W dzisiejszym świecie, w którym dążenie do rozwoju zrównoważonych źródeł energii nabiera tempa, technologie związane z magazynowaniem i transportem wodoru stają się jednym z kluczowych obszarów badań. Wodór, jako jedno z najczystszych źródeł energii, ma ogromny potencjał w kontekście redukcji emisji CO2. Jednak, aby w pełni wykorzystać jego możliwości, konieczne jest opracowanie nowych, bardziej efektywnych technologii magazynowania. Wśród najnowszych rozwiązań, które zyskują na znaczeniu, znajduje się wykorzystanie amoniaku jako nośnika wodoru, co może zrewolucjonizować przemysł energetyczny w nadchodzących latach.

W 2017 roku Nagaoka i jego współpracownicy zaproponowali nowatorską metodę dekompozycji amoniaku, która wykorzystuje częściową oksydację amoniaku do samodzielnego podgrzewania systemu (termo-oksydatywna dekompozycja amoniaku). Dzięki zastosowaniu katalizatora RuO2/γ-Al2O3, proces ten staje się egzotermiczny, co oznacza, że może zachodzić w temperaturze pokojowej bez potrzeby zewnętrznego źródła ciepła. Jednak, jak każda technologia, ta także ma swoje ograniczenia. W wyniku oksydacji cząsteczki amoniaku, część wodoru przekształca się w wodę, co prowadzi do utraty około 33% wodoru. Dodatkowo, obecność tlenu w reakcji sprawia, że cały system staje się bardziej złożony, a proces separacji wodoru komplikuje się, co zwiększa koszty produkcji. To wszystko sprawia, że potencjał amoniaku jako nośnika wodoru w tej formie jest ograniczony.

Rozwój technologii elektro-oksydacyjnej dekompozycji amoniaku, która wykorzystuje reakcję elektrochemiczną, stanowi kolejne podejście do pozyskiwania wodoru. Ta metoda wymaga jednak bardzo niskiego napięcia (0,06 V), co czyni ją termodynamicznie korzystniejszą niż elektroliza wody (1,22 V). Niemniej jednak, jej efektywność jest ograniczona przez niską sprawność dekompozycji amoniaku, wysoki opór anody oraz obecność dużej ilości produktów ubocznych, takich jak tlenki azotu (NOx). Dodatkowo, ze względu na ograniczoną rozpuszczalność amoniaku w wodzie, gęstość magazynowanego wodoru w tej technologii nie przekracza 6,1%, co ogranicza jej możliwości aplikacyjne.

Innowacyjną metodą, opracowaną przez Ichikawę i współpracowników, jest elektroliza cieczy amoniaku, gdzie wykorzystuje się platynowe elektrody i zasady metalowe jako elektrolity. W tym procesie amoniak ulega dekompozycji na jony NH2– i NH4+, a na katodzie zachodzi redukcja amoniaku, prowadząca do uwolnienia wodoru. Na anodzie zaś, jony amidu utleniają się, tworząc cząsteczki azotu. Ta technologia, mimo dużego potencjału, wymaga bardzo specyficznych warunków pracy, takich jak wysoka temperatura i brak dostępu tlenu, co sprawia, że jest skomplikowana w eksploatacji i nie nadaje się do komercyjnego wykorzystania na szeroką skalę.

Mimo to, amoniak pozostaje obiecującym materiałem do przechowywania wodoru. Jego zaletą jest istnienie już rozwiniętych systemów transportowych i magazynowych, a także niskie koszty związane z jego produkcją i transportem w porównaniu do wodoru. Wykorzystanie „zielonego wodoru” do produkcji „zielonego amoniaku” może przyczynić się do eliminacji emisji CO2 i umożliwić masowe magazynowanie wodoru. Amoniak, w przeciwieństwie do innych paliw kopalnych, nie emituje dwutlenku węgla w procesie spalania, a jego produkty spalania to tylko woda i azot.

Choć spalanie amoniaku w czystej postaci napotyka pewne trudności, związane z niższą kalorycznością i wolniejszą prędkością reakcji zapłonu w porównaniu z wodorem, badania nad tym zagadnieniem nie ustają. Wymaga to jednak dalszych innowacji w zakresie technologii zapłonu i kontroli procesu spalania. Współczesne badania na całym świecie pokazują, że amoniak może stać się jednym z kluczowych elementów w dążeniu do neutralności węglowej. W Japonii, Korei Południowej i Australii intensywnie rozwijane są projekty związane z wykorzystaniem amoniaku w energetyce, a także w transporcie, szczególnie w kontekście statków napędzanych amoniakiem. Również Chiny, poprzez inicjatywy takie jak "Plan Pięcioletni na lata 2021-2025", zwróciły uwagę na konieczność rozwoju technologii magazynowania energii, w tym energii w postaci amoniaku.

Należy jednak zauważyć, że mimo obiecujących wyników, technologia magazynowania wodoru w amoniaku nie jest wolna od wyzwań. Efektywność dekompozycji amoniaku, potrzeba wysokich ciśnień oraz kontrola nad produktami ubocznymi to tylko niektóre z problemów, które muszą zostać rozwiązane, aby amoniak stał się realnym konkurentem dla innych technologii magazynowania wodoru. W przyszłości, z odpowiednimi innowacjami, amoniak ma potencjał, by stać się głównym nośnikiem wodoru, ułatwiającym jego transport na dużą skalę oraz stanowiącym istotny element w dekarbonizacji przemysłu energetycznego.

Jakie są współczesne wyzwania i technologie w przechowywaniu i transporcie wodoru?

W ostatnich latach temat przechowywania i transportu wodoru zyskał na znaczeniu, szczególnie w kontekście rozwoju pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Jednym z głównych problemów jest zwiększenie efektywności technologii przechowywania wodoru, zarówno pod względem masy, jak i objętości. Wodór w stanie gazowym ma niezwykle niską gęstość w porównaniu z innymi gazami, co stawia przed inżynierami trudne wyzwanie — jak zmieścić jak najwięcej wodoru w jak najmniejszej objętości, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego ciśnienia, co jest niezbędne dla uzyskania większej gęstości masy.

Jednym z przełomowych rozwiązań jest technologia wiązania włókien kompozytowych, które wykorzystywane są do produkcji zbiorników ciśnieniowych o wysokiej pojemności. W 2008 roku firma Spencer Composites opracowała niskokosztowy zbiornik wodoru o dużej pojemności, wykonany w pełni z włókien szklanych. W Norwegii firma Hexagon Lincoln Composites z powodzeniem rozwinęła podobną technologię, wykorzystując włókna węglowe, co pozwoliło na uzyskanie zbiorników o ciśnieniu roboczym 25 MPa oraz pojemności 150 kg wodoru. Zbiorniki te, w zależności od modelu, osiągają pojemność transportową od 560 do 720 kg wodoru, co sprawia, że są one coraz bardziej popularnym rozwiązaniem w przemyśle motoryzacyjnym.

W Chinach, firma Shijiazhuang Enric Gas Equipment Co., Ltd. opracowała duże nienaścienne zbiorniki ciśnieniowe o ciśnieniu roboczym 20 MPa, które zdobyły szerokie uznanie wśród producentów i użytkowników. Zbiorniki o dużej objętości, odpowiednio przystosowane do wymagań transportu wodoru, są również wykorzystywane w zastosowaniach wojskowych i przemysłowych, gdzie wymagania dotyczące pojemności oraz wytrzymałości materiałów są szczególnie rygorystyczne.

Również w Stanach Zjednoczonych, Departament Energii (DOE) wyznaczył ambitne cele dotyczące gęstości przechowywania wodoru w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi. Celem na rok 2020 była osiągnięcie gęstości masy wodoru na poziomie 4,5% wagowych oraz gęstości objętościowej wynoszącej 30 kg/m³. Kolejne cele obejmowały wzrost gęstości masy do 5,5% wagowych do roku 2025, a ostateczny cel to 6,5% wagowych oraz 50 kg/m³. Osiągnięcie tych wartości wymaga intensywnych prac nad poprawą materiałów i konstrukcji zbiorników wysokociśnieniowych, które są kluczowe dla dalszego rozwoju tej technologii.

W praktyce jednak, wodór w stanie gazowym przy wysokich ciśnieniach staje się coraz trudniejszy do sprężenia. W tym kontekście, zjawisko kompresyjności gazu, opisane przez współczynnik kompresyjności Z, odgrywa istotną rolę. Wraz ze wzrostem ciśnienia, wodór staje się coraz trudniejszy do kompresji, co oznacza, że do osiągnięcia wymaganych parametrów przechowywania wodoru niezbędne jest stosowanie coraz wyższych ciśnień, a także bardziej wytrzymałych i lekkich materiałów konstrukcyjnych dla zbiorników. Właściwa konstrukcja zbiorników musi również uwzględniać kwestie związane z bezpieczeństwem, aby uniknąć ryzyka wycieków czy eksplozji, zwłaszcza w kontekście transportu wodoru na dużą skalę.

Ważnym wyzwaniem pozostaje także efektywność ekonomiczna transportu wodoru, ponieważ wciąż jest to rozwiązanie, które sprawdza się jedynie w przypadku transportu krótkodystansowego, gdzie zapotrzebowanie na wodór jest ograniczone, a czas transportu krótki. Z kolei w dłuższych trasach oraz przy większych potrzebach na wodór, jego transport za pomocą zbiorników wysokociśnieniowych staje się mniej opłacalny, głównie z powodu strat masy wodoru wynikających z jego przenikania przez materiał zbiorników. Dodatkowo, rozwój infrastruktury do transportu wodoru, w tym stacji tankowania i punktów przeładunkowych, stanowi istotną przeszkodę w szerokim wdrożeniu tej technologii.

Wydajność transportu wodoru może być poprawiona przez innowacje w technologii zbiorników, takie jak wprowadzenie lekkich materiałów kompozytowych, które poprawiają zarówno efektywność przechowywania, jak i bezpieczeństwo użytkowania. Istotnym aspektem jest również dążenie do obniżenia kosztów produkcji zbiorników, co może uczynić transport wodoru bardziej opłacalnym. Firmy, takie jak Faurecia CLD, stawiają na rozwój zbiorników w pełni wzmocnionych włóknami węglowymi, które oferują większą wytrzymałość przy mniejszej wadze, co jest kluczowe dla ich zastosowania w pojazdach.

Należy również zwrócić uwagę, że obecnie rozwijane technologie, takie jak zbiorniki o ciśnieniu 70 MPa, zaczynają wykazywać coraz lepszą efektywność w kontekście przechowywania większych ilości wodoru w pojazdach, takich jak Toyota Mirai 2 czy Hyundai Nexo. Zastosowanie takich rozwiązań pozwala na uzyskanie większej pojemności, co pozytywnie wpływa na zasięg tych pojazdów, jednak wciąż pozostaje wiele do zrobienia, aby te technologie stały się bardziej dostępne i opłacalne na szeroką skalę.

Jak wyglądała codzienność w miastach na Jedwabnym Szlaku?
Jakie nowoczesne technologie zmieniają nasze codzienne życie?
Czy głębokość ważona może być mniejsza niż złożoność problemu?
Jakie techniki obliczeniowe pozwalają na efektywną fuzję danych multimodalnych?