ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА В АДСОРБИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

Как водород, так и метан легко адсорбируются углем. Молекулы газа удерживаются на поверхности слабыми вандерваальсовыми силами, поэтому затраты энергии, необходимой для десорбирования топлива, невелики.

В углеродных системах хранения могут комбинироваться адсорбция и дру­гие методы аккумулирования водорода: сжатие газа и понижение температуры. Обычно адсорбционная система хранения водорода на основе активированного глерода имеет следующие рабочие параметры: давление от 20 до 40 атм; темпе­ратуру, равную температуре жидкого азота. Эти требования существенно огра­ничивают область практического применения таких систем. Достигаемая в них массовая емкость составляет 5-6 %, что примерно соответствует показателям хороших металлогидридных систем, обсуждаемых далее.

Углеродные нанотрубки являются перспективным материалом и могут по­глощать водород более эффективно. Опубликованные данные по однослойным нанотрубкам показывают, что при температуре 120 К и давлении 0,4 атм массо­вое содержание водорода в них может достигать 10 %.

Отметим, что если бы на один атом углерода приходился только один атом водорода, то массовое содержание водорода составляло бы только 8 %.

9.3. ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА В ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННОМ

СОСТОЯНИИ

9.4.1. Общие понятия

Как было сказано выше, основная проблема при создании си­стем хранения водорода — низкая плотность газа. Плотность можно существен­но повысить, связывая водород с другими веществами. В этом случае хранение н получение водорода будет включать в себя стадии синтеза соединений с вы­соким содержанием водорода и их диссоциации соответственно.

На практике к соединениям, пригодным для хранения водорода, предъявля­ется следующие требования:

1 Высокая емкость.

Плотность жидкого водорода равна 71 кг/м3. Плотность водорода во многих соединения с высоким его содержанием превышает это значение. В табл. 9.1 в качестве примера приведены характеристики трех распространенных гид­ридов.

Для достижения высокой объемной емкости гидрид должен иметь высокую плотность упаковки водорода. Для достижения высокой массовой емкости плотность гидрида должна быть относительно низкой.

2. Низкая энергия образования гидрида.

Как правило, водородное топливо используется в реакции с кислородом, про­дуктом которой является вода. В этой реакции выделяется 143 МДж теплоты 1 кг воды в жидком состоянии. Очевидно, что энергия образования гидри. используемого в качестве аккумулятора водорода, должна быть существен* меньше указанного значения, иначе система хранения будет бесполезн К примеру, для получения 1 кг водорода путем разложения аммиака необ >- димо затратить 15,4 МДж, тогда теоретическая эффективность цикла составит 143/(143+15,4) = 90 %. Это значение приемлемо. С другой стороны, во например, не может использоваться для аккумулирования водорода, так к теоретический КПД цикла с использованием воды равен нулю.

Энтальпии образования рассмотренных ранее гидридов приведен в табл. 9.2.

3. Обратимость.

Реакция должна быть обратима, т. е. равновесие при необходимости до' > легко смещаться в либо в сторону выделения водорода, либо в сторон] разования гидрида.

4. Кинетика.

Реакции поглощения и выделения водорода должны протекать быстро, относительно низких температурах и без использования дорогих катал. і торов.

5. Разделяемость.

Продукты разложения гидрида должны легко разделяться. В идеальном ст. чае продуктами разложения должны быть газообразный водород и твер ■ частицы других веществ.

6. Коррозионная устойчивость.

9.4.2. Вещества — «носители» водорода

Очевидно, одним из способов хранения и транспортировки водо­рода является синтез химических соединений с высоким содержанием водорода с последующим при необходимости их разложением для получения водорода, как это обсуждалось в гл. 8. Особый интерес для применения на транспортных средствах на топливных элементах представляет метанол — жидкое топливо, которое может быть легко преобразовано в водород. На создание размещаемых Н'-< борту транспортного средства мобильных установок для получения водорода из метанола были затрачены значительные усилия, однако возник ряд трудностей.

1. Эффективность.

Предположим, что в качестве исходного вещества используется природный газ. При производстве водорода из природного газа в используемых на прак­тике установках теплота сгорания полученного водорода составляет примерно 90 % теплоты сгорания исходного газа. Если же природный газ преобразуется в метанол, то теплота сгорания полученного спирта составляет всего 71 % теплоты сгорания исходного газа. Тогда как водород может использоваться непосредственно в топливном элементе, метанол необходимо сначала пре­образовать в размещенной на борту транспортного средства установке, при этом теплота сгорания водорода, который можно будет затем использовать в топливном элементе, составляет только 77 % теплоты сгорания спирта. Таким образом, эффективность системы топливообеспечения составит 90 % при использовании водорода и всего лишь 0,77 • 0,71 = 0,55 % при исполь­зовании метанола.

2 Выделение С02.

Предположим также, что и метанол, и водород получают из природного газа. Использование метанола в качестве топлива для топливного элемента приво-

дит к суммарному выбросу углекислого газа, который в 1,5 раза превыш выброс СО? при использовании водорода.

3. Загрязняющие вещества.

Наиболее вероятно, что на транспортных средствах будут использоваться т дополимерные топливные элементы, которые чувствительны к присутс в водороде примесей, таких как С02, так как они отравляют катализа Подобные примеси содержатся в водороде, получаемом из природного г. непосредственно или с промежуточной стадией образования метанола. П использовании метанола водород необходимо получать на борту транс п; ного средства, где, вероятно, качественная очистка водорода будет бо. затруднительной и дорогостоящей, чем при получении его централизова на предприятии.

4. Угроза окружающей среде.

Если в будущем использование метанола станет так же широко расп странено, как использование бензина в настоящем, то неизбежно б случаться утечки и проливы метанола, как сейчас это время от врече случается с бензином. Утечка метанола, однако, может иметь более с езные последствия, чем утечка нефти или бензина. Ни нефть, ни бен не смешиваются с водой и остаются на ее поверхности, образуя плен Метанол же смешивается с водой в любых пропорциях, и большая утечка может привести к загрязнению водоносных пластов. Это при в: к тому, что целый регион может остаться без питьевой воды, так как танол — довольно сильный яд, в определенных дозах вызывающий слеп и летальный исход.