Кіріспе
Сутегін кейін пайдалану үшін сақтау әдістері Сутегін сақтау үшін бірнеше әдістер бар. Бұған жоғары қысым мен төмен температураны пайдалану немесе талап бойынша H2 шығаратын химиялық қосылыстарды қолдану сияқты механикалық тәсілдер жатады. Сутегін әртүрлі өндірістерде көптеп өндірсе, көбінесе өндіріс орнында, әсіресе аммиак синтезі үшін жұмсалады. Көптеген жылдар бойы сутек қысылған газ немесе криогенді сұйықтық ретінде сақталып, цилиндрлерде, құбырларда және криогендік резервуарларда өнеркәсіпте немесе ғарыш бағдарламаларында қозғалтқыш ретінде пайдаланылады. Ең басты қиындық - Н2 өте төмен қайнау нүктесі: ол 20.268 К (−252.882 °C немесе −423.188 °F) шамасында қайнайды. Мұндай төмен температураға жету үшін көп энергия жұмсалады. Молекулалық сутегінің массалық жағынан энергия тығыздығы өте жоғары болса да, ішінара оның молекулалық салмағы төмен болғандықтан, қоршаған орта жағдайында газ ретінде оның энергия тығыздығы өте төмен. Егер көліктің ішінде сақталған таза сутекті отын ретінде пайдалану үшін, ол жеткілікті қашықтықты қамтамасыз ету үшін энергия тығыздығында сақталуы тиіс. Сутек ең кішкентай молекула болғандықтан, ол ыдыстардан оңай қашып шығады. Егер газдың ағып кетуін, тасымалдау мен өндіру шығындарын ескерсек, сутегінің жаһандық жылыну потенциалы (GWP100) 11,6 болуы мүмкін. Салыстырмалы түрде айтсақ, метанның ГПН-і 34-ті құрайды.
Several methods exist for storing hydrogen. These include mechanical approaches such as using high pressures and low temperatures, or employing chemical compounds that release H2 upon demand. While large amounts of hydrogen are produced by various industries, it is mostly consumed at the site of production, notably for the synthesis of ammonia. For many years hydrogen has been stored as compressed gas or cryogenic liquid, and transported as such in cylinders, tubes, and cryogenic tanks for use in industry or as propellant in space programs. The overarching challenge is the very low boiling point of H2: it boils around 20.268 K (−252.882 °C or −423.188 °F). Achieving such low temperatures requires expending significant energy. Although molecular hydrogen has very high energy density on a mass basis, partly because of its low molecular weight, as a gas at ambient conditions it has very low energy density by volume. If it is to be used as fuel stored on board a vehicle, pure hydrogen gas must be stored in an energy dense form to provide sufficient driving range. Because hydrogen is the smallest molecule, it easily escapes from containers. Considering leakages, transport and production costs, hydrogen could have a Global Warming Potential (GWP100) of 11.6. Methane, for comparison, has a GWP of 34.
Сығымдалған сутегі
Сығымдалған сутек - бұл сутек газын сақтау тығыздығын арттыру үшін қысыммен ұстайтын сақтау түрі. Қысылған сутегін сутегінен тұратын резервуарларда 350 бар (5000 psi) және 700 бар (10000 psi) температурада IV типті көміртек композиттері технологиясына негізделген көліктердегі сутегінен тұратын резервуарлар жүйелерінде қолданылады. Бұл шешімді Honda және Nissan сияқты автокөлік өндірушілер әзірлеп жатыр.
Сұйытылған сутегі
Суары сутегі резервуарлары, мысалы BMW Hydrogen 7 өндірісі. Жапонияда Кобе портында сұйық сутегін (LH2) сақтау орны бар. Сутек -253 °C температурасын төмендету арқылы сұйытылады, сұйытылған табиғи газ (СЖГ) -162 °C температурада сақталады. Күштіліктің тек 12,79% -ға, немесе 33,3 кВт/сағ/кг-ның 4,26 кВт/сағ/кг-ға ғана жоғалуы мүмкін.
Химиялық сақтау
Химиялық сақтау жоғары сақтау тығыздығына байланысты жоғары сақтау өнімділігін ұсына алады. Мысалы, 30 °C және 500 бар температурадағы суперкритикалық сутегінің тығыздығы 15,0 моль/л ғана, ал метанолдың сутегінің тығыздығы 49,5 моль H2/L, ал 30 °C және 7 бар температурадағы қаныққан диметил эфирі 42,1 моль H2/L диметил эфирі. Сақтау материалдарын қалпына келтіру қиын. Химиялық заттардың көп мөлшерде сақталу жүйелері зерттелді. H2 босату гидролиз реакциялары немесе катализацияланған дегидрогенация реакциялары арқылы индуцирленуі мүмкін. Сақтау қосылыстары: көмірсутектер, борон гидридтері, аммиак, аландар және т.б. Химиялық тәсілдердің ең перспективалысы сутегін электр химиялық сақтау болып табылады, өйткені сутегінің босатылуын электрмен басқаруға болады. Төменде көрсетілген материалдардың көпшілігі электрохимиялық сутегін сақтауға тікелей пайдаланылуы мүмкін. Жоғарыда көрсетілгендей, наноматериалдар сутегін сақтау жүйелеріне артықшылық береді. Наноматериалдар ірі материалдардың екі негізгі кедергісін - сорбция жылдамдығы мен босату температурасын жеңе алатын балама ұсынады. Түсінікті энергияны зерттеу орталығының Оңтүстік Флорида университетінде жүргізілген жұмысында көрсетілгендей, сорбция кинетикасы мен сақтау қабілетін наноматериалға негізделген катализатор допингін қолдану арқылы жақсартуға болады. Бұл зерттеу тобы LiBH4 нікель нанобөлшектерімен допингтелген және әр түрлі түрлердің салмақ жоғалту және босату температурасын талдады. Олар нанокатализатордың көбейген мөлшері босату температурасын шамамен 20 °C төмендетеді және материалдың салмақ жоғалуын 23% -ға арттыратынын байқады. Нионың оптималдық мөлшері 3 моль% деп анықталды, температурасы белгіленген шектерде (шамамен 100 °C) және салмақ жоғалту доптанбаған түрлерге қарағанда айтарлықтай жоғары болды. Сутегін сорбциялау жылдамдығы наношары бойынша жақсарады, себебі ол көп мөлшерде қолданылатын материалдарға қарағанда аз диффузиялық қашықтыққа ие. Олардың бетінің көлемі мен көлеміне қатысты қатынасы да жақсы. Материалдың босату температурасы десорбция процесінің басталатын температурасы ретінде анықталады. Босатуды тудыратын энергия немесе температура кез келген химиялық сақтау стратегиясының құнына әсер етеді. Егер сутек тым әлсіз байланыса, регенерация үшін қажетті қысым жоғары болады, осылайша кез келген энергия үнемдеуі жойылады. Борттағы сутегі отын жүйелері үшін мақсатты температура шамамен <100 °C және қайта зарядтау үшін <700 бар (2060 кДж/моль H2). Модификацияланған ван т Хофф теңдеуі, десорбция процесінде сутегінің температурасы мен ішінара қысымын байланыстырады. Стандарттық теңдеудегі өзгерістер наноөлшедегі өлшем әсеріне байланысты. Мұнда pH2 - сутегінің бөлшектік қысымы, ΔH - сорбция процесінің энтальпиясы (экзотермиялық), ΔS - энтропияның өзгеруі, R - идеалдық газ тұрақтысы, T - Кельвиндегі температура, Vm - металдың молярлық көлемі, r - нанобөлшектің радиусы және γ - бөлшектің беткі еркін энергиясы. Жоғарыда келтірілген қатынастан біз десорбция процестерінің энтальпиясы мен энтропиясының өзгеруі нанобөлшектің радиусына байланысты екенін көреміз. Сонымен қатар, бөлшектің нақты бетінің ауданы ескерілетін жаңа термин енгізілген және бөлшектің радиусының төмендеуі берілген бөлшектік қысым үшін босату температурасының төмендеуіне әкелетінін математикалық түрде дәлелдеуге болады.
СО2 гидрогенатталуы
Қазіргі кездегі CO2 азайту әдісі әлемдегі барлық нысандардан оны жинау мен сақтауды қамтиды. Алайда, сақтау әлемдік масштабта қолдануға кедергі келтіретін техникалық және экономикалық кедергілерді тудырады. CO2 -ті нүктелік көзде пайдалану үшін CO2 -ті сутектеу - бұл нақты және практикалық тәсіл. Әдеттегі сутектілік H2 қосылуы арқылы қанықпаған органикалық қосылыстарды азайтады. CO2 гидрогенаттаудың бір әдісі - метанол жолы арқылы. Метанолды ұзақ тізбекті көмірсутектерді өндіру үшін пайдалануға болады. СО2 гидрогенацияланудың кейбір кедергілері суды бөлуден алынған алынған СО2 мен Н2 көзін тазартуды және гидрогенациялану үшін энергияны енгізуді қамтиды. Осы кедергілерді жою үшін біз көгілдір сутегі технологиясын одан әрі дамытып, өнеркәсіптік және академиялық деңгейдегі катализаторларды зерттеуді ынталандыра аламыз. Өнеркәсіптік мақсаттарда көмірқышқыл газы көбінесе метанолға айналады. Осы уақытқа дейін көміртегіден С1 молекуласына дейін көптеген жетістіктер жасалды. Алайда, CO2 жоғары құнды молекулаларға айналдыру әлі де көптеген кедергілерге тап болады және CO2 гидрогенациясының болашағы каталитикалық технологиялардың жетістігіне байланысты.
Металл гидридтері
MgH2, NaAlH4, LiAlH4, LiH, LaNi5H6, TiFeH2, аммиак бор және палладий гидриді сияқты металл гидридтері сақталған сутегінің көздерін білдіреді. Тағы да проблемалар сақталып отыр, олармен жүретін H2 салмағының % және сақтау процесінің кері айналуы. Кейбірін қоршаған ортаның температурасы мен қысымында сұйықтықпен жағу оңай, ал басқалары қатты заттар болып табылады, оларды гранулдарға айналдыруға болады. Бұл материалдардың энергия тығыздығы жақсы, бірақ олардың меншікті энергиясы көбінесе жетекші көмірсутекті отыннан нашар. LiNH2, LiBH4 және NaBH4. Диссоциация температурасын төмендетудің баламалы әдісі - активтерге допинг енгізу. Бұл стратегия алюминий гидриді үшін қолданылған, бірақ күрделі синтез бұл әдісті тартымды етпейді. Сутекті экономикада қолдануға ұсынылатын гидридтерге магнийдің немесе өтпелі металдардың қарапайым гидридтері мен күрделі металл гидридтері жатады, әдетте натрий, литий немесе кальций және алюминий немесе бор бар. Сақтау үшін таңдалған гидридтер төмен реактивтілікті (жоғары қауіпсіздікті) және жоғары сутегін сақтау тығыздықтарын қамтамасыз етеді. Литий гидриді, натрий борогидриді, литий-алюминий гидриді және аммоний боран негізгі талапкерлер болып табылады. Француздық McPhy Energy компаниясы магний гидриді негізінде алғашқы өнеркәсіптік өнімді әзірлеп жатыр, ол қазірдің өзінде Iwatani және ENEL сияқты кейбір ірі клиенттерге сатылды. Қайта қалпына келтірілетін сутегін сақтауды Льюис жұбының ренжітуі көрсетеді, ол борогидридті шығарады. Сол жақтағы фосфиноборан бір атмосферада және 25 °C температурада сутегінің бір эквивалентін қабылдайды және оны 100 °C температураға дейін қыздыру арқылы қайта шығарады. Сақтау сыйымдылығы 0,25 массалық% құрайды.
Алюминий
Алюминийді сумен реакцияға қосу арқылы сутегін өндіруге болады. Бұрын алюминий сумен реакцияға түсу үшін табиғи оксид қабатын кептіргіш заттар, қорытпалар немесе галлиймен араластыру арқылы (алюминийдің 90% -ы реакцияға түсуге мүмкіндік беретін алюминий нанобөлшектерін өндіретін) алып тастау керек деп саналған. Содан бері реакцияның температурасы мен қысымын арттыру арқылы тиімді реакция мүмкін екені дәлелденді. Сутегін құру реакциясының қосалқы өнімі алюминий оксиді болып табылады, оны HallHéroult процесімен алюминийге қайта өңдеуге болады, бұл реакцияны теориялық түрде жаңартуға болады. Бұл үшін көп энергияны қажет ететін электролиз қажет болса да, энергия алюминийде сақталады (аллюминий сумен әрекеттескен кезде босатылады).
Магний
Mg негізіндегі сутегін сақтау материалдарын жалпы алғанда үш санатқа бөлуге болады, яғни таза Mg, Mg негізіндегі қорытпалар және Mg негізіндегі композиттер. Әсіресе, 300-ден астам Mg негізіндегі сутегін сақтау қорытпалары салыстырмалы түрде жақсы жалпы өнімділігі үшін үлкен назар аударады. Дегенмен, металл гидридінің тым артық термодинамикалық тұрақтылығына негізделген төменгі сутегін сіңіру / десорбция кинетикасы Mg негізіндегі сутегін сақтау қорытпаларын қазіргі уақытта нақты қосымшаларға жарамсыз етеді, сондықтан осы жетіспеушілікті жоюға үлкен күш жұмсалды. Үлгілерді дайындаудың кейбір әдістері, мысалы, балқыту, ұнтақпен ыдырау, диффузия, механикалық қорыту, гидридтеумен жану синтез әдісі, беткі өңдеу және жылумен өңдеу және т.б. магнийге негізделген сутегін сақтау қорытпаларының динамикалық өнімділігі мен цикл өмірін өзгерту үшін кеңінен қолданылған. Бұдан басқа, кейбір ішкі модификация стратегиялары, соның ішінде қорыту, наноструктуралау, катализдік қоспалармен допинг, басқа гидридтермен нанокомпозиттерді алу және т.б. негізінен магнийге негізделген сутегін сақтау қорытпаларының өнімділігін арттыру үшін зерттелді. Алюминий сияқты магний де сумен әрекеттесіп, сутегі түзеді. Бұрынғы сутегін сақтаудың негізгі қорытпаларының ішінде Mg және Mg негізіндегі сутегін сақтау материалдары практикалық қолданудың айтарлықтай мүмкіндігін ұсынады деп есептеледі, себебі олар мынадай артықшылықтарға ие: 1) Mg ресурсы мол және экономикалық. Mg элементі мол және жер қыртысының ≈2.35% -ын құрайды; 2) тек 1,74 г см 3 -тің төмен тығыздығы; 3) жоғары сутегін сақтау қабілеті. Таза магнийдің теориялық сутегін сақтау мөлшері 7,6 мас. % (мас. пайыз) және Mg2Ni 3,6 мас. % құрайды. LiAlH4 теориялық гравиметриялық сыйымдылығы 10,5 масса % H2 және мынадай үш сатыда дегидрогенеленеді: 3LiAlH4 Li3AlH6 + 3H2 + 2Al (423448 K; 5,3 масса % H2; ∆H = −10 кДж·моль−1 H2); Li3AlH6 3LiH + Al + 1,5H2 (453493 K; 2,6 масса % H2; ∆H = 25 кДж·моль−1 H2); 3LiH + 3Al 3LiAl + 3/2H2 (>673 K; 2,6 масса % H2; ∆H = 140 кДж·моль−1 H2). Алғашқы екі қадамның нәтижесінде сутегінің жалпы мөлшері 7,9 массалық % -ға тең болады, бұл практикалық қолдану үшін тартымды болуы мүмкін, бірақ жұмыс температурасы мен десорбция кинетикасы әлі де практикалық мақсаттардан алыс. Соңғы бірнеше жылда бұл шектеулерді жеңу үшін бірнеше стратегиялар қолданылды, мысалы, шарлы ұнтақтау және катализаторларды қосу. толуол, тетрагидрофуран және диглимдегі бір қадамдық синтез арқылы. Сутегін сіңіру және десорбция қасиеттеріне қатысты бұл аланат аз зерттелді. Мориока және басқалар температуралық бағдарламалық десорбция (ТПД) талдаулары арқылы мынадай дегидрилендіру механизмін ұсынды: 3KAlH4 → K3AlH6 + 2Al + 3H2 (573 K, ∆H = 55 кДж·моль−1 H2; 2,9 массалық % H2), K3AlH6 → 3KH + Al + 3/2H2 (613 K, ∆H = 70 кДж·моль−1 H2; массалық 1,4 % H2), 3KH → 3K + 3/2H2 (703 K, 1,4 массалық % H2). Бұл реакциялар салыстырмалы түрде төмен қысым мен температурада катализаторларды қоспай-ақ кері қайталанатыны дәлелденді. TiCl3 қосылуы бірінші дегидрогенациялау сатысының жұмыс температурасын 50 К- ға төмендететіндігі анықталды, бірақ соңғы екі реакция сатысында ешқандай өзгерістер тіркелмеген. LOHC-ті суландыру мен сусыздандыру үшін катализатор қажет. Гетероциклді ароматты қосылыстар (немесе N гетероциклдер) да осы тапсырмаға сәйкес келеді. LOHC зерттеулерінде көрнекті қосылыстар тік сәйкестендіру = жоғары (NEC), бірақ басқалары да бар. Өнеркәсіпте жылу беру сұйықтығы ретінде қолданылып жүрген дибензилтлуол LOHC ретінде анықталды. 39 °C (іріткіш температурасы) мен 390 °C (қайнау температурасы) аралығындағы сұйықтық диапазоны кең, ал сутегінің сақтау тығыздығы 6,2 мас.% құрайтын дибензилтлуен LOHC материалы ретінде өте қолайлы. Құмырсқа қышқылы 4,4% водород сыйымдылығы бар ультрасутекті сақтау үшін тиімді материал ретінде ұсынылды. LOHC ретінде хабарланған циклоалкандар циклогексан, метил циклогексан және декалинді қамтиды. Циклоалкандар сусыздануы өте эндотермиялық (63-69 кДж/моль H2), яғни бұл процесс жоғары температураны қажет етеді. Циклоалкандардағы сусыздануға арналған катализаторларды әзірлеу бойынша зерттеулер ондаған жылдар бойы жүргізіліп келеді. Никель (Ni), молибден (Mo) және платина (Pt) негізіндегі катализаторлар дегидрогенациялау үшін көп зерттелген. Алайда кокстау катализатордың ұзақ мерзімді тұрақтылығы үшін әлі де үлкен қиындық болып табылады.
N-гетероциклдер
Гетероциклдер мен қарапайым карбоциклдер үшін гидрогенация мен дегидрогенация үшін қажетті температура айтарлықтай төмендейді. Барлық N гетероциклдерінің ішінде толысқан толымаған N этилкарбазол (12H NEC) және NEC додекагидро жұптары сутегін сақтау үшін ультра үлкен сутегін құрайтын (5-8% салмақ) үмітті кандидат ретінде қарастырылған. Оң жақ жоғарғы беттердегі сурет 12H NEC және NEC жұптарының сусыздануы мен суландырылуын көрсетеді. NEC-тен 12H-ге дейінгі стандартты катализатор Ru және Rh негізіндегі. Гидрогендеудің селективтілігі 7 МПа және 130 °C 150 °C температурада 97% -ға жетеді.
Құмырсқа қышқылы
Құмырсқа қышқылының H2 тығыздығы төмен болғанымен, ол сутегін сақтаудың өте тиімді материалы болып табылады. Көміртек оксиді жоқ сутегі өте кең қысым диапазонында (1600 бар) өндірілді. Суда еритін рутений катализаторларына негізделген біртекті катализатор HCOOH-ны сулы ерітіндіде H2 және CO2 түріне сұрыптады. Бұл каталитикалық жүйе басқа катализаторлардың (мысалы, тұрақтылығының төмендігі, каталитикалық өмірінің шектеулілігі, СО түзілуі) құмырсқа қышқылының ыдырауын жеңіп, оны өмір сүру үшін жарамды сутегін сақтау материалы етеді. Бұл ыдыраудың копродукты көмірқышқыл газын екінші қадамда қышқыл қышқылына қайта гидрогенирлеу арқылы сутек векторы ретінде пайдалануға болады. CO2 катализдік гидрогенатталуы ұзақ уақыт бойы зерттеліп, тиімді әдістер әзірленді. Құмырсқа қышқылының құрамында бөлме температурасында және атмосфералық қысымда 53 г L-1 сутегі болады. Таза құмырсқа қышқылының құрамында 4,3 мас. % сутегі бар. Таза құмырсқа қышқылы - 69 °C жалындық нүктесі бар сұйықтық (қорыңыз. бензин -40 °C, этанол 13 °C). 85% құмырсқа қышқылы жанбайды.
Аммиак
Аммиак (NH3) тиісті каталитикалық реформаторда H2 шығарады. Аммиак жоғары сутегін сақтау тығыздықтарын жеңіл қысыммен және криогендік шектеулермен сұйықтық ретінде қамтамасыз етеді: Ол сонымен қатар сумен араластырылған кезде бөлме температурасында және қысымда сұйықтық ретінде сақталуы мүмкін. Аммиак - әлемде ең көп өндірілетін екінші химиялық зат және аммиакты өндіру, тасымалдау және тарату үшін үлкен инфрақұрылым бар. Аммиакты зиянды қалдықтарсыз сутегін өндіру үшін қайта өңдеуге болады немесе ол қолданыстағы отынмен араласып, дұрыс жағдайда тиімді күйдірілуі мүмкін. Аммиакта көміртек болмағандықтан, өнімдер көміртегін пайда етпейді; осылайша бұл мүмкіндік болашақта "көміртегі бейтарап" нұсқаға айналады. Таза аммиак табиғи газбен жұмыс істейтін су жылытқыштар мен пештердегі атмосфералық қысымда нашар күйіп кетеді. Автомобиль қозғалтқышында қысылғанда ол аздап өзгертілген бензинді қозғалтқыштар үшін қолайлы отын болып табылады. Аммиак қолайлы балама отын болып табылады, өйткені оның энергия тығыздығы NTP-де 18,6 МДж/кг және көміртегісіз жанудың қосалқы өнімдері. Аммиактың сутегін сақтау материалы ретінде кеңінен қолданылуы бірнеше қиындықтар тудырады. Аммиак - стандартты температура мен қысым кезінде қатты иісі бар улы газ. Сонымен қатар, аммиакты ыдыраудың тиімділігі мен масштабталуы коммерциялық тиімділік үшін қажет, өйткені отын элементтері мембраналары қалдық аммиакқа өте сезімтал және қазіргі ыдырау әдістері төмен өнімділікке ие. Аммиактың ыдырау реакциясын катализациялау үшін әр түрлі ауыспалы металдарды қолдануға болады, ең тиімдісі рутений. Бұл катализ химиялық сорбция арқылы жұмыс істейді, онда N2 адсорбциялық энергиясы диссоциацияның реакциялық энергиясынан аз. Сутегін тазарту бірнеше жолмен жүзеге асады. Сутегін реакцияға ұшырамаған аммиактан сутекті іріктеп алатын өткізгіш мембрананы қолдану арқылы бөліп алуға болады. Ол сондай-ақ аммиакты адсорбциялау арқылы тазартылуы мүмкін, ол полярлылығына байланысты таңдамалы түрде тұтқындалуы мүмкін. 2005 жылдың қыркүйегінде Данияның Техникалық университетінің химиктері тұз таблеткасына сіңірілген аммиак түрінде сутегін сақтау әдісін жариялады. Олардың айтуынша, бұл арзан әрі қауіпсіз сақтау әдісі.
Гидразин
Гидразин жасушада азот пен сутекті құрайды. Кремний гидридтері мен германий гидридтері сутегін сақтау материалдарына үміткер, өйткені олар энергиялық жағынан оңтайлы реакцияға ұшырағандықтан, сутегін молекуласын жоғалтып, ковалентті байланыстағы димерлерді құрайды.
Амин-борандар
1980 жылға дейін сутегін сақтау үшін бірнеше қосылыстар зерттелді, соның ішінде күрделі борогидридтер немесе алюминий гидридтері және аммоний тұздары. Бұл гидридтердің жоғары теориялық сутегінің өнімділігі шамамен 8,5% салмақпен шектеледі. Тек В, N және H (экі оң және теріс иондары) бар қосылыстар арасында өкілдік үлгілерге мыналар жатады: амин борандары, борон гидрид аммионаттары, гидразин боран кешендері және аммоний октагидротрибораттары немесе тетрагидробораттар. Олардың ішінде аминоборандар (әсіресе аммиак боран) сутегін тасымалдаушылар ретінде кеңінен зерттелді. 1970 және 1980 жылдары АҚШ Армиясы мен Әскери-теңіз флоты HF/DF және HCl химиялық лазерлерде және газдық динамикалық лазерлерде пайдалану үшін сутек / дейтерий газын өндіретін қосылыстарды әзірлеуге бағытталған күш-жігерді қаржыландырды. Бұрынғы сутек газын өндіретін құралымдарда амин-борандар мен олардың туындылары пайдаланылған. Аминоборанның () жануы борон нитриді (BN) және сутек газы пайда болады. Амониялық бордан (H3BNH3) басқа газ генераторларына диборан диамонияты, H2B ((NH3) 2BH4 жатады.
(H3BNH3), other gas generators include diborane diammoniate, H2B(NH3)2BH4.
Физикалық сақтау
Бұл жағдайда сутек физикалық формада, яғни газ, суперкритикалық сұйықтық, адсорбат немесе молекулалық инклюзиялар түрінде қалады. Шыны микро ыдыстардың, микропоролы және нанопоролы орталардың көлемдік және гравиметриялық сыйымдылығына, сондай-ақ қауіпсіздік пен толтыру уақытына қатысты теориялық шектеулер мен тәжірибелік нәтижелер қарастырылады. Сутек ең кішкентай молекула болғандықтан, ол контейнерден және контейнерден контейнерге ауысқан кезде оңай қашып кетеді, ал ағып шыққан сутектің жаһандық жылыну әсері СО2-ден 11,6 есе күшті.
Кескіндемелі немесе қабатты көміртек
Белсенділенген көміртектер - жоғары көлбеу, көзге көрінетін беті үлкен аморфты көміртек материалдары. Сутегінің физикалық сіңіруін осы материалдарда көрінетін бетінің аумағын ұлғайту және тесік диаметрін шамамен 7 Å-ға оңтайландыру арқылы арттыруға болады. Бұл материалдар ерекше қызығушылық туғызады, өйткені олар жоғары сыйымдылықтағы сутегін сақтау материалдарының прекурсорлық материалдары ретінде үлкен әлеуетті көрсеткен темекі тұтқыры сияқты қалдық материалдардан жасалуы мүмкін. Графен сутегін тиімді сақтай алады. Г2 қос байланысқа қосылып, графанды береді. Сутегі 450 °C-қа дейін қызған кезде босатылады. Наноқұрылымдық көміртекке негізделген сутегін тасымалдаушылар (көміртектік бакиболдар мен нанотүтіктер сияқты) ұсынылды. Алайда, 77K температурада сутегінің мөлшері ≈3,0 - 7,0 массалық% құрайды, бұл АҚШ Энергетика министрлігі белгілеген мәннен (6 массалық% шамамен орта жағдайларында) алыс. Көміртек материалдарын тиімді сутегін сақтау технологиясы ретінде іске асыру үшін көміртек нанотұбыршаларына (CNT) MgH2 қосылды. MOF 519 және MOF 520 үшін адсорбцияның изостериялық жылулығы қысымның артуымен төмендейді. MOF 5 үшін гравиметриялық және көлемдік сутегі сіңіруі қысымның артуымен көбейді. Суды сіңіру қабілетін құрылымды өзгерту арқылы арттыруға болады. Мысалы, PCN 68 сутегінің сіңіруі PCN 61-ден жоғары. Жоғары бет ауданы бар материал ретінде белгілі болатын, пішінді ароматты каркастар (PAF 1) допинг арқылы жоғары бет ауданына қол жеткізе алады.
MOF-ті өзгерту
MOF-ты өзгертудің көптеген түрлі жолдары бар, мысалы MOF катализаторлары, MOF гибридтері, металл орталықтары бар MOF және допинг. MOF катализаторларының жоғары бет ауданы, саңылаулылығы және сутегін сақтау қабілеті бар. Алайда, белсенді металл орталықтары аз. MOF гибридтері бетінің көлемін, саңылаулылығын, жүк тиеу қабілетін және сутегін сақтау қабілетін арттырады. Алайда олар тұрақты емес және белсенді орталықтары жоқ. MOF-те допинг қолдану сутегін сақтау қабілетін арттыра алады, бірақ стериялық әсер болуы мүмкін және инерт металдардың тұрақтылығы жеткіліксіз. Металл орталықтары бар МОФ-та өзара байланысқан тесіктер және коррозияға төзімділігі төмен болуы мүмкін, ал олардың жақсы байланысу энергиясы және тұрақтылығы болуы мүмкін. Модификацияланған МОФ-тың әртүрлі түрлерінің артықшылықтары мен кемшіліктері МОФ-тың гибридтері жоғары бет ауданы, саңылаулылығы және тұрақтылығы үшін материалдарды таңдаудағы жақсы бақылау мүмкіндігіне байланысты уәде етілгендігін көрсетеді. 2009 жылы зерттеушілер MOF NOTT 112 көмегімен 77 бар (1,117 пс) және 77 К температурада 10 массалық% -ға жетті. MOF-те сутегін сақтау туралы мақалалардың көпшілігі 77K температурада және 1 бар қысымда сутегін қабылдау қабілетін көрсетеді, өйткені бұл жағдайлар әдетте қол жетімді және осы температурада сутегі мен MOF арасындағы байланысу энергиясы жылу тербелісі энергиясына қарағанда үлкен. Жер бетінің ауданы, тесік өлшемі, катенция, лиганд құрылымы және үлгі тазалығы сияқты бірнеше факторлардың өзгеруі МОФ-та сутегін қабылдаудың әртүрлі мөлшеріне әкелуі мүмкін. 2020 жылы зерттеушілер NU 1501 Al металл тринуклеарлық кластерлерге негізделген ультрапорозды металл-органикалық каркас (MOF) "сутек пен метан үшін әсерлі гравиметриялық және көлемдік сақтау өнімділігін" берді, сутегін жеткізу қуаты 14,0% w/w, 46,2 г/литр.
Қысылған
Сутегін криосығылған сақтау - бұл көлемдік және гравиметриялық тиімділік бойынша 2015 DOE мақсаттарына сай келетін жалғыз технология (көрші "CcH2" 6-шы слайдта). Сонымен қатар, басқа зерттеуде криокомпрессияның қызықты шығындар артықшылығы бар екені көрсетілген: меншік құны (сағатына бір миль) және сақтау жүйесінің құны (көлік үшін баға) басқа технологиялармен салыстырғанда ең төменгі (бағдарламаның 13-слайдтағы үшінші жолды қараңыз). Сұйықтықты сақтау сияқты, криосығылған суық сутегін (20,3 К және одан сәл жоғары) жоғары энергия тығыздығына жету үшін пайдаланады. Алайда, негізгі айырмашылық - сутегін қоршаған ортамен жылу беруден жылытқан кезде ("қайнаған") резервуарға әлдеқайда жоғары қысымға (суды сақтау үшін бірнеше барға қарағанда 350 барға дейін) көтерілуге рұқсат етіледі. Нәтижесінде сутегі шығаруға көп уақыт кетеді, ал көп жағдайда машинада қысымды ауаға шығару шегінен төмен ұстауға жеткілікті сутегі пайдаланылады. Нәтижесінде, криокомпрессияланған резервуармен жоғары айдау арақашықтығына қол жеткізуге болатыны дәлелденді: Тойота Приус машинасының сутегімен жабдықталған қозғалтқышына толық резервуармен 650 мильден астам (1046 км) жол жүрді. Технологияның толық әлеуетін зерттеу және көрсету үшін зерттеулер әлі де жүргізілуде. 2010 жылдан бастап BMW Group коммерциялық өнімге қарай криокомпрессияланған көлік құралын сақтаудың компоненттері мен жүйе деңгейін толықтай растауға кірісті.
Клатрат гидраттары
Клатрат гидратында қамалған H2 алғаш рет 2002 жылы хабарланды, бірақ тұрақты болу үшін өте жоғары қысым қажет. 2004 жылы зерттеушілер ТГФ сияқты аз мөлшерде қоректік заттарды қосу арқылы қоршаған орта температурасында және ондаған барларда құралатын гидратты құрайтын қатты H2 құрамын көрсетті. Бұл клатраттардың теориялық ең жоғары сутегінің тығыздығы шамамен 5 мас. % және 40 кг/м3 құрайды.
Шыны капиллярлық массивтері
Ресей, Израиль және Германия ғалымдары бірлесіп, көмірсутекті қауіпсіз инфузиялау, сақтау және ұялы құрылғыларда бақылаумен шығару үшін шыны капиллярлық массивтерге негізделген инновациялық технологияны әзірледі. C. En технологиясы АҚШ Энергетика министрлігінің (DOE) 2010 жылы кеменің сутегі сақтау жүйелері бойынша мақсаттарына қол жеткізді. DOE 2015 мақсаттарына иілгіш шыны капиллярлар мен сутегін сақтаудың криокомпрессивті әдісін қолдану арқылы қол жеткізуге болады.
Шыны микросфералары
Құрғақ шыны микросфералар (ХГМ) сутегін бақылаулы сақтау және босату үшін пайдаланылуы мүмкін. Сутегін сақтауға диаметрі 1-100 мкм, тығыздығы 1,0-2,0 гм/см3 және 10-1000 ангстром аралығындағы тесіктері бар саңылаулы қабырғасы бар HGM-лер қарастырылады. Сутегін сақтауға арналған HGM-дің артықшылығы - олар уытты емес, жеңіл, арзан, қайта өңдеуге жарамды, кері айналдырылатын, атмосфералық жағдайда оңай ұсталатын, резервуарда сақталатын және ішіндегі сутегі жарылғыш емес. Бұл HGM-дің әрқайсысы үлкен қысымды резервуардың салмағы мен көлемінсіз 150 МПа дейін сутегін ұстауға қабілетті. Бұл қасиеттердің барлығы көлік құралдарында қолайлы. Осы артықшылықтардан басқа, HGM-лер сутектің диффузивтілігі температураға тәуелділігі жоғары болғандықтан, сутек ерітіндісі ретінде қарастырылады. Бөлме температурасында диффузия өте төмен, ал сутек HGM-де қамалады. HGM-дің кемшілігі - сутегін тиімді толтыру және газдан шығару үшін температура кем дегенде 300 °C болуы керек, бұл сутегін сақтаудағы HGM-дің пайдалану шығындарын айтарлықтай арттырады. Жоғары температураның бір бөлігі шынының оқшаулағыш болуына және жылу өткізгіштігінің төмен болуына байланысты болуы мүмкін; бұл сутегінің диффузиясына кедергі келтіреді, сондықтан қажетті сақтау қуатына жету үшін жоғары температура қажет. Бұл технологияны коммерциялық мақсатта пайдалану үшін экономикалық тұрғыдан тиімдірек ету үшін, HGM арқылы сутек диффузиясының тиімділігін арттыру үшін зерттеулер жүргізілуде. Далай және басқалар жасаған зерттеу. ГГМ-нің жылу өткізгіштігін көбейту үшін шыныны кобальтпен допингтеуді көздеді. Бұл ретте олар жылу өткізгіштікті 0,0072 -ден 0,198 Вт/м К-ге дейін 10 мас. % -ға дейін арттырды. Бұл зерттеу 200 °C және 10 бар температурада 2 массалық% Co-мен 3,31 массалық% сутегін сақтау қабілетімен аяқталды. 2020 жылға қарай HGM зерттеуде қол жеткізілген прогресс оның тиімділігін арттырды, бірақ ол әлі де Энергетика департаментінің осы технологияға арналған мақсаттарына жетпейді. Сутегінің адсорбциясы мен босатылуының жұмыс температурасы коммерцияландыруға ең үлкен кедергі болып табылады.
Жер асты сутегін сақтау
[[Файл:Жоғары технологияларды сақтау, олардың сыйымдылығы және босату уақыты. "Қолда бар сақтау технологиялары, олардың сыйымдылығы және босату уақыты". Бұл - сутегін үңгірлерде, тұздықтар мен тозған мұнай мен газ кен орындарында сақтау. ICI газ тәрізді сутегінің үлкен мөлшерін көптеген жылдар бойы еш қиындықсыз үңгірлерде сақтайды. Жер астындағы сұйық сутегінің көп мөлшерін сақтау желілік энергияны сақтау ретінде жұмыс істей алады. Сапардың тиімділігі шамамен 40% (PHES үшін 75-80%), ал егер тек шектеулі сағаттар сақтау қажет болса, шығын гидроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэлектроэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнергоэнерго Еуропалық қызметкерлердің жұмыс құжатында келтірілген басқа бір зерттеуде ірі көлемде сақтау үшін ең арзан нұсқа сутегін электролизер, тұз үңгіріндегі сақтау және аралас циклді электр стансасын пайдалану арқылы 2 000 сағат сақтау үшін 140 €/MWh деп анықталды. 2013 жылы Hyunder еуропалық жобасы жел және күн энергиясын сақтау үшін қосымша 85 үңгір қажет екенін көрсетті, өйткені оны PHES және CAES жүйелері қамтымайды. Германиядағы сутегін тұз үңгірлерінде сақтау туралы іс-шараны зерттеу нәтижесінде, егер Германиядағы энергияның артық бөлігін (2025 жылға қарай жаңартылатын жалпы энергияның 7% және 2050 жылға қарай 20%) сутекке айналдырып, жер астында сақтаса, бұл көлемге 2025 жылға қарай әрқайсысы 500000 текше метрді құрайтын 15 үңгір қажет болады және 2050 жылға қарай 60 үңгір қажет болады, бұл Германияда қазіргі уақытта жұмыс істеп тұрған газ үңгірлерінің шамамен үштен бір бөлігіне сәйкес келеді. АҚШ-та Sandia Labs компаниясы сутегін сарқып тасталған мұнай мен газ кен орындарында сақтау мәселесін зерттеуде. Жер асты сутегін сақтау - бұл сутегін үңгірлерде, тұз күмбездерінде және сарқылып қалған мұнай/газ кен орындарында сақтау тәжірибесі. Көптеген жылдар бойы үңгірлерде газ тәрізді сутегінің үлкен мөлшері сақталған. Сенімсіз дереккөз: дата=2022 жылдың қаңтары Сутегін экономикасы үшін маңызды жер асты сутегінің ерітіндідегі тұз күмбездерінде, су қоймаларында, қазылған тау үңгірлерінде немесе шахталарда көп мөлшерде сақталуы желілік энергия сақтау ретінде қызмет ете алады. Турбоэкспандерді пайдалану арқылы 200 барда қысылған сақтау үшін электр энергиясына қажеттілік энергияның 2,1% құрайды.
Тұз үңгірлері
Тексастағы Шеврон Филлипс Клеменс терминалы 1980 жылдан бері сутегін ерітіндіден алынған тұз үңгірінде сақтайды. Үңгірдің шатыры жер астынан 853 метрдей жерде орналасқан. Үңгір диаметрі 160 фут (49 м), биіктігі 1000 фут (305 м) және сутегінің пайдаланылатын сыйымдылығы бар цилиндр немесе тұз үңгірлері жасанды түрде жер бетінен суды құдыққа енгізу арқылы жасалынады. Тұз үңгірлерін құру үшін тұз күмбездері немесе тұз төсемі сияқты орындар әдетте таңдалады. Тұз үңгірлерінің ең терең жері 2000 м, ең үлкен көлемі 1000 000 м3 болады. Инъекция мен қайта қабылдау жиілігі жылына 10 - 12 циклге дейін. Ал үзілу деңгейі 1%-ға жуық. Тау тұзының физиохимиялық қасиеттеріне байланысты тұз үңгірлері көптеген артықшылықтарға ие. Негізгі ерекшеліктері - судың аз мөлшері, төменгі тесіктілігі мен өткізгіштігі, сондай-ақ сутегіне қатысты химиялық инерциясы. Сырғалақтық жер асты сутегін сақтаудың негізгі параметрі болып табылады, ол оның жабылу қабілетіне әсер етеді. Зерттеулер кеңейту және экстенциялық сынудың айтарлықтай өткізгіштікті арттыра алатынын көрсеткенмен, тау тұзы кристалдарының қайта кристалдануы, яғни дәндердің шекараларын емдеу процесі оның механикалық қаттылығы мен өткізгіштігін қалпына келтіруге ықпал етуі мүмкін. Оның пластикалық қасиеттері сынықтардың пайда болуын және таралуын болдырмайды және сутегін сақтау үшін аса маңызды болатын тығыздығын жоғалтудан қорғайды. Адамдар табиғи газды сақтаумен тәжірибелі болса да, сутегін сақтау әлдеқайда күрделі. Қатты заттардағы сутегінің диффузиясы сияқты факторлар тұз үңгіріндегі сақтауды шектейді. Микробтық белсенділік бүкіл әлемде сутегі жоғалуына әсері үшін кеңінен зерттеу жүргізілуде. Метаногендік бактериялардың бактериялық метаболизмі нәтижесінде көмірқышқыл газы мен сутегі тұтылып, метан түзіледі, бұл тұз үңгірлеріндегі сутегінің жоғалуына әкеледі. Hyunder еуропалық жобасы 2013 жылы жел және күн энергиясын сақтау үшін қосымша 85 үңгір қажет екенін көрсетті, өйткені оны сорғылау арқылы сақталатын гидроэлектр энергиясы және қысылған ауамен энергия сақтау жүйелерімен қамту мүмкін емес. ETI 2015 жылы "Таза, жауап беретін электр жүйесінде сутегін сақтаудың рөлі" атты баяндамасын жариялады. RAG Austria AG 2017 жылы Австриядағы мұнай мен газдың тозған кен орнында сутегін сақтау жобасын аяқтады және екінші "Жер астындағы күнді түрлендіру" жобасын жүргізуде. 800 м биіктігі мен 50 м диаметрі бар үңгір 150 ГВт-сағатына тең сутегін ұстай алады.
Salt caverns are artificially created by injecting water from the surface into a well in the rock salt, where rock salt is a polycrystalline material made of NaCl, halite. Locations such as salt domes or bedded salt are usually picked for salt caverns’ creation. Salt caverns can reach a maximum depth of 2000 m and a maximum volume capacity of 1,000,000 m3. The frequency of injection and withdrawal cycles ranges between 10 and 12 cycles per year. And the leak rate is around 1%. Due to the physiochemical properties of the rock salt, salt caverns exhibit multiple advantages. Key characteristics are low water content, low porosity and permeability, and its chemical inertia towards hydrogen. Permeability is a key parameter in underground hydrogen storage, which affects its ability to seal. Though studies have found dilatancy and extensional fracture can cause significant permeability increase, rock salt crystal's recrystallization, which is a grain boundaries healing process, may contribute to its mechanical stiffness and permeability recovery. Its plastic properties prevent the formation and spread of fractures and protect it from losing its tightness, which is particularly important for hydrogen storage. Though people have experience with storing natural gas, storing hydrogen is a lot more complex. Factors such as hydrogen diffusivity in solids cause restrictions in salt cavern storage. Microbial activity is under extensive research worldwide because of its impact on hydrogen loss. As a result of methanogenic bacteria's bacterial metabolism, carbon dioxide and hydrogen are consumed and methane is produced, which leads to the loss of hydrogen stored in the salt caverns. The European project Hyunder indicated in 2013 that for the storage of wind and solar energy an additional 85 caverns are required as it cannot be covered by pumped storage hydroelectricity and compressed air energy storage systems. ETI released in 2015 a report The role of hydrogen storage in a clean responsive power system noting that the UK has sufficient salt bed resources to provide tens of GWe. RAG Austria AG finished a hydrogen storage project in a depleted oil and gas field in Austria in 2017, and is conducting its second project "Underground Sun Conversion". A cavern sized 800 m tall and 50 m diameter can hold hydrogen equivalent to 150 GWh.
Электр қуатынан газға
Электр энергиясын газға айналдыратын технология. Екі әдіс бар: біріншісі - суды бөлу үшін электр энергиясын пайдалану және алынған сутегін табиғи газ желісіне енгізу; екіншісі, аз тиімді әдіс көмірқышқыл газы мен сутегін метанға айналдыру үшін қолданылады (табиғи газды қараңыз) электролиз және Сабатье реакциясы арқылы. Үшінші нұсқа - сутегін электролиз арқылы көміртек көзімен (биогаздан, өндірістік процестерден немесе тікелей ауадан алынған көміртек газынан көміртек тотығы немесе көміртек тотығы) биометантациялау арқылы біріктіру, онда биометангендер (археялар) көміртек тотығы мен сутегін тұтынады және анаэробты ортада метан өндіреді. Бұл процесс өте тиімді, өйткені археялар өздігінен көбейеді және реакцияны орындау үшін тек төменгі дәрежелі (60 °C) жылу қажет. SoCalGas компаниясы бір электрохимиялық қадаммен шикі биогаздағы көмірқышқыл газын метанға айналдыратын басқа да процесті қолға алды, бұл артық жаңартылатын электр энергиясын сақтаулы табиғи газға айналдырудың қарапайым әдісін білдіреді. Ұлыбритания зерттеулерді аяқтады және газ желісіне сутегін енгізуді бастауға дайындалуда, өйткені желі бұрын "қалалық газ" өткізген, ол көмірден құралған 50% сутегі метан газы. KPMG аудиторлары Ұлыбританияны сутегі газына ауыстыру британдық үйлерді төмен көміртегі көздерімен жұмыс істейтін электрмен жылыту үшін қайта қосудан 150 млрд. - 200 млрд. фунт арзан болуы мүмкін деп тапты. Бұдан кейін жел генераторлары немесе күн батареялары өндіретін артық қуатты немесе ең жоғары қуатты энергия желісінде жүктемені теңестіруге пайдалануға болады. Сутегін өндіру үшін қолданыстағы табиғи газ жүйесін пайдалану арқылы отын жапсырмаларын өндіруші Hydrogenics компаниясы және табиғи газды таратушы Enbridge компаниясы Канадада осындай газдан электр энергиясына жүйе жасау үшін бірікті. Сутегін құбыр арқылы сақтау, егер сутегін сақтау үшін табиғи газ желісі пайдаланылса. Табиғи газға ауысудан бұрын Германияның газ желілері негізінен (60 65%) сутектен тұратын газды пайдаланатын. Германияның табиғи газ желісінің сақтау қуаты 200 000 ГВт/сағ. құрайды, бұл бірнеше айға қажетті энергияға жетеді. Салыстырмалы түрде Германияның барлық сорғылы электр станцияларының қуаты 40 ГВт/сағ ғана. Газ желісі арқылы энергияны тасымалдау электр желісіне қарағанда (8%) әлдеқайда аз жоғалтумен (<0,1%) жүзеге асырылады. Сутегін өндіру үшін қолданыстағы табиғи газ құбырларын пайдалануды NaturalHy зерттеді.
Автомобильдегі сутегіне арналған құрылғы
Көшіруге қабілеттілік автомобиль өнеркәсібіндегі ең үлкен қиындықтардың бірі болып табылады, онда қауіпсіздік мәселелеріне байланысты жоғары тығыздықты сақтау жүйелері проблемалы. Жоғары қысымды резервуарлар олар ұстай алатын сутектен әлдеқайда көп салмақ алады. Мысалы, 2014 жылғы Toyota Mirai-да толық танкі тек 5,7% сутекті қамтиды, қалған салмақ танкіге тиесілі. Жүйелік тығыздықтар көбінесе жұмыс материалының жартысына жуық болады, сондықтан материалдың 6 мас. % H2 сақтай алатын болса, сол материалды пайдаланатын жұмыс жүйесі тек 3 мас. % ғана алады, егер резервуарлардың салмағы, температура мен қысымды реттеу жабдықтары және т.б. ескерілсе.
Отын элементтері мен сақтау
Сутек таза күйдірілгендіктен автомобиль өнеркәсібі үшін таза отынның баламасы болып табылады. Сутегінен тұратын отын парниктік газдар, мысалы, СО2, СО2 және НОx шығарындыларын едәуір азайта алады. Сутекті отын элементтерін (ГФО) пайдаланудың үш проблемасы - тиімділік, көлем және газды қауіпсіз сақтау. Бұл жаңа технологияның басқа да негізгі кемшіліктері шығындар, жұмыс істеу мүмкіндігі мен беріктік мәселелерін қамтиды, оларды қолданыстағы жүйелерден әлі де жақсарту керек. Осы қиындықтарды шешу үшін наноматериалдарды пайдалану дәстүрлі сутегін сақтау жүйелеріне балама ретінде ұсынылды. Наноматериалдарды қолдану жоғары тығыздықты қамтамасыз етіп, DOE-нің 300 мильдік мақсатына жету үшін қашықтықты ұлғайта алады. Көміртекті материалдар, мысалы, көміртекті нанотұбырлар мен металл гидридтері зерттеулердің басты бағыты болып табылады. Қазіргі уақытта олардың көпжақтылығы, көпфункционалдылығы, механикалық қасиеттері және басқа баламаларға қарағанда арзандығы үшін борттағы сақтау жүйелері ретінде қарастырылуда.
Отын элементтеріндегі наноматериалдардың басқа да артықшылықтары
Наноматериалдарды борттағы сутегін сақтау жүйелеріне енгізу автомобиль өнеркәсібінде үлкен өзгеріс болуы мүмкін. Алайда, наноматериалдар отын жадырының сақталуына ықпал ететін жалғыз нәрсе емес. Түрлі зерттеулер көрсеткендей, ХФО-да қолданылатын Nafion мембраналарының тасымалдау және каталитикалық қасиеттерін TiO2/SnO2 нанобөлшектерімен жақсартуға болады. Осыған ұқсас жүйелер фотоэлектрохимиялық әдістерді қолдану арқылы әзірленді.
Қысымдағы сутегі газы
Газ қысымын арттыру энергия тығыздығын көлемі бойынша жақсартады, бұл шағын контейнерлік резервуарларды жасайды. Қысымдағы сутегін құбырлы тіркемелерге орналастыру үшін стандартты материал - болат (сутегін газбен сутегінің сынық проблемасы жоқ). Көміртек пен шыны талшықтан жасалған, Toyota Marai және Kenworth жүк көліктеріне орнатылған резервуарлар қауіпсіздік стандарттарына сәйкес болуы тиіс. Сутек шағын молекула болғандықтан, көптеген полимерлік материалдар арқылы диффузияға ұшырайтындықтан, танкілерге арналған материалдар аз. 2020 жылы көліктің бортында сутегін сақтаудың ең көп таралған түрі 700бар = 70МПа қысымдағы сутегін сақтау болды. Сутегін осы қысымға қысудың энергия шығыны өте жоғары. Қысымды газ құбырлары әрқашан болаттан жасалады және құбыр тіркемелеріне қарағанда әлдеқайда төмен қысыммен жұмыс істейді.
Сұйық сутегі
Бұл жағдайда жоғары көлемді энергия тығыздығы бар сұйық сутек немесе сутекті сутекті пайдалану мүмкін. Алайда, сұйық сутек криогенді болып табылады және 20.268 К (−252.882 °C немесе −423.188 °F) қызуында қайнайды. Криогендік сақтау салмақты азайтады, бірақ сұйытудың үлкен энергиясын қажет етеді. Сұйыту процесі қысым мен салқындату кезеңдерін қамтиды, энергияны көп қажет етеді. Сұйытылған сутегінің энергия тығыздығы бензинге қарағанда шамамен төрт есе төмен, себебі сұйық сутектің тығыздығы төмен. Бір литр бензинде (116 грамм) таза сұйық сутектің бір литріне (71 грамм) қарағанда оттегіге тәуелді сутек атомдары көбірек болады. Қысқа температурадағы кез келген сұйықтық сияқты сұйық сутегін сақтау резервуарлары да қайнауды азайту үшін жақсы оқшаулануы керек. Жапонияда Кобедегі терминалда сұйық сутегін (LH2) сақтау қондырғысы бар және 2020 жылы LH2 тасымалдаушысы арқылы сұйық сутегін алғашқы жүк тасымалын алады деп күтілуде. Сутек температурасын -253 °C-қа дейін төмендету арқылы сұйытылады, бұл -162 °C-та сақталатын сұйытылған табиғи газға (СЖГ) ұқсас. 12,79% тиімділік жоғалту мүмкін, немесе 33,3 kWh/kg-дан 4,26 kWh/kg.
Жер асты сутегін сақтау
Жер асты сутегін сақтау - бұл үңгірлерде, тұз күмбездерінде және сарқылып қалған мұнай мен газ кен орындарында сутегін сақтау практикасы. ICI газ тәрізді сутегінің үлкен мөлшерін көптеген жылдар бойы еш қиындықсыз үңгірлерде сақтайды. Жер астындағы сұйық сутегінің көп мөлшерін сақтау желілік энергияны сақтау ретінде жұмыс істей алады. Сапардың тиімділігі шамамен 40% (PHES үшін 75-80%), ал шығын гидроэлектроэлектростанцияға қарағанда сәл жоғары. Еуропалық қызметкерлердің жұмыс құжатында келтірілген басқа бір зерттеуде ірі көлемде сақтау үшін ең арзан нұсқа сутегін электролизер, тұз үңгіріндегі сақтау және аралас циклді электр стансасын пайдалану арқылы 2 000 сағат сақтау үшін 140 €/MWh деп анықталды. 2013 жылы Hyunder еуропалық жобасы жел және күн энергиясын сақтау үшін қосымша 85 үңгір қажет екенін көрсетті, өйткені оны PHES және CAES жүйелері қамтымайды. Германиядағы сутегін тұз үңгірлерінде сақтау туралы іс-шараны зерттеу нәтижесінде, егер Германиядағы энергияның артық бөлігін (2025 жылға қарай жаңартылатын жалпы энергияның 7% және 2050 жылға қарай 20%) сутекке айналдырып, жер астында сақтаса, бұл көлемге 2025 жылға қарай әрқайсысы 500000 текше метрді құрайтын 15 үңгір қажет болады және 2050 жылға қарай 60 үңгір қажет болады, бұл Германияда қазіргі уақытта жұмыс істеп тұрған газ үңгірлерінің шамамен үштен бір бөлігіне сәйкес келеді. АҚШ-та Sandia Labs компаниясы сутегін сарқып тасталған мұнай мен газ кен орындарында сақтау мәселесін зерттеуде.