Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

чески целесообразным. Это обусловлено возможностью прямого преобразования химической энергии вэлектрическую на основе электрохимических способов, например, с помощью топливных элементов (ТЭ).

Остановимся на основных характеристиках и свойствах водорода, делающих его перспективным топливом будущего. Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Удельная весовая теплотворная способность жидкого водорода составляет 120,7 ГДж, что почти в 3 раза превышает удельное энергетическое содержание нефтяных топлив. Это одна из причин, по которым жидкий водород используется, как топливо для ракет, где высокое удельное энергосодержание на единицу массы имеет первостепенное значение. В табл. 1 приведено сопоставление уровней энергосодержания водорода и ряда альтернативных топлив, результаты которого наглядно демонстрируют его высокий энергетический потенциал.

Абсолютные показатели удельной объемной теплотворной (высшей) способности водорода в газообразном состоянии и ряда альтернативных топлив представлены на рис. 1. В газообразном состоянии при любом давлении, как следует, на рис. 1 водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем метан (природный газ), метанол, пропан или октан (бензин). При давлении 800 атмосфер газообразный водород практически сравнивается с жидким водородом по показателю энергетического содержания на единицу объема, однако, уступает величине соответствующего показателя для метана 3,2 раза, и жидких метанола – в 1,7 раза, пропана – в 2,5 раза и октана – в 3,8 раза. При давлении в 800 атмосфер, или в жидком состоянии водород должен храниться в высокотехнологичных танках, или криогенных контейнерах, тогда как при хранении альтернативных жидких топлив, рассмотренных на рис. 1 – можно применить обычные контейнеры при атмосферном давлении.

Таблица 1

Энергетическое содержание водорода и ряда альтернативных топлив

Водород является экологически чистым топливом. При его сжижении не образуются парниковые газы и другие, вредные для окружающей среды вещества и соединения, и не нарушается круговорот воды в природе. По причине высокой летучести отсутствует и опасность образования застойных зон водорода. Энергия воспламенения водорода в 15 раз меньше, чем для бензина, а минимальная скорость распространения фронта пламени при сжигании водорода в 8 раз больше по сравнению с углеводородами, а излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

Создание компактных, экономичных и безопасных емкостей и методов хранения водорода является одной из важнейших задач, решение которой в значительной степени может способствовать ускорению процесса рыночной коммерциализации водородной энергетики в целом. Водород может храниться в качестве дискретного газа, в жидком состоянии, или в химическом соединении. Существующие технологии позволяют физическое хранение, транспортировку и распределение водорода среди конечных потребителей в газообразном или жидком состоянии танках или по трубопроводным системам. Наиболее развитой на сегодня является технология хранения сжатого под давлением водорода в танках, в баллонах на транспортных средствах при низкой температуре. Основными проблемами для данного вида хранения водорода являются большие размеры хранилищ и их вес (материалоемкость),

186

что удорожает процесс хранения.

Хранение водорода в жидком состоянии требует значительно меньших объемов хранилищ. Однако делает необходимым использование специальных криогенных контейнеров. Процесс сжижения водорода является энергоемким. По оценкам специалистов на его осуществление уходит около 1/3 энергетического содержания исходного объема водорода.

Основной целью работы является сравнительный анализ существующих способов хранения водорода и выявление наиболее практичного и энергоѐмкого.

Рис. 1. Высшая теплотворная способность водорода и ряда альтернативных топлив

Одной из важнейших проблем использования водорода в энергетике и в системах питания является его безопасное хранение и возможность использования при относительно малых затратах энергии. На данный момент существует 4 метода хранения водорода:

-Физический;

-Химический;

-Адсорбционный;

-Металлогидридный.

Физические методы хранения водорода характеризуются предельным (100 %) содержанием водорода и объемной плотностью, определяемой уравнением состояния. Основными преимуществами такого хранения является простота использования и отсутствие энергетических затрат на выдачу газа. Существенными недостатками являются проблемы безопасности (газ взрывоопасен при высоком давлении).

Химические метода хранения водорода: водород можно хранить и транспортировать не только в свободном состоянии, но и в химически связанном. Основным преимуществом хранения и транспортировки водорода в связанном химическом состоянии, например, в виде аммиака, метанола, этанола, является высокая плотность объемного содержания водорода, экономичность. Недостатками являются трудность многократного использования среды хранения водорода, высокая стоимость некоторых сред.

Адсорбционные методы хранения водорода: водород состоит из неполярных молекул, атомы связаны ковалентной связью, он способен взаимодействовать с поверхностью адсорбента посредством дисперсионных Ван-дер-ваальсовых сил. Указанное взаимодействие является достаточно слабым, а значит, материалы для хранения адсорбированного водорода должны характеризоваться высокой удельной поверхностью.

Металлогидридное хранение: химическое соединение водорода в форме металлических гидридов представляет привлекательную альтернативу традиционным способам хранения (криогенный и баллонный), которые небезопасны и энергоемки. Один из вариантов хранения водорода в виде гидридов представлен на рис. 2. Металлический гидрид представляет собой гранулированный материал c размером гранул 10-50 мкм, который помещается внутри цилиндрического контейнера, а водород подаѐтся через пористый фильтр из внутреннего ци-

187

линдра, при этом тепло передается через стенку, ограничивающую внешнюю поверхность металлогидрида. Металлический гидрид вначале адсорбирует водород, а десорбирует его за счѐт использования тепла от теплопередающей жидкости (ТПЖ).

Основными достоинствами металлогидридных систем хранения связанного водорода являются: высокая объемная плотность водорода, приемлемый интервал рабочих давлений и температур, постоянство давления при гидрировании и дегидрировании, возможность регулирования давления и скорости выделения водорода, высокая чистота выделяемого водорода, компактность и безопасность в работе. Полная сравнительная характеристика способов хранения водорода приведена в табл. 2 [1, 7].

Рис. 2. Передача тепла в металлогидридном водородном контейнере

Таблица 2

Характеристики способов хранения водорода

Из табл. 2 видно, что лѐгкие металлы и их гидриды самый перспективный способ хранения водорода. Гидридный способ хранения пока не нашел широкого распространения, вследствие недостаточной изученности этого вопроса. Гидридные аккумуляторы водорода на основе интерметалидов редкоземельных элементов и металлов платиновой группы эффективны как накопители, но требуют больших финансовых затрат [1, 7]. В последнее время особый интерес за рубежом и в России вызывают работы по использованию для хранения водорода на основе сплавов алюминия и некоторых переходных металлов [1]. Дальнейшее развитие работ в этом направлении позволит надеяться, что аккумуляторы высокой водород-

188

ной емкости будут созданы. Решение этой проблемы значительно ускорит процесс внедрения водородной энергетики в производство.

Из табл. 3 видно, что водород в гидриде имеет плотноупакованную структуру в отличие от других известных способов хранения водорода и соответственно металлогидридные системы обладают самой высокой компактностью. Одним из сдерживающих факторов развития водородной энергетики являются существующие технологии хранения (криогенная и баллонная), которые небезопасны и энергоемки. В своей работе мы исследуем возможность применения электрохимических систем для аккумулирования водорода, то есть материалов, полученных методом электролиза. В чем преимущество материалов, полученных данным методом. Электролитические металлы и сплавы, имеют другой механизм взаимодействия.

Во-первых, водород на электроде (катоде) выделяется совместно с образующимися

атомами металла согласно уравнениям:

Меn+ + ne → Ме0(1); Н++e → Н0(2); Н0 + Н0→ H2 (1)

Во-вторых, наличие атомного водорода (реакция 2) повышает вероятность взаимодействия металла с водородом. Если металл катода имеет большое сродство к водороду, то становится вероятным процесс:

где n и m стехиометрические коэффициенты.

В-третьих, по таким дефектам структуры наиболее вероятно взаимодействие атома водорода с металлом [7, 8].

Таблица 3

Условия и компактность различных систем хранения водорода

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. В настоящее время разрабатываются системы хранения водорода на основе гидридов металлов. Некоторые металлические сплавы типа Mg-Ni, Mg-Cu и Fe-Ti сплавы поглощают водород в относительно больших количествах, и освобождают его при нагреве. Гидриды, однако, хранят водород с относительно небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процессы их заправки идут достаточно медленно.

Цель проводимых исследований – создать состав материала, который будет обладать высокой сорбцией водорода, концентрировать энергию с высокой плотностью и легко десорбировать водород, при высокой рентабельности процессов.

Характеристики наиболее перспективных гидридных систем приведены в табл. 4. Наиболее привлекательным представляется применение гидрида магния, аккумулирующего на литр объема около 100 г водорода, и имеющего наиболее высокие показатели среди гидридных систем показатели весовой и объемной энергетической плотности.

Для эффективного использования возобновляемых источников энергии необходимы промежуточные средства аккумулирования энергии. Один из перспективных вариантов – использование в качестве энергоносителя водорода, который производится электролизом воды, используя энергию возобновляемых источников, обратимо хранится в виде металлогидридов

189

и преобразуется в электрическую энергию с помощью топливного элемента, по схеме

(рис. 3).

Рис. 3. Схема системы с водородным аккумулированием энергии

Выводы. В процессе проведѐнных нами исследований мы показали на возможность получения на основе никеля функциональных материалов, для применения их в качестве накопителей водорода следующими способами:

1.Путѐм формирования мелкокристаллической структуры металла и сплава с оптимальной степенью дефектности, которая была получена электрохимическим методом с использованием бора в качестве нанообразующей добавки. Полученные таким способом сис-

темы NiхBуНz, в которых, варьируя содержанием примеси, бором, можно увеличить содержание включаемого водорода до 3 % вес. водорода.

2.Исследования с использованиемизотопа водорода, дейтерия, имплантированноговметаллическую никелевую матрицу, позволили обнаружить в синтезированной электрохи-

мической системе, NixInyHz, композит с фазовым составом Ni70In30, имеющий структуру, способную не только удерживать допированный водород, но иосуществлять его последующую термодесорбцию. Полученные нами образцы имели площадь 0,24 дм2 и толщину 8 мкм. По геометрической форме это - лента, однако, существует возможность ее преобразовать в

любую другую форму. При насыщении дейтерием для композита Ni70In30 содержание дейтерия для композита составило 2 ат.D/ат. Мет, что соответствует ~6 мас. %. Увеличение концентрации индия приводит к росту количества удерживаемого дейтерия в композите [4-9].

При этом, существенно улучшаются такие характеристики, как: - экологичность – за счѐт сокращения выбросов в атмосферу;

- компактность, что позволит улучшить весогабаритные характеристики БПЛА; - безопасность, в частности, пожаробезопасность, присущую БПЛА с бензиновым

двигателем.

Область применения таких накопителей довольно широка. На рисунке 4 представлена схема бесперебойного питания радиоэлектронных средств связи. Для реализации непрерывного энерообеспечениянеобходима управляемая система резервного питания, в том числе, в

190