Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Популярная экология Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами - Методы хранения водорода

Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами - Методы хранения водорода

Печать
Индекс материала
Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами
Водородная экономика
Промышленные способы получения водорода
Источники дешёвой электроэнергии
Методы хранения водорода
Эфективность водорода как топлива
Использование водорода и аммиака в топливных элементах
Литература

Методы хранения водорода можно разделить на две группы: методы хранения водорода в свободном состоянии (в виде молекулы Н2) и методы хранения водорода в связанном состоянии (в адсорбированном виде и в виде химических соединений). С нашей точки зрения, наиболее целесообразно хранить водород в виде аммиака, который обладает рядом преимуществ по сравнению с другими источниками водорода. Аммиак один из наиболее дешёвых и удобных способов хранения водорода. Более того, сам аммиак может быть использован в качестве топлива для топливных элементов. [Wojcik] Ниже в работе будут рассмотрены различные методы хранения водорода.

 

Для хранения газообразного водорода применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины.

Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 МПа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, рассчитанных на давление до 40 – 70 МПа.

Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.

Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3000 м3 – около 1,65%, а вместимостью от 3000 м3 и более - около 1,1% в сутки (считая на номинальный объём газгольдера).

Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.

Газообразный водород возможно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 МПа. Такие ёмкости можно подвозить к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.

Для хранения и перевозки небольших количеств сжатого водорода при температурах от –50 до +60 0С используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 дм3 и средней ёмкости 20 – 50 дм3 с рабочим давлением до 20 МПа. Корпус вентиля изготавливают из латуни. Баллоны окрашивают в тёмно-зелёный цвет, они имеют красного цвета надпись “Водород”.

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг Н2 требуются баллоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8 – 10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2 – 3% от массы самого баллона.

 

Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали. Рабочее давление в них обычно не превышает 10 МПа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного, например, до сотен МПа, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

Для хранения очень больших количеств водорода экономически эффективным является способ хранения истощённых газовых и водоносных пластах. В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа.

Газообразный водород в очень больших количествах хранится в соляных кавернах глубиной 365 м при давлении водорода 5 МПа, в пористых водонаполненных структурах вмещающих до 20·106 м3 водорода.

Опыт продолжительного хранения (более 10 лет) в подземных газохранилищах газа с содержанием 50 % водорода показал полную возможность его хранения без заметных утечек. Слои глины, пропитанные водой, могут обеспечивать герметичное хранение ввиду слабого растворения водорода в воде.

Среди многих уникальных свойств водорода, которые важно учитывать при его хранении в жидком виде, одно является особенно важным. Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К, когда он переходит в твёрдое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.

Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды, которые заполняют жидким водородом, следует предварительно охладить до температуры, близкой к точке кипения водорода, только после этого можно заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание ёмкости.

Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Стоимость и энергосодержание испаряющегося газа значительны. Поэтому необходима организация использования этого газа с точки зрения экономики и техники безопасности. По условиям безопасной эксплуатации криогенного сосуда необходимо, чтобы после достижения максимального рабочего давления в ёмкости газовое пространство составляло не менее 5 %.

К резервуарам для хранения жидкого водорода предъявляют ряд требований:

  • конструкция резервуара должна обеспечивать прочность и надёжность в работе, длительную безопасную эксплуатацию;
  • расход жидкого водорода на предварительное охлаждение хранилища перед его заполнением жидким водородом должен быть минимальным;
  • резервуар для хранения должен быть снабжён средствами для быстрого заполнения жидким водородом и быстрой выдачи хранимого продукта.

Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4 – 5 раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 Мпа.

Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м3. Крупное шарообразное хранилище для жидкого водорода объёмом 2850 м3 имеет внутренний диаметр алюминиевой сферы 17,4 м3.

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. [Понамарёв-Степной]

Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это — одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.[Понамарёв-Степной]

Трудности, связанные с хранением и транспортировкой водорода хорошо известны. Ни в криогенном (жидком), ни в сжатом состоянии длительное хранение водорода не представляется возможным. Жидкий водород при 20 К имеет плотность всего 71 г/л [6].

Хранение водорода под давлением вызывает и другие проблемы.

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. Гидриды — химические соединения водорода с другими химическими элементами.

В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода. Отсутствуют расходы на конверсию и сжижение водорода. [Гладышева]. Но содержание водорода в гидрида по массе невелико.

 

В настоящее время разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния. Некоторые металлические сплавы типа магний-никель, магний-медь и железо-титановые 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 недопустимо медленно.

Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и диссоциации.

Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Однако этот процесс практически необратим. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида.

Стационарные устройства для хранения водорода в форме гидридов не имеет строгих ограничений по массе и объёму, поэтому лимитирующим фактором выбора того или иного гидрида будет, по всей вероятности, его стоимость. Для некоторых направлений использования может оказаться полезным гидрид ванадия, поскольку он хорошо диссоциирует при температуре, близкой к 270 К. Гидрид магния является относительно недорогим, но имеет сравнительно высокую температуру диссоциации 560 – 570 К и высокую теплоту образования. Железо-титановый сплав также сравнительно недорог, а гидрид его диссоциирует при температурах 320 – 370 К с низкой теплотой образования. Использование гидридов имеет значительные преимущества в отношении техники безопасности. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый жидководородный резервуар или сосуд высокого давления, заполненный водородом.

Цель проводимых текущих исследований — создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным. С этой точки зрения уже освоенные в крупнотоннажной химии технологии синтеза водородонесущих химических соединений — аммиака, метанола и некоторых других позволяют уменьшить затраты на необходимую инфраструктуру доставки и заправки водорода, использовать оптимальные системы его хранения на борту транспортного средства.

Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме аммиака или метанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объёмного содержания водорода. Однако в этих формах хранения водорода среда хранения используется однократно.

По объемной плотности хранения водорода метанол в 1.5 раза превосходит жидкий водород. К таким системам относится и диметиловый эфир (ДМЭ), производимый из метанола для применения на автотранспорте вместо дизельного топлива.

Водород из метанола может быть получен по двум схемам: либо методом каталитического разложения:

СН3ОН = СО+2Н2 – 90 кДж

с последующей каталитической конверсией СО, либо каталитической паровой конверсии в одну стадию:

 

Н2О+СН3ОН = СО2+3Н2 – 49 кДж.

К сказанному следует добавить, что при создании энерго-технологичекой схемы с использованием отходящего тепла и применения водорода, полученного из метанола, аммиака или этанола, можно получить КПД процесса более высокий, чем при использовании указанных продуктов как синтетических жидких горючих. Так, при прямом сжигании метанола и газотурбинной установке КПД составляет 35%, при проведении же за счёт тепла отходящих газов испарения и каталитической конверсии метанола и сжигания смеси СО+Н2 КПД возрастает до 41,30%, а при проведении паровой конверсии и сжигания полученного водорода – до 41,9%.

Аммиак представляется одним из перспективных носителей водорода [9]. Это дешёвый и удобный для транспортировки способ хранения аммиака. Чистый аммиак легко сжижается при комнатной температуре при небольших давлениях, и имеет довольно обширную область воспламенения.

Аммиак токсичен, но его резкий запах позволяет обнаружить утечку задолго до достижения опасных значений концентрации в воздухе.

Давление пара жидкого аммиака при комнатной температуре составляет примерно 10 атм, плотность 610 г/л. [Неводные растворители] Так как в молекуле NH3 содержится 17,6% водорода по массе, что в процентном отношении гораздо больше, чем в гидридах металлов, то легко рассчитать, что в 1 литре жидкого аммиака содержится 107 г водорода. Это делает целесообразным связывание водорода именно в аммиак, производство которого в Беларуси налажено.

В диссоциаторах для разложения аммиака (крекерах), которое протекает при температурах примерно порядка 1173 – 1073 К и атмосферном давлении, используется отработанный железный катализатор для синтеза аммиака. Для получения одного кг водорода затрачивается 5,65 кг аммиака. Что касается затрат тепла на диссоциацию аммиака при использовании этого тепла со стороны, то теплота сгорания полученного водорода может до 20% превосходить теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. Если же для процесса диссоциации используется водород, полученный в процессе, то КПД такого процесса (отношение теплоты полученного газа к теплоте сгорания затраченного аммиака) не превышает 60 – 70%.

В Беларуси электроэнергию, полученную на АЭС в «провальные» часы представляется перспективным, передавать на НПО «Азот» (г. Гродно), где и проводить электролиз воды. Электролитический водород весьма чист и может быть направлен на синтез аммиака без дополнительной обработки [Атрощенко, ЭХ]. Таким образом, могут быть снижены затраты на производство аммиака.

Неизбежное повышение цен на углеводородное сырьё, используемое в настоящее время для получения водорода на предприятиях по фиксации атмосферного азота, позволяет предположить, что электролизный водород, полученный по предлагаемой нами схеме для Беларуси, станет конкурентноспособным в недалёком будущем. При получении водорода конверсией метана по реакции

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

 

при цене 1000 м3 СН4 $250 себестоимость 1 м3 водорода составит $0,06. Использование новых технологий электролиза уже на данном этапе даёт возможность получить 1 м3 водорода себестоимостью $0,16. Расчёт проведён с учётом потребительской цены на электроэнергию в Беларуси на начало 2008 года. Использование мощностей ядерных электростанций в «провальные» часы позволяет предположить, что цена 1 м3 водорода, полученного электролизом, существенно снизится. Уже сейчас себестоимость электролизного водорода лишь в 2.5 раза превышает себестоимость водорода, получаемого конверсией метана.

 



 

Комментарии  

 
0 #4 Winnie 19.07.2017 12:13
Օne ᴡitһ thе mοst ցοⲟԁ ѡaʏs tօ ѕtаrt mаintaіning ɑ сᥱntгal aс sуstem in tɦeiг Ьᥱѕt ϲondіtіⲟn is tо
mɑқе suгᥱ yоu kᥱᥱp tо tһе гecommеndаtіоns ѕᥙⲣⲣⅼіеɗ bү tɦe mɑҝᥱг fօr ѕtгatеgies οn keᥱρing tҺe aіrflօᴡ constant and ᥙnoЬѕtrᥙcteԀ.
Үοᥙ ԝɑnt tօ ƅе cһооѕing an aіг-ϲon rерɑіr ϲοmⲣany thɑt ʏⲟu sіmρⅼʏ Ьᥱ
ⲟk ԝіtҺ ѡߋrкing tοǥеtһeг աitɦ fⲟг ϲօսntⅼesѕ уeɑгѕ tⲟ сⲟmᥱ.
ӏn ⲟгԁer οn an ᎪC tօ ρeгfߋгm bⲟtһ ᥱffeсtіνᥱlу ɑnd efficіᥱntlу гᥱǥulаг cⅼеaning and mаіntenancᥱ or ѕеrѵiϲing iѕ rеգuirᥱԁ.


Have ɑ look at mʏ homepage; bathroom Repɑiring: http://sstcontracting.com/2015/06/01/air-conditioner-maintenance/
Цитировать
 
 
0 #3 Felicitas 12.06.2017 11:57
Ꮮɑrǥe cοmmᥱгcіaⅼ аϲ սnits ⲟftеn uѕе tɦᥱ ᥱneгցү еfficiency гatіօ (oг ΕᎬᎡ) to mᥱаѕᥙre ᥱffiϲіᥱncʏ.
Ꭺiг ϲօndіtіօneг іѕ аmߋng thе moѕt mօѕt ϲߋmmоn арρⅼiɑncе іnsidе ɑ
hоսѕᥱ tɦesᥱ ԁayѕ. Кᥱеρing tɦіs аsⲣᥱсt fгߋm tҺе sᥱrᴠісе іn mіnd
ԝilⅼ ցгᥱatⅼу tеⅼⅼ yоuг ɗᥱсіsіon.

Feel free to visit mу webpage ... drywall uae dubai shajah: http://sstcontracting.com/2015/04/13/how-to-install-plumbing-in-a-new-home/
Цитировать
 
 
0 #2 k 03.02.2017 15:11
:lol: :D :-) ;-) :-| :o :sigh: :sad: :cry: :-? :-x
Цитировать
 
 
0 #1 k 03.02.2017 14:11
:D :lol: :-) ;-) 8) :-| :-* :oops:
Цитировать
 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить


Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

купить mobil 1 0w 40 mobil 1 0w 40 интернет магазин автомасел
 
трос гальмівний купить запчасть 5X0609721 Skoda Audi Volkswagen Seat
 
btc blender
 
https://myfreemp3.click