اقتصاد هیدروژن با چالش های مادی به دلیل شکنندگی مواجه است

تصور کنید آینده‌ای بدون انتشار گازهای خروجی، جایی که آسمان‌های آبی دیگر با دود کارخانه‌ها پوشیده نشده‌اند، بلکه با انرژی پاک و کارآمد هیدروژن جایگزین شده‌اند. این چشم‌انداز جذاب است و به نظر می‌رسد در دسترس است. با این حال، انرژی هیدروژن آن‌طور که تصور می‌شود رام نیست—الزامات بسیار سخت‌گیرانه‌ای را بر مواد تحمیل می‌کند. کوچک‌ترین غفلت می‌تواند منجر به عواقب جدی شود. امروز، ما به «قاتل مواد» پنهانی که در کاربردهای انرژی هیدروژن کمین کرده است، یعنی تردی هیدروژنی، می‌پردازیم و بررسی می‌کنیم که چگونه از این تله پنهان در مسیر انتقال انرژی اجتناب کنیم.

در موج جهانی انتقال انرژی، انرژی هیدروژن به عنوان «ستاره آینده» در نظر گرفته می‌شود و آرزوهای بی‌نهایتی را برای انرژی پاک به همراه دارد. این انرژی منابع متنوعی دارد و می‌تواند از طریق روش‌های مختلفی مانند الکترولیز آب، اصلاح سوخت‌های فسیلی و گازسازی زیست‌توده تولید شود. مهم‌تر از آن، احتراق هیدروژن فقط آب تولید می‌کند و به «انتشار صفر» واقعی دست می‌یابد و آن را به یک سوخت ایده‌آل تبدیل می‌کند.

چشم‌اندازهای کاربردی انرژی هیدروژن وسیع است و شامل حمل‌ونقل، تولید صنعتی، گرمایش ساختمان، ذخیره‌سازی برق و موارد دیگر می‌شود. در حمل‌ونقل، وسایل نقلیه سلول سوختی هیدروژنی به عنوان جایگزینی ایده‌آل برای خودروهای سنتی سوخت‌رسانی در نظر گرفته می‌شوند و مزایایی مانند برد طولانی، زمان سوخت‌گیری کوتاه و انتشار صفر را ارائه می‌دهند. در صنعت، هیدروژن می‌تواند به عنوان یک عامل کاهنده یا ماده اولیه مصنوعی برای ذوب فولاد و تولید مواد شیمیایی عمل کند و انتشار کربن را کاهش دهد. در ساختمان‌ها، سلول‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند برق و گرما را تأمین کنند و به خودکفایی انرژی دست یابند. در ذخیره‌سازی برق، هیدروژن می‌تواند برق اضافی را به انرژی شیمیایی برای ذخیره‌سازی تبدیل کند و سپس در صورت نیاز دوباره به برق تبدیل کند و به قطع و وصل بودن انرژی تجدیدپذیر رسیدگی کند.

با این حال، برای بهره‌برداری واقعی از انرژی هیدروژن و تبدیل «ستاره آینده» به واقعیت، باید بر مجموعه‌ای از چالش‌های فنی غلبه کنیم. در میان آن‌ها، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن پیوندهای حیاتی و از مهم‌ترین موانع در کاربردهای انرژی هیدروژن هستند. هیدروژن دارای چگالی انرژی حجمی کم، بسیار قابل اشتعال و انفجاری است و مستعد نفوذ است که ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آن را فوق‌العاده دشوار می‌کند.

در حال حاضر، روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن عمدتاً شامل ذخیره‌سازی گازی با فشار بالا، ذخیره‌سازی مایع برودتی و ذخیره‌سازی حالت جامد است. ذخیره‌سازی گازی با فشار بالا نسبتاً بالغ است، اما چگالی انرژی حجمی کمی دارد، به ظروف با فشار بالا نیاز دارد و خطرات ایمنی را به همراه دارد. ذخیره‌سازی مایع برودتی چگالی انرژی حجمی را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد، اما نیاز به خنک کردن هیدروژن تا دمای بسیار پایین (-253 درجه سانتی‌گراد) دارد که انرژی قابل توجهی مصرف می‌کند. ذخیره‌سازی حالت جامد چگالی انرژی حجمی بالایی و ایمنی خوبی را ارائه می‌دهد، اما همچنان پرهزینه و از نظر فناوری نابالغ است.

روش‌های حمل‌ونقل هیدروژن عمدتاً شامل حمل‌ونقل خط لوله، کامیون‌های تانکر و حمل‌ونقل دریایی است. حمل‌ونقل خط لوله برای حمل‌ونقل هیدروژن در مسافت‌های طولانی و در مقیاس بزرگ ایده‌آل است، اما به خطوط لوله هیدروژن اختصاصی با سرمایه‌گذاری قابل توجه نیاز دارد. کامیون‌های تانکر برای حمل‌ونقل در مسافت‌های کوتاه و در مقیاس کوچک مناسب هستند، اما ناکارآمد هستند. حمل‌ونقل دریایی برای حمل‌ونقل در مسافت‌های طولانی و در مقیاس بزرگ مناسب است، اما قبل از حمل‌ونقل نیاز به مایع‌سازی یا تبدیل هیدروژن به اشکال دیگر دارد.

چه برای ذخیره‌سازی و چه برای حمل‌ونقل، هیدروژن الزامات بسیار سخت‌گیرانه‌ای را بر مواد تحمیل می‌کند. مواد فلزی سنتی در محیط‌های هیدروژنی مستعد تردی هیدروژنی هستند که منجر به خرابی تجهیزات و حتی حوادث ایمنی می‌شود. بنابراین، توسعه مواد با عملکرد بالا که برای محیط‌های هیدروژنی مناسب هستند، یک جنبه حیاتی از کاربردهای انرژی هیدروژن است.

هیدروژن، به عنوان «عنصر شماره یک» در جدول تناوبی، کوچک‌ترین حجم اتمی و سبک‌ترین جرم را دارد. این خواص فیزیکی منحصربه‌فرد باعث می‌شود که بسیار مستعد نفوذ به داخل مواد فلزی شود و مجموعه‌ای از مشکلات را ایجاد کند. به‌ویژه در کاربردهای عملی انرژی هیدروژن، هیدروژن معمولاً به شکل مایع یا گازی وجود دارد که چالش‌های بیشتری را ایجاد می‌کند.

• تردی برودتی: هیدروژن مایع به دمای بسیار پایین -252.9 درجه سانتی‌گراد (-423 درجه فارنهایت) می‌رسد. در چنین دماهایی، شکل‌پذیری مواد فلزی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و شکننده‌تر و مستعد شکستگی می‌شود. این پدیده به عنوان تردی برودتی شناخته می‌شود.
• تردی هیدروژنی: در دمای اتاق، هیدروژن گازی به اتم‌های هیدروژن تجزیه می‌شود که به داخل فلز نفوذ می‌کنند و ریزساختار آن را تغییر می‌دهند و مقاومت و چقرمگی آن را کاهش می‌دهند و آن را مستعد شکستگی می‌کند. این همان چیزی است که ما معمولاً به عنوان «تردی هیدروژنی» از آن یاد می‌کنیم.

تردی هیدروژنی نوعی خوردگی هیدروژنی است که مقاومت فلز در برابر خستگی و شکستگی را کاهش می‌دهد. این فرآیند را می‌توان به سادگی به این صورت درک کرد: مولکول‌های هیدروژن به اتم‌های هیدروژن تجزیه می‌شوند که به داخل فلز نفوذ می‌کنند و در نقاط تمرکز تنش، مانند نوک ترک‌ها، مرزهای دانه، ناخالصی‌ها یا رسوبات جمع می‌شوند. در برخی موارد، اتم‌های هیدروژن ممکن است دوباره به مولکول‌های هیدروژن تبدیل شوند و تردی هیدروژنی را بیشتر تشدید کنند.

وقوع تردی هیدروژنی یک فرآیند فیزیکوشیمیایی پیچیده است که شامل مراحل متعددی است: جذب هیدروژن، جذب، انتشار و تجمع. اتم‌های هیدروژن ابتدا روی سطح فلز جذب می‌شوند، سپس به یون‌های هیدروژن تجزیه می‌شوند که وارد داخل فلز می‌شوند، به نقاط تمرکز تنش نفوذ می‌کنند، با اتم‌های فلز تعامل می‌کنند، ریزساختار فلز را تغییر می‌دهند و در نهایت خواص مکانیکی ماده را تخریب می‌کنند.

خطرات تردی هیدروژنی را نمی‌توان دست‌کم گرفت. این امر می‌تواند منجر به خرابی زودهنگام تجهیزات، افزایش هزینه‌های نگهداری و حتی حوادث ایمنی شود و مانع از پذیرش گسترده انرژی هیدروژن شود. به عنوان مثال، شکستگی خطوط لوله هیدروژن به دلیل تردی می‌تواند باعث نشت شود و منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شود. مخازن ذخیره‌سازی وسایل نقلیه سلول سوختی هیدروژنی که به دلیل تردی از کار می‌افتند، می‌توانند وسایل نقلیه را از کار بیندازند یا حتی باعث بروز حوادث شوند.

بنابراین، انتخاب مواد در طراحی و ساخت سیستم‌های انرژی هیدروژن بسیار مهم است. تنها موادی که مقاومت عالی در برابر تردی هیدروژنی دارند می‌توانند عملکرد ایمن و قابل اعتماد سیستم‌های انرژی هیدروژن را تضمین کنند.

بنابراین، چگونه می‌توانیم تجهیزات انرژی هیدروژن قوی و قابل اعتماد بسازیم؟ پاسخ در انتخاب مواد مناسب نهفته است! به‌ویژه، فولادهای ضد زنگ با فرمولاسیون ویژه و با کیفیت بالا می‌توانند بهتر در برابر چالش‌های ناشی از هیدروژن مقاومت کنند.

فولاد ضد زنگ یک فولاد آلیاژی است که عمدتاً از آهن تشکیل شده است و دارای عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل و مولیبدن است. کروم یک لایه اکسید متراکم روی سطح فولاد ضد زنگ تشکیل می‌دهد و از خوردگی جلوگیری می‌کند. نیکل استحکام و چقرمگی را افزایش می‌دهد، در حالی که مولیبدن مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد.

انواع مختلف فولاد ضد زنگ مقاومت متفاوتی در برابر تردی هیدروژنی نشان می‌دهند. به طور کلی، فولادهای ضد زنگ آستنیتی در برابر تردی هیدروژنی عملکرد خوبی دارند، در حالی که فولادهای ضد زنگ فریتی و مارتنزیتی مستعدتر هستند.

فولادهای ضد زنگ آستنیتی که عمدتاً از آستنیت تشکیل شده‌اند، شکل‌پذیری، چقرمگی و جوش‌پذیری خوبی را ارائه می‌دهند و باعث می‌شود که به طور گسترده در صنایع شیمیایی، نفت و مواد غذایی استفاده شوند. گریدهای رایج شامل 304، 316 و 321 است. فولادهای ضد زنگ فریتی که عمدتاً از فریت تشکیل شده‌اند، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالاتری دارند، اما شکل‌پذیری و چقرمگی کمتری دارند و باعث می‌شود که مستعد تردی برودتی و تردی هیدروژنی شوند. گریدهای رایج شامل 430 و 446 است. فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی را می‌توان از طریق عملیات حرارتی تقویت کرد و استحکام و سختی بالایی را ارائه داد، اما شکل‌پذیری و چقرمگی کمتری دارند و باعث می‌شود که مستعد تردی هیدروژنی شوند. گریدهای رایج شامل 410 و 420 است.

بنابراین، فولادهای ضد زنگ آستنیتی باید در طراحی و ساخت سیستم‌های انرژی هیدروژن در اولویت قرار گیرند. اگر باید از فولادهای ضد زنگ فریتی یا مارتنزیتی استفاده شود، باید اقدامات حفاظتی مناسب—مانند پوشش‌های سطحی یا حفاظت کاتدی—برای کاهش خطرات تردی هیدروژنی اجرا شود.

فراتر از فولادهای ضد زنگ، مواد دیگری مانند آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای تیتانیوم و آلیاژهای پایه نیکل نیز مقاومت خوبی در برابر تردی هیدروژنی نشان می‌دهند. این مواد گران‌تر هستند، اما عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند و آن‌ها را برای کاربردهای با ایمنی بالا مناسب می‌سازد.

در زیر، ما به چندین سوال متداول می‌پردازیم تا ملاحظات کلیدی در انتخاب مواد انرژی هیدروژن را بررسی کنیم.

پاسخ: تردی برودتی به کاهش شکل‌پذیری، چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی و شکستگی فلزات با کاهش دما اشاره دارد. به عبارت ساده، فلزات در دماهای پایین شکننده‌تر و مستعد شکستگی می‌شوند.

انواع مختلف فولادهای ضد زنگ مقاومت متفاوتی در برابر تردی برودتی نشان می‌دهند. فولادهای ضد زنگ آستنیتی چقرمگی خوبی را در دماهای پایین حفظ می‌کنند، در حالی که فولادهای ضد زنگ فریتی (از جمله فولادهای کم آلیاژ، فریتی یا دوبلکس) مستعدتر به تردی برودتی هستند. بنابراین، فولادهای ضد زنگ آستنیتی انتخاب ارجح برای سیستم‌های هیدروژن مایع هستند. اگر کاربرد شما نسبت به تردی برودتی بسیار حساس است، فولادهای ضد زنگ آستنیتی راه حل مناسبی هستند.

فولادهای ضد زنگ آستنیتی در برابر تردی برودتی به دلیل ساختار کریستالی مکعبی با مرکز وجه (FCC) خود مقاومت می‌کنند که شکل‌پذیری و چقرمگی خوبی را در دماهای پایین حفظ می‌کند و از شکستگی‌های شکننده جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، برخی از آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای تیتانیوم و آلیاژهای پایه نیکل نیز در برابر تردی برودتی مقاومت می‌کنند و آن‌ها را برای محیط‌های برودتی مانند ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن مایع مناسب می‌سازد.

پاسخ: تردی هیدروژنی نوعی خوردگی هیدروژنی است که مقاومت فلز در برابر خستگی و شکستگی را کاهش می‌دهد. این فرآیند را می‌توان به این صورت ساده کرد: مولکول‌های هیدروژن به اتم‌هایی تجزیه می‌شوند که به داخل فلز نفوذ می‌کنند و در نقاط تمرکز تنش مانند نوک ترک‌ها، مرزهای دانه، ناخالصی‌ها یا رسوبات جمع می‌شوند. در برخی موارد، اتم‌های هیدروژن ممکن است دوباره به مولکول‌ها تبدیل شوند و تردی را تشدید کنند.

تردی هیدروژنی شامل مراحل متعددی است: جذب هیدروژن، تجزیه، جذب، انتشار، تجمع و در نهایت شکستگی شکننده. وقوع آن به عواملی مانند فشار هیدروژن، دما، خلوص، نوع فلز، ترکیب، ریزساختار و بزرگی/فرکانس تنش بستگی دارد.

پاسخ: مواد مستعد تردی هیدروژنی، خطرات خرابی سیستم را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. به طور کلی، مواد با استحکام بالاتر مستعدتر هستند. فولادهای ضد زنگ آستنیتی، با ساختار کریستالی FCC، استحکام متوسط و شکل‌پذیری خوب، معمولاً برای محیط‌های هیدروژنی مناسب‌تر هستند. با این حال، گریدهای مختلف در مقاومت متفاوت هستند. فولادهای ضد زنگ فریتی و مارتنزیتی، به دلیل ساختارهای کریستالی و ترکیبات خود، مستعدتر به تردی هستند. فولادهای با استحکام بالا و آلیاژهای تیتانیوم نیز در محیط‌های هیدروژنی آسیب‌پذیر هستند.

استفاده از مواد نامناسب می‌تواند منجر به خرابی زودهنگام تجهیزات، هزینه‌های نگهداری بالاتر و خطرات ایمنی شود. عواقب احتمالی عبارتند از:

• خطرات ایمنی: نشت هیدروژن ممکن است باعث آتش‌سوزی یا انفجار شود.
• از کار افتادن: تعمیر یا تعویض تجهیزات، عملیات را مختل می‌کند.
• افزایش دفعات تعویض: اجزای سازنده نیاز به تغییرات مکرر دارند و هزینه‌ها را افزایش می‌دهند.
• تأثیرات زیست‌محیطی: نشت هیدروژن باعث هدر رفتن انرژی می‌شود و ممکن است به محیط زیست آسیب برساند.
• هزینه‌های عملیاتی بالاتر: هزینه‌های کلی نگهداری و عملیات افزایش می‌یابد.

پاسخ: فولادهای ضد زنگ با کیفیت بالا با محتوای نیکل بالاتر برای محیط‌های هیدروژنی مناسب‌تر هستند، به خصوص برای خدمات طولانی‌مدت. استانداردهای ASTM مستلزم آن است که فولاد ضد زنگ 316 حداقل 10٪ نیکل داشته باشد، اما برای کاربردهای هیدروژن، محتوای نیکل 12٪ عملکرد بهتری دارد. نیکل ریزساختار را تثبیت می‌کند و مقاومت در برابر تردی را افزایش می‌دهد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که فولاد ضد زنگ 316 با 12٪ نیکل، شکل‌پذیری کششی را در معرض هیدروژن به خوبی حفظ می‌کند.

نیکل آستنیت را تثبیت می‌کند و شکل‌پذیری و چقرمگی را بهبود می‌بخشد و در نتیجه مقاومت در برابر تردی را افزایش می‌دهد. همچنین انتشار هیدروژن را کند می‌کند و تجمع اتمی و خطرات تردی را کاهش می‌دهد. فراتر از محتوای نیکل، عواملی مانند خلوص، اندازه دانه و پردازش نیز بر عملکرد تأثیر می‌گذارند.

پاسخ: در بخش انرژی هیدروژن که به سرعت در حال تکامل است، انتخاب مواد پیچیده است اما حیاتی است. انتخاب‌های درست مستقیماً بر شهرت هیدروژن به عنوان یک سوخت قابل اعتماد و پایدار تأثیر می‌گذارد. انتخاب‌های ضعیف می‌تواند آینده آن را به خطر بیندازد. به دنبال تأمین‌کنندگانی باشید که تخصص عمیقی در علم مواد و موارد کاربردی موفق هیدروژن دارند. با کارشناسان مشورت کنید تا راه‌حل‌های بهینه را برای نیازهای خاص شناسایی کنید.

• خواص مکانیکی: استحکام، چقرمگی، شکل‌پذیری، مقاومت در برابر خستگی.
• مقاومت در برابر خوردگی: مقاومت در برابر هیدروژن و خوردگی الکتروشیمیایی.
• مقاومت در برابر تردی هیدروژنی: مهم‌ترین معیار عملکرد.
• هزینه: تعادل بین عملکرد و مقرون به صرفه بودن.
• قابلیت پردازش: سهولت شکل‌دهی به اجزا.
• جوش‌پذیری: سازگاری با فرآیندهای جوشکاری.

علاوه بر این، محیط‌های عملیاتی (دما، فشار، محیط) را در نظر بگیرید تا موادی را انتخاب کنید که عملکرد مناسبی را در شرایط خاص داشته باشند.

با پیشرفت فناوری انرژی هیدروژن، الزامات مواد سخت‌تر می‌شوند. مواد انرژی هیدروژن آینده در این جهت‌ها توسعه خواهند یافت:

• استحکام و چقرمگی بالا: ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
• مقاومت در برابر خوردگی هیدروژن: طول عمر سیستم را افزایش می‌دهد.
• هزینه کم: پذیرش گسترده را ترویج می‌کند.
• وزن سبک: برد وسایل نقلیه سلول سوختی را بهبود می‌بخشد.
• مواد هوشمند: قابلیت‌های خود ترمیمی و تشخیصی، ایمنی را افزایش می‌دهد.

محققان در حال بررسی مواد جدیدی مانند آلیاژهای با آنتروپی بالا، مواد نانو و بین فلزی‌ها هستند که برای کاربردهای هیدروژن آینده نویدبخش هستند.

انرژی هیدروژن، به عنوان یک منبع انرژی پاک، کارآمد و پایدار، پتانسیل زیادی دارد. با این حال، دستیابی به پذیرش در مقیاس بزرگ مستلزم غلبه بر چالش‌های فنی است که انتخاب مواد در آن محوری است. تنها با انتخاب مواد مناسب می‌توانیم سیستم‌های هیدروژنی ایمن و قابل اعتماد را تضمین کنیم و پتانسیل کامل آن‌ها را برای آینده‌ای پاک‌تر باز کنیم. بیایید با هم برای حل چالش‌های مواد و پیشبرد پذیرش جهانی انرژی هیدروژن تلاش کنیم.