Использование алюминия и воды для производства чистого водородного топлива — когда и где это необходимо

Предыдущее изображение Следующее изображение

Поскольку мир работает над отказом от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть более важную роль в секторах от транспорта и промышленности до строительства и производства электроэнергии. Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, теплогенерирующих котлах, газовых турбинах, вырабатывающих электроэнергию, системах хранения возобновляемой энергии и т. д.

Но хотя использование водорода не приводит к выбросам углекислого газа, его производство обычно приводит к этому. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов, основанных на ископаемом топливе, которые в совокупности генерируют более 2 процентов всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте, а потребляется в другом, что означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.

Многообещающая реакция

Другой вариант получения водорода имеет, возможно, неожиданный источник: реакцию алюминия с водой. Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его прямой контакт с водой.

Использование реакции алюминия с водой для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки в любом месте, где есть доступная вода. Просто переместите алюминий, а затем прореагируйте на него водой на месте. «По сути, алюминий становится механизмом хранения водорода, причем очень эффективным», — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем «хранить» водород с плотностью, которая в 10 раз выше, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».

Две проблемы не позволяют использовать алюминий в качестве безопасного и экономичного источника водорода. Первая проблема заключается в том, чтобы алюминиевая поверхность была чистой и готовой к реакции с водой. С этой целью практическая система должна включать средства сначала модификации оксидного слоя, а затем предотвращения его повторного формирования по мере прохождения реакции.

Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия энергозатратны, поэтому любой практический подход требует использования алюминиевого лома из различных источников. Но алюминиевый лом – не простой исходный материал. Обычно он встречается в легированной форме, то есть содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей. Например, добавление магния увеличивает прочность и устойчивость к коррозии, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.

Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить налипание оксидного слоя на поверхность алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество водорода? генерируется и скорость, с которой она генерируется?

«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода в практическом применении, нам нужно иметь возможность лучше предсказывать, какие характеристики генерации водорода мы собираемся наблюдать по реакции алюминий-вода», — говорит Лорин Меруэ, доктор философии '20. , получившая докторскую степень в области машиностроения.

Поскольку фундаментальные этапы реакции до конца не изучены, было трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Поэтому Харт, Меруэ и Томас В. Игар, профессор материаловедения и инженерного менеджмента на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов на реакцию алюминия с водой. и о перспективном методе предотвращения образования мешающего оксидного слоя.