Гидриды. Водородная энергетика (стр. 13 )

Рисунок 2. - Одна из наиболее стабильных структур комплекса Ti-C60, где атом Ti (черный) связывает 4 молекулы водорода (темно-серые) (а); локальная структура двойной связи Ti-C60 (b); замещение конечных атомов углерода на Н дает молекулу этилена. Это означает, что для связывания атомов титана можно просто использовать молекулу этилена (с).

Вычисления из первых принципов [4] действительно показали, что одна молекула этилена может образовать стабильный комплекс – и не с одним, а даже с двумя атомами переходного металла, например, титана (С2H4Ti2), и затем обратимо связывать до 10 молекул водорода, что дает … - 14 масс.%! Стабильность комплекса была исследована в диапазоне температур от 300 до 800К. При 300К все 10 молекул водорода связаны с С2H4Ti2, но выше 300 К начинают десорбироваться, и при 800 К остается только стабильная молекула С2H4Ti2. Таким образом, водород можно легко извлекать путем нагрева. Для того, чтобы избежать димеризации и полимеризации при циклировании, авторы предлагают вводить предложенные комплексы в нанопористые материалы на основе углерода. В качестве примера они рассмотрели графеновый слой (рис. 3).

Рисунок 3. Стабильная структура комплекса Ti-этилен с поверхностью графена (С2H4Ti2 адсорбирован над и под центром гексагона графенового слоя).

Таким образом всем известный и недорогой этилен может служить основой для разработки эффективных систем хранения водорода. Ну а что же экспериментаторы? Тут результаты пока скромнее, но тоже сообщается об успехах. Японские исследователи синтезировали композит, состоящий из сферических частиц кремния диаметром 300нм, покрытых углеродными нанотрубками диаметром 5-10нм и длиной около 30нм [5]. Величина сорбционной емкости для водорода достигла 2,5масс. % при 10МПа и 283 К. Несмотря на довольно большое содержание Si, сорбционная емкость которого пренебрежимо мала, композит поглощает гораздо больше водорода, чем чистые многостенные нанотрубки (в предыдущих исследованиях авторы показали, что их емкость не превышает 1масс. %) или SiC. Пока механизм повышения сорбционной емкости не ясен, но авторы надеются разобраться в нем в ближайшем будущем. Во всяком случае, получен новый материал с интересными свойствами.

Не все технические трудности создания практичных транспортных средств на топливных элементах уже преодолены. Одна из важнейших задач - разработка безопасного и эффективного способа хранения такого количества водорода, чтобы одной заправки хватало на 500 км. Топливная система должна работать в диапазоне температур от -40 до +45 °С и обладать ресурсом не менее 250 000 км, при этом заправка должна занимать несколько минут. Существуют разные подходы к хранению водорода. Оно возможно в трех формах: в виде сжатого газа, в сжиженном состоянии и в твердотельной системе. Все подходы перспективны, но у каждого из них свои технические трудности.

Вероятнее всего, сначала будут использоваться баллоны со сжатым газом, но высокое давление, естественно, представляет собой опасность. Сегодня системы сжатого водорода позволяют использовать давление примерно до 350 бар, но для увеличения пробега автомобиля на одной заправке желательно довести рабочее давление до 700 бар. Для обеспечения безопасности нужно, чтобы баллон выдерживал ударное давление, по крайней мере вдвое превышающее рабочее давление газа. Сегодня баллоны делаются из материалов либо очень дорогих, вроде углепластика, либо очень тяжелых. Кроме того, они довольно велики, что затрудняет их размещение в автомобиле.

Водород можно хранить также в сжиженной форме, но для охлаждения его до температуры сжижения (-253 °С) требуются большие затраты энергии. Кроме того, за каждые сутки будет выкипать 3-4% жидкости.

Более удачное решение - транспортировка водорода в твердотельных системах. Перспективным может стать использование гидридов металлов, когда водород удерживается в порах спрессованного порошка металлического сплава, как вода в губке. Неоспоримые достоинства - простота конструкции системы, высокая степень безопасности и большая емкость. Однако для извлечения водорода из гидрида необходимы температуры от 150 до 300 °С. Чтобы избежать больших бесполезных затрат энергии, нужно добиться высвобождения водорода при температурах около 80 °С. Хотя исследования в этой области только начинаются, хранение в твердотельной системе очень привлекательно.

Водородное будущее

На протяжении XX века человечество интенсивно наращивало потребление нефти и газа. Постоянное сжигание природных углеводородов обернулось весьма неприятными последствиями для окружающей среды — от смога над крупными городами до парникового эффекта в масштабах всей планеты. Причиной экологических катастроф нередко становится транспортировка нефтепродуктов.

Из-за достаточно частых аварий с танкерами или разрывов трубопроводов нефть попадает в водоемы, просачивается в почву, отравляя все живое вокруг. Да и запасы нефти не безграничны — по самым оптимистичным прогнозам, при нынешних темпах добычи ее хватит от силы лет на сто. Ясно, что современной экономике нужен другой, альтернативный бензину и мазуту энергоноситель, и, по всей видимости, эта роль уготована водороду.

В ноябре 2003 года в Москве произошло знаменательное событие. Российская академия наук и горнометаллургическая компания “Норильский никель” подписали Генеральное соглашение о сотрудничестве в области водородной энергетики. В соответствии с этим документом компания будет выделять на исследования от 20 до 40 миллионов долларов ежегодно.

9 декабря 2003 года на совместном заседании Президиума Российской академии наук и правления компании “Норильский никель” президент РАН и генеральный директор горно-металлургической компании “Норильский никель” утвердили комплексную “Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам”. Руководить российской водородной программой будет вице-президент РАН академик . В ней примут участие около 20 академических и отраслевых институтов: Институт электрохимии РАН, Институт катализа СО РАН, Институт высокотемпературной электрохимии УРО РАН, институты Сарова, Снежинска, РНЦ “Курчатовский институт” и многие другие.

“Совместная работа с Российской академией наук в области водородной энергетики и топливных элементов — это уникальная возможность для нашей страны вернуться в число ведущих экономически развитых держав мира”, — считает . В США, государствах Европейского союза и многих других странах исследования по водородной энергетике относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и получают финансовую поддержку как со стороны государства, так и от представителей бизнеса. Основная цель развития водородных технологий — снижение зависимости от существующих энергоносителей — нефти и газа, составляющих сегодня основу российской экономики. Если через 15 лет мир перейдет на водород, то Россия может оказаться далеко позади. Мы не должны этого допустить, тем более что, по мнению участников водородной программы, у нашей страны есть конкурентные преимущества: во-первых, уникальные научные разработки в области водородных технологий, а во-вторых, богатые запасы палладия — металла, который может служить прекрасным катализатором в энергетических установках на основе водорода. Используя и то и другое, участники водородной программы надеются уже в ближайшие годы занять нишу высоких технологий на базе водородной энергетики.

Напомним читателям: основные преимущества водорода — экологическая безопасность и высокая энергетическая отдача. При горении водорода образуется только вода, а теплота его сгорания составляет 143 кДж/г, то есть примерно в 5 раз выше, чем у углеводородов (29 кДж/г). Водород — самое распространенное вещество во Вселенной (по оценкам, он составляет около половины массы звезд и большую часть межзвездного газа), однако на Земле в свободном виде его практически нет. Небольшое количество водорода выбрасывают вулканы, но газ этот настолько легкий, что его молекулы очень быстро улетают из атмосферы в космическое пространство. Строго говоря, водород не источник энергии, а лишь ее носитель. Чтобы использовать водород в качестве топлива, надо сначала извлечь его из другого вещества.

Основное условие перехода к водородной энергетике — создание надежных и экономически выгодных топливных элементов на основе водорода. В таком элементе химическая энергия, высвобождающаяся в реакции водорода с кислородом, превращается непосредственно в электрическую. Коэффициент полезного действия топливного элемента может достигать 90%. Это дает огромную выгоду по сравнению с любой тепловой машиной, где процесс превращения энергии топлива в электрическую включает несколько промежуточных стадий: сначала образование теплоты в результате сгорания, затем переход тепловой энергии в механическую энергию турбины или двигателя и, наконец, выработка электричества с помощью генератора.

Топливный элемент, как и любой другой химический источник тока, включает в себя электроды и электролит. Но если в гальваническом элементе (обычной батарейке) электричество образуется за счет расходования активных веществ электродов, то в топливном элементе химические реагенты (например, водород и кислород) подаются извне. Электроды топливных элементов обычно делают из пористых материалов с высокоразвитой поверхностью. Для ускорения химических реакций электроды активируют катализаторами на основе платины, палладия, никеля и некоторых других материалов.

Принцип работы топливного элемента открыт еще в 1839 году английским исследователем Уильямом Гроувом. Но в то время реализовать его на практике не удалось. В середине XX века началась активная разработка устройств, позволяющих напрямую преобразовывать химическую энергию топлива в электричество. В России первый электрохимический генератор “Волна” на основе водородных топливных элементов появился в 1970 году, а вскоре ему на смену пришел более долговечный и эффективный “Фотон” (см. “Наука и жизнь” № 9, 1990 г.). Поначалу топливные элементы нашли практическое применение в космических проектах (“Аполлон” и “Шаттл” в США, “Буран” — в нашей стране). Был создан и самолет-лаборатория Ту-155 с двигателем, работающим на жидком водороде.