Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Водородный автомобиль. Заправимся… бензином

Ключевые слова:  водородная энергетика, олимпиада

Автор(ы): Набиуллин Александр Ринатович

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

04 декабря 2018

Сейчас много говорят о водородной энергетике. Предлагается масса способов применения водорода: от банального сжигания вместо углеводородного топлива до топливных элементов. В то же время до конца не решена проблема его хранения.

Водород – это лёгкий горючий газ без запаха, имеющий очень низкую температуру кипения. Из-за низкой молекулярной массы водород обладает самой большой звуковой скоростью и способностью к эффузии и легко просачивается через малейшие дефекты уплотнений. Многие металлы также не являются для него непреодолимой преградой. Некоторые металлы под действием водорода теряют свою структуру. Например, плохо очищенная от примеси кислорода медь, при действии водорода может деформироваться и разрушится. Титан, из-за обратимого образования гидрида, тоже сильно теряет в прочности. Для длительной безопасной работы с водородом под давлением необходимы специальные сплавы. Чаще всего их не применяют, так как значительно проще и дешевле наладить вентиляцию для удаления водорода и своевременно заменять изношенные узлы.

Итак, рассмотрим возможные способы хранения этого газа. Предположим, что нам необходимо создать компактный и надёжный источник водорода для, например, автотраспорта.

Сжижение

Способ достаточно действенный, позволяет компактно накапливать большие количества водорода. Главный недостаток – крайне низкая температура кипения водорода. Для поддержания его в сжиженном состоянии необходимо постоянно испарять некоторое количество газа для отвода тепла. Длительное хранение невозможно. Кроме того, из-за сверхнизких температур для изготовления резервуаров для хранения необходимы специальные материалы, так как любые полимерные материалы и большинство металлов становятся хрупкими.

Плюсы данного метода: он позволяет накапливать водород с наименьшим балластом (отношение массы ёмкости к массе запасённого водорода), не используется высокое давление. Есть возможность дозаправки

Минусы: сверхнизкая температура хранения, постоянная утечка водорода, необходимость использования специальных материалов. Кроме того, водород тяжело сжижается, так что процесс в целом получается очень затратным.

Баллоны

Старый, испытанный способ. Отличается высокой надёжностью, малыми утечками и большой продолжительностью хранения. Недостатки – большая балластная масса. Пустой баллон весит около 60 кг и запасает порядка 6 м3 водорода. Пусть каждый кубометр взят при таких условиях, что составляет 50 моль водорода. Тогда в баллоне массой 60 кг запасено только 600 г водорода. Балластная масса составляет порядка 100 г на каждый грамм водорода. Положение слегка улучшается при использовании металло-полимерных баллонов сверхвысокого давления (до 700 атм), но даже в этом случае маловероятно снижение балластной массы до отметки менее 40 г на грамм водорода. Кроме того, работа с водородом под столь высоким давлением приводит к немалым проблемам, связанным с его диффузией и утечками через дефекты уплотнений.

Плюсы: высокая надёжность метода. Долговечность хранения. Возможность дозаправки.

Минусы: большая балластная масса, высокое рабочее давление.

Гидриды d-элементов

Одним из первых гидридов, использованных для хранения водорода был FeTiH2. Это компактный материал, обратимо связывающий водород. При хранении этого гидрида не развивается высокого давления и он способен храниться очень длительное время. Главный недостаток – большая балластная масса, которая составляет 52 грамма на грамм водорода. Реально она получается даже несколько больше, так как сложно достичь 100% использования материала. Прочие гидриды могут улучшить этот показатель, но не радикально.

Плюсы: высокая надёжность метода. Долговечность хранения. Низкое рабочее давление

Минусы: большая балластная масса. Простая дозаправка (закачка водорода в резервуар со сплавом) возможна, но скорее всего, она будет малоэффективна.

Активные металлы

Как тут уже ранее описывалось, для получения водорода можно использовать порошки активных металлов, например алюминия. Казалось бы – замечательная идея, но посчитаем балластную массу. Атомный вес алюминия 27 и каждый атом алюминия способен восстановить три протона, то есть при растворении 27 г алюминия получается 3 г водорода. Балластная масса составляет всего 9 грамм. Но к этой балластной массе необходимо добавить ещё воду, которая требуется для протекания реакции. Тогда она составит 26 грамм, если образуется гидроксид алюминия или 17 грамм, если образуется оксид. Остальные элементы (кроме лития) имеют большую балластную массу. Например: Mg – 12 г, Na – 23 г, Ca – 20 г. (данные массы приведены без учёта необходимой для реакции воды). Только в случае лития балластная масса составляет 7 грамм.

Исходные компоненты (вода и металл) абсолютно стабильны и могут храниться неограниченно долго. Регенерация данного элемента невозможна. Высокого давления не развивается.

Плюсы: низкое рабочее давление, малая балластная масса, возможность длительного хранения, высокая надёжность метода.

Минусы: - невозможность перезаправки данного элемента, высокая цена используемых металлов.

Гидриды активных металлов

Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов активно реагируют с водой, выделяя водород. При этом водорода выделяется в два раза больше, чем просто из металла. Балластная масса автоматически снижается в два раза и составляет 11,5 г для натрия, 10 г для кальция. Рекордсмен по-прежнему литий – для него балластная масса составит только 3,5 грамма. Правда эти достижения заметно портит необходимость использования расчётного количества воды, но тем не менее, более компактного, удобного и безопасного источника водорода не придумать.

Плюсы: низкое рабочее давление, малая балластная масса, возможность длительного хранения, высокая надёжность метода.

Минусы: невозможность перезаправки данного элемента, высокая цена используемых материалов.

Соединения азота

Многие соединения азота и водорода способны разлагаться на простые вещества. В первую очередь это гидразин, диимин и азидоводород. В случае азидоводорода распад может протекать с переходом в детонацию, кроме того, водорода выделяется сравнительно мало, балластная масса составляет 43 грамма. В случае гидразина система получается более безопасной, и её балластная масса составляет всего 7 грамм. Недостатком является исключительная ядовитость гидразина. Диимин крайне нестоек и всерьёз рассматривать его как источник водорода нельзя.

Плюсы: сравнительно малая балластная масса и возможность длительного хранения в случае гидразина.

Минусы: невозможность перезаправки данного элемента, высокая цена используемых материалов, крайняя ядовитость гидразина и азидоводорода. Возможность детонации.

Нанотрубки

Сорбция водорода на нанотрубках или нанодисперсном углероде известна и описана. Однако точных и воспроизводимых данных по ёмкости, кинетике и полноте выделения водорода пока нет. Кроме того, наноструктурированный (любым способом) углерод чрезвычайно дорог. Балластная масса не может быть менее 12 г, а вероятнее всего находится в диапазоне 50 – 100 г.

Плюсы: возможность длительного хранения, возможность перезаправки данного элемента, низкое рабочее давление.

Минусы: высокая цена используемых материалов, большая балластная масса.

Органические накопители

Давно известно, что многие органические вещества способны вступать в реакцию дегидрирования, то есть реакцию с выделением водорода. Простой пример – дегидрирование циклогексана с образованием бензола. Реакция обратима, а это значит, что подобные вещества потенциально являются накопителями водорода. При дегидрировании, например, циклогексана, на каждый грамм водорода приходится 13 грамм балластной массы. Эта величина уступает только гидридам активных металлов и гидразину. Для более надёжного допуска предположим, что балластная масса будет равна 20 грамм. В эту величину войдёт и масса бака для хранения углеводорода, и масса каталитического патрона для дегидрирования и то, что возможно использование не такого идеального кандидата с точки зрения ёмкости по водороду как циклогексан, а более высокомолекулярных соединений (например, типа пергидробифенила). Даже в этом случае, балластная масса не становится чрезмерно большой и вполне сопоставима с активными металлами. Возможность проведения обратной реакции, гидрирования, означает возможность перезаправки элемента.

Плюсы: возможность длительного хранения, возможность перезаправки данного элемента, низкое рабочее давление, малая балластная масса.

Минусы: возможно, высокая цена используемых катализаторов.

Итак, рассмотрев основные способы хранения водорода и прикинув их балластную массу, рассчитаем массу ёмкостей или материалов, длительно запасающих 2 кг водорода.

Это:

  • 200 кг стальных баллонов
  • 80 кг пластиковых баллонов сверхвысокого давления
  • 106 кг смешанного гидрида титана
  • 54 кг алюминия и воды
  • 21 кг гидрида кальция (и 18 кг воды для реакции (!))
  • 8 кг гидрида лития (и 18 кг воды для реакции)
  • 88 кг азидоводорода (эквивалентно очень мощному фугасу)
  • 16 кг гидразина
  • от 100 до 200 кг нанотрубок (ориентировочно)
  • порядка 40 кг органических накопителей.

Про ёмкости для жидкого водорода что-либо конкретное сказать трудно. В принципе их масса может быть порядка 10 кг. Однако, обращаться с жидким водородом непросто и для длительного хранения такие ёмкости непригодны.

Из приведённых расчётов самым экономичным из вариантов является гидрид лития, но он необратимо реагирует с водой и дорог. На втором месте – гидразин, но он очень ядовит. Третье место делят система из гидрида кальция с водой и органические накопители водорода. Из трёх вышеописанных систем только органические накопители можно использовать повторно, то есть “перезаряжать” их водородом. Итак, заправим водородный автомобиль maserati бензином?


В статье использованы материалы: Олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Северный олень
Северный олень

РИА Новости: В Стокгольме вручили Нобелевскиe премии
10 декабря состоялась церемония награждения Нобелевскими премиями за 2018 год, вручены премии в области медицины или физиологии, физики, химии. Накануне Нобелевские лауреаты прочитали лекции.

Лекционный курс «Элементоорганические соединения» в рамках развития проекта «Академический (научно-технологический) класс в московской школе»
В период с 9 по 30 октября 2018 г. в ИОНХ РАН были прочитаны лекции, посвященные элементоорганическим соединениям.

Лекционный курс «Пероксидные соединения» в рамках развития проекта «Академический (научно-технологический) класс в московской школе»
В период с 19 ноября по 10 декабря 2018 г. в ИОНХ РАН были прочитаны лекции, посвященные пероксидным соединениям.

Эффект лотоса
Никельшпарг Эвелина Ильинична
Кратко и поэтично об одном из самых известных эффектов, который так любят школьники и участники наноолимпиады - об эффекте лотоса...

Рентгеновская микроскопия
А.В.Афонин, Мельников Геннадий Семенович
В предлагаемом кратком обзоре сделана попытка оценки возможностей применения рентгеновских методов анализа регулярных структур. Обзор может быть полезен участникам наноолимпиады и всем, кто интересуется современными методами анализа и их последовательным развитием.

Как работает оптический нанопинцет
Богданов Константин Юрьевич
Оптический (или лазерный) пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов и удержания их в определённом месте. Автор этой статьи постарается в популярной форме ответить на вопрос - почему некоторые частицы, оказавшись в лазерном луче, стремятся в ту область, где интенсивность света максимальна, т.е. в фокус. И это устройство теперь связано с Нобелевскими премиями навечно!

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.