Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Hidrogenul, alternativa durabilă la combustibilii fosili

24 Aprilie 2018



Omenirea a ajuns în situaţia de a-şi inventaria sursele de energie şi de a căuta modalităţi durabile prin care să îşi satisfacă nevoia în creştere de energie. Pe lângă perspectiva epuizării zăcămintelor de combustibili fosili (petrol, cărbuni, gaze naturale), actualul sistem de producere şi consum de energie generează probleme cheie (schimbări climatice, poluarea aerului şi apei) şi vulnerabilităţi cu consecinţe numeroase asupra comunităţilor umane, mai ales asupra celor defavorizate, şi a ecosistemului.

Tehnologia hidrogenului a fost introdusă în 1975 între direcţiile de cercetare ale INCDTIM Cluj-Napoca, institutul devenind în anii următori unul dintre liderii naţionali şi internaţionali din domeniu. Cercetarea a fost orientată spre dezvoltarea unor metode de stocare eficientă a hidrogenului la bordul autovehiculelor.
Demersurile noastre în acest sens se ghidează după un sistem gradat de obiective, general acceptate, cunoscute ca ţintele DOE (Departamentul de Energie al SUA). De exemplu, pentru aplicaţiile mobile sunt necesare rezervoare compacte şi uşoare pentru stocare, capabile să alimenteze 0.055 kg hidrogen per kg de sistem de stocare şi 0.04 kg hidrogen per litru de sistem de stocare, conform obiectivelor DOE pentru anul 2025. În fapt, capacitatea de stocare a unui material trebuie să depășească practic țintele stabilite deoarece densitățile gravimetrice și volumetrice ale energiei sunt impuse pentru întregul sistem de stocare (rezervor, supape, sistem de încălzire/răcire, sistem de izolare, regulatoare etc.) nu doar pentru rezervor.
Demersurile noastre experimentale s-au îndreptat spre:
I. stocarea în fază solidă, fie în compuşi intermetalici, hidruri complexe, fie adsorbit pe o suprafață solidă (nanofibre şi nanotuburi de carbon, grafene, structuri metal-organice);
II. stocarea folosind purtătorii organici lichizi, în condiții normale de temperatură şi presiune (ex. hidrocarburile aromatice heterociclice, alcooli, hidrazina, acidul formic).
Cercetările desfăşurate au caracter interdisciplinar şi acoperă întregul spectru de activităţi, de la proiectare, sinteza şi caracterizarea materialelor studiate, la evaluarea perfomanţelor lor.



Activităţile de cercetare în domeniul stocării hidrogenului s-au desfăşurat în cadrul următoarelor coordonate:
• studiul fundamentelor interacţiunii hidrogenului cu materiale în stare solidă: izoterme presiune compoziţie (pcT), diagrame de fază, cinetica adsorbţiei/desorbţiei, efecte izotopice H/D, efecte catalitice asupra sorbţiei prin dopare şi mojarare, difuzia hidrogenului, conductivitate termică, pentru a înţelege cum se modifică proprietăţile în sensul dorit;
• dezvoltarea de materiale cu potenţial în stocarea reversibilă a hidrogenului, cu cinetică de sorbţie/desorbţie favorabilă şi număr mare de cicluri sorbţie/desorbţie;
• studiul influenţei compoziţiei, structurii, adaosurilor catalitice sau modificărilor nanostructurale asupra performanţelor de stocare a materialelor;
• dezvoltarea de metode de sinteză a materialelor destinate stocării de hidrogen, eficientizarea lor economică şi mărirea scalei de sinteză.



Structurile metal-organice (MOF) sunt o clasă relativ nouă de materiale nanoporoase, extrem de mediatizate, care au atras interesul lumii academice şi industriei, datorită atât proprietăţilor texturale excepţionale (suprafeţe de ordinul miilor de m2/g), cât şi versatilităţii structurale şi compoziţionale. Acestea le fac eligibile pentru aplicaţii în stocarea energiei şi a gazelor, separării, catalizei, livrării controlate de medicamente în ţesuturile animale şi vegetale, senzorilor etc. Cu cinetică şi reversibilitate favorabile, MOF-urile sunt materiale solide adecvate stocării gazelor prin fizisorbţie. În privinţa stocării hidrogenului, ele îndeplinesc cerințele DOE doar în intervalul 77-150 K (crio-adsorbție), datorită tăriei reduse a interacţiunilor cu hidrogenul.
Cercetările noastre exploatează relaţia dintre structura MOF-ului şi proprietăţile sale de adsorbţie, pentru proiectarea şi optimizarea de materiale noi cu proprietăţi ajustate în sensul dorit. Am dezvoltat şi brevetat metode noi de sinteză a MOF-urilor, eficientizate din punct de vedere energetic, prietenoase cu mediul, care ne permit prepararea lor la scală de laborator (cca. 50 g/sarjă). Scala de sinteză este susceptibilă extinderii la nivel pilot şi industrial. Efortul este susţinut de simulările moleculare care joacă un rol important în confirmarea/infirmarea rezultatelor, furnizează informaţii despre aspectele cheie ale procesului, permiţând astfel eficientizarea şi optimizarea activităţilor experimentale.
Structurile metal-organice ne-au permis depunerea în porii lor a nanoparticulelor de paladiu şi rodiu, cu diametre de cca. 1 nm, şi investigarea interacţiunii lor cu hidrogenul la diferite temperaturi.
Încă de la formare, grupul de cercetare a avut caracter multidisciplinar, fiind format din chimişti, fizicieni, ingineri şi tehnicieni cu diverse specializări. În grup au fost cooptaţi şi cercetători specializaţi în dezvoltarea de modele pentru diferite fenomene, pentru investigarea din punct de vedere teoretic a interacţiunii hidrogenului cu materialele, înscriindu-ne astfel în lista grupurilor de cercetare care pot investiga stocarea gazelor atât teoretic, cât şi experimental.
Expertiza echipei a permis proiectarea şi construirea de echipamente cum sunt: dispozitivele măsură a capacităţii de adsorbţie a hidrogenului, care permit lucrul la presiuni de până la 400 bari, celule pentru probe, valve şi racorduri pentru evitarea scurgerilor de hidrogen, rezervoare de stocare.
Folosim infrastructura de ultimă generaţie a INCDTIM Cluj-Napoca care conţine: laborator de sinteză dotat cu linii Schlenk, dispozitive manuale şi automate de tip Sievert, microscoape electronice (STEM, SEM), analizor termogravimetric, aparat automat de măsurare a caracteristicilor texturale (suprafaţă specifică, volum de pori), difractometru de raze X pe pulberi şi monocristal, spectrometre FTIR, RAMAN şi UV-Viz, spectroscop fotoelectronic de raze X (XPS), aparat pentru termodesorbţie cuplat cu spectrometru de masă (TDS/MS), cromatograf de gaze cuplat cu spectrometru de masă (GC/MS).
În cursa noastră nu alergăm solitari. Suntem parte activă a unei reţele de colaborări cu grupuri de cercetare, recunoscute în domeniu, din alte institute de cercetare şi universităţi, din ţară şi străinătate (Franţa, Germania, Grecia, Spania, Elveţia).

Provocarea stocării hidrogenului
Hidrogenul are un real potenţial de a revoluţiona întreaga economie a energiei. De fapt procesul de trecere spre o economie bazată pe energia hidrogenului este în desfăşurare, în unele domenii mai timid, în altele mai vizibil.
Hidrogenul este cel mai simplu ele-ment chimic şi totodată cu cea mai mare abundenţă din Univers, reprezentând circa 75% din întreaga masă a acestuia şi mai mult de 90% din numărul total de atomi. În ceea ce priveşte Pamântul, hidrogenul este al treilea cel mai abundent element chimic, regăsindu-se în principal în compuşi chimici cum sunt hidrocarburile şi apa. Prin urmare, el se poate obţine din apă, gaze naturale, cărbune, biomasă, ulei sau deşeurile diferitelor procese industriale. La nivel mondial există o industrie matură a hidrogenului care produce mai mult de cincizeci de milioane de tone anual, aproape exclusiv din combustibili fosili.
Deoarece nu se găsește în stare naturală pe Pământ, ci se produce din alte surse, hidrogenul este un purtător de energie secundar, adică stochează, transportă şi livrează energia, produsă din alte surse, într-o formă utilizabilă (căldură, electricitate) de către consumatori. În mod ideal, într-o economie bazată pe hidrogen, acesta este produs din surse regenerabile de energie, cum sunt soarele, vântul, valurile, care produc intermitent energie, depozitat până când este nevoie de el, transportat la consumator, unde este convertit în căldură şi electricitate.
Problemele care trebuie rezolvate în cazul hidrogenului sunt legate de producerea lui printr-o modalitate cât mai „verde” şi dezvoltarea unor metode eficiente de utilizare pentru producerea energiei (energie electrică, căldură).
Hidrogenul poate fi utilizat în aplicaţii mobile (mijloace de transport), staţionare (termocentrale cu putere de la 200 kW pâna la căţiva MW) și portabile (dispozitive portabile, dispozitive de iluminat etc.).
Dintre toţi combustibilii şi purtătorii de energie, hidrogenul are cea mai mare densitate de energie pe unitatea de masă: 1 kg de hidrogen lichid conţine energia din 2.8 kg benzină sau din 2.1 kg de gaz natural. În schimb, densitatea sa de ener-
gie pe unitatea de volum este de patru ori mai mică decât a benzinei şi de trei ori mai mică decât a gazelor naturale. Acestea fac ca stocarea compactă a hidrogenului să fie o provocare deoarece necesită temperaturi scăzute, presiuni ridicate sau procese chimice. Mai mult, aceasta ridică probleme în cazul aplicaţiilor la bordul autovehicolelor datorită constrângerilor legate de dimensiunea şi greutatea rezervorului.
Există două variante de folosire a hidrogenului pentru deplasarea autovehiculelor: (i) poate fi ars în motoare, la fel ca şi benzina, pentru a elibera energie, producând oxizi de azot nedoriţi, datorită reacţiei dintre oxigenul şi azotul din aer, reacţie favorizată de temperaturile ridicate din motor; (ii) poate fi folosit pentru generarea de electricitate în pilele de combustie; acestea sunt o variantă mult mai prietenoasă cu mediul, deoarece în acest caz hidrogenul reacţionează cu oxigenul, fără ardere, producând numai apă. Aproximativ jumătate din energia acestei reacţii este eliberată ca energie electrică, care acţionează un motor electric, eficienţa fiind de două ori mai mare decât în cazul motoarelor convenţionale cu ardere internă.
Utilizarea pe scară largă a hidrogenului ca purtător de energie va fi posibilă doar prin dezvoltarea unor tehnologii de stocare compacte, sigure, fiabile şi eficiente economic. Marile companii sunt intens implicate în producerea unor automobile cu pile de combustie acționate de hidrogen, eficiente economic și competitive, de ex. Toyota Mirai.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite