Способы осушения газообразного водорода кратко

Обновлено: 02.07.2024

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):

В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который применяется иногда и в промышленности,- разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности

1.Электролиз водных растворов солей:

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

3.Из природного газа.

Конверсияс водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

2.Взаимодействие кальция с водой:

3.Гидролиз гидридов:

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто - и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна — Н₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Водород — самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды:

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

Геохимия водорода

Водород — основной строительный материал вселенной. Это самый распространённый элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, гигантскими планетами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.

Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Особенности обращения

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадении на кожу может вызвать сильное обморожение.

Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74) % объёмных.

Использование водорода

В химической промышленности водород используют при производстве аммиака, мыла и пластмасс. В пищевой промышленности с помощью водорода из жидких растительных масел делают маргарин. Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько ужасных катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют газом гелием. Водород используют также в качестве ракетного топлива. Когда-нибудь водород, возможно, будут широко применять как топливо для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар (правда, само получение водорода приводит к некоторому загрязнению окружающей среды). Наше Солнце в основном состоит из водорода. Солнечное тепло и свет — это результат выделения ядерной энергии при слиянии ядер водорода.

Использование водорода в качестве топлива (экономическая эффективность)

Важнейшей характеристикой веществ, используемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Из курса общей химии известно, что реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль (для сравнения: теплота сгорания ацетилена составляет 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль). 1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль). Поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии. С учётом того, что 1 кВт·ч = 3600 кДж, получим 3,56 кВт·ч электроэнергии. Зная тариф на 1 кВт·ч электричества и стоимость 1 м³ газа, можно делать вывод о целесообразности перехода на водородное топливо.

Например, экспериментальная модель Honda FCX 3 поколения с баком водорода 156 л (содержит 3,12 кг водорода под давлением 25 МПа) проезжает 355 км. Соответственно из 3,12 кг H2 получается 123,8 кВт·ч. На 100 км расход энергии составит 36,97 кВт·ч. Зная стоимость электроэнергии, стоимость газа или бензина, их расход для автомобиля на 100 км легко подсчитать отрицательный экономический эффект перехода автомобилей на водородное топливо. Скажем (Россия 2008), 10 центов за кВт·ч электроэнергии приводят к тому, что 1 м³ водорода приводят к цене 35,6 цента, а с учётом КПД разложения воды 40-45 центов, такое же количество кВт·ч от сжигания бензина стоит 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента по розничным ценам, тогда как для водорода мы высчитывали идеальный вариант, без учёта транспортировки, амортизации оборудования и т. д. Для метана с энергией сгорания около 39 МДж на м³ результат будет ниже в два-четыре раза из-за разницы в цене (1м³ для Украины стоит 179$, а для Европы 350$). То есть эквивалентное количество метана будет стоить 10-20 центов.

Однако не следует забывать того, что при сжигании водорода мы получаем чистую воду, из которой его и добыли. То есть имеем возобновляемый запасатель энергии без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина, которые являются первичными источниками энергии.

При эксплуатации генераторов и синхронных компенсаторов с водородным охлаждением, очень важным параметром газа в корпусе машины является его влажность. Чем опасен влажный водород в корпусе?Угрозой отпотевания холодных частей машины (в частности газоохладителей) с выпадением влаги внутри генератора, что опасно для:

изоляции статора машины, т.к происходит снижение сопротивления изоляции ниже нормируемых значений;
изоляции ротора машины, особенно для генераторов с непосредственным охлаждением роторной обмотки;
стали статора, из-за её коррозии;
бандажных узлов ротора (бандажных и центрирующих колец), которые при наличии влаги в газе подвержены коррозионному растрескиванию.

Последний пункт особенно актуален и состоянию бандажных узлов уделяется особое внимание, как то:

покрытие их антикоррозионными кремнийорганическими эмалями;
замену бандажных и центрирующих колец на изготовленные из титана, либо антикоррозионных сплавов;
изменение конструкции существующих бандажных узлов на конструкции снижающие знакопеременные нагрузки на узел в процессе работы.

Последствия разрыва бандажных колец в эксплуатации весьма плачевны.

Рис. 2. Последствия разрыва бандажного кольца ротора турбогенератора ТВФ-120-2. Фото из архива автора.

Влажность водорода в корпусе генератора нормируется таким образом, чтобы точка росы газа в корпусе была ниже температуры воды в газоохладителях, но не менее 15 градусов Ц. Для тех, кто малость подзабыл, напоминаю, что точка росы - есть температура газа, при которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным и начинает конденсироваться. Изобарически - при постоянном давлении и постоянной массе газа. Следует сразу сказать, что для эксплуатации генераторов в зимнее время выполнить требования по влажности весьма затруднительно, т.к. температура входящей в циркуляционный контур электростанции воды близка к нулю (4 - 8 град. Ц). Приходится прибегать к различным ухищрениям, как то, подмешивание нагретой воды в холодную, но это всё усложняет схему охлаждения, увеличивает расходы на ремонт и требует повышенного внимания эксплуатации.

Гораздо надёжнее попытаться снизить точку росы водорода в генераторе до низких уровней. Штатным устройством, которым комплектуются все генераторы является осушитель водорода, который представляет собой бочонок, ёмкостью 100 - 200 литров, рассчитанный на полное давление водорода в корпусе и заполненный селикагелем. Он подключается к зоне разрежения и зоне давления корпуса (см. ссылки ниже) и работает на полном напоре вентилятора генератора. Эффективность такого осушителя весьма низка, приходится часто менять селикагель, сушить его, перезаправлять бачок. Другим способом осушки водорода является подключение параллельно штатному осушителю фреонового холодильника на базе холодильных машин серии ФАК. Однако низкая надёжность этих машин создаёт больше головной боли эксплуатации и ремонту. Решением проблемы следует считать применение в схеме осушки вихревых систем осушки водорода (ВСОВ).

Вихревая система осушки водорода (ВСОВ).

Компактная установка, весом около 50 кГ. Работает на ХОВ (химобессоленной воде, применяемой для питания котлов). Состоит из:

Испарителя;
Влагоотделителя;
Маслоотделителя;
Эжектора;
Регулятора уровня хладагента в испарителе;
Фильтра хладагента;
Приборов, измеряющих давление сред и их температуру;
Запорно-регулирующей арматуры;
Рамы для крепления элементов установки.

Основные технические параметры установки:

Хладагент - вода обессоленная;

Теплоноситель - водород из корпуса генератора;

Расход теплоносителя (кг/час) не более, - 7;

Расход хладагента (кг/час) не более, - 3;

Рабочее избыточное давление теплоносителя (кгс/см2) не более, - 5;

Температура теплоносителя на входе в установку (°С) не более, - 60;

Температура теплоносителя на выходе из установки (°С) не более, - 12;

Влагосодержание теплоносителя на входе в установку (г/кг сух.водорода) не более, - 80;

Абсолютное давление в испарителе установки (кгс/см2) не более, -0.2;

Избыточное давление пара на входе в эжектор установки (кгс/см2) не более, - 5;

Расход пара на эжектор установки (кг/час) не более, - 50;

Температура пара (°С) не более, - 200;

Температура обессоленной воды на входе в испаритель установки (°С) не более, - 40;

Масса установки (кг) не более, - 50;

Габаритные размеры (мм) не более, - 900 х 1150 х 350.

Рис.1 Принципиальная схема ВСОВ. Э - эжектор установки. И - испаритель. М - масляный фильтр. В - влагоотделитель. Ф - водяной фильтр. Р - регулятор уровня воды в испарителе. 1 - мановакууметр. 2 - вентиль подачи пара (встроенный). 3 - дренажные вентили (встроенные). 4 - штуцер подсоса воздуха в испаритель. 5 - вентили подачи ХОВ (встроенные).

Основой установки является рекуперативный испаритель. По трубкам испарителя, под напором вентилятора генератора, проходит водород. В межтрубном пространстве испарителя осуществляется воздушно-испарительный процесс охлаждения. К испарителю со стороны входа водорода крепится маслоотделитель, а со стороны выхода водорода крепится влагоотделитель, к патрубку выхода охлаждающей среды крепится паровой эжектор. На входе обессоленной воды в установку устанавливается фильтр и поплавковый регулятор уровня жидкости в испарителе, соединенный также с паровой полостью испарителя.

Влажный водород, проходя по трубкам испарителя, охлаждается, в результате чего происходит конденсация водяных паров в водороде. Образовавшийся конденсат отделяется из водорода во влагоотделителе инерционного принципа действия, откуда периодически удаляется открытием дренажного вентиля.

Охлаждение водорода в испарителе происходит благодаря испарению обессоленной воды в воздушно-испарительном процессе, протекающем в вакууме, создаваемом эжектором. Воздух в испарительную полость подсасывается из окружающего пространства через дюзу, расположенную в крышке испарителя. Эжектор работает на паре давлением 2-5 кгс/см2, который далее сбрасывается на всас обоих основных эжекторов конденсатора турбины. Установка может осушать водород только при вращающемся турбогенераторе.

Таким образом, установка ВСОВ является наиболее экономичной и наименее обслуживаемой системой осушки водорода. Правильно налаженные установки позволяли получать на генераторах 100 МВт с газовым объёмом 50 куб.м водород с температурой точки росы до минус 15 град. Ц.

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.

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).

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 .

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.

Применение и хранение водорода

Применение водорода

В течение многих лет водород находил множество применений как в промышленности, так и в охране окружающей среды. В области охраны окружающей среды водород в основном используется для удаления серы, которая естественным образом содержится в масле, для производства более чистого топлива.

Водород — это реагент, который применяется во многих отраслях промышленности, включая химическую промышленность, производство текстильного волокна, стекло, электронику и металлургию. Водород также применяется в качестве топлива для ракетных установок.

Применение водорода

Водород в сочетании с топливным элементом также является отличным вектором чистой энергии, поскольку он позволяет производить электроэнергию непосредственно на борту электромобилей или в удаленных районах, которые отключены от электросети.

Применение водорода космической отрасли

С самого начала космической промышленности водород играл важную роль в качестве ракетного топлива. Это потому, что именно топливо концентрирует больше всего энергии — 1 килограмм водорода содержит в 3 раза больше энергии, чем 1 килограмм бензина. Это важный критерий, учитывая, что пусковая установка должна быть как можно более легкой.

В настоящее время жидкий водород и жидкий кислород все еще объединяются и используются для запуска европейской ракеты Ariane 5. На основной криотехнической стадии Ariane 5 при сгорании водорода образуется огромное количество пара, который с очень высокой скоростью выдувается через выхлопную трубу двигателя Vulcain. Это выброс газа с высокой скоростью, который приводит в движение ракету в соответствии с принципом действие-реакция.

Применение водорода космической отрасли

Водород горит при контакте с кислородом, но последнего в космосе нет. Именно по этой причине Ariane 5 несет огромный центральный резервуар, содержащий 162 тонны жидкого кислорода при температуре -183 °C и 28 тонн жидкого водорода при -252,87 °C.

ВЫ ЗНАЛИ ?

Энергоснабжение

Водород используется для производства чистой и бесшумной энергии в различных сферах, где это удовлетворяет насущную потребность, а также дает реальную пользу. Это касается применения водорода в электроснабжении изолированных регионов, которые не подключены к электросети — чувствительных объектов требующих надежные резервные энергетические системы, обслуживаемых автопарков (вилочные погрузчики и автобусы) и портативных генераторов энергии, используемых для мероприятий на открытом воздухе.

Энергоснабжение

Чистый транспорт

Водород, используемый в топливном элементе, позволяет производить электричество прямо на борту транспортного средства с электрическим двигателем. Эти автомобили с нулевым уровнем выбросов в качестве выбросов производят только воду.

Чистый транспорт

Производство водорода требует энергии. По этой причине водород рассматривается как вектор энергии, такой как электричество, а не как первичная энергия. Примеры первичной энергии включают нефть, углерод или уголь, природный газ и некоторые возобновляемые источники энергии.

Хранение водорода

Водород — самый легкий газ во всей вселенной. Один литр водорода весит всего 90 мг при нормальном атмосферном давлении, а это означает, что он в 11 раз легче воздуха, которым мы дышим.

Объем около 11 кубических метров (что составляет объём багажника большого грузового или коммерческого автомобиля) необходим для хранения всего 1 килограмма водорода, а это количество необходимо для проезда 100 километров. По этой причине его плотность необходимо увеличивать одним из следующих методов.

Хранение водорода

Хранение водорода под давлением

Самый простой способ уменьшить объем газа при постоянной температуре — это увеличить давление.

Так, при давлении 700 бар, что в 700 раз больше нормального атмосферного давления, водород имеет плотность 42 кг / м 3 по сравнению с 0,090 кг / м 3 при нормальных условиях давления и температуры. При таком давлении в 125-литровом баке можно хранить 5 кг водорода.

Хранение водорода под давлением

Сегодня большинство производителей автомобилей выбрали решение, заключающееся в хранении водорода в газообразной форме под высоким давлением. Эта технология позволяет хранить достаточно водорода, чтобы позволить автомобилю, работающему на батарее топливных элементов, проехать от 500 до 600 километров между заправками.

ВЫ ЗНАЛИ?

Давление 700 бар превышает атмосферное давление в 700 раз.

Значение 1 бара, соответствующее атмосферному давлению, равно силе, прикладываемой одной 1,5-литровой бутылкой к монете в 1 евроцент. Давление в 700 бар превышает атмосферное давление в 700 раз; это сила, прилагаемая 1,2-тонным автомобилем к той же монете в 1 евроцент.

Хранение водорода в жидком виде

Современная технология хранения максимального количества водорода в ограниченном объеме заключается в преобразовании газообразного водорода в жидкий водород путем его охлаждения до очень низкой температуры.

Водород превращается в жидкость при его охлаждении до температуры ниже -252,87 °C. При температуре -252,87 °C и давлении 1,013 бар жидкий водород имеет плотность около 71 кг / м 3. При таком давлении в 75-литровом баке можно хранить 5 кг водорода. Чтобы поддерживать жидкий водород при этой температуре, резервуары должны быть полностью изолированы.

Хранение водорода в жидком виде

В настоящее время хранение водорода в жидкой форме зарезервировано для определенных специальных применений в таких высокотехнологичных областях, как космические путешествия. Например, баки на пусковой установке Ariane, разработанной и изготовленной Air Liquide, содержат 28 тонн жидкого водорода, который будет обеспечивать топливом центральный двигатель. Эти резервуары являются настоящим примером технологического совершенства — пустыми они весят всего 5,5 тонны, а толщина их корпуса не превышает 1,3 миллиметра.

Хранение водорода в твердом виде

Хранение водорода в твердой форме, то есть в другом материале, также является многообещающим направлением исследований. Способы хранения водорода в твердой форме — это методы, включающие механизмы поглощения или адсорбции водорода материалом.

Одним из примеров является образование твердых металлических гидридов в результате реакции водорода с некоторыми металлическими сплавами. Это поглощение является результатом обратимого химического соединения водорода с атомами, составляющими эти материалы. Наиболее перспективные материалы — магний и аланаты.

Водород в твердом виде

В этих материалах можно хранить лишь небольшую массу водорода, что в настоящее время является основным недостатком этой технологии. Фактически, лучшие материалы в настоящее время создают отношение веса водорода к общему весу резервуара не более 2–3%.

Безопасное и эффективное хранение водорода до сих пор является неудовлетворительно решаемой проблемой, но наука и технологии не стоят на месте, а неуклонно развиваются и вполне резонно предполагать, что в ближайшем будущем мы увидим существенный прорыв и технологии хранения водорода.

Читайте также: