تخزين الهيدروجين

تخزين الهيدروجين

يوجد الهيدروجين في صورة غازية في الظروف العادية، مما يجعل تخزينه ونقله أمرًا صعبًا للغاية. هناك ثلاث طرق لتخزين الهيدروجين: تخزين الغاز عالي الضغط، وتخزين الهيدروجين السائل عند درجة حرارة منخفضة، وتخزين هيدريد المعدن.

1. تخزين الغازات ذات الضغط العالي

   يمكن تخزين الهيدروجين الغازي في منشآت تحت الأرض أو في أسطوانات فولاذية. ومن أجل تقليل حجم التخزين، يجب ضغط غاز الهيدروجين، الأمر الذي يتطلب قدرًا كبيرًا من طاقة الضغط. عادةً، تمثل الأسطوانة الفولاذية عالية الضغط المملوءة بالهيدروجين عند 20 ميجا باسكال 1.6% فقط من الوزن الإجمالي، بينما تخزن أسطوانات التيتانيوم المستخدمة في التطبيقات الفضائية 5% فقط من وزن الهيدروجين.

2. تخزين الهيدروجين السائل في درجات حرارة منخفضة

   يمكن تبريد غاز الهيدروجين إلى -253 درجة مئوية ليصبح سائلا، ومن ثم تخزينه في حاويات معزولة عالية الفراغ. تم استخدام تكنولوجيا تخزين الهيدروجين السائل في البداية في تطبيقات الفضاء الجوي، وعلى الرغم من أن تكلفة التخزين أعلى، إلا أن تكنولوجيا السلامة أكثر تعقيدًا. تركز الأبحاث حاليًا على حاويات تخزين الهيدروجين المعزولة للغاية. تم تطوير نوع جديد من الحاويات المليئة بالكريات المجهرية المسامية الخلالية. تتراوح أقطار كريات السيليكا المجهرية هذه من 30 إلى 150 ميكرومترًا، مع مراكز وجدران مجوفة يبلغ سمكها حوالي 1 إلى 5 ميكرومتر. يتم طلاء الألومنيوم على بعض هذه الكرات المجهرية لتقليل التوصيل الحراري ومنع انتقال الحرارة بالحمل الحراري بين الجزيئات تمامًا. يؤدي خلط بعض الكريات المجهرية المطلية بالألمنيوم (عادةً حوالي 3% إلى 5%) مع الكريات المجهرية غير المطلية إلى منع انتقال الحرارة الإشعاعية بشكل فعال. هذا النوع الجديد من حاويات العزل الحراري، بخصائصه العازلة الاستثنائية، يفوق الحاويات المعزولة عالية التفريغ القياسية ويعتبر خزانًا مثاليًا لتخزين الهيدروجين السائل. اعتمدت ناسا على نطاق واسع هذا النوع الجديد من حاويات تخزين الهيدروجين.

3. تخزين هيدريدات المعادن

   هناك تفاعل عكسي بين هيدريدات الهيدروجين والمعادن. عندما يتم تطبيق الحرارة على هيدريد المعدن من الخارج، فإنه يتحلل إلى معدن مهدرج ويطلق غاز الهيدروجين. وعلى العكس من ذلك، عندما يشكل الهيدروجين والمعدن معًا هيدريد، يتم تخزين الهيدروجين في صورة صلبة داخله. هيدريدات المعادن المستخدمة لتخزين الهيدروجين هي في الغالب سبائك تتكون من عناصر متعددة. تم إجراء أبحاث حول العديد من سبائك تخزين الهيدروجين الناجحة في جميع أنحاء العالم، والتي يمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى أربع فئات: أولاً، سبائك اللانثانوم والنيكل الأرضية النادرة، والتي يمكنها تخزين 153 لترًا من الهيدروجين لكل كيلوغرام من سبائك اللانثانوم والنيكل؛ ثانيًا، سلسلة الحديد والتيتانيوم، والتي تعد حاليًا مادة تخزين الهيدروجين الأكثر استخدامًا، مع سعة تخزين كبيرة أربعة أضعاف السابقة، ومنخفضة التكلفة، وتفاعلية عالية، والقدرة على إطلاق الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة والضغط، مما يوفر راحة كبيرة في الاستخدام ثالثًا، سلسلة المغنيسيوم، والتي تتمتع بأعلى قدرة على امتصاص الهيدروجين بين العناصر المعدنية، ولكنها تحتاج إلى 287 درجة مئوية لإطلاق الهيدروجين وتمتص الهيدروجين ببطء شديد، مما يحد من استخدامه العملي؛ رابعًا، السلسلة متعددة العناصر مثل الفاناديوم والنيوبيوم والزركونيوم، وهي معادن ثمينة بحد ذاتها وبالتالي فهي مناسبة فقط لمناسبات خاصة معينة. تتمثل المشكلات الرئيسية في تخزين هيدريد المعدن في انخفاض سعة تخزين الهيدروجين، وارتفاع التكاليف، وارتفاع درجات حرارة إطلاق الهيدروجين. يعد إجراء مزيد من الأبحاث حول الخواص الكيميائية والفيزيائية لهيدريدات المعادن، بما في ذلك منحنيات الضغط ودرجة الحرارة المتوازنة، ومعدلات تحويل التفاعل أثناء التكوين، والاستقرار الكيميائي والميكانيكي، للبحث عن مواد أفضل لتخزين الهيدروجين موضوعًا جديرًا بالملاحظة في تطوير طاقة الهيدروجين واستخدامها. تتوفر أجهزة تخزين هيدريد المعدن في كل من الأشكال الثابتة والمتحركة. يمكن أن تكون بمثابة مصدر لوقود ومواد الهيدروجين، وامتصاص الحرارة المهدرة، وتخزين الطاقة الشمسية، واستخدامها كمضخات أو ضواغط للهيدروجين.