ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА

HYDROGEN STORAGE

Denis Andreyanov

Student, Department of Chemistry and Hydrogen Energy, Kazan State Power Engineering University,

Kazan, Republic of Tatarstan, Russia

Andrey Chichirov

Academic advisor, Doctor of Chemistry, Kazan State Power Engineering University,

Kazan, Republic of Tatarstan, Russia

АННОТАЦИЯ

В статье показана перспективна научных исследований в области хранения водородсодержащего топлива.

ABSTRACT

The article shows the prospect of scientific research in the field of storage of hydrogen-containing fuel.

Ключевые слова: Водород, хранение, водородная энергетика.

Keywords: Hydrogen, storage, hydrogen energy.

Создание компактных, крепких и малостоящих систем хранения водорода является одной из ключевых проблем развития водородной энергетики. Сложность этой задачи определяется тем, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов. Достаточно сказать, что в твердом и жидком состояниии водород больше чем на порядок легче бензина и на порядок легче воды.

Самым известным способом является хранение в сжатом состоянии. По массе и габаритам, и характеристикам взрыво- и пожаробезопасности он полностью соответствует условиям эксплуатации на наземном транспорте и в морских условиях. [1]

Хранение на земле газообразного водорода

Контейнеры, находящиеся на земле для хранения водорода, различаются по размеру, но обычно имеют постоянное давление 20 МПа. Существуют также контейнеры высокого давления (>20 МПА) и большие сферические контейнеры низкого давления (> 15 000 м³ и 1,2-1,6 МПА). Наиболее распространенным материалом, используемым в контейнерах для водорода, является сталь. Это не дорогой и практичный материал, но гравиметрическая плотность тяжелого и, следовательно, водородного хранилища, с учетом массы контейнера, оказывается низкой. [2]

Нужная V(объемная) плотность водорода при давлении 20 МПА и при температуре окружающей среды составляет 651,4 кВт/м³. Для реальных систем это значение меньше, и с учетом контейнера объемная плотность энергии в случае контейнеров из стали, составит 537 кВт.ч/м³.

Плотность гравиметрической энергии (или удельной энергии) в баллоне под давлением, в отличие от объема, зависит от свойств материала, из которых сделан контейнер. Обычные баллоны из стали могут достигать плотности энергии около 0,45 кВт/кг, что является 1,1% от массы запасенного водорода по сравнению с общей массой системы хранения. За счет процесса максимизации выгодных характеристик контейнера и выбора материала достигается плотность 1,5—2,6% от массы хранящегося водорода от общей массы системы хранения.

Использование композитных материалов позволило создать сверхлегкие контейнеры без швоф из волокна из углерода. В таких контейнерах достигается плотность 6% по весу. [3]

Одним из хороший качеств контейнеров является то, что из них не вытекает водород. Незначительный утечки могут происходить через стыки, но при наличии надлежащих соединений и регуляторов их легко устранить.

Хранение под землей газообразного водорода

Пещеры под землей - это простой и относительно недорогой способ хранения водорода. Существуют различные типы пещер, которые можно использовать: соляные пещеры, естественные пещеры и структуры водоносного горизонта. Соль часто залегает в виде уровня, который имеет толщину несколько сотен метров.

Расположенный на пористом геологическом уровне. Газ поступает в слой называемый (пористый), сначала заполненный водой, в котором он накапливается. Что бы применить этот метод, нужны особые геологические условия, его применение возможно только в небольшом количестве регионах.

В дополнение к соляным пещерам и водоносным горизонтам водород может храниться в естественных и искусственных пещерах. [4]

В земляных пещерах давление колеблется от 8 до 16 МПа, и поэтому объемная плотность энергии составляет около 250-465 кВтч/М3. В структурах водоносных горизонтов плотность энергии, естественно, намного ниже. Ущерб, причиняемый утечками в земляных пещерах, составляет около 1-3% от общего объема в год.

Сжиженное хранение водорода

Водород в жидком состоянии применяется как топливо для космических технологий в течение многих лет. Баллоны с жидким водородом легче, чем баллоны под давлением.

Но водород при температуре 20,25 превращается в жидкость, поэтому система хранения должна состоять из сложных методов изоляции для того, чтобы предотвратить испарения. Существуют два различных типа молекул водорода, это показывает квантово-механический анализ водорода: ортоводород с параллельным ядерным вращением и параводород с антипараллельным ядерным вращением. Этим самым получается необычное поведение теплоемкости водорода при маленьких температурах и вызывает разницу в идеальной работе для сжижения водорода по сравнению с экспериментальными данными. [5]

Энергия, которая должна быть использована для сжижения водорода, составляет около 11 кВт *ч / кг, что составляет около 28% от максимальной теплоты сгорания водорода Gorenje. Это самая большая проблема, связанная с использованием жидкого водорода. Однако иногда эта потеря энергии немного компенсируется ее высокой плотностью. [6]

Плотность жидкого водорода, включая контейнер для хранения, составляет около 25,9% по массе, массовая плотность энергии составляет 10,1 кВт/кг, а объемная плотность энергии составляет около 2760 кВтч/м³. Контейнеры для хранения теряют энергию, потому что водород неизбежно испаряется, что  вызвано теплопроводностью изоляции.

Рисунок 1. Схема изоляции контейнера

Вакуумная изоляция уменьшает теплопередачу за счет теплопроводности, поскольку теплопроводность газа значительно сильно уменьшается, когда снижается давление. Какое-то количество отражающих экранов, окружающих контейнер может уменьшить теплопередачу за счет излучения. [1]

Тепловой поток значительно снижает скорость испарения водорода, достигается это за счет охлаждения изолирующих экранов вентилируемыми парами водорода. Это уменьшает разницу температур между изолирующими экранами, что приводит к меньшему тепловому потоку. Данный метод применяется в основном в больших контейнерах.

Гидридное хранение водорода

Гидриды металлов состоят из атомов металла, которые образуют ведущую решетку, и атомов водорода, которые находятся в своего рода ловушках, представляющих собой сетевые дефекты или отверстия. Ловушка - это дефект струны, в котором может происходить накопление атомов водорода. Такая дефектная струна увеличивает напряжение, особенно если два соседних атома повторно объединяются с образованием молекулярного водорода. С данного момента времени адсорбция увеличивает размер решеток водорода, поэтому обычно применяют порошковый металл, чтобы крупные металлических частицы не разрушались. [3]

Можно сделать вывод, что водород является главной проблемой развития водородной энергетики. Сложность заключается в том, что водород в свободном состоянии – легкий и один из самых низкокипящих газов.[6] В данной статье приведен ряд способов хранения водорода, такие как: Наземное хранение газообразного водорода, подземное хранение газообразного топлива, хранение водорода в сжиженном виде и хранение водорода в гидридах металлов.

Список литературы:

1. Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / С. Н. Клямкин, Б. П. Тарасов // Возобновляемые источники энергии. Вып. 5 : 6 Всерос.науч.-молодежная школа, Москва, 26-27 нояб.2008г. –М., 2008. –С. 147-157.
2. Коробцев С. Водородные технологии для производства энергии : обзорматериалов Междунар.форума "Водородные технологии для производства энергии",Москва, 2006г.// Бюл. по атом. энергии. –2006. –No 7. –С. 18-23.
3. Моргунова Е.В. Водородная энергетика: воспоминания о будущем // Экономические стратегии. –2006.–No 7.–С. 26-35.
4. Чертов В. Водородная энергетика и высокие технологии // Драгоц. мет. Драгоц. камни. –2006. –No 4. –C. 152-154.
5. Пономарев-Степной Н. Н. Атомно-водородная энергетика -пути развития /Н. Н. Пономарев-Степной, А. Я. Столяревский // Энергия: Экон., техн., экол. –2004. –No 1. –С. 3-9.
6. Перспективные технологии и материалы для получения особого чистого водорода / И.С. Сипатов [и др.] // Продлемы недропользования. – 2015. -№3 – С.86-93.