Гидриды. Водородная энергетика (стр. 11 )

Двигатель испытывали в течение трех дней непрерывной работы в камере, моделирующей условия разреженного воздуха. Испытания показали, что расход топлива оказался меньше расчетного. Все системы двигателя функционировали в штатном режиме.

Boeing рассчитывает в скором времени представить новый самолет заказчикам. Его технические характеристики позволят вести наблюдение в непрерывном режиме в течение 7 дней.

Хранение.

Водород нетоксичен, но пожаро - и взрывоопасен; температура взрывного самовоспламенения в воздухе 577 °С; КПВ в воздухе 4-75%, в О2-4,65-96% по объему. Жидкий водород при попадании на открытые участки тела может вызвать сильное обморожение. Газообразный водород хранят в мокрых и сухих газгольдерах, емкостях высокого давления и транспортируют по трубопроводам; малые кол-ва хранят и транспортируют в стальных баллонах под давлением до 20 МПа. Разрабатываются проекты подземного хранения больших количеств водорода в выработанных месторождениях нефти и газа, горных выработках, искусственных соляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют в специальных герметических резервуарах с эффективной тепловой изоляцией; сосуды емкостью от 15 до 75 л могут иметь экран из жидкого N2. Емкость автомобильных прицепов и полуприцепов 25-75 м3, железнодорожных цистерн 100-125 м3, стационарных хранилищ - до 3000 м3. Ведутся разработки в области техники получения и хранения водорода в твердом и шугообразном (до 50% твердой фазы) состоянии. Водород можно хранить и транспортировать в виде твердых гидридов металлов и интерметаллических соединениях, способных поглощать и отдавать при нагревании несколько сотен объемов водорода на единицу своей массы.

Ученые из университета Вирджинии открыли новый класс материалов, которые могут использоваться для хранения и транспортировки водорода.

Большинство материалов, применяющихся для хранения водорода, способны сорбировать 7-8 % водорода по массе и только при криогенных температурах. Материалы, разработанные Беллаве Шиварамом (Bellave S. Shivaram) и его коллегами, сорбируют до 14 % водорода при комнатной температуре. По мнению разработчиков, новые материалы будут иметь широкую область применений.

В настоящее время ученые закончили их тестирование и готовятся запатентовать свое открытие, сообщается в пресс-релизе университета Вирджинии.

Дешевые и эффективные методы хранения могут быть основаны на применении пористых материалов. В процессе хранения и высвобождения водорода они не деградируют и поэтому не требуют какой-либо регенерации или реактивации. К таким материалам относятся и углеродные нанотрубки и нанорожки. Из-за слабых взаимодействий между водородом и углеродом нанотрубки могут быть успешно использованы лишь при температурах ниже 196 °С.

Интернациональная группа ученых из Франции, Испании, США и Великобритании провела исследование связей водорода с углеродными нанорожками.

Нанорожки представляют собой конические образования нанометровых размеров, которые собираются в цветочки диаметром 80-100 нм. Внимание исследователей привлекли верхушки конусов, где, как им показалось, взаимодействие водорода с углеродом может быть интенсивнее. Применив метод нейтронной спектроскопии высокого разрешения, ученые получили данные о подвижности атомов водорода внутри нанорожков. Оказалось, что связь углерод-водород в рожках значительно сильнее, чем в нанотрубках.

Это означает, что теоретически нанорожки могут быть задействованы в хранении водорода. Хотя стоимость их производства в настоящее время неоправданно высока.

Каким бы методом ни получали водород, его надо как-то хранить. Наиболее известный способ — в баллонах, в сжатом виде. Сейчас уже существуют сверхлегкие баллоны, рассчитанные на давление до 450 атм. Можно ли сжать водород сильнее? Атом водорода настолько мал, что при очень высоких давлениях способен просто “просочиться” сквозь стенки баллона. Ученым из Института физики твердого тела РАН удалось преодолеть эту трудность: они разработали пионерскую методику, которая позволяет сжимать водород до огромных давлений.

При обычных условиях водород — это газ, но при низких температурах он превращается в жидкость, и тогда его можно хранить и транспортировать в теплоизолированных сосудах-криостатах. Уже испытаны криогенные баки для автомобилей с экранно-вакуумной изоляцией, которые продлевают срок автономного хранения водорода до двух с лишним недель (и это при разности температур между жидким водородом и окружающей средой более 250°С).

Но все-таки наиболее перспективны способы хранения водорода с помощью твердых носителей, например в виде гидридов металлов. Молекула водорода так мала, что она легко “вписывается” в пустоты кристаллической решетки многих металлов. Некоторые металлы и сплавы “впитывают” водород, подобно тому, как губка — воду. Например, кусок палладия определенного объема способен поглотить до 800 таких же объемов водорода! Водород, “застрявший” в кристаллической решетке, образует с атомами металлов химические соединения — гидриды. При образовании гидридов выделяется тепло. Соответственно, чтобы извлечь водород из металлической “губки”, ее нужно нагреть. Особый интерес представляют интерметаллические сплавы титана, железа, магния, никеля, лантана, ванадия.

Главный недостаток металлогидридов в том, что накопители водорода на их основе слишком много весят. Но для “впитывания” и хранения водорода можно использовать и более легкие вещества — например, углеродные нанотрубки и стеклянные микросферы. В российских научных институтах есть уникальные достижения в этой области.

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 водорода, 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.

В химических методах 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. Данная группа методов главным образом включает следующие:

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 не является более сложной проблемой, чем хранение природного газа. На практике для этого применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения 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 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”. 

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 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 мега Паскаль, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.