چالش‌های چگالی انرژی حجمی و جرمی که روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن را تعیین می‌کنند

در ۱۳ اکتبر ۲۰۱۵، وزارت انرژی ایالات متحده اهداف بازنگری‌شده خود را برای ذخیره‌سازی هیدروژن در خودروهای سبک نهایی کرد و یک مبنای فیزیکی سخت‌گیرانه بنا نهاد که صنعت طی یک دهه پس از آن در تلاش برای عبور از آن بوده است. این دستورالعمل ایجاب می‌کرد که یک سیستم بتواند ۴٫۵ درصد هیدروژن از نظر وزنی و ۳۰ گرم هیدروژن در هر لیتر از حجم سیستم را در خود جای دهد. این الزام دوگانه، تضاد فیزیکی اصلی هیدروژن به عنوان یک سوخت را رسمیت بخشید: هیدروژن متراکم‌ترین سوخت شیمیایی از نظر جرمی، اما کم‌تراکم‌ترین آن‌ها از نظر حجمی است.[9]

وزارت انرژی این مشکل اساسی را در متون پایه خود پیرامون ذخیره‌سازی به روشنی تعریف می‌کند: «هیدروژن بالاترین انرژی بر واحد جرم را در میان تمام سوخت‌ها دارد؛ با این حال، چگالی پایین آن در دمای محیط منجر به انرژی پایین بر واحد حجم می‌شود و در نتیجه توسعه روش‌های پیشرفته ذخیره‌سازی را ضروری می‌سازد.» در دما و فشار محیط، یک کیلوگرم گاز هیدروژن تقریباً ۱۱٬۰۰۰ لیتر فضا اشغال می‌کند؛ یعنی حجمی معادل یک ون تحویل بار تجاری بزرگ. در حالی که همان یک کیلوگرم حاوی ۱۲۰ مگاژول انرژی (ارزش حرارتی پایین) است که نزدیک به سه برابر انرژی ۴۴ مگاژولی یک کیلوگرم بنزین است، چگالی انرژی حجمی آن تنها ۰٫۰۱ مگاژول بر لیتر است.[1][5]

بالغ‌ترین روش برای افزایش این چگالی حجمی، فشرده‌سازی مکانیکی است. خودروهای پیل سوختی مدرن از مخازن تحت فشار کامپوزیتی نوع چهارم برای ذخیره گاز هیدروژن در فشار ۷۰۰ بار (تقریباً ۱۰٬۰۰۰ پوند بر اینچ مربع) استفاده می‌کنند. در این فشار شدید، چگالی حجمی به ۳۹ گرم بر لیتر بهبود می‌یابد و به یک خودروی سواری اجازه می‌دهد تا سوخت کافی برای طی کردن مسافتی معادل ۳۰۰ مایل را در یک شاسی استاندارد حمل کند.[6][7]

با این حال، مهار فشار ۷۰۰ بار نیازمند دیواره‌های ضخیمی از فیبر کربن و آسترهای پلیمری با چگالی بالا است. جرم خود مخزن به شدت چگالی جرمی کلی سیستم را کاهش می‌دهد. یک سیستم معمول ۷۰۰ باری به ظرفیت جرمی حدود ۴٫۲ تا ۵٫۳ درصد وزنی دست می‌یابد؛ به این معنی که به ازای هر کیلوگرم هیدروژن ذخیره‌شده، خودرو باید تقریباً ۲۰ کیلوگرم زیرساخت مخزن را حمل کند.[6]

برای دور زدن محدودیت‌های فشرده‌سازی، هیدروژن را می‌توان تا رسیدن به حالت مایع برودتی در دمای منفی ۲۵۳ درجه سانتی‌گراد (یا ۲۰ کلوین) سرد کرد. هیدروژن مایع در فشار محیط به چگالی حجمی ۷۱ گرم بر لیتر دست می‌یابد که تقریباً دو برابر گاز فشرده ۷۰۰ باری است. این روش برای کاربردهای هوافضا که در آن‌ها حجم محدود است اما می‌توان زیرساخت‌های سرمایش شدید را در بدنه هواپیما جای داد، یک استاندارد محسوب می‌شود.[7][8]

بده‌بستان در روش مایع‌سازی، از جرم مخزن به هدررفت انرژی و مدیریت حرارتی تغییر می‌یابد. سرد کردن گاز هیدروژن تا دمای ۲۰ کلوین، تقریباً ۳۰ درصد از انرژی موجود در خود هیدروژن را مصرف می‌کند. علاوه بر این، مخازن برودتی نیازمند عایق‌های سنگین و دارای پوشش خلأ هستند تا از جوشیدن مایع و تبدیل مجدد آن به گاز در اثر گرمای محیط جلوگیری کنند. حتی با وجود عایق‌بندی پیشرفته، سیستم‌های هیدروژن مایع روزانه ۱ تا ۲ درصد از حجم خود را به دلیل تبخیر از دست می‌دهند که این امر آن‌ها را برای پارک طولانی‌مدت خودروهای سواری نامناسب می‌سازد.[7]

از آنجا که فشرده‌سازی فیزیکی و مایع‌سازی با محدودیت‌های ترمودینامیکی سخت‌گیرانه‌ای روبه‌رو هستند، علم مواد بر ذخیره‌سازی حالت جامد متمرکز شده است. چارچوب‌های فلزی-آلی مواد مصنوعی بسیار متخلخلی هستند که می‌توانند مولکول‌های هیدروژن را روی مساحت سطح داخلی وسیع خود جذب کنند. تنها یک گرم از یک چارچوب با طراحی مناسب می‌تواند مساحت سطحی بیش از ۷٬۰۰۰ متر مربع داشته باشد.[2][3]

مکانیک ساختاری این چارچوب‌ها یک رابطه معکوس و دقیق را میان ظرفیت حجمی و جرمی نشان می‌دهد. برای به حداکثر رساندن چگالی جرمی (جرم هیدروژن بر جرم ماده)، شیمیدانان چارچوب‌هایی با منافذ بزرگ‌تر و خوشه‌های فلزی سبک‌تر طراحی می‌کنند. با این حال، افزایش اندازه منافذ به طور ذاتی چگالی بلوری ماده را کاهش می‌دهد.[3]

با کاهش چگالی بلوری، ظرفیت حجمی به شدت افت می‌کند. تحلیلی که در سال ۲۰۱۷ توسط انجمن سلطنتی شیمی منتشر شد، نشان داد که اگرچه چارچوب‌های بسیار متخلخل می‌توانند در دماهای برودتی به ظرفیت‌های جرمی استثنایی بیش از ۱۰ درصد وزنی دست یابند، اما ظرفیت‌های حجمی آن‌ها در مساحت‌های سطح متوسط به اوج خود می‌رسد و پس از آن به شدت کاهش می‌یابد.[2]

این رابطه معکوس یک گلوگاه فیزیکی ایجاد می‌کند. هنگامی که حداکثر ظرفیت نظری معماری‌های فعلی چارچوب‌ها با اهداف سطح سیستم وزارت انرژی مقایسه می‌شود، یک کمبود ریاضیاتی پدیدار می‌گردد. در حالی که مواد خاصی می‌توانند به تنهایی از هدف جرمی ۴٫۵ درصد وزنی یا هدف حجمی ۳۰ گرم بر لیتر عبور کنند، محدودیت‌های هندسی چگالی بلوری مانع از آن می‌شود که هر چارچوب سنتزشده فعلی بتواند به طور همزمان هر دو هدف را در دمای محیط برآورده سازد.[3][9][10]

یک رویکرد جایگزین در حالت جامد، استفاده از هیدریدهای فلزی است که در آن هیدروژن از نظر شیمیایی با فلزاتی مانند منیزیم یا آلیاژهای پیچیده بین‌فلزی پیوند برقرار می‌کند. هیدریدهای فلزی چگالی‌های حجمی استثنایی ارائه می‌دهند که اغلب از ۱۰۰ گرم هیدروژن در لیتر فراتر می‌رود. این مقدار حتی از خود هیدروژن مایع نیز متراکم‌تر است، زیرا اتم‌های هیدروژن به طور فشرده در شبکه بلوری فلز جای گرفته‌اند.[5]

بهای این کارایی حجمی، جرم سنگین سیستم است. فلزات میزبان ذاتاً سنگین هستند. یک سیستم هیدرید بین‌فلزی معمولی تنها به چگالی جرمی ۱٫۵ تا ۲٫۰ درصد وزنی دست می‌یابد. مخزنی که ۵ کیلوگرم هیدروژن را در خود جای دهد، نیازمند بیش از ۲۵۰ کیلوگرم آلیاژ فلزی است که این سیستم را برای خودروهای سواری سبک بیش از حد سنگین می‌سازد، هرچند که برای ذخیره‌سازی ثابت در شبکه برق یا حمل‌ونقل دریایی که محدودیت جرمی کمتری دارند، بسیار کارآمد است.[5][8]

ظرفیت‌های نظری این مواد تنها نشان‌دهنده محیط فعال ذخیره‌سازی است. یک سیستم کاربردی درون‌خودرویی نیازمند تجهیزات جانبی است؛ یعنی زیرساخت‌های پیرامونی شامل شیرها، مبدل‌های حرارتی و مخازن نگهدارنده. از آنجا که جذب هیدروژن یک فرآیند گرمازا است و دفع آن گرماگیر بوده و به حرارت نیاز دارد، مخازن حالت جامد باید سیستم‌های مدیریت حرارتی سنگینی را در خود ادغام کنند که چگالی در سطح سیستم را بیش از پیش کاهش می‌دهد.[4][9]

واقعیت فیزیکی ذخیره‌سازی هیدروژن ایجاب می‌کند که هیچ راه‌حل جامعی وجود نداشته باشد و تنها مصالحه‌هایی مختص به هر کاربرد امکان‌پذیر است. مهندسان هوانوردی هدررفت انرژی در مایع‌سازی را می‌پذیرند تا جرم را به حداقل برسانند، در حالی که کامیون‌های سنگین بر فشرده‌سازی ۷۰۰ باری استانداردسازی می‌کنند تا تعادلی میان حجم و سرعت سوخت‌گیری ایجاد کنند. تا زمانی که یک پیشرفت بنیادین در علم مواد، هندسه جذب مولکولی را به طور اساسی تغییر ندهد، نسبت جرم به حجم همچنان محدودیت تعیین‌کننده اقتصاد هیدروژن باقی خواهد ماند.[7][10]