РЫВОК В ВОДОРОДНОЕ БУДУЩЕЕ
В ноябре 2003 года в Москве произошло знаменательное событие. Российская академия наук и горно-металлургическая 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 Ю. С. Осипов и генеральный директор горно-металлургической компании “Норильский никель” М. Д. Прохоров утвердили комплексную “Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам”. Руководить российской водородной программой будет вице-президент РАН академик Г. А. Месяц. 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 М. Д. Прохоров. 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.
Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, — за счет энергии воды, ветра, солнца.
В последнее время появился интерес к технологиям получения водорода из биомассы, остающейся после переработки сельскохозяйственного сырья. Здесь есть несколько возможностей: конверсия спресованной биомассы, ферментация либо использование бактерий, способных продуцировать водород.
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.
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 (см. “Наука и жизнь” № 1, 1989 г.; № 3, 2001 г.).
В первых топливных элементах использовался щелочной электролит. Такая конструкция требует тщательной очистки водорода и кислорода, поскольку примеси, особенно углекислый газ, реагируют со щелочью. Позднее появились менее капризные устройства с электролитом на основе фосфорной кислоты и графитовыми электродами; окислителем в таких топливных элементах может служить кислород воздуха. Разработаны также высокотемпературные топливные элементы двух типов: в одном — электролит состоит из расплава карбонатов щелочных металлов (лития, калия, натрия), а в другом — используется твердый электролит на основе оксидов циркония и иттрия.
Для транспортных средств и портативных источников тока наиболее перспективны топливные элементы с твердополимерным электролитом. В таком устройстве электроды разделены полимерной мембраной, которая пропускает только протоны и не дает пройти электронам.
Пока что топливные элементы не находят широкого применения из-за непомерно высокой цены: стоимость 1 квт.ч составляет несколько тысяч долларов. Другая проблема — короткий срок службы топливных элементов, и над этим предстоит работать. Тем не менее во всем мире создаются опытные устройства, работающие на водороде, причем самого разного калибра — от электростанций до портативных источников питания для микрокалькуляторов. Образцы автомобилей на водородной тяге выпускают многие крупные автомобильные компании — “Даймлер-Крайслер”, “Форд”, “Мазда”, “Тойота”, “БМВ”, “Рено”. Есть новые модели автомобилей на топливных элементах и у нас в стране, например “АНТЭЛ”, изготовленный на Волжском автомобильном заводе (см. “Наука и жизнь” № 8, 2003 г.).
Говоря о развитии водородной энергетики, нельзя не упомянуть о проблемах безопасности. Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен, при высокой температуре он способен самовоспламеняться на воздухе. Чтобы обеспечить меры безопасности, требуются дополнительные затраты, однако развитые страны готовы пойти и на эти расходы.
В Европейском союзе своеобразным полигоном по освоению водородной энергетики станет Исландия, где для производства водорода можно использовать дешевую энергию геотермальных источников и гидроэлектростанций. Стране выделено 60 млн евро, чтобы она в ближайшие 15—20 лет перешла в основном на водородное топливо. Форсируют развитие водородной энергетики и в США: к 2020 году надеются перевести американскую автомобильную промышленность на водород. На эти цели в ближайшее время будет выделено около 5 млрд долларов.
По фундаментальным научным разработкам российские ученые во многом опережают западных коллег. Но чтобы эти достижения не остались на уровне лабораторных экспериментов, необходим технический рывок. Именно такую задачу и ставит российская водородная программа.
Источник
Гидриды. Водородная энергетика (стр. 11 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
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.
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:
стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;
хранение в трубопроводах;
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:
цеолиты и родственные соединения;
Абсорбция в объёме материала (металлогидриды)
фуллерены и органические гидриды;
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.
Источник
