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

 

Тигровый коврик
Тигровый коврик

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ» (Интересные научные события 2020 года от Американского физического общества (APS): Новый век сверхпроводимости. Магические углы в графене. Новые рекорды LIGO и Virgo: сверхмассивные и асимметричные слияния черных дыр. Свет от темной материи в эксперименте Xenon. Чего не хватает для создания квантового интернета? Коперниканский переворот в нейронных сетях. Червякомешалка. Вселенский метроном и предел точности атомных часов. Благородные металлы и графен против токсичных газов. Мультиферроик с ферродолинным упорядочением. Борные сенсоры азотосодержащих загрязнителей.

Наносистемы: физика, химия, математика (2020, Т. 11, № 6)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume11/11-6
Там же можно скачать номер журнала целиком.

С Новым годом!
Дорогие друзья и коллеги!
Поздравляем с наступающим 2021 годом!
Желаем всем хорошего настроения и здоровья, удачи во всем и новых достижений!

Спинтроника и iPod
В.В.Уточникова
В 1988 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг независимо друг от друга обнаружили, что электросопротивление композитов, составленных из чередующихся слоев магнитного и немагнитного металла может невероятно сильно меняться при приложении магнитного поля. В течение десятилетия это, казалось бы, эзотерическое наблюдение революционным образом изменило электронную промышленность, позволяя накапливать на жестких дисках все возрастающий объем информации.

ДНК правит компьютером
Бидыло Тимофей Иванович
Наиболее вероятно, что главным революционным отличием процессоров будущего станут объемная (3D) архитектура и наноразмер составляющих, что позволит головокружительно увеличить количество элементов. Сегодня кремниевые технологии приближаются к своему технологическому пределу, и ученые ищут адекватную замену кремниевой логике. Клеточные автоматы, спиновые транзисторы, элементы логики на молекулах, транзисторы на нанотрубках, ДНК-вычисления…

Будущее техники отразилось в идеальном нанозеркале
Кушнир Сергей Евгеньевич
Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что новинка способна улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

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!



 
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.