Prace nad technologiami wodorowymi wykorzystującymi specyficzne struktury biologiczne do produkcji sorbentów węglowych

W ramach prac rozwojowych BEP-SA prowadzi intensywne prace w kierunku opracowania innowacyjnych materiałów powstających z naturalnych surowców roślinnych , takich jak liście Paulownii i inne o specyficznych cechach budowy morfologicznej ,możliwe do pozyskania na masową skalę ,pozwalających na uzyskanie z nich supersorbentów węglowych i zastosowania ich w technologiach związanych z e-mobilnością i magazynowaniem wodoru.

Technologia H-Max Sorbents:

1. Wsady do pirolizy z rozwiniętymi naturalnymi strukturami przestrzennymi (mikro-porami; mikro-kanalikami ) o powierzchni co najmniej 2000 m2/g.
2. Tworzenie sorbentów o otwartej porowatości z naturalnymi mikro - kanalikami ( koncepcja naturalnych nanorurek)
3. Wprowadzenie do struktury przyszłego sorbentu już na etapie formowania wsadu katalitycznych dodatków promujących sorpcję wodoru.

Wymienione innowacyjne rozwiązania stanowią własność BEP S.A. chronioną aktualnymi i przygotowywanymi kolejnymi zgłoszeniami patentowymi.

Mechanizm sorpcji zgodnie z wynalazkiem :

1. Dysocjacja H2 na cząstce katalizatora metalicznego
2. Migracja wodoru do struktury metalu
3. Dyfuzja wodoru w strukturę sorbentu ( korzystnie węglowego)

Technologia wytwarzania Sorbentu H-Max będąca wyłączną własnością BEP S.A.

Cykliczne magazynowanie  i uwalnianie  wodoru  jako nośnika  energii; gromadzenia i uwalniania ładunków elektrycznych w  superkondensatorach  ( niezbędnych w technologiach transportu elektro-mobilnego );   bezpośrednie wytwarzania energii elektrycznej z węgla w ogniwach węglowych wymaga uprzedniego wdrożenia w skali wielkoprzemysłowej technologii produkcji  supersorbentów węglowych i węgli aktywnych.

Rozwój transportu elektromobilnego ( bazującego na super i – hiper - kondensatorach ), transportu opartego na paliwie wodorowym jak i przyszłościowego bezpośredniego wytwarzanie elektryczności w oparciu o ogniwa węglowe jest niemożliwy bez stworzenia specyficznych dla każdego z wymienionych obszarów produktów węglowych w tym zwłaszcza węgli sorpcyjnych o bardzo rozwiniętych powierzchniach.

Zbiornik ciśnieniowy na wodór (Compressed hydrogen gas tank)

Problem: wpasowanie zbiornika w wolne przestrzenie pojazdu

Technologia ENERGETYCZNEJ Przyszłości H-Max Sorbents

Świat 21 wieku potrzebuje coraz więcej energii. Dotychczasowe metody jej wytwarzania z tradycyjnych surowców energetycznych rodzą określone konsekwencje w postaci rosnącego zanieczyszczenia środowiska. Spalanie paliw kopalnianych w wytwarzaniu energii elektrycznej oraz w transporcie wprowadza do środowiska szereg niepożądanych czynników.

Rozwijane są nowe technologie mające ograniczyć szkodliwe emisje i tworzą się nowe tendencje w zakresie środków transportu i energetyki które mają te emisje radykalnie zmniejszyć. Obserwujemy burzliwy rozwój samochodów elektrycznych i wszelkiego rodzaju technologii związanych z magazynowaniem energii.

Powoduje to rozwój w warunkach ścisłej synergii następujących obszarów technologicznych:

• Wytwarzanie, magazynowanie i uwalnianie wodoru.
• Wytwarzania superkondensatorów pozwalających na wielokrotne pobieranie i oddawanie ładunków elektrycznych.
• Stworzenie magazynów buforowych dla energii pozyskiwanej z niestabilnych źródeł odnawialnych ( wiatraki, fotowoltaika, biogazownie).
• Oparcie transportu na energii elektrycznej zgodnie z koncepcją elektromobilności.

Wodór niezależnie od postaci uznawany jest   nośnikiem energii dwudziestego pierwszego wieku. Odpowiednio zmagazynowany w połączeniu z wysoce wydajnymi ogniwami paliwowymi (PEM - Proton Exchange Membrane) stanowi jedno z najbardziej obiecujących źródeł energii w przyszłościowym transporcie i energetyce.

W przypadku stworzenia przemysłu tanich sorbentów może stać się nieodzownym ogniwem buforowym w procesie magazynowania energii elektrycznej z niestabilnych źródeł odnawialnych ( fotovoltaika, farmy wiatrowe i biogazownie).

Innowacyjne technologie wytwarzania sorbentów H-Max Sorbents i Accu-Max Carbons są w przekonaniu BEP S.A. unikalną szansą na wpasowanie się polskiego przemysłu w dominujące trendy rozwoju energetyki przyszłości.

Sorbenty węglowe wodoru wykorzystują obszar przejściowy stanów skupienia wodoru : CIECZ <> GAZ

Adsorpcja cząstek wodoru na powierzchni sorbentu nie wymaga wcześniejszej zmiany stanu skupienia z gazowego na ciekły co pozwala na oszczędność energii niezbędnej do skraplania wodoru.

Dominujace metody przechowywania wodoru:

Ciekły wodór (LH2)

WADY:

• Wysokie koszty energetyczne skraplania sięgające 30% jego wartości opałowej.
• Kosztowny proces upłynniania ze względu na wysokie ciśnienia i koszty schładzania.
• Produkcja  na małą skalę niepraktyczna.
• Wysokie koszty dystrybucji.
• Wytwarzanie i magazynowanie opłacalne tylko w dużej skali i głownie w przypadkach systemów magazynowania
• Zdolność przenikania przez ścianki zbiorników metalowych ( zapobieganie wybuchom w zamkniętych pomieszczeniach składowania).
• Możliwość strat podczas składowania w wyniku przenikania przez metalowe ścianki zbiorników.
• Bardzo kosztowne materiały na zbiorniki.
• Trudne dopasowanie kształtu zbiorników do dostępnych wolnych przestrzeni strukturalnych w pojazdach.

ZALETY:

• Dobry współczynnik wykorzystania przestrzeni zbiorników
• Szybki proces napełniania i opróżniania
• Opanowane procedury bezpieczeństwa składowania

Odnośniki:

1. Zbiornik ciekłego wodoru (LH2)
2. Pokrywa zbiornika
3. Układ podłączenia zbiornika do systemu zasilania zewnętrznego
4. Przewód rurowy z zaworem bezpieczeństwa
5. Kapsuła uzupełniająca z układem wymiennika ciepła i układem kontroli parametrów roboczych zbiornika.
6. Układ hybrydowy silników napędowych
7. Układ kontroli zasilania wodorem
8. Układ rozprężania i dystrybucji wodoru
9. Zbiornik benzyny
10. Zawór kontroli ciśnienia

CEL ZNANY NATOMIAST NADAL ISTNIEJE WIELE NIE ROZWIĄZANYCH PROBLEMÓW SZANSE POLSKI W OBSZARACH NISZOWYCH TAKICH JAK WYTWARZANIE SUPERSORBENTÓW

• Zbiorniki sprężonego wodoru
• Zbiorniki ciekłego wodoru
• Zbiorniki sprężonego wodoru schładzane w warunkach kriogenicznych
• Brak możliwość uzupełniania wodoru w pojeździe

• Możliwość uzupełniania wodoru w pojeździe

DOMINUJĄCE TECHNOLOGIE MAGAZYNOWANIA WODORU

Dla wszystkich wymienionych kierunków pierwotnym wyzwaniem technologicznym i technicznym są technologie związane z magazynowaniem energii jak również jej nośników takich jak wodór.

Wodór jest najpopularniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie i jednocześnie doskonałym nośnikiem energii. Jego spalanie dostarcza czystej energii, a jedynym produktem jest czysta woda. Można by go nazwać paliwem doskonałym gdyby nie pewne cechy, które w znacznym stopniu komplikują jego zastosowanie. Główny to niska gęstość energii której jest nośnikiem.

10 kg wodoru odpowiada przy bezpośrednim spalaniu ok. 40 litrom paliwa węglowodorowego Stosowanie go w wodorowych ogniwach paliwowych dzięki dwukrotnie wyższej efektywności energetycznej ogniw poprawia tą proporcje na 5 kg wodoru zamiast 40 litrów. Wydaje się to małą ilością , gdyby nie fakt iż wodór w formie skroplonej to ok. 70 kg na 1m3 , zaś w formie gazowej sprężony do ciśnienia 350 atmosfer to ok. 30 kg/m3. Podniesienie ciśnienia do ekstremalnych 700 atm. zwiększa tą ilość do ok 40 kg/m3.

WYTWARZAĆ CZY ODTWARZAĆ STRUKTURY DOSTĘPNE W NATURZE?

Skraplanie, przechowywanie i wykorzystywanie wodoru to dodatkowy wydatek energetyczny ( na skraplanie tracimy do 30% jego energii) oraz konieczność przechowywania go w temperaturach ok.20 ^oK ( -253 ^o C ).

W przypadku składowanie go w zbiornikach ciśnieniowych niezbędne jest stosowanie superwytrzymałych materiałów kompozytowych w ściankach zbiornika.

Stal nadaje się do ciśnień do 200 atmosfer a dodatkowo wodór, którego atomy są najmniejsze wśród pierwiastków przenika z czasem przez ścianki stalowe powodując straty i wytwarzając dodatkowe zagrożenie w pomieszczeniach zamkniętych.

Chiyoda’s SPERA Hydrogen® Technology

 Chiyoda’s SPERA Hydrogen® Technology to metoda chemicznego wiązania wodoru w rozpuszczalniku organicznym. Opracowana przez Japonczyków metoda służy do transportu wodoru na dużą skalę od miejsc jego wytwarzania do punktów końcowego odbioru(np. statkami). Wodór wiąże się w reakcjach katalitycznych z Toluenem do postaci Metylcykloheksanu a następnie na drodze odwrotnej reakcji odzyskuje się wodór. Metoda ta niestety nie jest do zastosowania na mniejszą skalę.

POMIJANY OBSZAR ROZWOJOWY W TECHNOLOGIACH WYTWARZANIA SUPERSORBENTÓW – WYKORZYSTANIE JUŻ ISNIEJĄCYCH W NATURZE TKANEK ROŚLINNYCH I ZWIERZĘCYCH O POŻĄDANYCH STRUKTURACH PRZYKŁADOWE STRUKTURY WYSTĘPUJĄCE W NATURZE

Niektóre z nich takie jak MgH czy nanomateriały węglowe oparte o grafen, nanorurki czy fulereny węglowe potrafią absorbować powyżej 10% wagowych, co jest doskonałym rezultatem, jednakże z jednej strony niska  dostępność tych materiałów, ich koszt  jak i specyficzne własności takie jak                        wysokie temperatury dysocjacji wodoru w wodorkach metali  (300o C) powodują iż aktualne  możliwość ich masowego stosowania są  znikome.

Wśród materiałów absorbujących wodór  grupą posiadającą jeden z  największych potencjałów rozwojowych są specyficzne sorbenty węglowe i węgle aktywne zdolne w efektywny i powtarzalny sposób magazynować  i uwalniać wodór i ładunki elektryczne.

porównanie gęstości atomów wodoru w różnych stanach skupienia

W ramach prowadzonych przez nas badań i prac koncepcyjnych dokonaliśmy kilku zgłoszeń patentowych dotyczących metod wytwarzania materiałów węglowych o wysoko rozwiniętych powierzchniach powstających w wyniku przetwarzania wyselekcjonowanej biomasy roślinnej bądź zwierzęcej, która w swojej budowie posiada naturalne struktury morfologiczne przypominające sztucznie wytwarzane materiały nanowęglowe.

Dzięki opracowaniu specyficznych procesów przygotowania wsadu i w pełni kontrolowanych procedur wytlewania, pirolizy i aktywacji możliwe będzie otrzymywanie sorbentów o powierzchniach właściwych ponad 2000 m²/gram, zachowujących w sobie jednocześnie naturalne i specyficzne dla materiału nanostruktury wewnętrzne.

Pozwolą one na lepsze i bardziej wydajne przepływy wodoru wewnątrz sorbentu a tym samym sorpcje i desorpcje na poziomach wymaganych do zastosowań energetycznych

Istnienie wewnętrznych magistrali po których przemieszczać się może wodór, połączone z możliwą implementacją nanocząsteczek metali takich jak pallad, srebro czy złoto do struktury sorbentu stwarzając swego rodzaju nano – pompki wodorowe stworzy możliwość na uzyskanie poziomów adsorpcji porównywalnych z nanomateriałami węglowymi czy wodorkami metali a w pewnych parametrach je przewyższać.

Zaletą naszych sorbentów będzie możliwość ich wytwarzania na masową skalę i szybkiego wdrożenia w realnych komercyjnych zastosowaniach. W istotny sposób powinny one obniżyć koszty magazynowania wodoru - głównej przeszkody w wielu technologiach wodorowych.

Wymogi dotyczące zbiorników na wodór dla samochodów osobowych

• Możliwość zmagazynowania 5-7 kg wodoru pozwalająca przejechać 500-700 km
• Mała objętość zbiornika (maks – 200l)
• Jak najlżejsze
• Niskie ciśnienie pracy (-25 atm)
• Niska temperatura pracy – maks 80 C
• Małe ciepło wydzielane przy ładowaniu/rozładowaniu
• Duża gęstość wodoru w stosunku do masy całego zbiornika
• Wytrzymałość mechaniczna
• Bezpieczeństwo
• Krótki czas ładowania – 5 min.

Podstawowe kierunki i cele naszych  badań i działań to szybka komercjalizacja  mająca doprowadzić do: 

• powstanie prototypu samochodowego zbiornika wodoru o pojemności 4-6 kg H2,
• budowy superkondensatorów o bardzo dużej pojemności możliwych do zastosowań w e-mobilności,
• uzyskanie  porowatych  materiałów węglowych  będących nośnikami katalizatorów w wodorowych ogniwach paliwowych do zastosowań w e-mobilności,