ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА
Технологические процессы хранения, транспорта и распределения газообразного водорода во многом аналогичны тем, которые применяются в случае природного газа.
При современном уровне криогенной техники трубопроводный транспорт жидкого водорода дорог и вряд ли сможет конкурировать с транспортом газообразного водорода. Потери водорода на испарение при хранении и транспортировании водорода в криогенных емкостях составляют 0,3...1,0% в сутки [1].
Возможны следующие системы хранения водорода:
• газообразного под давлением;
• в жидком состоянии;
• в интерметаллических соединениях;
• в химических соединениях;
• комбинированные системы.
В настоящее время наиболее распространены стационарные газобаллонные системы хранения газообразного водорода под давлением. Их достоинством является простота конструкции, однако их большой удельный вес ограничивает использование на транспорте. В США распространены такие системы хранения в виде подземных газохранилищ, представляющим, главным образом, технологическую выработку газа или нефти.
Хранение водорода в виде газа требует повышения его давления до высоких значений (30 МПа), что вызывает необходимость повышенных мер безопасности.
К следующей системе хранения водорода – в жидком состоянии, выдвигаются специфические требования: применение высокоэффективной теплоизоляции или термостатирование данного объема. Такое хранение представляет лучший вариант в отношении снижения массы топлива и повышения плотности энергии (в настоящее время запас хода автомобилей на одну заправку бака составляет около 300 км). Очень низкая температура хранения (–253°С) требует высокой степени теплоизоляции бака [1]. Во время работы двигателя электрический испаритель поддерживает в баке требуемое давление. Остаточная теплота заставляет водород выходить наружу через предохранительный клапан, что приводит к его ежедневным потерям (около 2%) при неработающем двигателе. Основными параметрами оценки системы являются потери на испарение mб и коэффициент относительных потерь η [12]:
mб = Qб /rН2 , кг/ч; (1)
η = (mо – mк) mо; (2)
где:
Qб – тепловой поток, проникающий в сосуд для хранения (банку);
rН2 – теплота парообразования водорода;
mо – масса водорода в начале хранения;
mк – масса водорода в конце хранения.
Существуют сосуды емкостью до 5000 м3 с потерями на испарение водорода от 0,02 до 0,3% в сутки [2].
Суть следующего способа хранения водорода (в интерметаллических соединениях) заключается в следующем. В емкости, предназначенные для хранения, помещают специально подобранные сплавы некоторых металлов, которые обладают свойством при определенных условиях (давлениях и температурах) подобно губке поглощать водород, превращаясь при этом в гидрид. При изменении параметров (повышении температуры или давления) гидрид вновь распадается, высвобождая водород.
Основными показателями, определяющими конкурентоспособность такого способа по сравнению с другими являются:
• отношение полезного веса водорода к весу устройства;
• обратимость процесса и отсутствие технических трудностей при отборе водорода и зарядке «водородного аккумулятора»;
• возможность многократного использования;
• возможность придания контейнеру, содержащему связанный водород, произвольной формы, вписывающейся в габариты основной конструкции;
• безопасность работы с «водородным аккумулятором»;
• экономичность способа.
Следующий способ предполагает хранения водорода в связанном состоянии в таких химических соединениях как СН4, С2Н6 и др. [3].
Примером комбинированной системы хранения водорода является хранение водорода в жидком виде с поглощением испарившейся части водорода гидридным патроном.
Перспективным направлением для решения проблем транспортировки и хранения Н2 является метод, основанный на применении энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) [4]. ЭАВ называются многократно восстановляемые вещества, при определенных условиях отдающие аккумулированную в них энергию. Многократное восстановление ЭАВ производится за счет использования солнечной, атомной энергии, электричества или сжигания природных топлив, включая низкокалорийные угли. В качестве ЭАВ могут рассматриваться Si, Al, B, Mg и др., а также некоторые сплавы. Выделение водорода производится термическим или другим путем со скоростью, необходимой для потребления без предварительного накопления свободного водорода.
Содержание Al в земной коре составляет 7,45%, Si – 26%, Mg – 2,1%. В то же время чистый Si очень труднодоступен, а Al всегда покрыт трудноудалимой окисной пленкой.
Еще в 80-е годы в ЛПИ проводились исследования влияния различных факторов на скорость реакции
Mg + 2H2O = Mg (OH)2 + H2 (3)
и попытка регулирования выхода водорода. Данные исследования были предназначены для создания реактора по получению водорода с целью его дальнейшего использования в качестве топлива для автомобильного двигателя.
В общем случае на скорость реакции ЭАВ влияют величина контактной поверхности реагентов, химический состав, скорость диффузии продуктов реакции и реагентов через поверхностный слой.
В связи с этим возможны следующие методы увеличения скорости реакции с водой: активация путем снятия поверхностной пленки, интенсификация реакции за счет увеличения контактной поверхности, ускорение реакции за счет подбора химического состава сплава, активизация реакции путем создания определенных дефектов в его структуре.
Затраты на магистральный транспорт водорода на большие расстояния при той же передаваемой мощности в 3…5 раз меньше, чем затраты на транспорт электроэнергии. Однако вопрос о целесообразности применения такого транспорта энергии можно решить только анализируя всю совокупность затрат от первичного производства водорода до производства электроэнергии на приемном конце магистрали.
Литература
1. Автомобильный справочник Bosch/ Пер. с англ. – М.: За рулем, 2000. – 896 с.
2. Теплоэнергетика. 1980. № 3.
3. Атомная техника за рубежом. 1976. № 12.
4. Энергия. 1994. № 2.
П.В. Дружинин, В.А. Мельников, ВИТУ, Санкт-Петербург,
С.Н. Журавлев, ЦОПУ КС МО РФ, Москва,
А.А. Дегтярев, 104 УНР, Санкт-Петербург
C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка горюче-смазочных материалов можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:
«Рынок автомобильных бензинов в России»
«Рынок нефтяных битумов в России».