储氢得到真正的

日本有一个雄心勃勃的计划将其能源系统。但要成功,这是需要大量的氢。

日本想放弃化石燃料和进口清洁的氢满足其能源需求。2017年12月,它的经济,贸易和工业发表一个路线图布局是如何打算逐步推高需求,降低成本,直到清洁的氢和天然气成为成本竞争力。

成功的计划,和类似的计划在加州氢等热点——化学是关键。

供给和需求

氢的简单的吸引力作为燃料燃烧时,或使用燃料电池发电,唯一的排放是水蒸气。不不_x,所以_x、有限公司₂或微粒。Electrochemist约翰Bockris“氢经济”一词在1970年的一次讲话中,通用汽车(General Motors),但即使这样,使用可再生电力的概念以电解分解水分子和释放氢是什么新东西。多年来一直定期检查,但经济从未堆叠起来。

这一次,情况则完全不同,在珀斯科廷大学的克雷格·巴克利说,澳大利亚自1988年以来一直在储氢的研究和有兴趣氢多次兴衰成败。“这一次,所有的星星似乎排队,”他说。

一个关键因素是可再生电力价格的稳步下跌,电解制氢的最大成本。自2010年以来,风力发电的价格已经下跌了50%,而太阳能发电已经下降了80%。“可再生能源价格下降来了到目前为止,(氢)能与化石燃料竞争。这是一个改变游戏规则,”巴克利说。

什么也发生在过去一两年是日本和东南亚犯了一个大的举动,说他们想成为一个氢经济,”他补充道。“所以现在有市场。”

2011年福岛核事故之后,随后关闭所有核电站,日本现在依赖于化石燃料进口94%的能源需求。但在巴黎2015年联合国气候变化协议,日本承诺到2030年削减26%的碳排放量(从2013年的基础),到2050年80%。这个国家没有可用空间或阳光来产生足够的可再生能源。进口氢——无论是以电解生产的可再生能源,或来自化石燃料碳捕获——是其选择的燃料。该地区的其他能源进口国,包括韩国,也得出相同结论,同时拥有丰富的可再生能源资源的国家,从澳大利亚到挪威的中东和北非,为一个新的出口机会。

清洁汽车和粘性的财政部

到2030年,日本想要800000氢动力燃料电池汽车在路上。加州,已经有近5000人在路上类似的野心。

挑战与运输燃料,氢和氢储存和运输一般规定——是它是一个非常轻,低密度气体。如果一个燃料电池汽车使用大气压力存储氢的1公斤需要开车100公里,油箱必须11米³大小。所以今天的燃料电池汽车使用压缩氢气,挤压大约5公斤到700条碳纤维增强坦克。

从一个角度来说,创建一个油箱的技术挑战氢客车因此解决,巴克利说。但高压坦克远非理想,说长,研究储氢作为他的工作的一部分(MOF)金属有机框架材料的加州大学伯克利分校。这意味着你必须使用一个重,奇形怪状,昂贵的燃料容器。这也意味着你需要使用大量的能量压缩气体,长说。我们的目标是创建一个吸附剂,使我们得到一个类似的能力,但在100酒吧的最大压力。的压力,轻,便宜,符合压力容器可用于汽车,能量损失压缩氢气也会削减。

长是一个美国能源部(DoE)研究财团HyMARC,其中包括五个DoE国家实验室以及外部实验室等。该财团旨在解决一些基本的底层挑战参与储氢,马克说Allendorf桑迪亚国家实验室,HyMARC主任*。直到2010年,美国能源部大量美元流入试图发现储氢材料,达到某些目标——仍未满足,Allendorf说。”,而不是进一步的路线,他们决定退一步,尝试解决一些问题,和把高风险高回报材料发现较小的项目,有非常严格的去/不去他们必须满足目标的进展。”

根据神奇数字计算,研究人员需要达到良好的可逆室温储氢,最大100酒吧的压力,是氢吸附的能量15-20kJ /摩尔。两个主要类型的固态储氢材料坐的这个数字。金属氢化物和相关材料通过化学键形成氢,氢结合太强烈,必须加热到驱动氢气,而多孔吸附剂如财政部绑定太弱,持有足够的氢。的能量范围15-20kJ /摩尔是我们没有很多的例子如何做到这一点,“长说。

物理吸附的问题,氢不喜欢坚持的事情。“你通常使用偏振效应分子坚持表面,但氢刚刚两个电子摆布,所以很难分化,“长说。

长期的实验室已经让他们财政部“粘性”通过添加low-coordinate金属阳离子进入财政部的网站。他的团队创造了财政部的结合能球场,但另一个问题。¹使用金属阳离子是相对较大,长说,这意味着这些材料不能持有足够的氢相对于体重。所以我们试图创建mof, low-coordinate金属阳离子,可以与两个,三个,甚至四个氢分子/阳离子,可逆15-20kJ /摩尔范围。”

团队创造了manganese-based财政部举行两个氢原子/金属阳离子,但低于15焦每摩尔最低。²“我们正在把这些东西放在一起,“长说。镁-或钙基结构有可能蜱虫两盒,计算表明。但综合一直是一个巨大的挑战,配合来创建这些不饱和金属阳离子在财政部内表面。

来回

Allendorf也被调查财政部,但不同的策略。他使用他们作为东道主为金属氢化物纳米颗粒材料。

1970年代的研究人员发现了一个体积储氢材料的范围,主要是基于金属和金属合金,室温氢存储容量的2%左右的重量,说Kondo-Francois Aguey-Zinsou悉尼新南威尔士大学,澳大利亚。对于某些应用程序,这一水平的性能是完全可以接受的,他说。Aguey-Zinsou最近推出了一个失去公司使用金属氢化物的核心系统储存能量从家庭或商业屋顶的太阳能电池板,特斯拉Powerwall等竞争对手电池存储。系统将把一个小水分解生成氢的电解槽,燃料电池的能量释放出来。和锂离子电池相比,该系统可以存储更多的能量为类似的足迹,和应该大约30年的工作寿命,电池无法匹配,Aguey-Zinsou说。

美国公司电源插头氢动力叉车已经商业化。叉车,它必须携带大量的压舱物,一个沉重的油箱没有处罚。叉车使用一个叫做Hy-Stor 208镍铝合金储氢材料在他们的油箱。³叉车可以在15分钟内,加油时间充电电池叉车的一小部分。

但对于更广泛的适用性-氢氢动力公路车辆和运输更好的存储性能是必要的。Augey-Zinsou目标是储氢容量10%的体重。各种材料在目标区间——举行氢通常基于轻量级的元素,比如锂铝、硼、氮或镁,但他们总是有问题,他说。通常他们释放氢在非常高的温度下,很难得到的氢在材料,所以你需要非常高的压力,”他说。

前进的道路是纳米材料,Augey-Zinsou说。我们认为这样做我们将能够控制氢的结合强度。这样,可以避免高温和压力。团队使用这种方法已经取得进展。氨硼烷,氢含量19.6%的体重,是一个有前途的储氢材料,氢释放的主要缺点是不可逆转的。尽管共同思考那些永远不可逆储氢材料,我们可以生成一个能可逆储氢化合物,”他说。诀窍是创建50纳米镍氨硼烷粒子在一个矩阵。⁴到目前为止,材料重量只有1%氢可逆商店,但它在较低的温度和压力。

Augey-Zinsou硼氢化的团队也采取同样的方法材料——Allendorf和HyMARC同事用金属氢化物。一般来说,问题在于他们太稳定,你必须加热氢,“Allendorf说。但是一旦缩小到个位数纳米尺度,可以大幅减少氢释放的活化能,他说。阻止纳米粒子聚集在一起,这个团队开发了毛孔的方法将它们嵌入财政部或多孔碳。“这可能是路要走——多孔碳很轻,非常便宜,”他说。最小化的基质材料和最大化携带氢纳米粒子的数量,HyMARC合伙人杰夫•城市在美国劳伦斯伯克利国家实验室最近设法将镁纳米粒子在石墨烯,碳单原子层厚。⁵

考虑液体

氢能源可以更好的适合卡车和公共汽车而不是汽车。更大的车辆只能把大坦克的氢气加压至约200条。氢动力汽车,而可能面临激烈的竞争从电池储能,今天的电池不能保持足够的能量每公斤整天长途卡车或巴士旅行。氢的更高的能量密度,和快速补给,是理想的重型车辆使用。

散装运输大量的氢,然而,是否供应燃料补给站,或世界各地的船舶可再生氢——迫使气体不会工作(见冷却效果框)。氢是那么轻,你不能得到足够的成高压管拖车来接近会需要提供一个氢燃料补给站,“Allendorf说。

当HyMARC的资金再次在2018年10月,项目的研究范围从单纯关注扩大轿车储氢。我们刚刚开始的区域,氢载体,重点是运输氢从一个地方到另一个,“Allendorf说。这些分子可以结合氢可逆地,在一个足够高的氢气运输能力是高效。甲醇和氨是可能的载体分子,他说。

固态材料,如金属氢化物氢仍有可能大规模运输,巴克利说。固体可能是一匹黑马的出口氢,”他说。但此刻,这似乎是一个领跑者氨。

在澳大利亚——目前世界上最大的液化天然气出口国和第二大煤炭出口国——氨正在打量着积极作为一种出口可再生氢。液化氨是一个成熟的工业化学品,在大规模运输由于其在化肥使用。如果氨是由再生能源生成氢,而不是氢今天从化石燃料的使用,这将使一个无碳氢载体。通过氨在热催化剂使剩余氨水的混合物,氮和氢。CSIRO,澳大利亚国家研究机构最近展示了一个使用选择性渗透膜技术管钯和钒提取纯氢流足以美联储直接进入燃料电池。⁶但是这项技术还被证明在规模——事实是,非常能源密集型哈勃-博施方法产生的氨。但是有很多替代氢载体。

2007年,大卫•雷霍沃特魏茨曼科学研究所的Milstein,以色列,出版了一新型催化反应:酰胺键的形成,基于醇类和胺的反应在温和的条件下。⁷当时,纯粹是一种改进的动机使酰胺的合成方法。但事实反应释放氢气作为建议一个新的用化学副产品。我们认为这可能是用于液体有机氢载体,”米尔斯汀说。

测试团队使用乙醇胺的想法,一个分子包含一个酒精和胺和可逆反应时释放出氢本身。最近,团队利用其钌螯催化剂开发相关的反应,在乙二醇oligomerises酯形成的反应,释放出氢。我们在八聚物阶段,版本5.8 wt %氢,我们想要更高,”米尔斯汀说。乙二醇的理论储氢容量为6.5 wt %

由于一些微妙平衡热力学,同样的螯催化剂可以用来释放氢气和再生承运人没有高温和压力。下一步是固定在固体催化剂的支持,而不是把它溶解在反应混合物。虽然,因为我们使用相同的两个方向的催化剂,液体可能含有催化剂,”米尔斯汀说。

储氢方式将获得不同的目的仍然是一个悬而未决的问题,Milstein说。我们需要在各个方向去找到最好的系统,”他说。但发展从根本上新的催化反应提供了新的机会,在合成和能量。

重要的是要记住,储氢技术已经走过了漫长的道路,“Allendorf说。它已经进入了商业用途——也许不是很明显的方式消费,但他们绝对是。”

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚

*马克Allendorf自己表达的观点,不一定代表美国能源部的观点