Atklājumi.lv

e-žurnāls par zinātni, cilvēku un rītdienas tehnoloģijām

Jauns, drošāks un energoefektīvāks risinājums ūdeņraža glabāšanai

Ļoti iespējams, ka ūdeņraža degviela tuvākajās desmitgadēs kļūs par vienu no nozīmīgākajiem enerģijas avotiem pasaulē. Taču vai un cik ātri notiks masveidā ražotu transporta līdzekļa pāreja uz ūdeņraža degvielu, atkarīgs no šīs gāzes ieguves un uzglabāšanas/izmantošanas tehnoloģiju efektivitātes, drošības un, protams, cenas. Šajā jomā ir virkne izstrādes stadijā esošu projektu, kurus finansē gan dažādu valstu zinātniskās izpētes institūcijas, gan privātie uzņēmumi un korporācijas. Nesen par saviem sasniegumiem ūdeņraža uzglabāšanas sistēmu izstrādē paziņoja Anglijas uzņēmums Cella Energy.

Ūdeņraža degvielas šūna vai iekšdedzes motors, apvienojumā ar gāzes ieguves iekārtu ideālā variantā ir gandrīz pilnīgi "tīrs", vidi nepiesārņojošs, atjaunojamās enerģijas avots. Pagaidām gan līdz ideālam vēl tālu - aptuveni 96% no pasaulē patērētā H2 šobrīd tiek saražots no fosilajiem avotiem, veicot dabas gāzes reformāciju, daļēju mazuta oksidēšanu vai akmeņogļu gazifikāciju. Šīs metodes ir ar augstu enerģijas patēriņu un bieži nav videi draudzīgas, kas sadārdzina iegūto H2 un pretnostatās tīrās enerģijas koncepcijai, kas ir ūdeņraža ekonomikas pamatā.

Ūdeņraža iekšdedzes dzinējiem šķietami nav nekādu nepārvaramu ieviešanas šķēršļu. Eksperimentālie modeļi sevi ir ļoti labi pierādījuši, taču galvenokārt lielās pētījumu programmas tomēr strādā ar degvielas šūnu attīstīšanu.
 
To konstruktoriem turpretī sarežģījumu netrūkst - katalizatori ir pārāk dārgi, bet eksperimentālie hidrīdi (1) ir vai nu sprādzienbīstami/ātri noārdās gaisa ietekmē vai kopā ar ūdeņradi izdala katalizatorus bojājošas aktīvas vielas jeb arī tiem nav pietiekami absorbcijas/desorbcijas kinētikas rādītāji. Drošas un efektīvas iekārtas savukārt ir tik dārgas, ka tās var izmantot tikai demonstrācijai un speciālām vajadzībām. Saprotams, šīs problēmas ir risināmas, izgudrojot jaunas tehnoloģijas un tieši ar to nodarbojas arī Cella Energy.
 
Kompānijas mājas lapā lasāma informācija par tās zinātnieku veikumu efektīvāka un drošāka hidrīda izstrādē. Tas tiek iegūts, izmantojot Cella Energy izgudrotu metodi, kuras pamatā ir koaksiālā elektrovērpe jeb elektroiesmidzināšana (coaxial electrospinning or electrospraying). Šis process ļauj piesaistīt kompleksu hidrīdu porainā nanopolimēra matricā, iegūstot reaktantu, kura desorbcijas (ūdeņraža atbrīvošanas) kinētiskie rādītāji ir daudz labāki nekā līdzšinējiem hidrīdiem, turklāt tās ierosināšanai nepieciešama zemāka temperatūra. Tāpat jaunā veida hidrīds nebaidās no gaisa un ūdens ietekmes, ļaujot ar to strādāt (piemēram, uzpildīt automašīnu tvertnēs) hermētiski nenoslēgtās sistēmās.
 
Cella Energy gan atzīst, ka hidrīds - amonija borāns, ar ko šobrīd darbojas tās eksperimentālie modeļi nav piemērots komerciālai izmantošanai, taču izstrādes stadijā esot jau vairāki citi hidrīdi, kuri būs piemēroti ķīmiskai rehidrogenēšanai un tos varēs atkārtoti "uzlādēt" vairākus simtus reižu.
 
Cella Energy izstrādātā koaksiālā vērpes procesa metode būšot viegli piemērojama industriāliem apjomiem un ar to varēšot izgatavot hidrīdus gan mikrošķiedru, gan mikrolodīšu veidā. Īpaši daudzsološas šķiet tieši lodītes, kuras var pārvietot tāpat kā šķidrumu, paverot vairākas jaunas iespējas:
 
hidrīda uzglabāšanas materiālu vairs nav nepieciešams attīrīt un rehidrogenēt tieši transporta līdzeklī. Lai degvielas šūnas uzpildīšanu paveiktu 3-4 minūtes, kā to prasa ASV ūdeņraža programmas uzstādītie mērķi (2), atbilstoši termodinamikas likumiem, kā norādīts Cella Energy mājas lapā, sistēmā nepieciešama augsta temperatūra un aptuveni 100 atmosfēru liels spiediens. Vairumam ūdeņraža glabāšanas materiālu šajos procesos atbrīvojas liels daudzums enerģijas un nepieciešams nodrošināt dzesēšanu, kas, savukārt, prasa transporta līdzeklī uzstādīt tik sarežģītas un dārgas iekārtas, ka to izmantošana masu produkcijā nebūtu ekonomiski pamatota.
 
Sašķidrināts hidrīds šo problēmu atrisina, ļaujot izstrādāto materiālu izsūknēt no transporta līdzekļa, kur to var pārstrādāt vai rehidrogenēt stacionārā iekārtā.
 
Šķidro hidrīdu iespējams vienkārši pārvietot arī transporta līdzekļa ietvaros, atdalot tā glabāšanas tvertni no termolīzes kameras. Shematisku šādas ierīces attēlojumu varam aplūkot Cella Energy mājas lapā pieejamā publicitātes attēlā.

 
Hidrogenizētās mikrolodītes glabājas degvielas tvertnē, kurā nav nepieciešams nodrošināt ne lielu spiedienu, ne augstu temperatūru, ne arī to apgādāt ar dzesēšanas iekārtu. Līdz ar to tā var būt vienkārša plastikāta tvertne, kādu jau šobrīd degvielas glabāšanai izmanto automašīnās. No degvielas tvertnes lodītes tālāk tiek iesūknētas karstajā termolīzes kamerā, kur tiek iegūts ūdeņradis, ko tālāk pārvieto uzkrāšanas tilpnē. Šajā tilpnē ūdeņradis atrodas zem tāda spiediena, kāds darba stāvoklī nepieciešams iekšdedzes dzinējam vai degvielas šūnai, kā arī ir pietiekams atkārtotai dzinēja iedarbināšanai. Izstrādātās lodītes, no kurām atdalīts ūdeņradis tālāk tiek pārvietotas uz atsevišķu tvertni.
 
Rezultātā iegūstam salīdzinoši vienkāršu un vieglu sistēmu, turklāt, visai iespējams, ar zemāku ūdeņraža pašizmaksu. Cella Energy savā mājas lapā pagaidām gan vēl nekādus skaitļus nenosauc, taču tehnoloģiju jaunumu portālā gizmag.com minēta summa 1,50 USD par galonu (3,78 litri) ūdeņraža. Lai gan šķiet, ka šim skaitlim Cella Energy tehnoloģijas kontekstā šobrīd nav nekāda reālos aprēķinos balstīta pierādījuma, tomēr nav šaubu, ka mikrolodīšu hidrīda sistēmās iegūtā gāze izmaksās mazāk nekā alternatīvās iekārtās, kuru rehidrogenizācija ir daudz energoietilpīgāka.
 
Ņemot vērā faktu, ka degvielas šūnu ražošana joprojām ir ļoti dārga (2009.g. Honda ar degvielas šūnu maksāja 300 000 USD), daudz lietderīgāk, šķiet, būtu turpināt attīstīt ūdeņraža iekšdedzes dzinējus - to izmaksas ir tikai aptuveni 1,5 reizes lielākas nekā parastajiem iekšdedzes dzinējiem. Panākot ūdeņraža pašizmaksas samazināšanu kaut vai līdz augstākminētajiem 1,5 USD galonā (39,6 centi jeb aptuveni 22 santīmi litrā), ūdeņraža iekšdedzes dzinēja automašīnas pircējs ļoti ātri atpelnītu salīdzinoši nedaudz dārgākajā dzinējā ieguldītos līdzekļus. Jāņem gan vērā, ka arī 0% CO2 izmešus dodošais ūdeņradis diez vai izbēgs no akcīzes nodokļa, taču pat tad, ja to sadārdzinātu par 100%, tas tik un tā būtu uz pusi lētāks nekā naftas degviela.
 
 
(1) Hidrīdi - ūdeņraža binārie savienojumi ar elementiem, kas par to ir ievērojami mazāk elektronegatīvi. Pastāv tādi hidrīdu veidi kā jonu hidrīdi, metāliskie hidrīdi un kovalentie hidrīdi. Degvielas šūnās var izmantot dažādus hidrīdus, tās var darboties arī bez hidrīdiem, uzpildot transporta līdzekli ar ārpusē iegūtu ūdeņradi, bet šajā rakstā aplūkojamā izstrādē tiek lietots daudzkomponentu kovalentais hidrīds - amonija borāns.
 
Par metālisko un amonija borāna hidrīdu raksturlielumiem, to izmantošanu ūdeņraža šūnu izstrādē sk. šeit:
 
(2) ASV ūdeņraža programmas (http://www.hydrogen.energy.gov ) mērķus un prasības ūdeņraža iekārtām kā industrijas standartus, uz kuriem tiekties faktiski ņem vērā arī citu valstu zinātnieki un inženieri, kas nodarbojas ar ūdeņraža dzinēju izstrādi.

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.