Technologia przechowywania wodoru w postaci ciekłej opiera się na procesie skraplania gazowego wodoru do stanu cieczy, co umożliwia jego przechowywanie przy znacznie wyższej gęstości niż w stanie gazowym. Pod standardowym ciśnieniem atmosferycznym temperatura nasyconego wodoru ciekłego wynosi około 20,37 K (−252,78 °C), a jego gęstość to około 70,85 kg/m³, co stanowi około 790 razy wyższą gęstość niż wodór gazowy przy standardowych warunkach. Tak niska temperatura i związana z nią trudność w procesie skraplania sprawiają, że przechowywanie wodoru w postaci ciekłej jest technicznie bardziej wymagające niż w przypadku innych gazów.

Skraplanie wodoru wymaga wstępnego schłodzenia go do temperatury poniżej temperatury konwersji, a następnie dalszego chłodzenia poniżej temperatury krytycznej, która wynosi 33,19 K (−239,97 °C). W tym procesie wykorzystywane są różne techniki, takie jak rozprężanie izentropowe lub throttling izenthalpowy, aby obniżyć temperaturę wodoru do wartości umożliwiającej jego skroplenie. Dodatkowo, orto-wodór i para-wodór, dwa izomery spinowe cząsteczek wodoru, mają różne właściwości fizyczne, przy czym orto-wodór ma wyższy stan energetyczny niż para-wodór.

W trakcie skraplania wodoru, orto-wodór przechodzi w para-wodór, co uwalnia ciepło i może prowadzić do częściowej parowania wodoru, jeżeli nie zostanie odpowiednio kontrolowane. Z tego powodu, proces konwersji orto-wodoru w para-wodór musi być zakończony w czasie produkcji, aby uniknąć strat wynikających z odparowywania ciekłego wodoru. W praktyce, w temperaturach poniżej 120 K, konwersja orto-wodoru w para-wodór przebiega znacznie szybciej, a w 20 K niemal całkowicie osiągany jest stan równowagi, w którym wodór jest w prawie wyłącznie formie para-wodoru.

W kontekście przechowywania wodoru, zrozumienie różnicy między tymi dwoma izomerami jest kluczowe, gdyż ich obecność w systemie może wpływać na efektywność procesu skraplania oraz długoterminową stabilność przechowywanego wodoru. Przechowywanie wodoru w formie ciekłej jest skomplikowane z powodu zarówno wymagającej technologii chłodzenia, jak i potrzebnej precyzyjnej kontroli nad przejściem między formami izomerów, aby zminimalizować straty związane z ciepłem konwersji.

Woda jako medium przechowujące wodór nie jest jedynym rozwiązaniem w technologii przechowywania, ale na pewno jest jednym z najwydajniejszych pod względem gęstości energetycznej. Dla przemysłu paliw wodorowych, takich jak ogniwa paliwowe w pojazdach, przechowywanie wodoru w formie ciekłej jest koniecznością, aby osiągnąć wymagane zasięgi i czas tankowania, które są kluczowe dla użytkowników. Ponadto, w kontekście transportu wodoru, szczególną uwagę należy zwrócić na projektowanie odpowiednich systemów transportowych, takich jak rurociągi i zbiorniki wysokociśnieniowe, które muszą sprostać wymaganiom dotyczącym bezpieczeństwa, szczelności oraz wytrzymałości na ekstremalne warunki.

Ważnym aspektem jest również rozwój nowych materiałów do budowy zbiorników przechowujących wodór w stanie ciekłym. Poszukiwanie lekkich, a jednocześnie odpornych na ekstremalne warunki materiałów, które nie tylko utrzymają wodór w formie ciekłej, ale i będą odporne na długotrwałe obciążenia i zmiany temperatury, jest kluczowym elementem dalszego rozwoju technologii przechowywania wodoru.

Wszystkie te wyzwania wymagają współpracy międzynarodowej i intensywnych badań, aby osiągnąć bardziej efektywne i bezpieczne rozwiązania. Dalszy rozwój technologii skraplania wodoru, jego przechowywania i transportu będzie niezbędny do zrealizowania wizji gospodarki wodorowej, w której wodór stanie się podstawowym źródłem energii.

Jak poprawić wydajność magazynowania wodoru w systemach z Mg(BH4)2?

Magazynowanie wodoru w postaci stałych hydrydów metalicznych jest jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju technologii magazynowania energii. Jednakże, pomimo dużego potencjału, wiele z tych materiałów wymaga dalszych modyfikacji, aby stały się one bardziej efektywne i dostępne w praktycznych zastosowaniach. Jednym z przykładów takich materiałów jest Mg(BH4)2, który wyróżnia się bardzo wysoką gęstością przechowywania wodoru, wynoszącą aż 14,8% masy, ale jego właściwości związane z uwalnianiem wodoru w praktycznych warunkach pozostawiają wiele do życzenia.

Mg(BH4)2, ze względu na wyższe elektroujemności Mg (χp = 1.31) w porównaniu do litu (χp = 0.98) i sodu (χp = 0.93), charakteryzuje się niższą temperaturą uwalniania wodoru, która wynosi około 300°C. Niemniej jednak, mimo że teoretyczne obliczenia wskazują, iż proces uwalniania wodoru mógłby odbywać się w temperaturach 20-75°C, w rzeczywistości temperatura desorpcji jest znacznie wyższa. Powód tego zjawiska wiąże się z koniecznością zerwania kowalencyjnych wiązań B-H, co wiąże się z dużą barierą energetyczną, a także z złożonością procesu uwalniania wodoru, który przechodzi przez wiele faz pośrednich. Dodatkowo, reakcja uwalniania wodoru z Mg(BH4)2 jest skomplikowana, a przekształcenia fazowe, takie jak przejście z fazy γ do niestabilnej fazy ε, wprowadzają dodatkowe trudności.

Aby poprawić efektywność tej reakcji, konieczne jest opracowanie metod destabilizacji wiązań B-H, co pozwoliłoby na obniżenie temperatury uwalniania wodoru. Jednym z podejść, które okazało się skuteczne, jest modyfikacja Mg(BH4)2 przez dodanie innych hydrydów metalicznych, takich jak LiH. Wprowadzenie LiH do systemu Mg(BH4)2 pozwala na rozpoczęcie procesu uwalniania wodoru już w temperaturze około 150°C. Ponadto, reakcje między Li+ a Mg2+ w tym systemie zmieniają ścieżkę cyrkulacji wodoru, co stabilizuje tworzenie grup [B3H8]−, będących główną fazą odwracalnego magazynowania wodoru. Takie podejście pozwala uzyskać wydajność w granicach 10% masy wodoru przy 250°C, a cykliczna pojemność pozostaje na poziomie 3,6% masy przy 180°C po 20 cyklach bez znaczącego spadku wydajności.

Innym sposobem na poprawę wydajności jest dodanie do systemu Mg(BH4)2 innych związków, takich jak NaAlH4, który umożliwia rozpoczęcie uwalniania wodoru w temperaturze już 101°C. Ostateczny produkt reakcji to NaBH4, MgH2 i Al, a ilość uwolnionego wodoru może osiągnąć 9,1% masy. Jednakże, takie zmiany prowadzą do nieodwracalnych produktów, co może ograniczać ich praktyczne zastosowanie w długoterminowym magazynowaniu.

Aby przyspieszyć reakcje uwalniania wodoru, istotnym podejściem jest stosowanie dodatków takich jak metaliczne pierwiastki przejściowe, tlenki metali przejściowych (np. chlorki czy fluorki), a także materiały węglowe. Dodatki metaliczne, takie jak Ti, mogą skutecznie obniżyć energię wiązania B-H poprzez przyciąganie atomów wodoru w grupach [BH4]−, co ułatwia dysocjację wodoru. Modyfikacja struktury przez nanoskalowe przekształcenie Mg(BH4)2 to kolejna obiecująca strategia. W metodzie tej Mg(BH4)2 jest rozpuszczany w rozpuszczalniku organicznym, takim jak tetrahydrofuran, a następnie mieszany z materiałami porowatymi. Po odparowaniu rozpuszczalnika uzyskuje się nanocząstki Mg(BH4)2, które mogą poprawić jego właściwości magazynowania wodoru. Takie zmiany mogą obniżyć temperaturę początkowego uwalniania wodoru do około 50°C i umożliwić całkowite uwolnienie wodoru w temperaturze 300°C.

Jednakże, każda z tych metod ma swoje wady, takie jak niska efektywność ładunku, trudności w usuwaniu pozostałości rozpuszczalników oraz skomplikowane procesy operacyjne. Mimo to, dalsze prace nad ulepszaniem technologii nanoskalowego przetwarzania i stosowania nowych dodatków mogą znacząco wpłynąć na przyszłość magazynowania wodoru w stałych materiałach, a tym samym przyczynić się do rozwoju technologii ogniw paliwowych oraz bardziej efektywnego wykorzystywania wodoru jako nośnika energii.

Jakie czynniki wpływają na efektywność transportu ciepła w układach niskotemperaturowych?
Jak działają pierwsze i drugie prawo dyfuzji Ficka w kontekście analizy zjawisk transportu masy?
Jakie są wyzwania prawne związane z używaniem danych do trenowania modeli AI?