A hidrogén tárolása és annak korlátai

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 7. sz. 2005. p. 41–52.


A hidrogén tárolása és annak korlátai A tárolás kritikus szerepet játszik a hidrogén energetikai felhasználásában. A jelenleg elterjedt tárolási eljárások, mint a gáz állapotú, folyékony vagy egyszerű hidridekben megvalósított tárolás lehetőségei egyaránt messze vannak a járművek meghajtásához szükséges követelményektől. Ezen eljárások további fokozatos fejlesztése nem kecsegtet a szükséges mértékű javulással. A fizikai és kémiai folyamatok megismerése viszont elvezethet gyökeresen új, sokkal jobb megoldásokhoz is. A legnagyobb jövője a nanostruktúrájú anyagok felhasználásának van, mind szénalapú, mind egyéb anyagok felhasználásával kialakított nanoszerkezetek esetén.

Tárgyszavak: hidrogén; tárolás; hidrid; nanostruktúra.

A fűtő- és üzemanyagként a felhasználók igé-

lókról – lakások fűtéséről és légkondicionálá-

nyeinek kielégítésére rendelkezésre bocsátan-

sáról, egy lakókörzet vagy éppen egyes ipari

dó hidrogén tárolása a teljes szolgáltató-

felhasználók villamosenergia-igényeinek biz-

rendszer fontos fázisa. Az itt felhasznált anya-

tosításáról – van szó, a hidrogént tároló rend-

gokkal vagy rendszerekkel kapcsolatos mű-

szerek számára sokféle megoldás áll rendelke-

szaki problémák megoldásában az USA még

zésre; többlépcsős, kémiai folyamatokra ala-

messze áll attól, hogy teljesíteni tudja az erre

pozott feltöltési/újratöltési ciklusokat és magas

vonatkozóan 2010-re vagy 2015-re megállapí-

hőmérsékletet/nyomást alkalmazhatnak, és a

tott célkitűzéseit. A hidrogén hatékony tárolá-

folyamat viszonylagos lassúságát többletkapa-

sához és szállításához ugyanis két, egymástól

citás beépítésével ellensúlyozhatják. Ha vi-

nagymértékben eltérő funkciónak kell eleget

szont egy gépjármű üzemanyag-ellátását kell

tenni. Amennyiben helyhez kötött felhaszná-

megoldani, úgy szigorú térfogat- és súlyköve-

41


telmények teljesítésére van szükség ahhoz,

hatósugárból kiindulva körülbelül 5–10 kg

hogy újratöltés nélkül meg lehessen valósítani

felhasználható hidrogén szükséges. Az újratöl-

az adott jármű 480 kilométeres minimális ha-

téshez szükséges idő (2015 tervezete) legfel-

tósugarát, miközben az utántöltésre közel szo-

jebb 5 perc. A jelenleg alkalmazott technoló-

bahőmérsékleten kerül sor, és a hidrogént elég

giák szerint a hidrogént sűrített gáz, vagy

gyorsan kell kinyerni a tárolóból ahhoz, hogy a

mélyhűtött folyadék formájában tartják ké-

személyautót, autóbuszt vagy teherautót hajtó

szenlétben, ami könnyen hozzáférhetővé teszi

hidrogénes tüzelőanyag-elem kellő mennyisé-

ezt az energiahordozót. Ahhoz azonban, hogy

gű villamos energiát tudjon termelni.

a jelenlegi technológiával is ki tudják elégíteni az idevágó jövőbeni (a FreedomCAR prog-

Mivel az USA kőolaj-felhasználásának közel

ramban lefektetett) követelményeket, igen

kétharmada a közlekedés energiaigényeinek

nagy térfogatú tartályokra lenne szükség. E

kielégítését szolgálja, e szektor nemcsak ko-

követelmények kielégítése szempontjából a

moly kihívást, de egyben jelentős hajtóerőt is

hidrogén tárolása szilárd anyag által elnyelt

képvisel az alapkutatás számára, a hidrogénen

formában ígéretes megoldásnak tekinthető, de

alapuló energiagazdaság létrehozására. A köz-

az ezzel kapcsolatos követelményeket minden

lekedés által felhasznált hidrogén hatékony

tekintetben kielégítő anyagot még nem sikerült

tárolásával kapcsolatban többek között a követ-

megtalálni.

kező működési követelmények emelhetők ki: megfelelő termodinamikai jellemzők,

Ez az összeállítás a jelenleg alkalmazott mód-

gyorsan lebonyolítható műveletek,

szerekről, valamint azokról az alapvető kérdé-

nagy fajlagos tárolókapacitás,

sekről ad áttekintést, amelyeket a hidrogén

hatékony hőátadás,

tárolásával kapcsolatos célok eléréséhez meg

a hidrogént elnyelő/felszabadító készülékek

kellene oldani.

hosszú élettartama, nagy mechanikai szilárdság és tűrőképesség,

A gáznemű és folyékony hidrogén tárolása

normális üzembiztonság és megfelelő kockázatkezelés a rendkívüli körülmények esetén.

A hidrogéngáz tárolása megfelelő tartályokban Egy tüzelőanyag-elemes/villanymotoros jármű

már érett, jól bevált technológiának tekinthető,

hajtásához típusától függően, 480 kilométeres

amit az is tanúsít, hogy nemrég már 10 000 psi 42


(680 atm) nyomást tűrő tartályokat is sikerült

gondot okoz a párolgási veszteség is – különö-

gyártani. E nyomástartó edények olyan könnyű

sen kisméretű üzemanyagtartályok esetén.

alapanyagokból készülnek, mint például a

Hogy enyhíteni lehessen a mélyhűtés mértékét,

karbonszálakkal erősített kompozit szerke-

igen nagy nyomást tűrő hűtött tartályokkal is

zeti anyagok. Közlekedési eszközökön való

folytatnak kísérleteket. A cseppfolyósítás költ-

alkalmazás esetén azonban a gáz halmazálla-

ségeinek csökkentésére lehetőséget adó, ener-

potban tárolás nem előnyös, mivel adott térfo-

getikai szempontból hatékonyabb új cseppfo-

gatban csak viszonylag kis mennyiség tárolha-

lyósítási eljárások kidolgozására lenne ezért

tó belőle. Az összepréselt hidrogéngáz ener-

szükség. Az 1. ábrán a tartályban található

giatartalma (4,4 MJ/liter) még 10 000 psi

hidrogén térfogat szerinti (volumetrikus) sűrű-

nyomáson is elmarad az ugyanolyan tárfoga-

sége, illetve a nyomástűrő henger falvastagsá-

tú benzinétől (31,6 MJ/liter). Gondot jelent

gának és külső átmérőjének hányadosa közötti

itt a gáz összepréselésére felhasznált energia

összefüggés látható 460 MPa szakítószilárdsá-

és a felhasználás során bekövetkező nagy-

gú rozsdamentes acélhenger esetén (a jobbol-

mértékű nyomáscsökkenés is. Miután a rend-

dali ordináta-tengelyen). A volumetrikus sűrű-

szer elemeinek jelentős része fémekből készül,

ség a nyomástól függően nő és – az anyag sza-

az esetleges üzemzavarok kiküszöbölése ér-

kítószilárdságának megfelelően – 1000 bar

dekében a kutatóknak az atomok szintjén is

fölött éri el maximális értékét.

tanulmányozniuk kell azokat a folyamatokat, amelyek a hidrogénnel érintkező anyago-

Tárolás szilárd halmazállapotban

kat hosszabb távon ridegebbé (törékenyebbé) teszik.

Szilárd halmazállapotban a hidrogén fémCseppfolyósított hidrogén esetében a kutatók

hidridekben, megfelelő vegyi anyagokban és

10 000 psi nyomáson már 8,4 MJ/literes ener-

különféle, nanométeres szinten strukturált

giatartalommal számolnak, normál hőmérsék-

anyagokban tárolható. E technológia különö-

leten és nyomáson az anyag sűrűsége 70,8

sen a mozgó járműveken való tároláshoz elő-

kg/m3. Ezek az értékek a FreedomCAR prog-

nyös. A hidrogén ezekben az anyagokban

ramban megállapított elérendő szinteknek még

mind állandó jelleggel, mind reverzibilisen is

a felét sem érik el. A folyékony állapotban

tárolható. Az utóbbi azt jelenti, hogy az adott

tárolás jelentős hátránya a cseppfolyósításhoz

anyag – például egy fémhidrid – hőmérsékle-

felhasznált igen nagy mennyiségű energia, de

tét alkalmas nyomáson megnövelve, hidrogén 43


80

0,30

folyékony H2

60

ideális gáz 0,20

gáznemű H2

0,15

40

σv = 460 MPa (acél) félgömbkupola

köpeny 20

p dop/M w/do

a H2 volumetrikus sűrűsége, kg/m

3

0,25

0,10

dg 0,05

do dw

0 0

500

1000

1500

0,00 2000

nyomás, bar

1. ábra A nyomás alá helyezett hidrogén, az ideális gáz és a cseppfolyósított hidrogén volumetrikus sűrűsége a gáznyomás függvényében

szabadulhat fel. Noha e folyamatok termodi-

ezért ezek nem alkalmazhatók. Egyes anya-

namikai szabályozására rendszerint a hőmér-

gokból, köztük különböző hidridekből a hidro-

séklet és a nyomás a legalkalmasabb paramé-

gén más anyagokkal (például vízzel) reagálva

ter, a hidrogén lekötése/leadása más energia-

tehető szabaddá, a hidrolízis kapcsán keletkező

fajtákkal (például mechanikai vagy akusztikus

hőenergia hasznosítható. A hidrolízis kapcsán

energiával) is szabályozható. Ideális esetben e

keletkező termék csak megfelelő kémiai keze-

folyamatoknak 0 és 100 °C közötti hőmérsék-

lés után alkalmas hidrogén tárolására. Újrafel-

leten és 1–10 bar közötti nyomáson, a közle-

használható szénhidrogén hordozókkal – pél-

kedési eszközökön való felhasználáshoz il-

dául hexametilénnel – is folytattak hidrogén

leszkedő, vagyis viszonylag rövid idő alatt kell

tárolására irányuló kísérleteket, de e folyékony

végbemenniük. Egyes anyagokban a hidrogén

anyagokban jelentős fajsúlyuk miatt kémiai

erős kémiai kötésbe kerül, ezért csak nehezen

átalakítás nélkül csak kis mennyiségű hidrogén

szabadítható fel – közlekedési eszközökön

tárolható. Emellett problémát jelent itt az is,

44


hogy a hidrogén szabaddá tételét segítő katali-

re jutva molekulákba rendeződnek. A techno-

zátort először kellő hőmérsékletre kell melegí-

lógiával összefüggő kutatások főként a hidro-

teni, amihez túl sok idő szükséges.

gén lekötésére fordítják a figyelmet, ennek eredményeként már egy fématomra számítva

Bár a Sandia National Laboratory által vezetett

kettőnél is több hidrogénatomot sikerült leköt-

nyilvántartás eddig több mint 2000, hidrid

ni. Az eddig vizsgált anyagok rácsszerkeze-

képződésére alkalmas kémiai elemet, vegyüle-

tében azonban többnyire viszonylag nehéz ele-

tet és ötvözetet ismer, a FreedomCAR fejlesz-

mek találhatók, ezért a nagyobbrészt átmeneti

tési program által támasztott követelményeket

fémekből álló anyagokban a tárolt mennyiség

eddig még egyikük sem képes teljesíteni. A

rendszerint nem haladja meg a 2 %(m/m) érté-

térközi hidrogén tárolására vonatkozóan szóba

ket. Ígéretes eredményt (3–7 %(m/m)) a köny-

jöhető hagyományos fémhidridekhez kétkom-

nyűfémek közül magnéziummal sikerült elér-

ponensű AB, AB2, AB5, A2B típusú inter-

ni, de ebben az esetben a hidrogén csak magas

metallikus vegyületek (például a TiFe, ZnMn2,

hőmérsékleten (atmoszferikus nyomáson pél-

LaNi5 és a Mg2Ni) és tércentrált köbös kris-

dául 552 K-on) tehető szabaddá az anyagból.

tályszerkezetű fémek tartoznak. Ezek az anya-

Bár

gok jellemzően 1,4–3,6 %(m/m) mennyiség-

nagyságrendű struktúrák kialakításával és bi-

ben képesek hidrogént lekötni, ami mintegy

zonyos katalizátorok hozzáadásával sikerült

harmada a FreedomCAR által előírt szintnek.

javítani e folyamatok kinetikáján, termodina-

magnéziumötvözetekben,

nanométeres

mikai jellemzőik csaknem változatlanok maradtak.

Fémhidridek és komplex hidrid jellegű anyagok

A hidrogént alacsony hőmérsékleten tároló hidridek közé sorolható NaALH4 és a közepes

Az elmúlt négy évtized folyamán hidrogén

hőmérsékleten tároló Na3AlH6 együtt alkal-

szilárd anyagokban való tárolására alig alkal-

mazva például a hidrogén felszabadításához

maztak mást, mint fémhidrideket és fémötvö-

alacsonyabb hőmérsékletet és nagy tárolási

zeteket, amelyekben a fém kristályrácsát kitá-

kapacitást (körülbelül 5 %(m/m) arány) tesz

gítva a rendszerint tetraéderes és oktaéderes

lehetővé. A hidridek képződése csaknem min-

kristályrács térközeit abszorbeált hidrogénnel

den fém esetében 15–25%-os térfogatnöveke-

töltötték ki. Amikor hidrogén szabadul fel be-

déssel jár, amit számításba kell venni a megfe-

lőlük, a hidrogénatomok a részecskék felületé-

lelő tárolóedények méretezésénél is. Emellett 45


10 Mg2FeH6

Na3AlH6

NaAlH4

MnNi5H6 TiCr1,8H1,7

Mg2NiH4 TiFeH PdH0,6

CaNi2H4

nyomás, MPa

1

0,1 MgH2

LaNi3,5Al1,5H5

LaNi5H6

LaNi4AlH5

0,01 1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

103/T (K-1))

2. ábra Egyes hidridek Van’t Hoff féle grafikonjai kezelni kell az abszorpció és a deszorpció so-

A hidrogén tárolásának másik lehetséges mód-

rán keletkező/lekötött hőmennyiségeket is,

ja a lekötés kémiai vegyületben, amire a leg-

hogy a rendszer hidrogénnel való feltöltése és

jobb példa az egy szénatom mellett négy hid-

kiürítése során megfelelő reakciósebességet

rogénatomot tartalmazó metán (CH4). Mivel

lehessen elérni – anélkül, hogy ez hosszabb

azonban a metán gáznemű, aligha előnyösebb

távon az adott anyagokat károsítaná. A fém-

a hidrogéngáz közvetlen tárolásához képest.

hidridek stabilitását általában a Van’t Hoff-

Nem beszélve arról, hogy a szén-hidrogén túl

féle grafikonok formájában fejezik ki (2. áb-

erős kémiai kötése miatt a hidrogént nem

ra). A legstabilabbnak számító kétkomponen-

könnyű szabaddá tenni e vegyületből. Újabban

sű hidridek képződési entalpiája ∆Hf = –226

kifejlesztett szilárd anyagok, mint például az

kJ/mol H2. A legkevésbé stabil hidridek közé a

alanátok (alumínium-hidridek), bór-hidridek és

FeH0,5, a NiH0,5 és a MoH0,5 sorolható, képző-

az imidek, amelyekben a fématomot 4–6 hid-

dési entalpiájuk rendre ∆Hf = +20 kJ/mol H2,

rogénatom veszi körül negatív töltésű komplex

∆Hf = +20 kJ/mol H2 és ∆Hf = +92 kJ/mol H2.

aniont képezve, jól imitálják a metán felépíté46


sét és áttörést hozhatnak a hidrogén szilárd

elő, oldószer nélkül csak néhányuk (így példá-

anyagban tárolása terén. E vegyületek ugyanis

ul a LiAlH4 és a NaBH4) szintetizálható. Ezek,

elméletileg 7–18 %(m/m)-ig tartalmazhatná-

és más hasonló anyagok esetében ezért új ki-

nak hidrogént. Amennyiben sikerülne a hidro-

indulási összetevőket és technológiai eljáráso-

gént nagy térfogatsűrűséggel (100 g H2/liter)

kat kell kidolgozni a megfelelő könnyű

tároló szilárd anyagot találni, ezzel felül lehet-

hidridek előállításához. A komplex hidridek

ne múlni a mélyhűtött cseppfolyós hidrogén

reverzibilis viselkedése és elfogadható kineti-

sűrűségét, ami 20 K-on 70 g H2/liter. Ezen

kai jellemzői szempontjából fontos, de ma még

anyagok gyakorlati hasznossága a legnagyobb

kevéssé érthető szerepük van egyes adalék-

mértékben attól függ, hogy mennyire elfogad-

anyagoknak. Titánalapú vegyületek, például

ható a hidrogén kellő mennyiségben való fel-

(TiCl3 vagy Ti[OBu]4) hozzáadása NaAlH4-

szabadításához szükséges hőmérséklet, nem-

hez oly mértékben csökkenti a hidridek el-

különben attól is, hogy miként lehet őket

ső bomlási hőmérsékletét, hogy 353 K-on

újra feltölteni hidrogénnel. Többkomponensű

3,7 %(m/m) hidrogén tehető katalizátor nélkül

hidrid keverékek előállításával valószínűleg

szabaddá. Ha pedig TiCl4 katalizátor jelenlé-

a kívánt tulajdonságokkal rendelkező anyag

tében LiAlH4-et mechanikai-kémiai eljárással

is előállítható. Ha például hidrogénben dús

kezelnek, úgy szobahőmérsékleten 5,0 %(m/m)

[MeHn]p– típusú anionokat különböző könnyű

hidrogén szabadítható fel, míg 423 K-ra mele-

elemek kationjaival elegyítenek, úgy a katio-

gítve az anyagot további 2,5 %(m/m). Ebben

nos rácsszerkezetben lehetővé válik a pontos

az esetben azonban még nem sikerült kimutat-

kémiai helyettesítés, áthidalva a szakadékot a

ni az anyag reverzibilis viselkedését.

hidrogénben szegény intermetallikus hidridek és a hidrogénben dús LiH, BeH2 és MgH2 ve-

Egy nemrég végzett kutatás során lítium-nitrid-

gyületek között. Ennek köszönhetően talán e

ben, nyomás alatt sikerült lekötni 11,4 %(m/m)

komplex hidridek lehetnek a legalkalmasabbak

hidrogént, ami a nitridekre és az imidekre,

arra, hogy nagy arányban hidrogént tartalma-

mint hidrogént tároló anyagokra irányította rá

zó, ugyanakkor a hidrogént könnyen lead-

a szakemberek figyelmét. Noha e vizsgálatok

ni/felvenni képes tárolóközeget képezzenek.

során a hidrogént csak magas hőmérsékleten tudták szabaddá tenni a tárolóanyagból, érde-

A komplex hidridek többségét hosszadalmas,

mes lenne az alkálifém-hidridekkel és vegyü-

oldószerben lejátszódó szintézis révén állítják

leteikkel további vizsgálatokat folytatni.

47


Nanostrukturált anyagok

ma még érvényesülő korlátozó tényezők, lehetővé téve a hidrogén tárolását nagyobb tömegarányban is.

A kutatások kimutatták, hogy nanométeres mérettartományban az anyagok határozottan eltérő tulajdonságokat mutatnak, mint nagyobb

A nanostrukturált anyagok fontos előnye, hogy

méretek esetén. A nemrég kifejlesztett új szin-

bennük olyan speciális mikroszerkezetek is

tetizálási eljárások lehetővé tették, hogy meg-

kialakíthatóak, amelyek lehetővé teszik a tárolt

felelő térbeli felépítésű, meghatározott tulaj-

hidrogén tömegszázalékban kifejezett mennyi-

donságokkal rendelkező anyagokat hozzanak

ségének növelését, nemkülönben a hidrogén

létre. Szakmai körökben élénk érdeklődéssel

abszorpcióhoz/kibocsátáshoz kapcsolódó kine-

fogadták, hogy a fentieknek tulajdoníthatóan

tikai jellemzők szabályozását is. Előre megha-

olyan, teljesen újfajta anyagok állíthatóak elő,

tározott nanostruktúrák kialakításával a jelen-

amelyek tulajdonságait viszonylag kis hossz-

leg a hidrogén disszociatív tárolására használa-

méretük (1 < d < 100 nm) határozza meg.

tos fémalapú és komplex hidridek hidrogéntá-

Ilyen nanostrukturált anyagok például a szén

rolási jellemzői is jelentős mértékben javítha-

bázisán is készíthetők – nanocsövek, nano-

tók. Ami viszont a hidrogén hatékony, nem

kürtők, fullerének –, nemkülönben más anya-

disszociatív tárolását illeti, ezzel kapcsolatban

gokból, így különböző hidridekből is. Kis mé-

a szénalapú nanostruktúrák (köztük a nano-

reteik jelentős mértékben befolyásolják a hid-

csövek és a nanokürtők) és más hasonló, sze-

rogén abszorpcióját és disszociációját ezekben

net nem tartalmazó anyagok kecsegtetnek jó

az anyagokban, különös tekintettel e folyama-

eredményekkel. Ahhoz, hogy jobb hidrogéntá-

tok termodinamikai és kinetikai jellemzőire,

rolási jellemzőkkel jellemezhető anyagokat

mivel növelik a diffúzió sebességét, miközben

lehessen létrehozni, mindkét fent említett táro-

mérséklik a diffúziós úthosszt. Általában véve

lási mód esetében a hidrogén adszorpciójával

a diffúzió sebessége az anyagtranszport sebes-

és felszabadításával összefüggő folyamatok

ségét közvetlenül befolyásoló fonon-módus

további atomi és molekuláris szintű elemzésé-

változtatásával is módosítható. Ehhez adódik

re lenne szükség.

az a hatás, hogy az adott anyag paraméterei nanoszinten függetlenebb módon befolyásol-

A 3. ábra a szénalapú nanocsövekben leköthe-

hatók, mint nagyobb anyagmennyiségek ese-

tő hidrogén maximális mennyiségeit mutatja

tén. Ezeket az előnyöket kiaknázva elkerülhe-

súlyszázalékban. Folyamatos falú nanocsö-

tők egyes, nagyobb mennyiségű hidridekben

vekben az elméleti maximális érték 77 K-on, 48


2,0

H/(H + C), %(m/m)

1,5

1,0

0,5

0,0 0

500

1000

1500

2000

2

fajlagos felület, m /g

3. ábra Szénalapú nanocsövekben reverzibilisen leköthető hidrogén mennyisége a minta felszínének függvényében (tele körökkel jelölve), beleértve két, nagyfelületű grafitmintán végzett mérést is. A 77 K-on mért hidrogén-adszorpcióra vonatkozó szakirodalmi adatok tele négyzetekkel szerepelnek. A szaggatott vonal a szubsztrátumra egy rétegben felvitt anyag által lekötött hidrogén számított mennyiségét mutatja

1315 m2/g fajlagos felület mellett 3,0 %(m/m).

A nanoméretekben hidrogén tárolására alkal-

Nagyszámú kísérletben, különböző struktúrájú

mas anyagok a következő két általános kategó-

szénalapú nanocsőben 77 K-on túlnyomásos

riába sorolhatók. Mindenekelőtt a hidrogént

mikromérleggel, volumetrikus (tömegáram)

„atomok szintjén” tároló anyagok („disszocia-

gázfázisú méréssel, illetve szobahőmérsékleten

tív” anyagok), amelyekben a hidrogénmoleku-

végzett elektrokémiai galvanosztatikus mérés-

lának hidrogén atomokra való megfordíthatóan

sel megállapították, hogy minden vizsgált min-

bomlására (disszociációjára), és az így kelet-

tában lejátszódott a megfordítható hidrogén

kező hidrogénatomoknak a tárolóközeg szer-

adszorpció/deszorpció. Az adszorbeált hidro-

kezetébe épülésére van szükség. A fent tár-

gén mennyisége összefügg a minták fajlagos

gyalt komplex hidridek is a disszociatív táro-

felületével.

lásra alkalmas anyagokhoz tartoznak. A máso-

49


dik csoportba a hidrogént „molekuláris” for-

érzékenységű, de kellő szelektivitású mérőesz-

mában tároló („nem disszociatív”), anyagok

közök kifejlesztésére van szükség.

sorolhatók – ezekben a hidrogénmolekulákat gyenge felületi molekuláris hatóerők (pl. a van

Az elmélet és a számítástechnika szerepe

der Waals erő) kötik az anyag struktúrájához. Nanocsövek és nanokürtők, valamint különböző nanoméretű struktúrákba rendezett nemszénalapú anyagok tartoznak ide, amelyeknél

A hidrogén és a tárolóanyagok közötti kölcsön-

az anyag fizikai jellemzőit a méretek mellett a

hatások alapjainak megértéséhez az elméletre

felület nagyságával és minőségével, valamint

és a kísérleti fázisra egyaránt kiterjedő, a szi-

más tulajdonságain keresztül szabályozzák.

nergiákat is számításba vevő megközelítés

Ahhoz, hogy a nem disszociatív, a hidrogént

szükséges. Az elmélet és a számítástechnika

molekulák formájában tároló anyagokban a

ugyanis a kísérleti eredmények értelmezése

kiválasztott üzemi hőmérsékleten az adott fe-

mellett a kísérletek irányítására is felhasználha-

lület és a hidrogénmolekulák között aktívabb

tó. Az utóbbi években a módszertanban (elmé-

kölcsönhatásra kerüljön sor, megfelelő eljárá-

let és algoritmusok), illetve a számítástechnikai

sok kifejlesztésére van még szükség. A mole-

kapacitás területén végbement fejlődés új lehe-

kuláris kötések erőssége például alkalmas ada-

tőségeket nyitott a hidrogén tárolásával össze-

lékanyagok hozzáadásával szabályozható.

függő elméleti tanulmányok előtt is. Általában véve e rendszerek tanulmányozása során a kö-

Ügyelni kell arra, hogy odaillő paramétereket

vetkező négyféle módszer vehető igénybe:

alkalmazzanak a nagy felületű nanoanyagok

1. az elektronszerkezetre és a kötésekre vo-

szerkezetének, felületének és a hidrogén tárolá-

natkozó információkat szolgáltató kvan-

sa/felszabadítása során tanúsított viselkedésé-

tummechanikai megközelítés;

nek jellemzésére. A hatékony nanoanyagok

2. a hidrogént csapdába ejtő üres rácshelyek-

strukturális jellemzőivel összefüggésbe hozható

kel és szennyező anyagokkal kapcsolatban

paraméterek megfelelő modellezéséhez ugyanis

atomi szintű információkat szolgáltató kí-

a felület és tulajdonságainak világos azonosítá-

sérleti és félig kísérleti jellegű módszerek;

sa szükséges. Az anyagok nanoszintű jellemzé-

3. a mezo-szintű megközelítés, amely a rács-

se a kutatók számára azért jelentős kihívás,

hibák meghatározott eloszlása mellett ad

mert e méretskálán nem eléggé érzékeny a

tájékoztatást a hidrogén befogásának átla-

meglévő analitikai eszköztár. Ezért új, nagyobb

gos mértékéről; 50


módon, hogy megbízható fizikai és kémiai

4. a kontinuum-módszer, amely a valóságos anyagon

áthaladó

alapokon előre lehessen jelezni az egyes anya-

hidrogén-transzportra

gok várható sajátosságait.

vonatkozóan szolgáltat információt. A molekuláris dinamikával együtt ezekkel a

A számítástechnika segítséget nyújthat a hid-

módszerekkel előre jelezhetőek a termodina-

rogén és az anyagfelület közötti kölcsönhatá-

mikai tulajdonságok, és prognosztizálható a

sok megértéséhez és annak megállapításához,

termikus jelenségek által keltett diffúziós és

hogy miként lép kölcsönhatásba és diffundál a

kémiai reakciós folyamatok időbeni lefolyása

hidrogén a lépcsős élek mentén. A hidrogén

is. Közvetlen szimulációval és az atomi szintű

tárolási mechanizmusának feltárásához ismer-

erők becslésére alkalmas kvantummechanikai

ni kell a hidrogénatomok által kitölthető he-

módszerekkel a folyamatok akár egy piko-

lyeket az adott anyag belsejében, diffúziójuk

szekundumos (10-12 s) időintervallumban is

energetikai korlátait és a befogadó anyag

vizsgálhatók, ha viszont kísérleti és félig kísér-

elektronszerkezetére gyakorolt hatásukat, szin-

leti potenciális energiafüggvényeket használ-

túgy kölcsönhatásaikat is a rácshibákkal

nak, úgy az átfogható időköz már nanoszekun-

(vakanciák, üregek, szennyezőanyagok, szem-

dum (10-9 s) nagyságrendű lehet. Olyan köze-

csehatárok és diszlokációk), valamint a nyo-

pes léptékű eljárásokkal, mint például a Monte

más és a hőmérséklet által rájuk gyakorolt

Carlo kinetika, már ennél jóval hosszabb, má-

hatást. Az elmélet viszont arra segíthet fényt

sodperces nagyságrendű időközök is átfogha-

deríteni, hogy miként lehet ötvözéssel módosí-

tók, míg kontinuum-módszerekkel a másod-

tani a könnyű fémhidrid komplexekben a hid-

percektől akár órákig is terjedhet a kalkuláció.

rogén és a fématomok között kialakult ionos

Miután a hidrogén viselkedését vizsgálva a

vagy kovalens kötéseket, de hasonló mondható

fenti időközök mindegyikére szükség lehet, ez

el a katalizátorok szerepéről is a hidrogénköté-

komoly kihívást jelent az elmélet és a számítá-

sek kialakulásában.

si módszerek számára egyaránt – a különböző időskálák integrálására ugyanis még nincs

Következtetések

általános szimulációs módszer. A hidrogén gyártásával, tárolásával és felhasználásával kapcsolatos problémák kezelésére a kutatók-

A tárolás kritikus szerepet játszik a hidrogén

nak megfelelő módszereket kell találniuk az

energetikai felhasználásában. A jelenleg elter-

említett eljárások integrálására, méghozzá oly

jedt tárolási eljárások, mint a gáz állapotú, 51


folyékony vagy egyszerű hidridekben megva-

ismerésére és megértésére. Ez elengedhetetlen a

lósított tárolás lehetőségei egyaránt messze

megbízhatóan működő, a gyakorlatban is al-

vannak a járművek meghajtásához szükséges

kalmazható tárolási eljárások kidolgozásához.

követelményektől. Ezen eljárások további fo-

A kezdeti eredmények mindenesetre bíztatóak.

kozatos fejlesztése nem kecsegtet a szükséges Összeállította: Dr. Balog Károly

mértékű javulással. A fizikai és kémiai folyamatok megismerése viszont elvezethet gyökeresen új, sokkal jobb megoldásokhoz is. A

Irodalom

legnagyobb jövője a nanostruktúrájú anyagok [1] Sandi, G.: Hydrogen storage and its limitations. =

felhasználásának van, mind szénalapú, mind

Interface – Electrochemical Society, 13. k. 3. sz.

egyéb anyagok felhasználásával kialakított

2004. p. 40–44.

nanoszerkezetek esetén. Jelentős elméleti és

[2] A hidrogéntárolási kutatások internetes portálja. =

kísérleti kutatásokra van még szükség a nano-

http://www.fuelcellstore.com/information/hydrogen

szinten teljesen eltérő folyamatok pontos meg-

_storage.html.

Az értékteremtő emberi gazdálkodás

HUMÁNERŐFORRÁS-MENEDZSMENT b b b b

bér- és jövedelempolitika foglalkoztatáspolitika munkaerőpiac, munkanélküliség munkaerő-tervezés

b b b b

munkaidő, munkaidő-rendszerek személyzetfejlesztés, oktatás szociálpolitika és érdekvédelem vállalati munkaszervezés

Havonta a legértékesebb tőkéről! [email protected] 06-1/45-75-322 52

A hidrogén tárolása és annak korlátai

Recommend Documents