Совершенно иной подход к проблеме хранения газа предлагает... Университет Дикина, АвстралияГруппа исследователей разработала процесс, называемый «шаровым измельчением», который позволяет разделять, хранить и транспортировать большие объемы газа, включая водород, в твердом состоянии, что значительно снижает энергозатраты и не приводит к образованию отходов.
По сути, метод заключается во введении порошок нитрида бора Внутри камеры, которая также содержит небольшие шарики из нержавеющей стали и газ или газовую смесь, подлежащую обработке, происходит вращение камеры с возрастающей скоростью, в результате чего шарики сталкиваются с порошком и стенками, вызывая физическую реакцию, которая удерживает газ внутри твердой наноматериальной структуры.
В зависимости от газа, Скорость абсорбции варьируетсяЭто позволяет избирательно разделять газы при работе со смесями. После улавливания в порошке эти газы можно очень легко и безопасно транспортировать. Когда их необходимо извлечь, достаточно применить контролируемый нагрев, чтобы вернуть их в исходное газообразное состояние, при этом порошок также возвращается в свою первоначальную форму, готовую к повторному использованию.
Исследователи повторяли этот эксперимент десятки раз, пока не убедились в его стабильности. Этот процесс можно повторить. до 50 циклов с текущей формулойСохраняя очень высокую поглощающую способность. Кроме того, благодаря работе при комнатной температуре, он не требует криогенных систем или огромного энергопотребления.
С точки зрения эффективности, команда подсчитала, что этот метод... Для хранения и разделения 1.000 литров газов требуется около 77 килоджоулей в секунду.Эта энергия сопоставима с той, которая необходима среднему электромобилю для преодоления примерно 320 километров. Применительно к водороду, по оценкам исследователей, требуемая энергия может составлять треть или даже четверть от энергии, необходимой для сжатия газа традиционными методами.
Влияние на нефтепереработку, производство экологически чистого водорода и транспорт.
Одним из наиболее поразительных выводов, сделанных исследователями, является то, что текущие процессы Криогенная дистилляция для переработки нефти потребляет около 15% мировой энергии.Их новый метод может снизить эти затраты до 90%, что станет революцией не только для нефтегазовой отрасли, но и для любой промышленности, которой необходимо разделять и перерабатывать большие объемы газа.
В случае водорода шаровое измельчение открывает возможности для хранить огромные объемы экологически чистого водорода надежным, безопасным и пригодным для повторного использования способом.Обладая очень низким энергопотреблением по сравнению с методами сжатия или сжижения. Наноматериал не образует отходов, а газ выделяется только при нагреве до нескольких сотен градусов, что гарантирует замечательную стабильность в нормальных условиях.
Этот подход может иметь решающее значение для содействия транспортировка водорода на большие расстоянияЭто позволяет транспортировать его в виде твердого порошка и выпускать в пункте назначения. Исследователи не исключают применения в транспорте (легковые автомобили, грузовики), хотя и признают, что необходимы дальнейшие исследования в области конкретных конструкций резервуаров, механизмов контролируемого выпуска и адаптированных процедур заправки.
Помимо водорода, тот же метод можно применить и к таким газам, как... аммиак или другие газообразные виды топливаЭто значительно расширяет спектр потенциальных применений. В настоящее время это относительно ранняя стадия исследований, но она обладает огромным потенциалом для преобразования как энергетического, так и химического секторов.
Взятые вместе, эти типы инноваций показывают, что Идея «твердого водорода» не ограничивается одним технологическим направлением.Это может быть гидрид металла, магниевый диск, цилиндр, закопанный рядом со зданием, или нанопорошок нитрида бора, насыщенный газом; все это направлено на то, чтобы сделать водород практичным и конкурентоспособным средством по сравнению с ископаемыми альтернативами.
Роль топливных элементов в этой новой экосистеме
Внедрение всех этих технологий хранения данных имело бы мало смысла без устройства, способного... Преобразовывать водород обратно в электричество экологически чистым и эффективным способом.Вот тут-то и вступают в дело топливные элементы, история которых восходит к 1839 году, когда Уильям Гроув разработал первый водородно-кислородный элемент.
На протяжении большей части XX века прогресс был медленным, но начиная с 60-х годов топливные элементы стали перспективным направлением. важный компонент космических миссий НАСАОни обеспечивают астронавтов электроэнергией и питьевой водой. С тех пор их применение в наземных условиях значительно расширилось.
Основной принцип работы достаточно прост для понимания: Водород поступает через анод, а кислород — через катод.На аноде водород расщепляется на протоны и электроны. Электроны движутся по внешней цепи, генерируя полезный электрический ток, в то время как протоны проходят через электролит. На катоде они соединяются с кислородом и возвращающимися электронами, образуя воду и выделяя тепло.
Существует несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми материалами и рабочей температурой. щелочные и декакислотные батареи полимерная мембрана (ПЭМ) Они работают при низких температурах и идеально подходят для мобильных и портативных устройств, при этом батареи с протонообменной мембраной (PEM) наиболее широко используются в современных водородных автомобилях. скопления расплавленных карбонатов и твердых оксидов Они работают при более высоких температурах, что подходит для крупномасштабной стационарной генерации и когенерации, и могут работать на топливе, отличном от водорода, например, на природном газе.
Эти технологии уже используются в самых разных областях: портативные генераторы, стационарные системы для домов и предприятий, легкие и тяжелые транспортные средства, поезда, корабли и даже подводные лодкиИх главное преимущество заключается в том, что они позволяют производить электроэнергию очень эффективно и без локальных выбросов CO2, если используемый водород является возобновляемым источником.
Выдающиеся проблемы и перспективы развития топливных элементов и твердого водорода.
Несмотря на все эти достижения, как топливные элементы, так и различные формы Твердый водород по-прежнему сталкивается с рядом проблем.С одной стороны, необходимо продолжать повышать долговечность систем, особенно в мобильных приложениях и при интенсивных циклах зарядки и разрядки.
С другой стороны, Затраты остаются серьезным препятствием.Существуют дорогостоящие компоненты (например, некоторые катализаторы) и производственные процессы, которые еще не в полной мере ощутили преимущества эффекта масштаба. Для широкомасштабного внедрения этих решений также необходимо расширить инфраструктуру распределения и снабжения водородом.
Однако направление, похоже, ясно: растут инвестиции в НИОКР, оказывается сильное регуляторное давление с целью сокращения выбросов, и экосистема стартапов, университетов и промышленности Очень активная деятельность. Истории таких проектов, как ATOM H2, Photoncycle, французская группа исследователей, работающая с магниевым диском, или австралийские исследователи из Университета Дикина, демонстрируют, что параллельно исследуется множество направлений.
Всё указывает на то, что водород — в различных формах хранения, включая твердое состояние в современных материалах — является ключевой элемент энергетической головоломки Наряду с другими технологиями, такими как аккумуляторы, гидроаккумуляторы и интеллектуальные энергосети, эти решения, вероятно, будут развиваться и становиться более доступными, в конечном итоге переходя из лабораторий и пилотных проектов в качестве обычной части энергетической инфраструктуры городов, промышленности и жилых домов.
Рассматривая всю картину в целом, вырисовывается будущее, в котором... Возобновляемая энергия не тратится впустую, когда солнце светит слишком ярко или дует слишком сильный ветер.но его можно удерживать в, казалось бы, безобидных твердых веществах — дисках, цилиндрах, порошках, резервуарах с гидридом — и задействовать именно тогда, когда это необходимо, питая топливные элементы, которые преобразуют этот водород в электричество и тепло без дыма и шума, таким образом замыкая энергетический цикл, который намного чище и гибче, чем тот, который мы знали до сих пор.
