ذخیره‌سازی هیدروژن یک فناوری کلیدی برای پیشرفت فناوری‌های هیدروژن و سلول‌های سوختی در کاربردهایی نظیر تأمین انرژی ثابت و قابل حمل است. هیدروژن بالاترین انرژی را به ازای هر واحد جرم در میان سوخت‌ها دارد، با این حال، چگالی پایین آن در دماهای محیطی منجر به انرژی کم به ازای هر واحد حجم می‌شود. بنابراین، نیاز به توسعه روش‌های پیشرفته ذخیره‌سازی وجود دارد که پتانسیل چگالی انرژی بالاتری را داشته باشند.
نحوه کار ذخیره‌سازی هیدروژن
هیدروژن می‌تواند به صورت فیزیکی به عنوان گاز یا مایع ذخیره شود. ذخیره‌سازی هیدروژن به صورت گاز معمولاً نیاز به مخازن فشار بالا با فشار عملیاتی ۳۵۰ تا ۷۰۰ بار دارد. ذخیره هیدروژن به صورت مایع نیازمند دمایی بسیار پایین است. نقطه جوش هیدروژن در فشار اتمسفر برابر با ۲۵۲.۸- درجه سانتی‌گراد است. هیدروژن همچنین می‌تواند بر روی سطوح مواد جامد (از طریق جذب سطحی یا Adsorption) یا درون مواد جامد (از طریق جذب یا Absorption) ذخیره شود.
اهداف تحقیق و توسعه ذخیره‌سازی هیدروژن
هدف پروژه‌های تحقیق و توسعه مرتبط با ذخیره‌سازی هیدروژن این است که امکان ذخیره‌سازی کافی را برای برآورده کردن اهداف ذخیره‌سازی برای خودروهای سبک، تجهیزات جابجایی مواد و انرژی قابل حمل فراهم کند. وزارت انرژی آمریکا (DOE) اهداف مشخصی را برای ذخیره هیدروژن تعیین کرده است که شامل موارد زیر می‌شود:
– سیستم با ظرفیت ۱.۵ کیلووات ساعت بر کیلوگرم (۴.۵ درصد وزنی هیدروژن)
– سیستم با ظرفیت ۱.۰ کیلووات ساعت بر لیتر (۰.۰۳۰ کیلوگرم هیدروژن بر لیتر)
– هزینه ۱۰ دلار بر کیلووات ساعت (۳۳۳ دلار بر کیلوگرم ظرفیت ذخیره‌سازی)
پروژه‌های تحقیق و توسعه در زمینه ذخیره هیدروژن نه تنها به پیشرفت فناوری‌های جدید کمک می‌کند، بلکه می‌تواند تأثیرات مثبتی بر محیط زیست، امنیت انرژی و اقتصاد داشته باشد. با ارتقاء فناوری‌های ذخیره‌سازی، امکان استفاده از هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پایدار و پاک فراهم می‌شود که می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کند.
چالش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن
ذخیره‌سازی هیدروژن با چگالی بالا یک چالش مهم برای کاربردهای ثابت و قابل حمل است. گزینه‌های ذخیره‌سازی موجود معمولاً نیاز به سیستم‌های بزرگ و حجیم دارند که هیدروژن را به صورت گازی ذخیره می‌کنند. این مسئله برای کاربردهای ثابت کمتر مشکل‌ساز است، جایی که فضای مخازن گاز فشرده ممکن است کمتر بحرانی باشد.
با این حال، خودروهای پیل سوختی نیاز به مقدار کافی هیدروژن دارند تا برد مسافتی بیش از 450 کیلومتر را فراهم کنند و همچنین باید بتوانند سریع و آسان سوخت‌گیری کنند. اگرچه برخی از خودروهای الکتریکی پیل سوختی هیدروژنی (FCEVs) که قادر به پیمودن این مسافت هستند، وارد بازار شده‌اند، اما این خودروها به ذخیره‌سازی گاز فشرده در مخازن بزرگ و با فشار بالا وابسته‌اند. حجم بالای مورد نیاز برای ذخیره‌سازی ممکن است برای خودروهای بزرگ‌تر کمتر مشکل‌آفرین باشد، اما فراهم کردن ذخیره‌سازی کافی هیدروژن در تمام پلتفرم‌های سبک همچنان یک چالش باقی مانده است. اهمیت هدف مسافت 450 کیلومتر را می‌توان با نگاهی به نمودار توزیع فروش خودرو بر اساس مسافت مشاهده کرد که نشان می‌دهد اکثر خودروهای امروزی با هر بار سوخت‌گیری به راحتی این مسافت را طی می‌کنند.
مقایسه چگالی انرژی هیدروژن و بنزین برای تامین انرژی حمل و نقل زمینی و هوایی
از نظر وزن، هیدروژن تقریباً سه برابر انرژی بیشتری نسبت به بنزین دارد به‌طوری که انرژی هیدروژن در حدود 120 مگاژول در کیلوگرم و انرژی بنزین 44 مگاژول در کیلوگرم است. اما از نظر حجم، وضعیت برعکس است؛ هیدروژن مایع دارای چگالی 8 مگاژول در لیتر است، در حالی که بنزین چگالی 32 مگاژول در لیتر دارد. این تفاوت در چگالی انرژی، چالش‌های قابل توجهی را برای ذخیره‌سازی و استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت ایجاد می‌کند. برای مثال، ظرفیت‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در خودروها باید بین 5 تا 13 کیلوگرم باشد تا بتوانند دامنه حرکتی مناسب را برای انواع مختلف وسایل نقلیه سبک فراهم کنند.
استراتژی‌های پیشنهادی برای حل چالش‌ها
برای غلبه بر چالش‌های ذکر شده، وزارت انرژی آمریکا (DOE) دو مسیر استراتژیک را دنبال می‌کند که شامل راه‌حل‌های کوتاه‌مدت و بلندمدت است.
مسیر کوتاه‌مدت: ذخیره‌سازی گاز فشرده
مسیر کوتاه‌مدت بر روی ذخیره‌سازی گاز فشرده متمرکز است. این روش از مخازن فشار پیشرفته‌ای استفاده می‌کند که از کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف ساخته شده‌اند و قادر به دستیابی به فشار عملیاتی 700 بار هستند. یکی از اهداف اصلی در این مرحله، کاهش هزینه سیستم‌های ذخیره‌سازی است. این کاهش هزینه می‌تواند به افزایش دسترسی و پذیرش فناوری‌های هیدروژنی در بازار خودروهای سبک کمک کند.
مسیر بلندمدت: ذخیره‌سازی هیدروژن سرد و فناوری‌های جذب
مسیر بلندمدت بر روی دو حوزه اصلی تمرکز دارد. اول، ذخیره‌سازی هیدروژن سرد یا سرد-فشرده که در این روش، با استفاده از مخازن عایق‌بندی شده و فشار بالا، چگالی هیدروژن افزایش می‌یابد. در این روش، هیدروژن در فاز چگال نگهداری می‌شود به گونه‌ای که خواصی نزدیک به مایع دارد اما همچنان شبیه به فاز گاز، تراکم‌پذیر است. مسیر دوم، فناوری‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر مواد جاذب است. این مواد شامل جاذب‌ها، مواد شیمیایی برای ذخیره هیدروژن و هیدریدهای فلزی هستند. این مواد می‌توانند هیدروژن را جذب یا با آن ترکیب شوند و به این ترتیب امکان ذخیره‌سازی با چگالی انرژی بالاتر را فراهم کنند. ویژگی‌های این مواد پتانسیل برآورده کردن اهداف ذخیره‌سازی هیدروژن را دارد.
توسعه راهکارهای مؤثر برای ذخیره هیدروژن، نقش حیاتی در پذیرش گسترده خودروهای سلول سوختی و دیگر کاربردهای انرژی پاک ایفا می‌کند. با پیگیری هر دو مسیر کوتاه‌مدت و بلندمدت، می‌توان زیرساختی ایجاد کرد که چالش‌های موجود را برطرف کند و آینده‌ای پایدارتر را رقم بزند. پیشرفت‌ها در زمینه ذخیره‌سازی هیدروژن نه تنها به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک خواهد کرد، بلکه امنیت انرژی را نیز تقویت کرده و به رشد اقتصادی در اقتصاد نوظهور هیدروژنی کمک خواهد کرد.
