Revista >> Octombrie 2016 [ Nr. 188] >> Cercetare & Invatamant superior

ICPE-CA: Stocarea energiei prin hidrogen

Dr. ing. CS I Mariana Lucaci, Sef Departament Materiale Avansate, ICPE-CA

27 Octombrie 2016

Hidrogenul este un purtător de energie curată, care a fascinat de-a lungul a câteva secole generaţii întregi de oameni, inclusiv minţi vizionare cum a fost cea a lui Jules Verne. Hidrogenul, deşi este cel mai cunoscut element chimic de pe planetă, nu există practic pe planeta Pământ în forma sa pură. El poate fi produs prin electroliza apei sau prin procesarea chimică a hidrocarburilor şi a altor compuşi, iar conversia sa în căldură sau în energie electrică este simplă şi curată, deoarece prin arderea lui se formează ca produs de reacţie apa, care se reintegrează în natură după un ciclu natural bine cunoscut.

Ca orice produs comercial, între producţia şi utilizarea lui, hidrogenul parcurge o multitudine de etape succesive: compactarea-prin compresie, lichefiere sau în medii solide, transportul- prin reţele de conducte sau cisterne, stocarea şi transferul acestuia.
Există un punct de vedere unanim recunoscut că hidrogenul reprezintă cea mai promițătoare soluție tehnologică a combustibilului viitorului, ca sursă de energie curată, abundentă și inepuizabilă, ce poate suplimenta sau înlocui combustibilii fosili în utilizări casnice și industriale. Aceasta se datorează scăderii continue a rezervelor de petrol, dar și datorită faptului că hidrogenul poate fi produs prin tehnologii relativ simple.
Pentru a produce energie, hidrogenul poate fi ars într-un mod eficient și curat într-o celulă de combustie cu formare de apă sau poate fi utilizat într-o celulă electrochimică, așa cum se utilizează deja în bateriile nichel – hidrură metalică.

Problemele care au rămas în curs de dezvoltare în etapa de stocare a hidrogenului se referă la identificarea unor metode sigure de stocare și convenabile din punct de vedere al ușurinţei în utilizare, capacității de stocare și condițiilor de absorbție-desorbție al acestuia (presiunea și temperatura la care hidrogenul poate fi eliberat din mediul de stocare) și, nu în ultimul rând, al costurilor aferente stocării. Hidrogenul sub formă de gaz presurizat necesită un volum foarte mare în comparație cu petrolul. De exemplu, pentru aceeaşi cantitate de energie este necesar un volum de 30 de ori mai mare la o presiune de gaz de 100 atm. În formă condensată, hidrogenul este de 10 ori mai dens decât hidrogenul gazos, dar costurile de producere și de menţinere la aceste presiuni sunt foarte mari. Există, de asemenea, rațiuni de protecția muncii atunci când se pune problema utilizării lui în formă lichidă sau gazoasă, pentru vehicule.
Stocarea în medii solide sub formă de hidruri reprezintă cea mai atractivă și sigură alternativă de stocare a hidrogenului, datorită avantajelor conferite în special de construcția și manevrabilitatea rezervoarelor de hidrură.
În comparație cu stocarea hidrogenului în formă lichidă, hidrurile stochează hidrogenul cu aprox. 60 % volum mai mult (tab. 1).

Pentru a fi convenabile stocării hidrogenului, hidrurile metalice trebuie să îndeplinească mai multe criterii, dintre care amintim: formarea hidrurii printr-o reacție exotermă și descompunerea ei prin reacție endotermă; capacitate mare de stocare a hidrogenului (în masă sau în volum); perioadă scurtă de activare; sensibilitate scazută la otrăvirea cu impurități gazoase; desorbție la temperatură scazută pentru a se obține o presiune de echilibru mai mare de 1 atm.; cinetică rapidă de reacție; preț scăzut al materialului, luând în calcul puritatea sa.

În prezent hidrogenul, ca purtător de energie, este mai scump decât combustibilii fosili. Din această cauză el poate fi luat în considerare şi va avea un rol major în economie pe termen lung în măsura găsirii unor soluţii de îmbunătăţire a tehnologiilor de obţinere, compactare, distribuţie, stocare şi transfer, capabile să conducă la scăderea preţului de cost. Un preţ mare al combustibililor fosili nu reprezintă un argument care să facă hidrogenul mai competitiv pe piaţa de energie.

De aceea, în lume sunt finanţate cercetări intense pentru a aduce îmbunătăţiri tehnologiilor de pe întreg lanţul economic al hidrogenului, ca purtător de energie.
Rezultatul acestor cercetări a făcut posibilă maparea unor grupe importante de materiale cu proprietăţi de stocare a hidrogenului în medii solide, medii care spre deosebire de celelalte medii de stocare prezintă avantajul unei stocări sigure a acestuia. Acest efort de mapare s-a concretizat în elaborarea schemei de mai jos, cunoscută în mediul de specialitate sub numele de arborele de hidrură (fig.1).

Rezultate inovative
Din prisma acestor considerente de ordin general privind utilizarea într-un viitor nu prea îndepărtat a hidrogenului ca purtător de energie, în cadrul INCDIE ICPE-CA au fost întreprinse o serie de cercetări privind metodele de stocare a hidrogenului în medii metalice sub formă de hidruri. Principalele tipuri de materiale metalice pentru stocarea hidrogenului investigate în cadrul unor contracte de cercetare sunt materiale pulverulente obţinute prin procedeele specifice metalurgiei pulberilor în diferite sisteme de aliaje, cum sunt: Fe-Ti, Mg-Ni, Zr-Ni, sisteme complexe Fe-Ti – Mg-Ni.
La temperatura de 360 ^oC şi presiunea de 6 atm., aliajul Mg₇₆Ti₁₂Fe_(12-x)Ni_x(x=4) obținut prin procedeele specifice metalurgiei pulberilor prezintă o capacitate maximă de stocare de 5,33 % masă hydrogen, iar procesul de absorbție-desorbție este practic reversibil.
Proprietățile de stocare a hidrogenului în sistemul complex de aliaje Fe-Ti-Mg-Ni evidențiază o capacitate maximă de stocare a hidrogenului de 5,33 % masă H2, la o presiune de palier de 1,2-1,5 atm. și o cinetică de reacție foarte rapidă pentru temperaturi de încercare cuprinse între 300 și 360 ^oC (tab.2).