Увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу отрицательно влияет на глобальное потепление в результате сжигания ископаемого топлива.
В июне 2021 года Министерство энергетики США запустило инициативу «Hydrogen Shot», направленную на ускорение прорывов в области более доступных, доступных и надежных решений в области экологически чистой энергии в течение десятилетия. Водород — это экологически чистое топливо, которое потенциально может произвести революцию в цепочке поставок энергии и сократить потребление топлива. Водород, как универсальный энергоноситель и химическое сырье, обладает преимуществами, объединяющими все национальные энергетические ресурсы — возобновляемые, ядерные и ископаемые виды топлива — и позволяет внедрять инновации в области производства и конечного использования энергии, которые могут помочь обезуглерожить три наиболее энергоемких сектора экономики: транспорт, производство электроэнергии и производство. Например, избыточное количество электроэнергии, вырабатываемой из солнечной, ветровой, гидроэнергии, биомассы, может быть использовано для производства водородного топлива путем электролиза воды. Системы на водороде и топливных элементах являются идеальной альтернативой двигателям внутреннего сгорания и котлам. Самым большим преимуществом топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC) перед двигателями внутреннего сгорания в автомобильных транспортных средствах является тот факт, что PEMFC не производят выбросов при использовании водорода в качестве топлива и воздуха в качестве окислителя. Дорожная карта инициативы «Водородный выстрел» направлена на снижение стоимости водорода до 1 доллара за 1 кг за 1 десятилетие («1 1 1»). Ключевыми техническими проблемами для водорода и связанных с ним технологий являются стоимость, долговечность, надежность и производительность, а также отсутствие водородной инфраструктуры. Полномасштабная водородная экономика требует объемной системы хранения энергии для хранения избыточной энергии в качестве буфера и постоянного удовлетворения спроса. Однако хранить водород особенно сложно из-за его высокой диффузионной способности во многих материалах, высокой стоимости и низкой эффективности хранения. Крупномасштабное геологическое хранилище в соляных кавернах, соляных водоносных горизонтах, истощенных резервуарах природного газа или нефти, истощенных резервуарах метана угольных пластов (CBM) и искусственных резервуарах твердых пород открывает возможности для долговременного хранения энергии. Сейчас реализовано несколько вариантов подземного хранения водорода по всему миру, включая соляной купол в Клеменсе (Соединенные Штаты (США)), проекты по хранению соляных каверн в Тиссайде (Великобритания) и Киле (Германия), водоносные горизонты в Бейне (Франция) и в Лободице ( Чешская Республика); и истощенный газовый резервуар в Диадеме (Аргентина).
Выбор подходящего пласта-кандидата для подземного хранения водорода является сложной задачей из-за влияющих факторов, включая состояние покрывающей породы, неоднородность проницаемости, многофазный процесс во время закачки/добычи, взаимодействие жидкости и породы, вызванное буферной смесью газа и рассола, а также геологические неопределенности и т. д. Геологическое хранилище может изменить правила игры для хранения водорода из-за его большой емкости. Водород представляет собой сверхмалую молекулу (∼0,12 нм), которая потенциально может все быстрее и быстрее проникать в геологическую формацию(что будет способствовать потерям газа). Поэтому перед любой инженерной имплантацией хранилища водорода в полевых условиях необходимо количественно определить взаимодействие водорода с вмещающей геологической средой, чтобы получить исходные значения для инженерного проектирования.
Стремление разработать водород как источник чистой энергии, который мог бы обуздать нашу зависимость от ископаемого топлива, может привести к неожиданному результату — углю.
Группа ученых из штата Пенсильвания обнаружила, что уголь может представлять собой потенциальный способ хранения газообразного водорода, так же как батареи хранят энергию для будущего использования, устраняя серьезное препятствие в развитии цепочки поставок экологически чистой энергии.
«Мы обнаружили, что уголь может быть этой геологической водородной батареей. Вы можете вводить и хранить водород в него и хранить его там, и соответственно извлекать его когда вам нужно будет его использовать». сказал Шимин Лю, доцент кафедры энергетики и добычи полезных ископаемых в Университете штата Пенсильвания.
Из всех геологических образований угольные шахты наиболее интересны в основном из-за эффекта связывания угольными стенками под землей водорода по сорбционному механизму.
В результате тестов ученых были опробованы несколько потенциальных площадок для хранения газа. Далее было установлено, что, как правило, для эффективного хранения водорода в угольных формациях требуется четкое понимание нескольких важных параметров резервуара, определяющих удерживающую способность и транспортное поведение формаций, включая адсорбцию/десорбцию, диффузию и проницаемость. Широко исследовано, что сорбция и диффузия газа зависят от сорта угля, температуры, распределения пор по размерам, доступности пор, а также от давления газа и т. д. Иглауэр и др. впервые предоставил фундаментальные данные о хранении водорода в полубитуминозном угле. Они экспериментально измерили способность адсорбировать водород, которая могла достигать 0,6 моль H2/кг угля при 14,3 МПа. Они также обнаружили, что адсорбционная способность сначала сильно увеличивалась с давлением (до ~4 МПа), а затем стабилизировалась, в то время как температура имела очень незначительное влияние. Были проведены дальнейшие измерения адсорбции водорода на трех углях различных марок: полубитуминозных, битуминозных и антрацитовых при повышенных температурах.
Результаты показали, что избыточная адсорбционная емкость увеличивается с ростом давления газа, но снижается с повышением температуры. Сорбционная способность угля по водороду количественно определяет его потенциал стать кандидатом на хранение в скважинах из геологических формаций. Кроме того, диффузионная способность/проницаемость газа в угольных пластах контролируют эффективность и экономичность разработки месторождений. Хорошо известно, что закачка газов сорбирующего типа (СН4, СО2 и др.) в угли может приводить к значительным вспучиваниям с резким нарушением проницаемости, при этом интересно, что никаких изменений проницаемости углей не происходит. наблюдалось с закачиваемым газом H2. Ученые заметили, что давление водорода увеличивало контактные углы рассола при 25 °C, но не оказывало влияния при 50 или 70 °C.
Кроме того, хорошо известно, что природный уголь имеет сильную связь с CH4, и было доказано, что сорбционная способность угля зависит от качества угля, типа газа, давления газа, содержания влаги, минералогического состава, доступности пор, площади поверхности пор. , объем пор, форма пор, поверхностные функциональные группы и др. Однако поведение потока водорода, включающее сорбцию и диффузию в микропористую матрицу угля, на данном этапе остается совершенно неизвестным, и в основном требуются усилия для количественной оценки этих механизмов и последующего создания систематической методологии для интеграции этих потоков в общее моделирование потока и предоставления надежная оценка запасов водорода.
Водород является экологически чистым топливом и перспективен для использования в наиболее энергоемких секторах нашей экономики — транспорте, производстве электроэнергии и производстве. Но предстоит еще много работы, чтобы построить водородную инфраструктуру и сделать ее доступным и надежным источником энергии, говорят ученые. Это включает в себя разработку способа хранения водорода, который в настоящее время является дорогим и неэффективным. По словам ученых, геологические образования представляют собой интригующий вариант, потому что они могут хранить большое количество водорода для удовлетворения пиков и впадин потребления энергии, поскольку спрос на энергию меняется ежедневно или сезонно.
«Уголь хорошо изучен, и мы занимаемся промышленным производством газа из угля уже почти полвека. Мы этот процесс полностью понимаем. У нас есть соответствующая инфраструктура, и я думаю что уголь был бы логичным местом для геологического хранения водорода" — сказал Лю.
Чтобы проверить это, ученые проанализировали восемь типов углей с угольных месторождений в Соединенных Штатах, чтобы лучше понять их сорбционный и диффузионный потенциал а так же то, сколько водорода они могут удерживать. Все восемь углей продемонстрировали значительные сорбционные свойства, при этом малолетучий битуминозный уголь из восточной Вирджинии и антрацит из восточной Пенсильвании показали лучшие результаты в испытаниях, сообщили ученые в журнале Applied Energy.
«Я думаю, вполне возможно, что уголь может быть самым лучшим выбором для геологического хранения с научной точки зрения», — сказал Лю. «Мы считаем, что уголь превосходит другие пласты, потому что он может содержать больше, имеет существующую инфраструктуру и широко доступен по всей стране и вблизи населенных пунктов».
Истощенные резервуары метана угольных пластов могут быть лучшими кандидатами. Эти пласты содержат нетрадиционный природный газ, такой как метан, и за последние несколько десятилетий стали важным источником энергии из ископаемого топлива. Метан прилипает к поверхности угля в процессе, называемом адсорбцией. Точно так же введение водорода в уголь приведет к тому, что этот газ будет поглощаться и прилипать к углю. По словам ученых, эти образования часто имеют слой сланца или аргиллита наверху, который действует как уплотнение, удерживающее метан или, в данном случае, водород, запечатанный до тех пор, пока он не понадобится, и может быть откачан обратно.
«Многие люди определяют уголь как камень, но на самом деле это полимер. Он имеет высокое содержание углерода и множество мелких пор, которые могут хранить гораздо больше газа. Таким образом, уголь похож на губку, которая может удерживать гораздо больше молекул водорода по сравнению с другими неуглеродными материалами» — сказал Лю.
Ученые разработали специальное оборудование для проведения экспериментов. Уголь имеет более слабое сродство с водородом по сравнению с другими сорбирующими газами, такими как метан и углекислый газ, поэтому традиционное оборудование для определения сорбции под давлением не сработало бы.
«Мы сделали очень новый и очень сложный техпроцесс. Потребовались годы, чтобы понять, как это сделать правильно. Мы должны были должным образом разработать систему экспериментов методом проб и ошибок, основываясь на нашем предыдущем опыте работы с углями и сланцами» — сказал Лю.
Основываясь на своих результатах, ученые определили, что антрацитовые и полуантрацитовые угли являются хорошими кандидатами для хранения водорода в истощенных угольных пластах, а низколетучие битуминозные угли - лучшими кандидатами для газоносных угольных пластов.
Развитие водородных хранилищ в угольных шахтах может открыть новые экономические возможности для этих регионов, а также поможет создать водородную инфраструктуру страны.
«Во время энергетического перехода больше всего экономически пострадали угольные сообщества. Это, безусловно, возможность перепрофилировать угольный регион. У них уже есть опыт в энергетике и необходимые навыки для этой работы. Если мы сможем построить инфраструктуру и изменить их экономические возможности — я думаю, это то, что мы должны рассмотреть как шанс на возрождение отрасли». — сказал Лю.
По словам ученых, дальнейшая работа будет сосредоточена на динамической диффузии и динамической проницаемости угля, характеристиках, которые определяют, насколько быстро водород может быть закачан и откачан обратно.
«Я думаю, что штат Пенсильвания — подходящее место для проведения всех этих исследований — у нас есть запасы угля, у нас есть природный газ, у нас есть как инженерные, так и экономические знания в университете. Это логичное место, чтобы сделать это» — сказал Лю.
Также со стороны штата Пенсильвания внес свой вклад Анг Лю, инструктор Департамента энергетики и разработки месторождений семьи Джона и Уилли Леоне.
P.S. - История грязного водорода может приобрести неожиданный поворот.. однако еще более неожиданной может оказаться ситуация, если там же будет обнаружено месторождение ископаемого водорода.
Источник новости: habr.com
