Читать книгу Водородное топливо. Производство, хранение, использование - Юрий Степанович Почанин - Страница 2
Глава 1. Характеристика водорода и водородного топлива
ОглавлениеВодоро́д – химический элемент периодической системы Менделеева с обозначением H и атомным номером 1, самый лёгкий из элементов периодической таблицы.
Водород – наиболее распространенный элемент во Вселенной, на долю водорода приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов – менее 0,1 %). Водород – основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца – 6000°С) и межзвёздного пространства, которое пронизано космическим излучением, этот элемент существует в виде отдельных атомов. В земной коре из каждых 100 атомов 15 приходится на водород. В плотной части земной коры (16 км), включая воду и атмосферу, содержится примерно 0,88 % (масс.) или 15,4 % (ат.) водорода. Солнце содержит 57 % (масс. водорода и 40 % гелия. При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H2). Однако, большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H2O).
При стандартных температуре и давлении водород – бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, не токсичный двухатомный газ с химической формулой H2, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен, в 14,38 раза легче воздуха, при плотности его 0,089870 г/л.
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от − 252,76 до − 259,2°C, является бесцветной жидкостью, очень лёгкая (плотность при − 253°C- 0,0708 г/с м3) и текучая (вязкость при − 253°C- 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура − 240,2°C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. Жидкий водород примерно в 15 раз легче воды, он представляет собой прозрачную бесцветную легкоподвижную жидкость, которая не проводит электричество и обладает небольшим поверхностным натяжением. Жидкость водорода нетоксична, но пожаро- и взрывоопасна. Температура взрывного самовоспламенения в воздухе 577°C.
Твердый водород образуется при охлаждении водорода до 259ºС и представляет собой белую пенообразную или снегоподобную массу, плотность которой в 12 раз меньше плотности воды.
В 2017 году физики из США заявили о получении металлического водорода, в 2019 году французскими физиками были подтверждены условия существования водорода в металлической форме – при увеличении внешнего давления до 500 ГПа атомы водорода начинают проявлять металлические свойства. Металлический водород – метастабильный материал, представляющий компактное, эффективное и чистое топливо. При этом высвобождаемая энергия не требует окисления с кислородом, а выделяется при фазовом переходе из металлического состояния в газообразное. Плотность металлического водорода сравнима с плотностью воды, поэтому энергетическая емкость металлической водородной ячейки объёмом 1 литр (1 кг) составляет ~216 МДж энергии, что только в ~6,5 раза превышает энергоемкость того же объема жидкого углеводородного топлива при огромной энергоемкости процесса.
Водород обладает сильными восстановительными свойствами, он может отнимать кислород или галогены от многих металлов и металлоидов, но при 25ºС и 0,1 МПа его химическая активность невелика, и в этих условиях он медленно реагирует даже с кислородом, с металлоидами он более активен, чем с металлами. При повышенных температурах водород вступает в соединения со многими элементами. Реакционная способность водорода возрастает под действием света (ультрафиолетовые лучи), также под действием электрической искры и электрического разряда, кроме того, в присутствии катализаторов, под действием элементарных частиц атомного распада. Эта способность водорода в момент его выделения объясняется тем, что при этом реагируют не только молекулы, но и атомы водорода. Атомный водород уже при комнатной температуре соединяется с серой, фосфором, мышьяком, кроме того, при комнатной температуре он восстанавливает оксиды ряда металлов, а также вытесняет некоторые металлы (Cu, Pb, Ag и др.) из их солей.
Водород – универсальный энергоноситель, как топливо он имеет высокое содержание энергии на единицу массы. Массовая теплотворность способность водорода составляет 120 МДж/кг и является самой высокой среди традиционных химических видов топлива: природный газ – 48,5 МДж/кг, бензин – 45,5 МДж/кг, дизельное топливо – 42,6 МДж/кг, уголь – 29,4 МДж/кг. Однако, если сравнивать эти же виды топлива по объемной теплотворной способности, то водород при нормальных условиях будет обладать самой низкой величиной энерговыделения – 10 МДж/м3, это следствие низкой плотности водорода р=0,08987 г/л.
При соединении водорода с кислородом в электрохимическом генераторе (ЭХГ) происходит прямое преобразование химической энергии в электричество с высоким коэффициентом полезного действия.
В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора, водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.
У водорода имеется три изотопа, которые имеют собственные названия:1H – протий, 2H – дейтерий и 3H – тритий (радиоактивен). Протий – единственный стабильный нуклид, не имеющий нейтронов в ядре (атом содержит один протон и один электрон, рис. 1.1, а.
Рис. 1.1. a) Протий б) Дейтерий в) Тритий
Протий составляет 99,9885 ± 0,0070 % от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространённым нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов. Обычно, когда говорят о водороде, имеют в виду именно лёгкий водород – протий.
Три́тий – радиоактивный изотоп водорода. Обозначается T или 3H. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном, рис. 1.1.в.
Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно. Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Тритий нестабилен, претерпевает бета-распад с периодом 12,32 года, превращаясь в стабильный гелий-3. Тритий встречается в природе в следовых количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами, при захвате дейтерием тепловых нейтронов и при взаимодействии природного изотопа лития-6 с нейтронами, порождёнными космическими лучами.
В свободном состоянии водород встречается крайне редко, лишь в очень незначительном количестве (в виде простого вещества водород содержится в атмосфере в количестве 0,00005 % по объему для сухого воздуха. Водород выделяется в свободном состоянии при извержении вулканов, находится в газообразных продуктах выделения фумарола, а также присутствует в виде включений в калийных солях, некоторых других минералах, в изверженных горных породах (гранит, гнейсы, базальты) и в некоторых природных и попутных газах ряда нефтяных месторождений, однако, в результате геологических процессов в атмосферу переходит гораздо меньше водорода, чем от биологических превращений.
Водород имеется в различных видах горючего, таблица 1.1.
Таблица 1.1. Примерное содержание водорода в различных видах горючего.
Значение водорода в химических процессах, происходящих на планете, почти так же велико, как и кислорода. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты – высокотемпературное тепло и вода. При сгорании не образует никаких вредных веществ: нет сгоревших частиц и сажи, отсутствует тепловой выброс, исключено образование углекислого газа, что снижает вероятность увеличения парникового эффекта. Главным источником водорода на планете является вода. При ее разложении образуются молекула кислорода и две молекулы водорода. Кроме воды, источниками водорода могут быть газ, уголь, биомасса, причем как растений, так и отходов.
Эффективность водородной энергетики зависит от увеличения плотности и, соответственно, повышения энергоёмкости водорода. На рис. 1.2. показана удельная энергоемкость водорода и различных топлив по массе и по объему. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию около 3 г бензина. При использовании водорода в топливных элементах вследствие высокого КПД топливного элемента (в 1,5–3 раза больше, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода, как топлива оказывается еще выше (в 4–10 раз).
Рис. 1.2. Удельная энергоемкость водорода и различных топлив
Но при переходе на водородное топливо неизбежно появление новых технических проблем, поскольку водород представляет собой искусственный энергоноситель, который должен быть получен из существующих в природе веществ, таблица 1.2.
Таблица 1.2. Свойства водорода как энергоносителя
Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью расхода других энергоносителей (нефть, электроэнергия, газ), а также высокой угрозой образования взрывов. Специалисты стремятся устранить эти проблемные аспекты. Имея низкую вязкость, водород без проблем транспортируется по трубам. Его можно хранить в сжиженном, газообразном состоянии. Он довольно легок, имеет продолжительный срок хранения. Современные технологии водородной энергетики позволяют получать качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи.
Недостатки водородного топлива:
– водород более взрывоопасен, чем, например, метан;
– объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа;
– относительно высокая цена при промышленном получении водорода (два основных направления получения водорода – электролиз и плазмохимия.
При электролизе для получения одного кубометра водорода требуется 4–5 киловатт-часов электроэнергии. Это дорого. Например, производство такого же количества бензина обходится примерно втрое дешевле). И всё же преимуществ у водородного топлива гораздо больше, чем недостатков. Таким образом, водород является перспективной заменой используемым сейчас источникам энергии.
Главные направления использования водорода сегодня – в нефтепереработке и в химической промышленности (для производства различных товаров, в первую очередь – аммиака и метанола), рис. 1.3.
Энергетическое использование водорода, по данным ARENA, оценивается всего в 1–2 % от общих объемов его потребления. Общий объем производства водорода в мире в настоящее время оценивается различными источниками в 55–65 млн тонн, причем совокупные среднегодовые темпы его роста за последние 20 лет невысоки – около 1,6 %. Более 90 % водорода производят на месте его потребления.
Резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю, наблюдаемое в мире в последние десятилетия, определяется его следующими основными особенностями:
– запасы водорода практически не ограничены,
– водород – универсальный вид энергоресурса, он может использоваться в качестве горючего для производства электроэнергии в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях,
– при помощи водорода возможна аккумуляция энергии,
– среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.
Рис. 1.3. Направления использования водородa
Для массового использования водорода в энергетике важно разработать экономически выгодные условия его получения и создать необходимую инфраструктуру, обеспечивающую доставку и хранение водорода. Он не является первичным источником энергии, как нефть или природный газ, но может быть использован в качестве энергоносителя.
В существующих реалиях «водородная энергетика», дополняющая традиционную энергетику, основанную на органическом топливе, рассматривается:
– как способ производства водорода с использованием не возобновляемых и возобновляемых источников энергии (органическое топливо, энергия АЭС, гидроэнергетика, энергия солнца, ветра, биомассы);
– надежное хранение и транспортировка водорода;
– использование водорода в энергетике, промышленности, на транспорте и в быту;
– обеспечение надежности и безопасности водородных энергетических систем.
Концепция «водородной энергетики» включает в себя решение целого комплекса проблем, рис. 1.4.
Рис. 1.4. Технологические цепочки водородной энергетики
Показанная технологическая цепочка водородной энергетики дает общее представление о масштабности и сложности решения проблемы.
