Какое давление у водорода

Часть 6

В предыдущей части рассмотрены методы хранения и транспортировки газообразного водорода под давлением и в жидкой фазе. Сегодня поговорим о перспективных и альтернативных методах хранения водорода и их проблемах.

Химически связанный водород.

Шаровые резервуары (объемом 5000 м3), используются для хранения под избыточным давлением сжиженных углеводородных газов, жидких продуктов химических производств, например аммиака.

Высокой плотностью содержания водорода обладают аммиак, этанол, метанол.

Тот же аммиак сжижается при комнатной температуре и давлении 1 МПа. В жидком виде его можно легко транспортировать и хранить.

2NH3 → N2 + 3 Н2 – 92 кДж.

Чтобы получить килограмм водорода, нужно использовать 5,65 кг аммиака. Но при этом теплота сгорания полученного водорода может превышать на 20% теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. КПД такого процесса составляет 60-70%.

Аналогично, водород из метанола может быть получен с помощью:

1. метода каталитического разложения:

СН3 ОН → СО+2 Н2 – 90 кДж, с последующей каталитической конверсией СО.

2. каталитической паровой конверсии:

Н2 О+СН3 ОН → СО2+3 Н2 – 49 кДж.

Для процесса используют цинк-хромовый катализатор. Процесс протекает при 300–400 °C.

Общий КПД такого процесса 65-70%.

Следует пояснить, что КПД можно поднять, используя тепло от сгорания водорода. Например, КПД сжигания метанола в ГТУ (газотурбинной установке) составляет примерно 35 %. Однако, КПД возрастает до 41%, если проводить тепло отходящих газов сжигаемой смеси СО + Н2, а при проведении паровой конверсии и сжигании полученного водорода КПД возрастает до 42 %.

Большой недостаток подобных методов хранения водорода – это однократное использование среды хранения. То есть, это одноразовый вариант (всё равно, что элемент питания противопоставить аккумулятору).

Гидридная система хранения водорода.

Контейнеры фирмы Pragma Industries для хранения водорода в АВ5 интерметаллидах на 20 литров, вес контейнера 350 г. Загрузка при 1 МПа, разгрузка при 0,2 МПа и 20 °C

Альтернативой хранению жидкого водорода является хранение водорода в твёрдых носителях, именуемых гидридом. В большинстве случаев, это химическое соединение металла и водорода, где водород хранится как в самой кристаллической решётке, так и с замещением кристаллической решётки металлов. Подобное хранение водорода имеет большие преимущества перед традиционными газообразным методом под давлением и жидкой форме, как то:

1. более высокая безопасность хранения, а, следовательно, более простая транспортировка (повреждённая ёмкость с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый сосуд с водородом в жидкой форме, или же бак, заполненный водородом высокого давления);

2. меньшие энергозатраты на хранение.

Реакции связывания водорода с металлом протекают с выделением тепла. Экзотермический процесс образования гидрида из водорода в металле – это «зарядка», или накачка металла водородом, а эндотермический процесс освобождения водорода из гидрида — это «разрядка», или отдача водорода.

Выразить это можно так:

Н2 + Металл → гидрид + тепло (освобождающееся);

Гидрид → Н2+Металл+тепло (добавляемое).

Выдержка из доклада U.S. Department of ENERGY.

Гидриды обладают высокой объёмной плотностью хранения водорода (0,1-0,15 кг/л), что сравнимо с плотностью хранения жидкого водорода, но при этом не требуют поддержания низкой температуры.

Разрабатываются методы, способствующие теоретическому хранению до 140 кг водорода на 1 м3 металлизированного гидрида. Это позволит на стандартном 50-литровом баке проехать до 270-300 км. Однако действительность вносит коррективы, и результирующее количество сохранённого водорода в обозримом будущем не превысит 80 кг/м3.

В 2017 году изначальные цели по достижению бытового хранения водорода, представленные на рисунке 4 (к 2020 году — в 5,5% массы, или 40 кг/м3 водорода; к 2025 году — в 6,5% массы, или 50 кг/м3; конечная цель — в 7,5% массы, или 70 кг/м3), были пересмотрены, рисунок 5.

Рисунок 4. Значения объёмной (Volumetric) и массовой (gravimetric) плотности водорода в различных гидридах, а также для некоторых других систем хранения до 2017 года

Рисунок 5. Пересмотренные данные.

Теперь вместо 40 кг/м3 и 5,5% к 2020 году – 30 кг/м2 и 4,5%, вместо 50 кг/м3 и 6,5% к 2025 году теперь – 40 кг/м3 и 5,5%, и конечная цель — вместо 7,5% и 70 кг/м3 — всего 6,5% и 50 кг/м3.

Гидриды, которые имеют хорошие расчётные параметры хранения водорода, на практике не используются, так как не могут быть эффективно использованы на транспорте. Именно поэтому пока вместо гидридов используется всё тот же водород под давлением и в жидкой форме.

Как видно из рис.4, некоторые гидриды обладают большей энергоёмкостью по запасу водорода, чем бензин, однако эксплуатация подобных гибридов – ещё нерешённая задача.

В перспективе, к 2050 году мы можем получить гидриды, сравнимые по своим энергетическим параметрам с бензином.

Например, сегодня гидрид магния хранит 77 грамм водорода на 1 кг массы гидрида, в то время как в баллоне под давлением 20 МПа приходится всего 14 г на 1 кг ёмкости.

Гидрид магния (MgH2) – на сегодня самый изученный (изучается уже более 40 лет), доступный, массовый и недорогой материал. У него высокая массовая (7,6 %) и объёмная (109 г/л) плотность. Однако он имеет термодинамические и кинетические ограничения в применении.

При температурах ниже 200 °C водород больше не поглощается, десорбция (выделение водорода) также происходит при высокой температуре в 400 °C. Скорости сорбции и десорбции не высокие. За последние 10 лет разработаны методы улучшения этих параметров, использующие наноструктурные материалы, которые улучшают кинетические свойства гибрида магния (новые катализаторы процессов на основе редкоземельных металлов и т.п.).

Энергетическая установка подводных лодки типа U-212/214, воздухонезависимая, состоит из 9 протон-обменных топливных элементов Siemens SINAVYCIS PEM BZM34, включающих в себя цистерны с криогенным кислородом и ёмкости с гидридом металла (системой хранения водорода).

В концепции водородной экономики, переход на которую уже запланирован в энергетических доктринах Германии и Японии (я писал об этом тут), огромную роль для топливных элементов и всей водородной энергетики будет играть палладий. На его основе уже изготавливаются катализаторы и мембраны для получения чистого водорода, материалы с повышенными характеристиками, топливные элементы, электролизёры, водородные сенсоры. Палладий может эффективно накапливать водород, особенно в форме нанопорошка.

В Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке ведутся работы по созданию аккумуляторов водорода на основе гидридов металла. Россия в этом плане контролирует половину мирового рынка палладия.

Криоадсорбционное хранение водорода.

Криоадсорбционное хранение водорода — это технология, объединяющая гидрную технологию и технологию жидкого хранения водорода.

Хранение водорода происходит в криогенно-охлаждаемых ёмкостях, содержащих адсорбирующий водород материал.

Подобный подход даёт преимущество по сравнению с хранением водорода в виде гидридов ввиду того, что количество водорода на единицу массы адсорбента больше, чем у гидридного хранения.

При этом стоимость адсорбента ниже, чем стоимость металлических сплавов при гидридном хранении водорода. Ёмкость адсорбента зависит от температуры: чем ниже температура криоадсорбции, тем выше ёмкость. Это существенно снижает общие затраты на хранение водорода, даже с учётом высоких расходов на охлаждение водорода. Рабочие температуры криоадсорбера выше, чем у систем хранения жидкого водорода (-253°C против диапазона от -208 до -195 °C у криоадсорбции. Адсорбция происходит при избыточном давлении около 4,2 Мпа, а десорбция — при 0,2 МПа.

Примером такого хранения водорода является применение активированного угля в качестве адсорбента. При температуре в -195 °C ёмкость хранения водорода составляет 68 г/кг адсорбента, при дальнейшем снижении температуры до – 208 °C ёмкость увеличивается до 82 г/кг. Как видим, подобная система хранения водорода по массовым характеристикам превосходит не только хранение водорода под давлением, но и в гидридах. Однако по объёму хранения эта схема уступает металлогидридным и жидководородным способам хранения.

Итоги.

1. Преимущества газообразного хранение водорода:

• дешёвая, хорошо отработана и доступная технология.

Недостатки:

• очень низкое объёмное содержание водорода. Однако плотность энергии при высоких давлениях порядка 700 атмосфер приближается к жидкому водороду.

2. Преимущества жидкого хранения водорода:

• высокая доступная плотность хранения (на сегодня – 71 кг/м3).

Недостатки:

• высокие энергозатраты на сжижение водорода, неизбежные потери водорода из-за испарения, высокая стоимость технологии хранения.

3. Преимущества криогенной адсорбции хранения водорода:

• простая и отработанная технология;
• безопасна.

Недостатки:

• маленькое объёмное содержание водорода (от 0,5 до 20 кг/м3).

4. Преимущества хранения водорода в гидридах металлов, сплавов, интерметаллических соединений, композитов и т.п.:

• безопасное хранение;
• удобная транспортировка.

Недостатки:

• ряд её технологий не отработан;
• необходимость подогрева;
• имеется деградация со временем;
• относительно высокая стоимость;
• недостаточная ёмкость хранения на сегодняшний день.

5. Преимущества перспективных способов хранения водорода на основе углеродных наноструктур (нанотрубки, фулерены) :

• высокая плотность хранения водорода (до 100 кг/м3);
• безопасны.

Недостатки:

• большинство результатов по удержанию водорода оказались невоспроизводимы;
• требуются обширные исследования в этом направлении;
• неясны экономические перспективы вложенных средств в эти исследования.

Как видно, на сегодня наиболее востребовательные способы хранения водорода – это дешёвый метод хранения газообразного водорода под давлением и более энергоёмкий, но дорогой – хранение водорода в жидком виде. Все остальные способы либо экономически неоправданны, либо не до конца проработаны.

Технологии современного, серийного водородного автомобиля.

Однако энергию из водорода не обязательно получать, «сжигая» его. Водород может производить работу, переходя из сжатой фазы в обычную молекулярную фазу, попутно совершая работу перед «сжиганием». Перспективные исследования дают надежду на получение такого рода топливных элементов с удельной энергоёмкостью в 5 раз больше, чем у бензина. Но об этом в следующей статье.

Часть 7. Перспективный водородный топливный элемент в МИЛЛИОН раз превосходит литий-ионный аккумулятор

================================================================

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!

Часть 1. Водородная энергетика: когда наступит будущее?

Часть 2. Водородная энергетика: методы получения водорода

Часть 3. Водородная энергетика: атомно-водородная технология

Часть 4. Водород в альтернативной энергетике

Часть 5. Проблемы водородной энергетики