将氢储存在煤中可能有助于推动清洁能源经济

开发氢作为清洁能源以抑制我们对化石燃料的依赖的探索可能会带来一个意想不到的地方——煤炭。宾夕法尼亚州立大学的一组科学家发现，煤炭可能代表一种潜在的储存氢气的方式，就像电池储存能量以备将来使用一样，解决了发展清洁能源供应链的主要障碍。

“我们发现煤可以成为这种地质氢电池，”宾夕法尼亚州立大学能源与矿产工程副教授刘世民说。“你可以注入并储存氢能，并在你需要使用它的时候把它放在那里。”

氢气是一种清洁燃烧的燃料，有望用于我们经济中能源最密集的部门——运输、发电和制造业。但科学家们表示，要建设氢基础设施并使其成为一种负担得起且可靠的能源，还有很多工作要做。

这包括开发一种储存氢的方法，这种方法目前既昂贵又低效。科学家们说，地质构造是一个有趣的选择，因为它们可以储存大量的氢气，以满足每天或季节性变化的能源需求的高峰和低谷。

“对煤炭进行了充分研究，近半个世纪以来，我们一直在商业化地从煤炭中生产天然气，”刘说。“我们明白了。我们有基础设施。我认为煤炭将是进行地质储氢的合乎逻辑的地方。”

为了对此进行测试，科学家们分析了来自各地煤田的八种煤，以更好地了解它们的吸附和扩散潜力，或者它们可以容纳多少氢气。

科学家们在《应用能源》杂志上报道说，所有八种煤都显示出相当大的吸附特性，来自弗吉尼亚州东部的低挥发性烟煤和宾夕法尼亚州东部的无烟煤在测试中表现 最好。

“我认为从科学的角度来看，煤炭极有可能成为地质封存的最佳选择，”刘说。“我们发现煤炭优于其他地层，因为它可以容纳更多，它拥有现有的基础设施，并且在全国和人口稠密地区附近广泛使用。”

枯竭的煤层气储层可能是最好的选择。这些煤层含有甲烷等非常规天然气，在过去几十年中已成为化石燃料能源的重要来源。甲烷在称为吸附的过程中粘附在煤的表面。

同样，将氢气注入煤中会导致气体吸收或粘附在煤上。科学家们说，这些地层的顶部通常有一层页岩或泥岩，起到密封作用，将甲烷(在这种情况下为氢气)密封起来，直到需要时再抽出。

“很多人把煤定义为岩石，但它实际上是一种聚合物，”刘说。“它的碳含量很高，有很多小孔，可以储存更多的气体。因此，与其他非碳材料相比，煤就像一块海绵，可以容纳更多的氢分子。”

科学家们设计了特殊的设备来进行实验。与其他吸附气体(如甲烷和二氧化碳)相比，煤与氢的亲和力较弱，因此用于确定吸附的传统加压设备不起作用。

“我们做了一个非常新颖且非常具有挑战性的设计，”刘说。“花了数年时间才弄清楚如何正确地做到这一点。我们必须根据我们以前在煤和页岩方面的经验，正确设计一个实验系统，反复试验。”

根据他们的结果，科学家们确定无烟煤和半无烟煤是枯竭煤层储氢的良好候选者，而低挥发性烟煤更适合瓦斯煤层。

在煤矿社区开发储氢可以为这些地区带来新的经济机会，同时也有助于建立国家的氢基础设施。

“在能源转型中，煤炭社区在经济上受到的影响最大，”刘说。“这无疑是重新利用煤炭地区的机会。他们已经拥有专业知识——能源工程师和技能。如果我们能够建设基础设施并改变他们的经济机会——我认为这是我们应该考虑的事情。”

科学家们说，未来的工作将集中在煤的动态扩散率和动态渗透率上，这些特性决定了氢气注入和抽出的速度。

“我认为宾夕法尼亚州立大学是进行所有这些研究的合适地点——我们拥有煤炭储量，我们拥有天然气，我们拥有大学的工程和经济专业知识，”刘说。“这是这样做的合乎逻辑的地方。”