Revista >> Septembrie 2010 [Nr. 128] >> Cercetare

Materialele pentru stocarea de hidrogen – element esenţial pentru o economie nepoluantă

Dr. Petru Palade, Dr. Victor Kuncser, Dr. Stanica Enache, Drd. Gabriel Schinteie

18 Septembrie 2010

Epuizarea resurselor şi încălzirea globală sunt două probleme actuale ale omenirii ce necesită o rezolvare durabilă. Hidrogenul este un vector de energie, care prin reacţia cu oxigenul din aer într-o pilă de combustie, produce apă şi energie electrică, fără oxizi de carbon care contribuie la încălzirea globală. Hidrogenul poate fi produs prin tehnologii nepoluante (electroliză, biotehnologie) şi eficientizarea acestor tehnologii necesită un efort de cercetare important. O altă problemă care apare este stocarea lui eficientă şi cu siguranţă maximă în utilizare. Modalităţile de stocare a hidrogenului sunt: sub formă de gaz în recipiente sub presiune, hidrogen lichid în vase criogenice sau utilizând materiale stocatoare (compuşi solizi ai hidrogenului – hidruri). Atât din punctul de vedere al costurilor de stocare (ce apar pentru comprimarea sau lichefierea hidrogenului), cât şi al siguranţei în utilizare (valori mici ale presiunii de hidrogen în rezervoarele cu hidruri) materialele stocatoare de hidrogen sunt foarte promiţătoare în comparaţie cu celelalte două modalităţi de stocare.

De ce utilizăm materiale stocatoare de hidrogen (hidruri)?
O hidrură este un compus conţinând hidrogen. Hidrogenul este uşor de eliberat din hidrurile interstiţiale, în care hidrogenul este situat printre atomii metalului constituent. Aceşti compuşi eliberează hidrogenul reversibil la temperatura ambientală. Pentru a încărca materialul cu hidrogen este suficient să ridicăm presiunea peste o anumită limită numită presiunea de echilibru între hidrură şi hidrogen. Pentru a desorbi hidrogenul trebuie ca presiunea de hidrogen să scadă sub acea valoare. În funcţie de compoziţie, presiunea de platou de formare sau descompunere a hidrurii poate fi schimbată. Marele avantaj al utilizării hidrurilor este presiunea de hidrogen scăzută la care metalele constituente absorb hidrogen, ceea ce dă o mare siguranţă în utilizare. Efortul de cercetare pe plan mondial pentru a realiza rezervoare de hidruri eficiente este uriaş. Toyota a realizat un automobil cu rezervoare de hidruri, iar submarinele germane actuale utilizează aceeaşi modalitate de stocare pentru a alimenta pile de combustie ce furnizează electricitate în regim de submersie. Proiectarea unei hidruri pentru o aplicaţie specifică implică o multitudine de elemente: presiunea şi viteza (cinetică) de desorbţie de hidrogen, temperatura de desorbţie, presiunea de absorbţie-reîncărcare cu hidrogen a materialului stocator după desorbţie etc.

Fig. 1 - Reactor automatizat pentru investigarea absorbţiei-desorbţiei de hidrogen în materiale stocatoare

În cadrul Institutului Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM), grupul de materiale stocatoare de hidrogen are o activitate de peste 10 ani în domeniu şi beneficiază de echipamente de testare şi analiză a materialelor stocatoare de hidrogen de ultimă generaţie (Fig. 1)

Materiale cu compoziţii sau procesări diferite => proprietăţi stocatoare de hidrogen diferite
Colaborarea dintre grupurile de materiale stocatoare de hidrogen din INCDFM şi Universitatea din Padova, Italia, a dus la obţinerea unor materiale pe bază de Mg-Ni-Fe obţinute printr-o metodă inovativă. Procedura constă în măcinarea în moara cu bile a benzilor amorfe, obţinute prin solidificare ultrarapidă din topitură pe tambur rotitor la o viteză de 1.200 rotaţii pe minut. Această metodă conduce la obţinerea de materiale ce eliberează (desorb) hidrogen de două ori mai rapid decât materialele cu compoziţie similară obţinute numai prin simpla măcinare a pulberilor constituente, aşa cum se observă în Fig. 2A, în care este prezentată cantitatea relativă de hidrogen desorbită de hidrură în funcţie de timp. Cercetările din INCDFM au dus la descoperirea unui aliaj cu structură cubică cu volum centrat de tip Ti-Cr-V, ce stochează reversibil 1.95 wt% H2 la presiuni de echilibru de peste 1 atm (Fig. 2B). Trebuie subliniat că aliajele clasice de tip LaNi5 nu pot stoca mai mult de 1.4 wt% H2. Cele două materiale au calităţi utile din punct de vedere aplicativ: 1. Mg-Ni-Fe stochează reversibil peste 5.5 wt% H2 la temperaturi de 2700C cu o cinetică foarte bună; 2. Ti-Cr-V furnizează reversibil 1.95 wt% hidrogen la temperatură ambientală, iar volumul hidrurilor respective este mai mic decât al hidrogenului lichid ce stochează o cantitate echivalentă.

Fig. 2 - (A) Cinetica desorbţiei de hidrogen pentru Mg-Ni-Fe obţinut - prin solidificare ultrarapidă + măcinare respectiv numai prin măcinare; (B) Izoterme presiune-compoziţie (cantitatea relativă de hidrogen stocat - wt% H2 ) pentru Ti-Cr-V

Cercetări în curs de desfăşurare în INCDFM vizează scăderea temperaturii de desorbţie a hidrogenului pentru noi hidruri complexe ce pot stoca reversibil până la 12 wt% H2.

Dr. Petru Palade,
Dr. Victor Kuncser,
Dr. Stanica Enache,
Drd. Gabriel Schinteie
Institutul naţional de c-d pentru fizica materialelor