Хранение водорода в виде порошка: важный шаг к более экологичной нефтехимии

Водород все чаще представляется как устойчивое решение для энергетического перехода. Однако сегодня 95% водорода производится из углеводородов (нефти, природного газа и угля), что является самым дешевым, но самым энергоемким решением. Более того, поиск материала, способного хранить огромное количество газа, для практического применения остается серьезной проблемой. Недавно австралийские исследователи обнаружили новый способ безопасного разделения, хранения и транспортировки больших количеств газа в виде порошка без отходов, что позволяет обеспечить возможное широкое распространение водородной энергетики.

Кроме того, традиционные методы переработки нефти используют высокоэнергетический процесс "криогенной дистилляции" для разделения сырой нефти на различные газы, включая водород. На этот процесс приходится 15% мирового потребления энергии, в то время как мировое потребление водорода составляет менее 2%.

В частности, благодаря появлению водородных топливных элементов, водород становится энергоносителем, который может помочь в декарбонизации некоторых промышленных секторов, обеспечить хранение энергии и снабжать электроэнергией здания и транспортный сектор. Однако внедрение водородных технологий все еще ожидает преодоления ряда препятствий, в основном касающихся безопасного и эффективного хранения и транспортировки достаточно больших объемов газа.

Этот газ очень легкий, легковоспламеняющийся, без запаха и цвета. Он хорошо смешивается с воздухом, поэтому легко образуются взрывоопасные смеси. Нагрев также может вызвать возгорание или сильный взрыв.

Недавно исследователи нанотехнологий из Института пограничных материалов (IFM) при Университете Дикина (Австралия) утверждают, что совершили большой прорыв в области разделения и хранения газа. Их открытие может радикально снизить потребление энергии в нефтехимической промышленности, а также сделать хранение и транспортировку водорода в порошкообразном виде намного проще и безопаснее. Их результаты представлены в журнале "Материалы сегодня", а их метод находится на стадии патентования.

Профессор Чен, заведующий кафедрой нанотехнологий IFM, так излагает историю исследования: "В настоящее время Австралия переживает беспрецедентный газовый кризис и нуждается в срочном решении. Более эффективное использование более чистого газообразного топлива, такого как водород, является альтернативным подходом к сокращению выбросов углерода и замедлению глобального потепления".

В настоящее время водород и другие газы производятся в основном методом криогенной дистилляции. Этот метод выполняется на сжиженном газе путем его быстрого сжатия и декомпрессии, что приводит к его охлаждению и сжижению. Постепенно нагревая газ, который стал жидким, и изменяя температуры кипения, можно разделить различные компоненты. Однако этот метод является чрезвычайно энергоемким.

В данном исследовании ученые разработали энергоэффективный процесс механохимического разделения, который не создает никаких отходов. Механохимия — это отрасль химии, изучающая химическое поведение материалов под действием механического воздействия, в отличии, например, от тепла или света.

Особым компонентом процесса, как называют его авторы, является порошок нитрида бора, который идеально подходит для поглощения веществ. Кроме того, нитрид бора классифицируется как химическое вещество уровня 0, что означает его полную безопасность. В частности, в этом процессе порошок нитрида бора помещается в мельницу — цилиндр - с шарами из нержавеющей стали и газами, которые необходимо разделить. Когда цилиндр вращается со все более высокой скоростью, столкновение шариков с порошком и стенками этой камеры вызывает особую механохимическую реакцию, в результате которой происходит поглощение газов в порошке.

Доктор Матети, второй автор, объясняет: "Порошок нитрида бора можно использовать несколько раз, чтобы снова и снова выполнять один и тот же процесс разделения и хранения газа". Таким образом, этот процесс может быть повторен для разделения газов по одному, поскольку каждый газ поглощается при различной интенсивности измельчения, давлении газа и времени. В ходе последовательных экспериментов авторы смогли выделить комбинацию алкинов, олефинов и парафинов.

Процесс абсорбционного измельчения газа потребляет 76,8 КДж/с для хранения и отделения 1000 л газа. Это почти на 90% меньше, чем энергия, используемая в текущем процессе сепарации в нефтяной промышленности. Доктор Матети говорит: "Мы были так удивлены, увидев, что это произошло, но каждый раз, когда мы получали один и тот же результат, это был «момент озарения»".

После впитывания в порошок газ можно легко и безопасно транспортировать и хранить где угодно - ведь нитрид бора безопасен и доступен в больших количествах. Затем, когда газ понадобится, порошок можно просто нагреть под вакуумом, чтобы выпустить газ в неизменном виде. Кроме того, некоторые газы выделяются из порошков при более высоких температурах, чем другие, что обеспечивает второй способ разделения газов, если они хранятся вместе. Этот прорыв стал кульминацией трех десятилетий работы профессора Чена и его команды. Это может помочь в создании технологий твердотельного хранения ряда газов, включая водород.

Профессор Чен объясняет, что в настоящее время водород хранится либо путем сжатия до 700 бар - 7 литров водорода могут содержать столько же энергии, сколько 1 литр бензина; либо путем его сжижения для дальнейшего сжатия до температуры -253 °C - 4 литра жидкого водорода эквивалентны 1 литру бензина. И то, и другое требует большого количества энергии, а также опасных процессов и химических веществ.

Он также добавил: "Мы показали, что существует механохимическая альтернатива, использующая шаровое фрезерование для хранения газа в наноматериале при комнатной температуре. Оно не требует высокого давления или низких температур, поэтому предложит гораздо более дешевый и безопасный способ разработки таких инноваций, как водородные автомобили".

Наконец, команда IFM протестировала процесс в небольших масштабах, отделив около двух-трех литров материала. Но они надеются на поддержку промышленности для осуществления полноценного пилотного проекта. И они подали предварительную патентную заявку на свой процесс.

Профессор Чен заключает: "Нам необходимо дополнительно проверить этот метод в промышленности, чтобы разработать практическое применение. Чтобы перенести этот процесс из лаборатории в более крупные промышленные масштабы, нам необходимо убедиться, что он экономичнее, эффективнее и быстрее, чем традиционные методы разделения и хранения газа. Поэтому этот масштабируемый механохимический процесс имеет большой потенциал в качестве промышленного метода разделения и может обеспечить значительную экономию энергии".