Начнем с начала: что такое водород и в чем его хранят

Начнем с начала: что такое водород и в чем его хранят.

  • Был на сайте 05.07.2012
  • Место положения Не указано
  • Зарегистрирован 07.02.2012
  • Екатерина Полутина
  • 06.04.2012
  • 21:28

Это моя вторая запись из цикла «Живые хроники одного стартапа». С первой записи прошло почти две недели, и мне есть чем поделиться.

Уважаемые читатели! Кто-нибудь из вас хоть раз в жизни видел молекулу водорода? Или может быть атомарный водород? Или возможно протон Н+? Признаюсь, я видела водород только пару раз в жизни, когда на лабораторных работах по химии мы бросали цинк в соляную кислоту и наблюдали бурное выделение пузырьков газа. Это было занимательно, но тогда мы не задумывались, что этот выделяющийся газ можно собирать, хранить и использовать как топливо.

На сегодняшний день реализованы различные методы хранения водорода:
Физические:
Сжатый газообразный водород в газовых баллонах; стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары; хранение в трубопроводах; хранение в стеклянных микросферах.
Жидкий водород в стационарных и транспортных криогенных контейнерах.

Химические:
Адсорбционный: цеолиты и родственные соединения; активированный уголь; углеводородные наноматериалы.
Абсорбция в объёме материала — металлогидриды;
Химическое взаимодействие: алонаты; фуллерены и органические гидриды; аммиак; губчатое железо; водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Хранение газообразного водорода

Это не является более сложной проблемой, чем хранение природного газа. На практике для этого применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары, хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через буровые скважины.

Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 МПа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, расчитанных на давление до 40 – 70 МПа.

Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.

Газообразный водород возможно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 МПа. Такие ёмкости можно подвозить к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 1 кг водорода требуются болоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8 – 10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2 – 3% от массы самого баллона.

Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали. Рабочее давление в них обычно не превышает 10 МПа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного, например, до сотен МПа, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

Для хранения очень больших количеств водорода экономически эффективным является способ хранения в истощённых газовых и водоносных пластах. В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа.

Хранение жидкого водорода

Среди многих уникальных свойств водорода, которые важно учитывать при его хранении в жидком виде, одно является особенно важным. Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К, когда он переходит в твёрдое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.

Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды, которые заполняют жидким водородом, следует предварительно охладить до температуры, близкой к точке кипения водорода, только после этого можно заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание ёмкости.

Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Стоимость и энергосодержание испаряющегося газа значительны. Поэтому организация использования этого газа с точки зрения экономики и техники безопасности необходимы. По условиям безопасной эксплуатации криогенного сосуда необходимо, чтобы после достижения максимального рабочего давления в ёмкости газовое пространство составляло не менее 5 %.

К резервуарам для хранения жидкого водорода предъявляют ряд требований:
— конструкция резервуара должна обеспечивать прочность и надёжность в работе, длительную безопасную эксплуатацию;
— расход жидкого водорода на предварительное охлаждение хранилища перед его заполнением жидким водородом должен быть минимальным;
— резервуар для хранения должен быть снабжён средствами для быстрого заполнения жидким водородом и быстрой выдачи хранимого продукта.

Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4 – 5 раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 МПа.

Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м3. Крупное шарообразное хранилище для жидкого водорода объёмом 2850 м3 имеет внутренний диаметр алюминиевой сферы 17,4 м3.

Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии.

Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме аммиака, метанола, этанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объёмного содержания водорода. Однако в этих формах хранения водорода среда хранения используется однократно. Температура сжижения аммиака 239,76 К, критическая температура 405 К, так что при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 Мпа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде.

В диссоциаторах для разложения аммиака (крекерах), которое протекает при температурах примерно порядка 1173 – 1073 К и атмосферном давлении, используется отработанный железный катализатор для синтеза аммиака. Для получения одного кг водорода затрачивается 5,65 кг аммиака. Что касается затрат тепла на диссоциацию аммиака при использовании этого тепла со стороны, то теплота сгорания полученного водорода может до 20% превосходить теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. Если же для процесса диссоциации используется водород, полученный в процессе, то КПД такого процесса (отношение теплоты полученного газа к теплоте сгорания затраченного аммиака) не превышает 60 – 70%.

Водород из метанола может быть получен по двум схемам: либо методом каталитического разложения:
СН3ОН = СО + 2 Н2 – 90 кДж
с последующей каталитической конверсией СО, либо каталитической паровой конверсии в одну стадию:
Н2О + СН3ОН = СО2 + 3 Н2 – 49 кДж.

Обычно для процесса используют цинк-хромовый катализатор синтеза метанола. Процесс протекает при 573 – 673 К. Метанол можно использовать как горючее для процессов конверсии. В этом случае КПД процесса получения водорода составляет 65 – 70% (отношение теплоты полученного водорода к теплоте сгорания затраченного метанола); если теплота для процесса получения водорода подводится извне, теплота сгорания водорода, полученного методом каталитического разложения, на 22%, а водорода, полученного методом паровой конверсии, на 15% превосходят теплоту сгорания затраченного метанола.

Гидридная система хранения водорода

В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода. Отпадают расходы на конверсию и сжижение водорода.
Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и диссоциации.

Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Однако этот процесс практически необратим. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида.

Стационарные устройства для хранения водорода в форме гидридов не имеет строгих ограничений по массе и объёму, поэтому лимитирующим фактором выбора того или иного гидрида будет, по всей вероятности, его стоимость. Для некоторых направлений использования может оказаться полезным гидрид ванадия, поскольку он хорошо диссоциирует при температуре, близкой в 270 К. Гидрид магния является относительно недорогим, но имеет сравнительно высокую температуру диссоциации 560 – 570 К и высокую теплоту образования. Железо-титановый сплав сравнительно недорог, а гидрид его диссоциирует при температурах 320 – 370 К с низкой теплотой образования. Использование гидридов имеет значительные преимущества в отношении техники безопасности. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый жидководородный танк или сосуд высокого давления, заполненный водородом.

Наиболее перспективным веществом для хранения водорода является боргидрид лития LiBH4. Это вещество способно удерживать до 18% водорода по массе. Существенным недостатком этого соединения является высокая температура (300 С) при которой боргидрид разлагается и высвобождает водород.

Другие материалы для хранения водорода

Материалы для хранения водорода — достаточно интересная и многообещающая тема в современном мире. Именно поэтому многие ученые работают в этом направлении. Если просмотреть много-много статей за последние пять-шесть лет, то можно найти различные варианты разработанных металлогидридных, полимерных или углеродных композитных материалов для хранения водорода.

Надо признать, что углеродные материалы прочно укрепились в этой области как приоритетные. Это и нанортубки, и графен, и фуллерены. Попадаются среди них и специфические ,вроде карбонизированных волокон куриных перьев.

Идея ученых заключается в том, что структура кератина (белка, из которого в основном состоят волокна куриных перьев) при процедуре карбонизации становится гораздо более пористой, чем в обычном состоянии, и белок становится способным поглощать и удерживать большое количество водорода.

Авторы посчитали, что применение карбонизированных волокон куриных перьев более эффективно в хранении водорода, чем углеродные нанотрубки или гидриды металлов.
К тому же куриные перья – дешевый материал.

Мы разобрали все возможные на сегодняшний день варианты хранения водорода. А для чего же его хранить, да еще и в больших количествах? Конечно, для использования в топливных элементах.

Читайте также  Как полностью удалить Microsoft Edge в Windows 10

Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:

• они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию).

• химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке).

• они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).

• у топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).

• высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80%.

• КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.

• ёмкость в несколько раз выше, чем в существующих аккумуляторах.

• полное отсутствие экологически вредных выбросов. Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).

Проблемы топливных элементов

• Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия “упакованного” водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично — курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H2S (сероводород), которые отравляют катализатор.

• Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл — платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.

• Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло — производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.

Все потребители водорода условно разделяются на три большие группы. К первой относятся те, которые используют для производства конечного продукта природные топлива, производят из них водород и применяют его на месте в цикле наряду с побочным производством других продуктов. Целесообразность замены привычных производственных технологий определяется при сравнении конечных затрат.

Вторую группу составляют потребители товарного водорода. В связи с переходом на безотходную переработку нефти возможно значительное увеличение потребности в товарном водороде.

В третью группу входят новые возможные потребители водорода: автотранспорт, авиация, пиковые электростанции, автономные энергосистемы, установки прямого восстановления металлов из руд и т. п. В далекой перспективе эта третья категория потребителей может стать основной.

Источник:
http://www.rusnor.org/network/social/user/10140/blog/113/

Изобретен материал для хранения водорода даже в кармане

Экология потребления.Наука и техника: Водород имеет большой потенциал в качестве будущего источника экологически чистой энергии.

Водород имеет большой потенциал в качестве будущего источника экологически чистой энергии. Проблема состоит в том, что газообразный водород трудно безопасно хранить и перевозить. Интенсивность, с которой он горит, сделала жидкий водород топливом для космической промышленности, для этого он должен быть сжиженным при очень низких температурах. В настоящее время японская исследовательская группа изобрела компактный, гибкий полимер, который может быть использован для создания пластикового контейнера в котором водород можно безопасно носить даже в кармане.

Исследователи по всему миру искали в течение долгого времени наилучший способ хранения водорода, для того что бы более широко применять его в качестве источника топлива. На данном этапе основное внимание уделяется разработке компактного хранения водорода для автомобильной промышленности, а также для других небольших мобильных устройств. Современные автомобили на водородных топливных элементах, такие как Honda Clarity Fuel Cell, не сжигают водород, а химически преобразовывают газообразный водород с кислородом из воздуха для выработки электроэнергии, причем водород хранится в дорогих резервуарах под высоким давлением, которые созданы, чтобы выдерживать экстремальные нагрузки.

Это где новый полимер найдет применение? Исследователи Университета Васэда (The Waseda University) скоро докажут что их новый кетон — спиртовый полимер безопасен даже при наполнении газообразным водородом.

Открытие было на основании недавних исследований водородпоглащающих органических соединений, которые показали потенциал в качестве практического способа хранения водорода, поскольку соединения могут безопасно и обратимо храненить водород путем образования химических связей с нем.

Материал, найденый в университете Васэда, был создан путем разработки полимера из кетона под названием флуорен — органическое соединение, которое используется для производства противомалярийных препаратов.

Полимер может быть отлит в виде пластикового листа, и может фиксировать водород с помощью простого электролитического гидрирования при — 1,5 В (по сравнению с Ag / AgCl) в воде при комнатной температуре. При нагревании до 80 ° C (176 ° F) с жидким иридиевым катализатором, флуореновый полимер высвобождает водород.

Таким образом, есть основания смотреть в будущее с оптимизмом — полученный полимер безопасен и прост в обращении, легко принимает нужную форму, прочный, негорючий и обладает низкой токсичностью. Его можно проводить через повторяющиеся циклы фиксации и выделения водорода в мягких условиях без значительных потерь.

Это означает, что в будущем полимер может быть использован для создания пластиковых контейнеров для водорода, которые можно носить в кармане. Его потенциальные возможности впечатляют — например, он может быть использован транспортировки водорода и использования картриджей в качестве источника топлива для транспортных средств и других устройств, а также для создания систем подачи водорода для домов, предприятий и удаленных исследовательских баз на Луне или Марсе . опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник:
http://econet.ru/articles/143261-izobreten-material-dlya-hraneniya-vodoroda-dazhe-v-karmane

Как хранить водород в домашних условиях

Экология потребления.Наука и техника: Водород имеет большой потенциал в качестве будущего источника экологически чистой энергии.

Водород имеет большой потенциал в качестве будущего источника экологически чистой энергии. Проблема состоит в том, что газообразный водород трудно безопасно хранить и перевозить. Интенсивность, с которой он горит, сделала жидкий водород топливом для космической промышленности, для этого он должен быть сжиженным при очень низких температурах. В настоящее время японская исследовательская группа изобрела компактный, гибкий полимер, который может быть использован для создания пластикового контейнера в котором водород можно безопасно носить даже в кармане.

Исследователи по всему миру искали в течение долгого времени наилучший способ хранения водорода, для того что бы более широко применять его в качестве источника топлива. На данном этапе основное внимание уделяется разработке компактного хранения водорода для автомобильной промышленности, а также для других небольших мобильных устройств. Современные автомобили на водородных топливных элементах, такие как Honda Clarity Fuel Cell, не сжигают водород, а химически преобразовывают газообразный водород с кислородом из воздуха для выработки электроэнергии, причем водород хранится в дорогих резервуарах под высоким давлением, которые созданы, чтобы выдерживать экстремальные нагрузки.

Это где новый полимер найдет применение? Исследователи Университета Васэда (The Waseda University) скоро докажут что их новый кетон – спиртовый полимер безопасен даже при наполнении газообразным водородом.

Открытие было на основании недавних исследований водородпоглащающих органических соединений, которые показали потенциал в качестве практического способа хранения водорода, поскольку соединения могут безопасно и обратимо храненить водород путем образования химических связей с нем.

Материал, найденый в университете Васэда, был создан путем разработки полимера из кетона под названием флуорен – органическое соединение, которое используется для производства противомалярийных препаратов.

Полимер может быть отлит в виде пластикового листа, и может фиксировать водород с помощью простого электролитического гидрирования при – 1,5 В (по сравнению с Ag / AgCl) в воде при комнатной температуре. При нагревании до 80 ° C (176 ° F) с жидким иридиевым катализатором, флуореновый полимер высвобождает водород.

Таким образом, есть основания смотреть в будущее с оптимизмом – полученный полимер безопасен и прост в обращении, легко принимает нужную форму, прочный, негорючий и обладает низкой токсичностью. Его можно проводить через повторяющиеся циклы фиксации и выделения водорода в мягких условиях без значительных потерь.

Это означает, что в будущем полимер может быть использован для создания пластиковых контейнеров для водорода, которые можно носить в кармане. Его потенциальные возможности впечатляют – например, он может быть использован транспортировки водорода и использования картриджей в качестве источника топлива для транспортных средств и других устройств, а также для создания систем подачи водорода для домов, предприятий и удаленных исследовательских баз на Луне или Марсе . опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 Мпа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, расчитанных на давление до 40 – 70 Мпа.

Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры) , поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры) , газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления) . Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.

Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3000 м3 – около 1,65%, а вместимостью от 3000 м3 и более – около 1,1% в сутки (считая на номинальный объём газгольдера) .

Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.

Газообразный водород возможно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 Мпа. Такие ёмкости можно подвозить к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.

Для хранения и перевозки небольших количеств сжатого водорода при температурах от –50 до +60 0С используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 дм3 и средней ёмкости 20 – 50 дм3 с рабочим давлением до 20 Мпа. Корпус вентиля изготавливают из латуни. Баллоны окрашивают в тёмно-зелёный цвет, они имеют красного цвета надпись “Водород”.

Читайте также  25 приемов для порядка в детском шкафу - Идеальный Гардероб

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг Н2 требуются болоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8 – 10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2 – 3% от массы самого баллона.

При крупномасштабном использовании водорода требуются безопасные и эффективные системы его централизованного хранения [14]. Водород может храниться в жидком виде при его охлаждении до -253 °С. Для охлаждения водорода до этой температуры требуется затратить около одной трети содержащейся в нем энергии (11 кВт-ч/кг Н2), а для создания криогенных устройств необходимы специальные материалы и технологии. Водород может также быть запасен в виде газа. Этот процесс требует для сжатия водорода меньше энергии, чем для его ожижения (табл. 10.1). Водород в газовой фазе может быть накоплен в подземных полостях, месторождениях природного газа. Так, при испытаниях российских ЯРД для хранения использовались подземные емкости, водород в них содержался под давлением 90 атмосфер.

Классификация методов хранения водорода

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы.

Первая группа включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2, слабо взаимодействующих со средой хранения. На сегодня реализованы следующие физические методы хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

  • — газовые баллоны;
  • — стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;
  • — хранение в трубопроводах;
  • — стеклянные микросферы.

Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

Вторая группа включает химические методы, в которых хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Данные методы характеризуются сильным взаимодействием молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения и являются следующими:

  • — цеолиты и родственные соединения;
  • — активированный уголь;
  • — углеводородные наноматериалы.

Абсорбция в объеме материала (металлогидриды).

  • — алонаты;
  • — фуллерены и органические гидриды;
  • — аммиак;
  • — губчатое железо;
  • — водореагирутощие сплавы на основе алюминия и кремния.

Удельные показатели пяти способов хранения

Удельное потребление энергии, кВт•ч/кг Н2

Удельный объем хранения, дм 3 /кг Н2

Удельная масса хранения, кг/кг Н2

Источник:
http://yargeo.com/kak-hranit-vodorod-v-domashnih-uslovijah/

Технологии и способы хранения водорода

Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из ключевых проблем развития водородной энергетики. Сложность этой задачи определяется тем, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов. Достаточно сказать, что в жидком и твердом состояниях водород более чем на порядок легче воды и на порядок легче бензина.

Наиболее известный способ хранения водорода — это хранение в сжатом состоянии. По своим массогабаритным характеристикам и по характеристикам взрывопожаробезопасности он не полностью удовлетворяет условиям эксплуатации в наземном транспорте и в морских условиях, особенно на подводных кораблях и аппаратах.

Взрывопожароопасным является и еще один известный вариант хранения водорода — в криогенном виде. Несмотря на то, что этот вариант хранения широко применяется в космической технике, он имеет существенные недостатки.

Неоднократно выполненные исследования проблемы взрывопожаробезопасности криогенного водорода показали, что для транспортных установок допустимо только кратковременное хранение водорода (не более нескольких суток), да и то при условии тщательного обоснования. При этом параметры взрывопожаробезопасности в значительной степени определяются объемом хранимого газа и улучшаются с уменьшением объема. Именно последнее обстоятельство позволило в лунной экспедиции космического корабля «Аполлон» использовать этот метод хранения. Что же касается возможности использования криогенного метода на кораблях и особенно на подводных лодках, где масса хранимого водорода во много раз больше, чем на космических кораблях, а время хранения составляет десятки суток, то вряд ли этот способ может оказаться приемлемым.

С точки зрения безопасности наиболее предпочтительный способ хранения водорода для транспортных средств — связанное хранение — либо в химически связанном виде (гидриды), либо с использованием управляемых способов сорбции-десорбции водорода некоторыми интерметаллическими соединениями. Именно способ связанного хранения водорода в гидридах интерметаллидов применяется на немецких подводных лодках типа U-212.

Перспективность хранения и генерации водорода в химически связанном состоянии определяется следующими особенностями этого способа:

  • накоплением водорода в составе гидридов, используемых как промежуточный продукт при транспортировке и хранении;
  • генерацией водорода непосредственно в месте его потребления, в частности на транспортном средстве, путем разложения гидридов одним из известных путей. Этот процесс может быть включен в рабочий цикл установки, что исключает необходимость предварительного накопления водорода перед его использованием;
  • применением принципа аккумулятора с возможностью многократной зарядки и разрядки без замены сорбентов;
  • относительно низкими давлением и температурой в процессе эксплуатации. Существенными недостатками этого способа являются большая удельная масса системы хранения и относительно высокая стоимость.

Классификация методов хранения водорода

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы.

Первая группа включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2, слабо взаимодействующих со средой хранения. На сегодня реализованы следующие физические методы хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

  • газовые баллоны;
  • стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;
  • хранение в трубопроводах;
  • стеклянные микросферы.

Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

Вторая группа включает химические методы, в которых хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Данные методы характеризуются сильным взаимодействием молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения и являются следующими:

  • цеолиты и родственные соединения;
  • активированный уголь;
  • углеводородные наноматериалы.

Абсорбция в объеме материала (металлогидриды).

  • алонаты;
  • фуллерены и органические гидриды;
  • аммиак;
  • губчатое железо;
  • водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Таблица 10.1
Удельные показатели пяти способов хранения

Хранение водорода в газообразном виде под давлением

Это самый традиционный способ хранения водорода. Поскольку водород ведет себя по добно идеальному газу при температуре окружающей среды, справедливо уравнение для идеальных газов:

где n — количество водорода, моль; R — газовая постоянная.

Количество энергии, сохраненной в форме химической энергии сжатого водорода, может быть оценено изменением теплосодержания, когда водород использован, — например, когда он реагирует с кислородом, в результате чего получается вода.

Наземное хранение газообразного водорода

Наземные водородные контейнеры хранения отличаются по размерам, но имеют, как правило, стандартное давление 20 МПа. Есть также контейнеры высокого давления (> 20 МПа) и большие сферические контейнеры низкого давления (> 15 000 м 3 и 1,2— 1,6 МПа). Самый обычный материал, используемый в водородных контейнерах, — сталь. Это весьма дешевый и практичный материал, но тяжелый, и, таким образом, гравиметрическая плотность хранения водорода с учетом массы контейнера оказывается низкой. Некоторые контейнеры сделаны из алюминия. Такие баллоны при одинаковых давлениях легче стальных.

Идеальная объемная плотность энергии водорода под давлением 20 МПа при температуре окружающей среды составляет 651,4 кВт ∙ ч/м 3 . Для реальных систем эта величина, естественно, меньше, и когда принят во внимание контейнер, объемная плотность энергии в случае применения стальных контейнеров (цилиндрических баллонов) составит 537 кВт ∙ ч/м 3 .

Гравиметрическая плотность энергии (или удельная энергия) в баллоне под давлением, в отличие от объемной, очень сильно зависит от свойств материала контейнера. Традиционные стальные баллоны позволяют достигать плотности энергии приблизительно 0,45 кВт ∙ ч/кг, что эквивалентно 1,1 % массы сохраненного водорода по отношению к общей массе системы хранения. За счет оптимизации контейнера и выбора материала может быть достигнута относительная плотность 1,5—2,6 % массы сохраненного водорода от общей массы системы хранения.

Применение новых материалов позволило создать ультралегкие бесшовные контейнеры из углеродного волокна.

В этих контейнерах достигнута гравиметрическая плотность 6 % от веса.

Одно из положительных свойств контейнеров заключается в том, что они не пропускают водород, протечки практически отсутствуют. Небольшие утечки могут быть через соединения, но с помощью надлежащих стыков и регуляторов их легко предотвратить.

Подземное хранение газообразного водорода

Подземные пещеры — простой и относительно дешевый метод для крупномасштабного хранения водорода. Есть несколько различных видов пещер, которые могут использоваться: солевые пещеры, естественные пещеры и структуры водоносного слоя. Соль часто залегает в форме уровней, которые могут иметь толщину до нескольких сотен метров. Они фактически непроницаемы для воды и воздуха.

Водоносные слои расположены в пористых геологических уровнях. Газ вводится в пористый слой, первоначально заполненный водой, в котором и накапливается. Применение этого метода требует специальных геологических условий, он может использоваться только в некоторых регионах.

Помимо солевых пещер и водоносных слоев, водород может быть сохранен в естественных и искусственных пещерах.

Давление в земных пещерах изменяется от 8 до 16 МПа, и, таким образом, объемная плотность энергии составляет приблизительно 250—465 кВт ∙ ч/м 3 . В структурах водоносных слоев плотность энергии, естественно, значительно меньше. Потери, вызванные утечками в земных пещерах, составляют приблизительно 1—3 % от полного объема в год.

Хранение водорода в сжиженном виде

Жидкий водород используется как топливо в космической технологии в течение многих лет. Сосуды с жидким водородом легче, чем сосуды под давлением.

Однако водород превращается в жидкость при температуре 20,25 °К, и следовательно, система хранения требует сложных методов изоляции для предотвращения испарения. Квантово-механический анализ водорода показывает, что есть два различных вида водородных молекул: ортоводород с параллельным ядерным вращением и параводород с антипараллельным ядерным вращением. Это определяет необычное поведение теплоемкости водорода при низких температурах и приводит к отличию идеальной необходимой работы для сжижения водорода от экспериментальных данных.

Реальная энергия, которая должна быть израсходована для сжижения водорода, — при близительно 11 кВт ∙ ч/кг, что составляет около 28 % от высшей теплоты горения водорода. Это одна из самых больших проблем использования жидкого водорода. Однако эта потеря энергии в некоторых случаях частично компенсируется большой ее плотностью.

Плотность жидкого водорода, включая контейнер хранения, составляет приблизительно 25,9 % по массе, при этом массовая плотность энергии равна 10,1 кВт ∙ ч/кг и объемная плотность энергии — приблизительно 2760 кВт ∙ ч/м 3 .

Читайте также  Как сделать короба для грядок

Контейнеры хранения теряют энергию при неизбежном испарении водорода, которое вызвано теплопроводностью изоляции.

Потери на испарение изменяются от 0,06 % в день для больших контейнеров до 3 % в день — для маленьких сосудов. Контейнеры обычно имеют комбинированную изоляцию. Она включает вакуумную изоляцию, охлаждаемые паром лучевые экраны и обычную многослойную изоляцию (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Схема изоляции контейнера для хранения жидкого водорода

Вакуумная изоляция уменьшает передачу теплоты теплопроводностью, поскольку теплопроводность газа сильно уменьшается при уменьшении его давления. Несколько отражающих экранов, окружающих внутренний контейнер (так называемая многослойная изоляция), могут уменьшить передачу теплоты излучением.

Значительное сокращение скорости испарения водорода, связанного с потоком теплоты q, может быть достигнуто путем охлаждения экранов изоляции вентилируемым водородным паром. Это уменьшает температурный перепад между экранами изоляции, что приводит к меньшему потоку теплоты. Такой метод используется прежде всего в больших контейнерах.

Хранение водорода в связанном виде

Хранение водорода в гидридах металлов

Металлические гидриды состоят из металлических атомов, которые составляют ведущую решетку, и водородных атомов, которые находятся в своеобразных ловушках, представляющих собой дефекты решетки или вакансию. Ловушка бывает дефектом строки, в котором могут накопиться атомы водорода. Такая дефектная строка увеличивает напряжение решетки, особенно если два смежных атома повторно объединяются, чтобы формировать молекулярный водород. С этого момента адсорбция водорода увеличивает размер решеток, поэтому металл обычно используют в виде порошка, чтобы предотвратить растрескивание крупных металлических частиц.

Источник:
http://metallurgist.pro/tehnologii-i-sposoby-hraneniya-vodoroda/

Хранение водорода — различные способы, включая гидридный аккумулятор

Наибольшую сложность представляет хранение водорода в автомобиле. Поскольку водород очень легок, то масса и размеры существующих металлических баллонов, а также способы его хранения в них неприемлемы. В табл. ниже для сравнения приведены различные способы хранения водорода. Сжиженный водород занимает небольшой объем, однако теплоизоляция емкости с ним очень громоздка и дорога. Кроме того, обращение с жидким водородом небезопасно и требует обученного персонала. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в хранении и доставке сжиженного водорода, его применение в легковых автомобилях до сих пор представляет собой нерешенную задачу. Неприемлемы также и величины потерь водорода в результате его испарения из криогенных баков.

Гидридный аккумулятор

Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения — гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода гидрид необходимо нагреть подобно воде для образования пара.

Эти свойства гидридов при применении в автомобиле дают преимущества по сравнению с другими способами хранения водорода. При движении автомобиля емкость с гидридами нагревается жидкостью системы охлаждения или же отработавшими газами двигателя. Эта теплота аккумулируется в гидридах, температура которых повышается и растет давление водорода. Однако при достижении определенного значения давления в емкости температура вновь падает и выравнивается с температурой окружающей среды. На рис. 1 приведены изотермические диаграммы систем «металл — водород» для соединений FeTi и NiMg. В емкости с гидридом FeTi уже при температуре — 20 °C устанавливается избыточное давление 0,1 МПа, что достаточно для подачи водорода в смесительное устройство. Для дальнейшего повышения давления и выделения водорода необходимо нагревать гидрид жидкостью системы охлаждения двигателя. Холодный пуск двигателя без подогрева гидридов возможен таким образом до — 20 °C.

Если для дальнейшего выделения водорода использовать теплоту системы охлаждения, то через радиатор системы охлаждения будет отводиться меньшее количество теплоты и, следовательно, можно иметь и меньшего размера вентилятор. Следовательно, системой охлаждения в этом случае может отводиться лишь некоторая доля неиспользуемой теплоты, другая же ее часть может аккумулироваться в гидриде для извлечения водорода.

Теплоту, аккумулированную в гидриде, необходимо отводить при заправке автомобиля. Ее можно использовать, например, для нагревания технической воды, отопления гаража и т. д. Такой путь можно расценить как улучшение теплового КПД двигателя в более широком смысле этого понятия. О тепловом балансе двигателя с гидридным аккумулятором можно судить по рис. 2, где слева показан тепловой баланс обычного двигателя, а справа — двигателя с питанием водородом из гидридного аккумулятора. Из общего количества поданной в двигатель с топливом теплоты Q часть Qe используется на эффективную мощность, Qv — на привод вентилятора, a Qz теряется и отводится отработавшими газами и системой охлаждения. В водородном двигателе с гидридным аккумулятором из общего количества теплоты Q на эффективную мощность расходуется теплота Qe , теплота Qa используется для нагревания гидрида, теплота Qz теряется.

Таким образом, гидрид представляет собой аккумулятор двойного действия. Когда гидрид заряжается водородом, из него отводится теплота, когда он «заряжается» теплотой, из него отводится водород. Следовательно, при одной и той же форме и размерах аккумулятор выполняет две функции. При определенной комбинации различных гидридов можно добиться работы двигателя без радиатора системы охлаждения с ее вентилятором.

Гидрид FeTi состоит из относительно тяжелых железа и титана и поэтому масса аккумулированного в нем водорода составляет лишь 2 % от собственной массы аккумулятора, что представляет собой весьма неблагоприятное соотношение. Лучшее соотношение характерно для гидрида NiMg, включающего сверхлегкий магний; в настоящее время интенсивно ведутся поиски более приемлемых гидридов.

Относительно легкий гидрид NiMg начинает выделять приемлемое количество водорода при нагревании почти до 350 °C. До такой температуры гидрид можно нагреть лишь отработавшими газами. При холодном пуске двигателя таких температурных условий в автомобиле нет и поэтому гидрид необходимо нагревать иным источником. В данном случае приемлемо сочетание двух гидридов, в частности, гидрид FeTi обеспечивает холодный пуск, а гидрид NiMg — подачу водорода при движении автомобиля, благодаря обогреву гидридного бака отработавшими газами двигателя, как это показано на рис. 3.

Комбинация этих двух гидридов позволяет, кроме того, отапливать или охлаждать салон автомобиля при отключенном двигателе. Если соединить между собой оба гидридных бака, то водород будет перемещаться из емкости с гидридом FeTi, где более высокое давление, в гидридный бак NiMg с более низким давлением. Резервуар с более высоким давлением будет освобождать водород и, следовательно, охлаждаться, в то время как емкость с более низким давлением будет наполняться водородом и, следовательно, нагреваться. Если климатической установкой автомобиля подавать в салон воздух, обдувающий гидридные баки, то можно обеспечить желаемый температурный режим в салоне при выключенном двигателе. Обдув резервуара с NiMg, однако, будет связан с некоторой потерей водорода.

Все эти свойства гидридов следует учитывать при сравнении водородных двигателей с другими альтернативными приводами.

Гидридный аккумулятор с FeTi, схематически изображенный на рис. 3, представляет собой стальной цилиндр, наполненный гранулами этого металлического соединения. Для лучшего теплообмена в центре аккумулятора расположен также трубопровод, через который проходит жидкость системы охлаждения. При заправке аккумулятора объем наполнителя увеличивается (с чем приходится считаться при его конструировании), а сам наполнительный материал превращается в порошок. Долговечность его не ограничена.

Читайте также

Механический КПД отражает соотношение между индикаторной и эффективной мощностью двигателя.

Что-то неожиданное происходит с нашей помешанной на автомобилях культурой. Куда же уехали автомобилисты? И что же уводит их с дороги?

Источник:
http://icarbio.ru/articles/hranenie-vodoroda.html

Способы хранения водорода;

Низкая плотность газообразного водорода,

низкая температура его ожижения,

а также высокая взрывоопасность

в сочетании с негативным воздействием

на свойства конструкционных материалов,

ставят на первый план проблемы

разработки эффективных и безопасных

систем хранения водорода –

именно эти проблемы сдерживают развитие

водородной энергетики в настоящее время.

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы:

Физические методы хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

— стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;

— хранение в трубопроводах;

-стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

Химические методы хранения водорода:

-цеолиты и родственные соединения;

Абсорбция в объёме материала (металлогидриды)

-фуллерены и органические гидриды;

-водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Хранение газообразного водорода. Применяют газгольдеры,

естественные подземные резервуары

(водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа),

хранилища, созданные подземными атомными взрывами.

Хранение газообразного водорода в соляных кавернах,

создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины.

Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 МПа

используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками.

Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из нержавеющей стали

Одним из наиболее перспективных способов хранения

больших количеств водорода является

хранение в водоносных горизонтах.

Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%.

Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны.

Однако для хранения 2 кг Н2 требуются баллоны массой 33 кг.

Большие количества водорода можно хранить

в крупных газгольдерах под давлением.

Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали.

Рабочее давление в них обычно не превышает 10 МПа.

Вследствие малой плотности газообразного водорода

хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь

в сравнительно небольших количествах.

Повышение же давление сверх указанного до сотен мегапаскаль,

вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей,

и приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

Для хранения очень больших количеств водорода

экономически эффективным является

способ хранения истощённых газовых и водоносных пластах.

В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа.

Газообразный водород в очень больших количествах хранится в соляных кавернах глубиной 365 м при давлении водорода 5 МПа.

Опыт продолжительного хранения (более 10 лет)

в подземных газохранилищах газа с

содержанием 50 % водорода показал полную возможность

его хранения без заметных утечек.

Хранение жидкого водорода. Среди многих свойств водорода,

которые важно учитывать при его хранении в жидком виде,

одно является особенно важным.

Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур:

от точки кипения 20К до точки замерзания 17К.

Жидкий водород в больших количествах хранят

в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м 3 .

Источник:
http://studopedia.su/7_411_sposobi-hraneniya-vodoroda.html