Main menu

Pages

 



3-1 المقدمة

بما أن الهيدروجين من أخف العناصر و له وزن جزيئي صغير جدا فإن تسربه من الخزانات والأنابيب يعتبر أسهل بكثير من تسرب الوقود التقليدي، و على أية حال سواء كان استخدام هذا الهيدروجين كوقود للنقل أو لتوليد الطاقة فإنه من الضروري وجود طرق فعالة و قليلة التكلفة التخزينه، إذ نعتبر أن تخزين الهيدروجين هو وصف للطرق التي يمكن من خلالها تخزين غاز الهيدروجين من أجل استعمالات متعددة. هذه الطرق تعتمد على عدة أساليب، منها تطبيق ضغط مرتفع، أو بواسطة التبريد الشديد أو بواسطة مركبات كيميائية . ويعد تخزين الهيدروجين أحد الأهداف الحالية لاقتصاد الهيدروجين. أغلب الأبحاث حول تخزين الهيدروجين تهدف إلى تخزين الهيدروجين على شكل مادة حاملة للطاقة خفيفة الوزن من أجل التطبيقات المختلفة. يمكن أن نقسم طرق تخزين الهيدروجين كتالي:


3-2 تخزين الهيدروجين على شكل غاز

تعتبر طريقة تخزين 2H على شكل غاز من أحد أكثر التكنولوجيات البسيطة و أكثرها شيوعا و تتم هذه العملية داخل صهاريج أو حاويات و اسطوانات غاز، فقد تم تطوير الصهاريج المركبة الخفيفة الوزن لتحمل الضغوط التي تصل إلى حوالي 850 بار وقد تم تحقيق أقصى ضغط لتعبئة الحاويات حوالي 1094 بار، حيث أن هناك طرق أخرى لتخزين الهيدروجين كغاز مثالغاز مبرد، حيث يتم تبرد الهيدروجين الغازي في درجات الحرارة المنخفضة مما يحسن من كثافة الطاقة في الغاز. [1]


3-3 تخزين الهيدروجين على شكل السائل

الطريقة الثانية الأكثر استخداما للتخزين بعد الغاز المضغوط هو تخزين الهيدروجين كسائل كما يمكن تخزين الهيدروجين على شكل سائل مبرد و ذالك في درجة حرارة أقل من الصفر (° 253C) أو يتم تخزينه كمكون في السوائل أخرى مثل محاليل , NaBH أو السوائل العضوية القابلة للشحن أو الأمونيا اللامائية، و يستخدم الهيدروجين السائل في بعض المركبات التجارية، حيث يحتوي الهيدروجين السائل على كثافة تقدر ب70.8kg/m3 و عند ضغط 13bar و عند وصوله لدرجة حرارة (°2 40C-) يبدأ بتغير طوره من الغاز إلى سائل و هي تسمى بالنقطة الحرجة و له كثافة الجاذبية تقارب 100% مثل الهيدروجين الغاز. [2]


3-4 تخزين الهيدروجين على شكل صلب

يقوم الكيميائيون حاليا بالتحري عن خيار بديل لتخزين الهيدروجين لمركبات تعمل بخلايا الوقود فكانت بحوثهم قائمة في الأساس عن تركيب مادة تحتوي على كمية كبيرة من الهيدروجين و هي أحد أكثر أشكال التخزين الواعدة في المستقبل على الرغم من أنه لا يزال في مرحلة البحث و التطوير، فمن حيث المبدأ هناك طريقتان لتخزين الهيدروجين في مادة صلبة و التي تختلف في طريقة ارتباط الهيدروجين بالصلب فكان التخزين الحالة وفقا لآليتين هما ( الامتصاص الكيميائي "chemisorption " _ الامتصاص الفيزيائي physorption):


3-4-1 الامتصاص الكيميائي

و تعتمد في هذه الطريقة على تكوين رابطة كيميائية بين الصلب و ذرة 2H و يتضمن في هذه التقنية كسر رابطة H _H و ينتج عنه H جديد بحيث يشكل رابطة قوية مع المادة الصلبة و ذالك بإجراء التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى امتصاص الهدروجين كما هو الحال في الهيدريدات المعدنية. المواد التي يكون فيها الهيدروجين كيميائيا لها كثافة عالية مقارنة بالمواد التي يتم امتصاص الهيدروجين بها، يستلزم الإزالة الكيميائية تفكك الهيدروجين الجزيئي بحيث يتم تخزين الهيدروجين كذرات الهيدروجين . لتسهيل هذا التفكك، يمكن إضافة معادن انتقالية إلى المادة – فإن إلكترونات المعدن الانتقالي تفكك رابطة H_H.

3-4-1-1 الهيدريدات

يمتلك 2H القدرة على تكوين مركبات مع عناصر أخرىعند تفاعله مع الفلزات مثل هیدرید الصوديوم NaH و هيدريد الكالسيوم , CaH2 و التي يتخذ فيها الهيدروجين عدد أكسدة سالب، أي أنه يتفاعل باكتساب إلكترون واحد مع العناصر التي لها أقل كهروساليبة.

هيدريدات المعادن : تتفاعل المعادن، والمركبات البينية المعدنية والسبائك بشكل عام مع الهيدروجين وتشكل مركبات هيدروجين-فلزية صلبة (,MH)، و توجد هيدريدات أيونية هيدريدات تساهمية هيدريدات فلزية - حيث يتفاعل الهيدروجين في درجات حرارة مرتفعة مع العديد من المعادن الانتقالية وسبائك التشكيل هيدريد. إن أحد أهم جوانب تخزين هيدريد معدني على مستوى المركب هو القدرة على امتصاص الهيدروجين بسرعة، حيث تعتبر هذه المواد في الحالة الصلبة أفضل من ناحية الكفاءة و كثافة الطاقة العالية وهي قادرة على امتصاص وإزالة الهيدروجين مع اختلافات الضغط الصغيرة، و إن استخدام الهيدريد يعتبر تقنية واعدة لتخزين الهيدروجين و هناك طرق جديدة وهي استخدام المواد ذات البنية النانوية مثل الأنابيب النانوية الكربونية و النيتريدات و البورون، والتي يعرف أنها تمتلك خاصية تخزين الغازات داخل هيكلها.[3] عندما يتفاعل الهيدروجين مع سبيكة معدنية فإنه ينتج عنه طرد للحرارة، و بالتالي يتم تخزين الهيدروجين في هذه الجزيئات المعدنية، كما أنه يجب توفير تكنولوجيا المناسبة لإمداد و إزالة الحرارة، و من أجل امتصاص الهيدروجين يجب توفير الحرارة حيث تعتمد هذه الحرارة اللازمة الامتصاص على الانتالبي لتشكيل هيدريد معدني، كما أنه عند الإفراج على الهيدروجين يتطلب أيضا حرارة، و يمكن أن يكون الهيدروجين مرتبط كيميائية إما بالهيدريدات المعدنية أو السائلة، حيث يستخدم هيدريد المعادن مركبات مثل مركب (FeTi) لتخزين الهيدروجين عن طريق ربطها بسطح المادة، حيث تعمل سبيكة الحديد التيتانيوم كإسفنجة لامتصاص الهيدروجين، وبالتالي يصبح هیدرید فلز (FeTiH) و منه تعتبر هذه الطريقة الأسلم لتخزين الهيدروجين في "هيدريد المعدن"، و يعتبر الهيدريد منخفض درجة الحرارة مثل ,FeTiH و ,LaNi ,H،و لكن عند ارتفاع درجة حرارة عالية في الهيدريد يتم عنه تحرير الهيدروجين .[4]

هیدرید معتمد على المغنيسيوم ((Mg : يعتبر المغنيسيوم (Mg) واحد من أكثر المرشحين لتخزين الهيدروجين حيث يمتلك (MgH) سعة تخزين عالية من ,H تقدر ب7.7% لكل وحدة كتلة ، إضافة إلى أن له أعلى كثافة الطاقة من جميع هيدريد قابله للعكس تقدر حوالي (MJ / kg9)، و وفرته كبيرة و تكلفته منخفضة و يتطلب تحليله مرة واحدة، و له قوة الترابط عالية حوالي (75KJ/mol) و هذا مما يؤدي إلى ارتفاع في درجة الحرارة التحلل، و على الرغم من كل هذه الخصائص فإنه يتم تطوير هذه الهيدريدات القائمة على المغنيسيوم (Mg) من أجل الاحتفاظ على قدرة الهيدروجين العالية و ذالك بمزج (2MgH) مع أنواع أخرى من الهيدريدات المعادن الخفيفة.

: MgiXHy إن المركبات القائمة على (Mg) مع مجموعة ( ,XH) تعتبر أيضا مثيرة للاهتمام لتطبيقات تخزين الهيدروجين مثل Mg,Ni و MgCO و Mg ,Fe ، و منه يتفاعل Mg,Ni مع الهيدروجين و يتحول إلى مرحلة الهيدريد المعقد , Mg,NiH ، و تقدر درجة الحرارة لإزالة الهيدروجين حوالي (250 – 300) درجة مؤوية و في الضغط bar 2.5، و هي أفضل من المغنيسيوم ( Mg) النقي، و منه أن البنية المجهرية تلعب دورا مهيمنا على الخصائص الهدرجة لهذا النوع من هيدريد المعدن. [5]

هيدريدات معقدة : أصبح مصطلح هيدريد معقد مصطلحا شاملا حيث يشمل كل من التحليلات و النيتريدات و البروهیدرادیت و التي يجري نظر فيها حاليا لتخزين الهيدروجين. [6] |


3-4-1-2 الألينات

تعتبر ألينات الصوديوم (NaAlH) من المواد الأولية المركز عليها في تخزين الهيدروجين، و منه أثناء عملية إزالة الهيدروجين تتحلل هذه المرحلة إلى مرحلة متوسطة لينتج (Na,AlH) مع إنتاج للهيدروجين. ويحدث التفاعل الأول في درجة حرارة تقدر حوالي (210-220) درجة مئوية، و التفاعل الثاني في درجة حرارة حوالي 250 درجة مئوية مع العلم أنه لا يحدث نزع الهيدروجين من NaH إلا في درجة حرارة حوالي 425 درجة مئوية ولا تعتبر هذه العملية الأخيرة دورا في عملية تخزين الهيدروجين القابل للعكس، إن عدم إرجاع هذا التفاعل، وعدم استقرار الهيدريد وحركة إمتصاص بطيئة تعني أن هذه المادة لم تعتبر مادة تخزين واعدة بشكل خاص و لكن عند إضافة محفز مناسب يصبح عملية الهدرجة قابلة للعكس مما يؤدي إلى تخزين الهيدروجين، و لتحسين حركية قابلية الرجوع و حركة الهدرجة يتم إستخدام التيتانيوم (Ti) و التي تظهر أفضل حركية في التركيب مع أعلى سعة تخزين الهيدروجين، ومنه يتم إمتصاص الهيدروجين بسهولة عند درجات حرارة حوالي 120 درجة مئوية ، ويمكن إعادة هدرجته عند درجة مئوية و في ضغط 170، وعلي الرغم من أن دور محفز (Ti) لم يفهم بالكامل بعد، و منه فان المادة قد استخدمت بالفعل في وحدات تخزين الهيدروجين ولذلك أثبتت إلى حد ما أن الهيدريد المعقد يمكن تطبيقه عمليا على تطبيقات التخزين الهيدروجين. [7]


3-4-1-3 النيتريدات

يعتبر استخدام الليثيوم والبريليوم في المركبات أمرا جيدا و ذالك بسبب انخفاض وزنها الذري ، حيث يعتبر تخزين الهيدروجين فيLiN - Li,NH – LiNH خيارا جذابا ويذكر أن إضافة العامل المساعد ,TiCl له تأثيران مهمان هما تثبيط تكوين ,NH وتحسين حركية الهدرجة، و أيضا LiH يحد من تكوين ,NH أثناء نزع الهيدروجين، عندما نقوم بخليط من LiH و,LiNH مع محفز ,TiCl فإنه يمكن إطلاق 6% من كتلة الهيدروجين عن طريق التفاعل ثاني وذالك في درجة الحرارة تتراوح مابين 150 إلى 250 ، و مع ذالك يكون امتصاص الهيدروجين في ضغط متوازي 0.1MPa و في درجة حرارة تقدر ° 250 [8].


3-4-1-5 بروهیدرادیت

وتحتوي البروهیدرات على أكبر قدر من سعة تخزين الهيدروجين من أي هيدريد معقد، و يحتوي LiBH4 على 18.5% من كتلة الهيدروجين، ومع ذلك، فان درجه حرارة التحلل مرتفعه جدا تكون فوق 727 درجة مئوية، ومع ذلك، فإن تفاعل إزالة الهيدروجين من LiBH هو عملية عكسية، وعلي الرغم من إعادة الهيدروجين تتطلب ضغوط عاليا MPa 35 ودرجات حرارة عالية تبلغ 600 درجة مئوية، و بالنسبة لمعظم الهيدريدات المعقدة فإن آلية الهدرجة في LiH و B ليست مفهومة بعد ولكن يعتقد أنها ناتجة إما عن التفاعل ل LiHمع B لتشكيل مركب يحتوي على الهيدروجين، أو من تفاعل B و H التشكيل البوران (BH)، والذي يتفاعل تلقائية مع LiH لإعطاء بوروهیدرید کامل.[9] [10]


3-4-1-6 المركبات متعددة المعادن

يمكن لهذه المركبات أن تستخدم في تخزين الهيدروجين القابل للعكس، و كانت من أحد التطبيقات الأولية الموجهة للتخزين الهيدروجين و لكن هذه المركبات المعدنية لها قدرة منخفضة نوعا ما في تخزين الهيدروجين، و يكون الشكل العام لهذه المركبات ,ABnH وعادة ما تتكون هذه المركبات المضيفة من معدنيين A و B ، حيث تميل هذه المركبات إلى تشكل ,AH و BH و إضافة إلى أنها تتشكل بين عنصر يشكل مرحلة هيدريد مستقر و عنصر يشكل مرحلة هيدريد غير مستقر حيث يكون الهيدروجين في المواقع المتداخلة (البينية)، و تتميز هذه المركبات بقدرتها المحدودة على ضبط الامتصاص و ذالك عن طريق مزج بين المعادن كما يمكن أيضا تغيير المركبين A و B وفقا للمتطلبات. و منه تعتبر هذه التطبيقات مثيرة للاهتمام و خاصة للتطبيقات الثابتة.[11]

 

 

3-4-2 الامتصاص الفيزيائي

تمتز جزيئات 2H على سطح المادة الصلبة عن طريق التجاذب الفيزيائي وحده إذ لا يتم تشكيل روابط جديدة بسبب وجود قوى فاندرفالس قوة التي تؤدي إلى امتصاص الهيدروجين مثل المواد الكربونية المسامية ، حيث لها روابط ضعيفة و الطاقة المطلوبة منخفضة نسبيا لإطلاق الهيدروجين المخزن. وتعتمد المواد التي تتم امتصاص الهيدروجين عليها على مساحة سطحها لتخزين الهيدروجين وتميل إلى امتلاك قدرات حجميه منخفضة. [12]



3-4-2-1 المواد الكربونية و الأنابيب النانوية

قد لفت الانتباه لتخزين الهيدروجين في الكربونات الصغيرة، بما في ذالك الكربون النشط و الأنابيب النانوية الكربونية والألياف النانوية، ومؤخرا، الكربونات المسامية المجهرية و تعتبر هي التقنية المركز عليها و ذالك بسبب انخفاض الكتلة المولية و استقرارها الكيميائي و من الناحية العملية، يتم تسويق الكربونات المسامية بكميات كبيره وهي غير مكلفه نسبيا. [13]



3-4-2-2 الكربون النشط

الكربون المنشط هو شكل من أشكال الكربون يسهل اختراقه ويمكن دمجه مع أساليب التنشيط الكيميائية أو الفيزيائية، و اعتمادا على كل من المواد وطريقة التنشيط والظروف، فإن الكربون الناتج سيكون له بنية مسامية محددة ويمكن أن تكون الكربونات المنشطة أساسا عيانية أو مجهريه أو جزيئات يسهل اختراقها، و لكن في الأخير التركيز الرئيسي هو تخزين الهيدروجين، حيث أن الكربونات المنشطة تميل إلى أن تكون لها مسام على شكل شق كما يمكن أن تتخذ بنية المسام للكربون العديد من الأشكال المختلفة وذالك اعتمادا على طريقة التنشيط المختارة والمواد الخامة المستخدمة .[14] [15]



3-4-2-3 ألياف الكربونالنانوية والفولیرین

وهناك بديل آخر في بنية النانو الكربونية هو تكنولوجيا الكربون النانوية، و هي زرع ألياف الكربون النانوية بواسطة تحلل الهيدروكربونات أو أول أكسيد الكربون على محفز معدني وتتكون هذه الألياف من صفائح غرافيت محاذية في اتجاه معين، حيث تعتبر ألياف النانو الجرافيت مثالية الامتصاص الغاز كما أن قدرتها على امتصاص الهيدروجين تقدر بحوالي 10% لكل وحدة كتلة، وقد تبين أن الكربون الفوليرين C و C يقوم بتخزين الهيدروجين بطريقة عكسية، نظریا، يمكن أن يتم هدرجة الفوليرين م C حتى CH و التي تتوافق مع 7.7% من كتلة الهيدروجين. [16]

3-4-2-4 أنابيب الكربون النانوية

يعتمد تحلل جزيئات الغاز على سطح المادة الصلبة على قوى فان دير فالس، وحيث أن التفاعل ضعيف، فان الامتصاص الفيزيائي العالي يلاحظ عند درجة حرارة منخفضة، وقد أجريت بحوث مكثفة خاصة في الأنابيب النانوية الكربونية، حيث أن الأنابيب الكربونية النانومترية هي هياكل اسطوانية ذات نهايات مفتوحة أو نهايات مغلقه، و يحتوي النطاق المغلق على طرف نصف كروي عند كل طرف، حيث أن هناك نوعان من الأنابيب النانوية الكربونية: _ الأنابيب النانوية متعددة الجدران و الأنابيب النانوية أحادية الجدار و تتكون الأنابيب أحادية الجدار من ورقة الغرافين المنفردة و تكون ملفوفة على شكل أسطوانة و يبلغ قطرها بضعت نانومترات ( m) ، أما بالنسبة الأنابيب الكربونية متعددة الجدار في عبارة عن عدة لفات محورية مشتركة من صفائح الغرافين حيث أن بين كل طبقة و طبقة أخرى حوالي (mm)0.35، و تحتاج هذه الأنابيب لنموها إلى وجود محفز مثل CO و Ni ، و عندما يتم تحضير أنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار فإنها تخرج على شكل نصف کریه، و من خلال التصوير المباشر فيHRTEM و في أطياف ریمان، تعتبر هذه الأداتين الأكثر استخداما لوصف المجهريات الدقيقة للأنابيب النانوية الكربونية حيث يمتاز أحادي الجدار بتنظيم الذاتي عند تشكل الأنبوب النانوية و هو أكثر كثافة و بذالك يتم تشكيل العديد من الأنابيب أحادية الجدار و التي تكون متشابكة في ما بينها كما هو موضح في الشكل التالي : [17] [18]



3-4-2-5 النانوية العضوية والغير العضوية

إن الأنابيب النانوية الكربونية قد حظيت بقدر كبير من الاهتمام كمواد تخزين محتملة، ويوجد العديد من المواد النانوية الأخرى منها العضوية وغير العضوية فهي موجودة أيضا حيث قام العالمين Rao و Nath بتقديم لمحة عامة عن الأنابيب النانوية غير العضوية و مكوناتها وقد تم التحقيق في العديد من هذه العوامل ولا سيما تلك المكونة من عناصر الخفيفة، بالنسبة لخواص الخاصة بتخزين الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة مواد أخرى تجريبيا أو نظريا الخصائص تخزين الهيدروجين.[19]



المصادر:

  1. Benjamin DESSUS (Global Chance) - Petit mémento des énergies renouvelables : Éléments pour un débat sur les énergies renouvelables en France - Septembre 2007.
  2. T. Riis, E. F. Hagen, P. J. Vie and Ø. Ulleberg, "Hydrogen Production & Storage - R&D Priorities and Gaps," International Energy Agency, 2006.
  3. S. Franzky, "High-pressure 825 bar hydrogen storage," Fuel Cells Bulletin, vol. 2002, no. 9, pp. 9-10, 2002
  4. E. Tzimas, C. Filiou, S. d. Peteves and J.-b. Veyret, "Hydrogen Storage: State-Of the Art and Future Perspective," European Commission, Joint Research Centre, 2003.
  5. Hydrogen CARS NOW," [Online]. Available: http://www.hydrogencarsnow.com/index.php/hydrogen-fuel-tanks/. [Accessed 4th April 2017.
  6. L. Schlapbach, A. Züttel: “Hydrogen-storage materials for mobile applications”, Nature, 414 (15 Nov. 2001
  7. E. Tzimas, C. Filiou, S. d. Peteves and J.-b. Veyret, "Hydrogen Storage: State-Of The-Art and Future Perspective," European Commission, Joint Research Centre, 2003.
  8. B. Sakintuna, F. L. Darkrim and M. Hirscher, "Metal hydride materials for solid hydrogen storage: A review," International Journal of Hydrogen Energy, no. 32, pp. 1121-1140, 2007
  9. Dinger, G.P. 1988. Hydrogen: The ultimate fuel and energy carrier. J Chem Educ 65:688–691.
  10. Dinger, G.P. 1988. Hydrogen: The ultimate fuel and energy carrier. J Chem Educ 65:688–691.
  11. Source: Autrey et al, DOE EERE Program Review, 20045.
  12. Bogdanovic' B, Schwickardi M (1997) Ti-doped alkali metal aluminium hydrides as Potential novel reversible hydrogen storage materials. J Alloy Compd 253–254:1–9.
  13. Bogdanovic, B.; Reiser, A.; Schlichte, K.; Spliethoff, B. & Tesche, B. (2002) Thermodynamics and dynamics of the Mg-Fe-H system and its potential for thermochemical thermal Energy storage, J Alloys Compds 345, pp. 77-89.
  14. Jensen C, Yang Y, Chou MY (2008) Alanates as hydrogen storage materials. In: Walker G (ed) Solid-state hydrogen storage: materials and chemistry. Woodhead Publishing, Cambridge.
  15. Lohstroh W, Fichtner M, Breitung W (2009) Complex hydrides as solid storage materials: First safety tests. Int J Hydrogen Energy 34:5981–5985. Orimo S, Nakamori Y, Eliseo JR, Züttel A, Jensen CM (2007) Complex hydrides for Hydrogen storage. Chem Rev 107:4111-4132.
  16. Orimo S, Nakamori Y, Eliseo JR, Züttel A, Jensen CM (2007) Complex hydrides for hydrogen storage. Chem Rev 107:4111-4132.
  17. entsch S, Fischer P, Wenger P, Sudan Mauron P, Emmenegger C (2003) Hydrogen storage properties of LiBH4. J Alloy Compd 356–357:515–520. dra, J. J. Reilly and R. Chellapa, "Metal Hydrides for Vehicular Applications The State of the Art," Journal of Materials, no. February, pp. 26-32, 2006.
  18. M. V. Lototskyy, V. A. Yartys, B. G. Pollet and R. C. Bowman Jr., "Metal hydride hydrogen compressors: A review," International Journal of Hydrogen Energy, no. 39, pp. 5818-5851, 2014.
  19. Yürüm Y, Taralp A, Veziroglu TN (2009) Storage of hydrogen in nanostructured carbon Materials. Int J Hydrogen Energy 34:3784–3798.


 


Comments

contents title