Пробивът на австралийски учени: Съхраняване на водород под формата на прах

Водородът все по-често се представя като устойчиво решение за енергийния преход. Днес обаче 95 % от водорода се произвежда от въглеводороди (нефт, природен газ и въглища), което само по себе си е най-евтиното, но и най-енергоемко решение. Освен това намирането на материал, способен да съхранява огромно количество газ за практически приложения, остава голямо предизвикателство. Неотдавна австралийски изследователи откриха нов метод за безопасно разделяне, съхранение и транспортиране на големи количества газ под формата на прах без отпадъци, което позволява осигуряване на възможно широко разпространение на водородната енергетика.

В допълнение, традиционните методи за рафиниране на нефт използват високоенергиен процес на "криогенна дестилация" за разделяне на суровия нефт на различни газове, включително водород. На този процес се пада 15% от световното потребление на енергия, докато потреблението на водород в света е под 2%.

По-специално, благодарение на появата на водородните горивни клетки, водородът се превръща в енергиен носител, който може да помогне за декарбонизирането на някои промишлени сектори, да осигури съхранение на енергия и захранване на сградите и транспортния сектор. Въвеждането на водородните технологии обаче все още трябва да преодолее редица препятствия, свързани главно с безопасното и ефективно съхранение и транспортиране на достатъчно големи обеми газ.

Този газ е много лек, запалим, без мирис и цвят. Смесва се добре с въздуха, така че лесно се образуват взривоопасни смеси. Топлината може също да причини пожар или силна експлозия.

Неотдавна изследователите в областта на  нанотехнологии от Института за гранични материали (IFM) към Университета Дикин (Австралия, Deakin University) твърдят, че са направили голям пробив в разделянето и съхранението на газа. Тяхното откритие може радикално да намали потреблението на енергия от нефтохимическата промишленост, а също така да направи съхранението и транспортирането на водород на прах много по-лесно и безопасно. Техните резултати са представени в списанието „Материалите днес“ , а методът им е в етап на патентоване (Materials Today).

Професор Чен, завеждащ катедрата по нанотехнологии към IFM представят така историята на изследването: „Към настоящия момент Австралия преживява безпрецедентна газова криза и се нуждае от бързо решение. По-ефективното използване на по-чисти газообразни горива като водород е алтернативен подход за намаляване на въглеродните емисии и забавяне на глобалното затопляне."

В настоящия момент водородът и други газове се произвеждат основно по метода на криогенната дестилация. Този метод се използва при втечнения газ чрез бързото му компресиране и декомпресиране, което води до неговото охлаждане и втечняване. Чрез постепенно нагряване на газа, който е станал течен и промяната на точките на кипене, различните компоненти могат да бъдат разделени. Този метод е изключително енергоемък.

В даденото изследване учените са разработили енергоефективен процес на механохимично разделяне, което не създава никакви отпадъци. Механохимията е дял от химията, който изучава химическото поведение на материалите при механично въздействие за разлика, например от топлината или светлината.

Специален компонент на процеса, както го наричат ​​авторите, е прах от борен нитрид, който е идеален за абсорбиране на вещества. В допълнение, борният нитрид е класифициран като химикал от ниво 0, което означава, че е напълно безопасен. По-конкретно, в този процес прахът от борен нитрид се поставя в мелница - цилиндър - с топки от неръждаема стомана и газове, които трябва да бъдат отделени. Тъй като цилиндърът се върти с все по-висока скорост, сблъсъкът на топките с праха и стените на тази камера предизвиква специална механохимична реакция, в резултат на която се газовете се абсорбират в праха.

Д-р Матети, втори автор, обяснява: „Борният нитрид на прах може да се използва многократно за извършване на един и същ процес на отделяне и съхранение на газ отново и отново.“ По този начин този процес може да се повтори, за да се разделят газовете един по един, тъй като всеки газ се абсорбира при различна интензивност на смилане, налягане на газа и време. В хода на последователни експерименти авторите успяха да изолират комбинация от алкини, олефини и парафини.

Процесът на абсорбция на газ изразходва 76,8 kJ/s за съхраняване и отделяне на 1000 литра газ. Това е почти 90% по-малко от енергията, използвана в настоящия процес на сепарация в петролната индустрия. Д-р Матети казва: „Бяхме толкова изненадани да видим това да се случва, но всеки път, когато получавахме същия резултат, това беше „светкавичен момент“.“

Веднъж абсорбиран в праха, газът може лесно и безопасно да се транспортира и съхранява навсякъде - в крайна сметка борният нитрид е безопасен и се предлага в големи количества. След това, когато е необходим газ, прахът може просто да се нагрее под вакуум, за да се освободи газът непроменен. В допълнение, някои газове се отделят от праха при по-високи температури от други, осигурявайки втори начин за разделяне на газовете, ако се съхраняват заедно.

Този пробив е кулминацията на три десетилетия работа на професор Чен и неговия екип. Това може да помогне за създаването на технологии за съхранение в твърдо състояние на редица газове, включително водород.

Професор Чен обяснява, че в момента водородът се съхранява или чрез компресиране до 700 бара - 7 литра водород може да побере толкова енергия, колкото 1 литър бензин; или чрез втечняване за по-нататъшно компресиране до температура от (минус)-253 ° C - 4 литра течен водород са еквивалентни на 1 литър бензин. И двете изискват много енергия, както и опасни процеси и химикали.

Той добавя: „Ние показахме, че има механохимична алтернатива, използваща топкова мелница за съхранение на газ в наноматериал при стайна температура. Не изисква високо налягане или ниски температури и следователно би предложило много по-евтин и по-безопасен начин за разработване на иновации като водородни автомобили."

Накрая екипът на IFM тества процеса в малък мащаб, отделяйки около два до три литра материал. Но се надяват на подкрепата на индустрията, за да реализират пълноценен пилотен проект.  Подадена е временна заявка за патент за този процес. Професор Чен заключава: "Ние трябва допълнително да тестваме този метод в промишлеността, за да разработим практическо приложение. За да пренесем този процес от лабораторията в по-голям промишлен мащаб, трябва да сме сигурни, че е по-икономичен, ефективен и по-бърз от традиционното отделяне на газ и методи за съхранение.” „Следователно, този мащабируем механохимичен процес има голям потенциал като техника за индустриално разделяне и може да осигури значителни икономии на енергия.”