Experții din multe țări ale lumii prevăd un mare viitor pentru hidrogen și, conform unor prognoze, acesta va fi unul dintre cei mai promițători combustibili din secolul XXI.
Conținut
Proprietățile fizico-chimice ale hidrogenului
Hidrogenul în reacțiile chimice acționează ca agent reducător, mai rar ca agent oxidant. Acest lucru arată poziția intermediară a hidrogenului în seria redox. Pentru ca reacția să continue, o moleculă puternică de hidrogen trebuie să se disocieze, ceea ce necesită o cheltuială semnificativă de energie:
Н2 → 2H, NA = 432,1 kJ/mol.
Aici NA este efectul termic al reacției.
Masa atomică relativă a unui amestec natural de hidrogen este de 1,00797. Hidrogenul este caracterizat de cele mai mici forțe de interacțiune intermoleculară în comparație cu toate celelalte substanțe, cu excepția heliului. Proprietățile hidrogenului la temperaturi și presiuni obișnuite sunt apropiate de cele ale unui gaz ideal. În condiții de temperatură obișnuită, hidrogenul este format din doi atomi. La temperaturi ridicate (2500-5000 єK) se formează hidrogen atomic, iar la temperaturi de ordinul a 105 єK acesta se disociază semnificativ în protoni și electroni. Tabelul 1.3 rezumă unele proprietăți ale hidrogenului ca și combustibil.
Densitatea scăzută a hidrogenului în toate cele trei stări de fază — cu aproape un ordin de mărime mai mică decât densitatea gheții, a apei lichide și, respectiv, a vaporilor de apă — atrage atenția. În același timp, hidrogenul are o căldură specifică de ardere masică foarte mare, de aproape trei ori mai mare decât căldura de ardere a benzinei.
Hidrogenul molecular este netoxic, insipid și inodor, incolor, ușor inflamabil, arde cu o flacără slab luminoasă de culoare albastru pal. Hidrogenul este ușor solubil în apă — 2 % vol.
Într-o gamă largă de temperaturi, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică dintre toate gazele. De exemplu, la 25 °C și presiune atmosferică, conductivitatea termică a hidrogenului este de 7 ori mai mare decât cea a aerului. Când este răcit l a-259 °C, hidrogenul formează o fază solidă — o masă spumoasă albă, a cărei densitate este de 14 ori mai mică decât cea a apei.
În compușii chimici, hidrogenul are de obicei o valență pozitivă și se comportă ca un metal alcalin. În hidruri (compuși ai hidrogenului cu metale), ionul de hidrogen este univalent negativ.
Hidrogenul are proprietăți reductive puternice, de exemplu, poate scoate oxigenul din multe metale și metaloizi, dar în condiții normale activitatea sa chimică este mică, în ele reacționează lent chiar și cu oxigenul (la 550 ° C această reacție are un caracter exploziv).
Perspectivele de aplicare a hidrogenului sunt legate de indicatorii săi energetici și ecologici ridicați, de caracteristicile cinetice unice și de baza de materii prime practic nelimitată. Hidrogenul relativ ieftin poate fi obținut prin electroliza apei, prin descompunerea apei de către bacterii sub influența luminii solare (fotohidrogen) și din hidruri metalice.
La temperatura normală, hidrogenul este un gaz inodor și incolor format din 25% parahidrogen și 75% ortohidrogen (două modificări cu valori diferite ale numerelor cuantice de rotație). Ca urmare a conversiei, hidrogenul lichid este format din 100% parahidrogen.
Hidrogenul lichid este un lichid incolor, inodor, cu criogenie ridicată. Se lichefiază la 20 єK, iar la 14 єK se transformă în fază solidă.
Hidrogenul gazos, are difuzivitate ridicată: coeficient de difuzie în aer 0,61, în oxigen 0,69, în azot 0,7 m2/s). Penetrarea hidrogenului în metale (hidrogenare) este foarte semnificativă (de la 1 la 30 mm), cu excepția oțelurilor aliate și a aliajelor de aluminiu. Rezervoarele criogenice sunt fabricate din aliaje de aluminiu Amg, Amz, Amg5B etc.
Hidrogenul nu este toxic, dar poate provoca degerături și este exploziv și inflamabil. Amestecurile hidrogen-aer se caracterizează printr-o gamă largă de aprindere (4-75 % din volum) și de explozie (-18,3-74 % din volum). Hidrogenul pur are o temperatură de inflamabilitate ridicată (590 °C) și este capabil de dispersie rapidă în aer. Acesta are caracteristici energie-masă foarte ridicate. Temperatura de autoaprindere pentru raporturile stoechiometrice este cuprinsă între 500-510 °C. Energia de aprindere a hidrogenului este minimă (de aproximativ 70 de ori mai mică decât cea a metanului), perioada de întârziere este de 1-10 μs, ceea ce conduce la o rată de ardere ridicată și la o posibilă detonare. În intervalele de temperatură ale amestecului de lucru 100-400 °C, viteza de propagare a flăcării este de 400-1200 cm/s. Arderea prin detonare a hidrogenului este observată deja la ε = 6 în regiunea de 0,2 < α < 1,82, при С = 15 в области 0,12 < α < 2,85.
Funcționarea motorului cu hidrogen într-o gamă largă de rapoarte de compresie fără detonare este posibilă cu amestecuri slabe. La adaosuri mici de hidrogen, de exemplu, la metan (20 %), nu se observă detonarea până la rapoartele de compresie 14-15.
Hidrogenul diferă foarte mult de combustibilii tradiționali în ceea ce privește proprietățile sale fizice, chimice și motorului. Prin urmare, mai sunt încă multe de făcut pentru a organiza procesul de lucru în motoarele diesel multicarburant care utilizează hidrogen.
Introducerea anticipată anterior a combustibilului pe bază de hidrogen în motoarele termice cu crearea de cicluri energetice care implică căldura de ardere a hidrogenului și a combustibilului principal pare să fie amânată pe termen nelimitat. Anterior, au fost întreprinse cercetări specifice în domeniul investigării procesului de funcționare a motoarelor cu combustibil mixt. În prezent, utilizarea hidrogenului în transportul rutier este strâns legată de dezvoltarea pilelor de combustie cu hidrogen, în care nu există un proces de combustie, ci o reacție chimică.
Principalul efect al adaosului de hidrogen la benzină este creșterea reactivității amestecului, care extinde intervalul de concentrație al inflamabilității acestuia și face posibilă funcționarea constantă a motorului cu amestecuri prea rafinate, ceea ce este confirmat de următoarele date.
Gama largă de limite de inflamabilitate obținută permite, în special, să se refuze reglarea inerentă în motoarele pe benzină prin cantitatea de amestec de lucru și să se utilizeze reglarea calitativă la α = 1, ceea ce asigură o exhaustivitate ridicată a arderii combustibilului. Adăugarea hidrogenului crește eficiența motorului din punct de vedere al consumului de combustibil.
Densitatea scăzută a hidrogenului gazos face dificilă utilizarea acestuia în formă comprimată, din cauza masei foarte mari a buteliilor de stocare. Utilizarea hidrogenului lichid este asociată cu necesitatea de a instala rezervoare criogenice costisitoare, cu izolație termică specială. Stadiul actual al tehnicii permite evitarea acestor dificultăți prin utilizarea hidrogenului acumulat în compoziția unor hidruri metalice. Pentru a încărca un acumulator de hidruri, hidrogenul sub presiune scăzută este trecut prin componenta metalică redusă și căldura rezultată este eliminată în același timp.
Perspective de dezvoltare a energiei pe bază de hidrogen
Ingineria energiei pe bază de hidrogen a apărut ca una dintre direcțiile de progres științific și tehnologic la mijlocul anilor 1970 ai secolului XX. Pe măsură ce domeniul de cercetare legat de producerea, stocarea, transportul și utilizarea hidrogenului s-a extins, avantajele ecologice ale tehnologiilor hidrogenului au devenit din ce în ce mai evidente. Succesele înregistrate în dezvoltarea unei serii de tehnologii ale hidrogenului (cum ar fi pilele de combustie, sistemele de transport al hidrogenului, sistemele de stocare etc.) au demonstrat că utilizarea hidrogenului conduce la indicatori calitativ noi în funcționarea instalațiilor și sistemelor, iar studiile de fezabilitate au arătat că, deși hidrogenul este un vector energetic secundar, adică este mai scump decât combustibilii naturali, utilizarea sa într-o serie de cazuri este fezabilă din punct de vedere economic în prezent. Prin urmare, în multe țări industrializate, lucrările de inginerie în domeniul energiei pe bază de hidrogen se numără printre direcțiile prioritare de dezvoltare a științei și tehnologiei și beneficiază de un sprijin financiar tot mai mare atât din partea statului, cât și din partea capitalului privat.
Direcțiile de dezvoltare a noilor tehnologii ale hidrogenului în scopuri civile variază de la țară la țară. Acest lucru se datorează disponibilității diferite a resurselor naturale de energie și particularităților de dezvoltare tehnologică ale acestor țări sau ale țărilor respective. De exemplu, proiectele de noi tehnologii ale hidrogenului implementate în SUA, Germania și Rusia utilizează experiența tehnologiei rachetelor, industriei nucleare și chimice, metalurgiei speciale, criogeniei și industriei de apărare, în timp ce în Japonia — experiența tehnologiilor înalte din industria electronică, electrică, metalurgică și metalurgică și experiența străină a tehnologiei criogenice și aerospațiale.
Creșterea bruscă a interesului pentru hidrogen ca combustibil și vector energetic, observată în lume în ultimele decenii, este determinată de următoarele caracteristici principale ale hidrogenului:
- rezervele de hidrogen sunt practic nelimitate;
- hidrogenul este un tip universal de resursă energetică, deoarece poate fi utilizat ca și combustibil pentru producerea de electricitate în diferite tipuri de cicluri de funcționare și ca purtător de energie pentru transport în stare gazoasă, lichidă și legată;
- hidrogenul poate fi utilizat pentru stocarea energiei;
- hidrogenul are cea mai mare putere calorică pe unitate de masă și cel mai redus impact negativ asupra mediului dintre alți combustibili organici.
Conținutul energetic al 1 g de hidrogen este echivalent cu conținutul energetic al 2,8 g de benzină atunci când este calculat pe baza puterii calorifice inferioare. Dacă în calcul se ia pentru hidrogen cea mai mare căldură de ardere, iar pentru benzină — cea mai mică, așa cum se întâmplă în realitate, această valoare va fi de 3,3. Atunci când hidrogenul este utilizat în pilele de combustie, datorită eficienței ridicate a pilei de combustie (de 1,5-3 ori mai mare decât cea a unui motor cu combustie internă), eficiența hidrogenului ca și combustibil este și mai mare.
Elementul cheie al centralelor electrice pe bază de hidrogen este celula de combustie. Pilele de combustie fac parte din sursele de energie chimică. Ele nu se supun legii lui Carnot și realizează conversia directă a energiei combustibilului în energie electrică, ocolind procesele convenționale de combustie cu eficiență scăzută și pierderi ridicate.
Pilele de combustie cu electrolit solid-polimer au o serie de avantaje, printre care
- densitate mare de putere și compactitate;
- funcționare relativ simplă;
- performanțe dinamice ridicate;
- sistem relativ simplu de eliminare a produselor de reacție.
Utilizarea hidrogenului pentru centralele electrochimice autonome a cunoscut cea mai mare dezvoltare în tehnologia spațială, unde s-a acumulat o anumită experiență operațională. Recent, interesul pentru utilizarea acestor unități în transportul terestru și maritim a crescut brusc.
Prin nivelul lor tehnic, pilele de combustie solid-polimerice (REMFC) sunt în pragul comercializării. În prezent, costul lor ridicat (costul unității de putere~104 USD/kW) este încă un obstacol în calea acestui proces. Multe întreprinderi preconizează că costul unităților de putere cu REMFS va scădea cu un ordin de mărime sau mai mult atunci când acestea vor fi produse în masă. Pentru aplicarea în masă a REMRS în transportul auto, costul acestora ar trebui redus la 30-100 USD/kW (la costul actual al benzinei și în absența unor mecanisme financiare care să ia în considerare impactul nociv al emisiilor asupra mediului). În viitorul apropiat, ca urmare a normelor mai stricte privind emisiile, a creșterii costului benzinei și a scăderii costului TE, se preconizează că piața va evolua în favoarea automobilelor și a unităților autonome de putere de până la 100-300 kW cu REMRS. Cercetarea și dezvoltarea în aceste domenii se desfășoară cu o activitate în creștere.
Dezvoltarea în continuare a ingineriei energetice pe bază de hidrogen, în special a ingineriei energetice pentru transporturi, depinde de rezolvarea a trei probleme științifice și tehnice legate de: apariția unei tehnologii de producere a hidrogenului economice și sigure pentru mediu, dezvoltarea unor metode de stocare sigură și compactă a acestuia și dezvoltarea generatoarelor electrochimice.
Crearea unor sisteme compacte, fiabile și necostisitoare de stocare și transport al hidrogenului este una dintre cele mai importante probleme ale transportului energiei pe bază de hidrogen. Complexitatea acestei sarcini este legată de faptul că, în stare liberă, hidrogenul este cel mai ușor și unul dintre gazele cu cel mai scăzut punct de fierbere.
În prezent, cele mai activ cercetate sunt 3 metode de stocare a hidrogenului — cilindrul, stocarea criogenică și stocarea hidrogenului legat chimic, inclusiv utilizarea nanotuburilor de carbon în acest scop. Cel puțin 8 institute de cercetare importante din SUA, institute de cercetare și firme din Anglia, Germania, Japonia și Franța investighează substanțe capabile să adsorbă, să stocheze și să elibereze hidrogen.
Cea mai cunoscută metodă de stocare a hidrogenului — metoda cilindrului, în care hidrogenul este stocat în stare gazoasă comprimată, — prin parametrii săi de masă-dimensiune și prin caracteristicile sale de siguranță în caz de explozie și de incendiu, nu îndeplinește pe deplin condițiile de siguranță în transportul terestru și pe nave, deși continuă să fie cercetată și îmbunătățită în mod activ.
Metoda de stocare a hidrogenului în stare criogenică utilizată în instalațiile spațiale, datorită vaporizării constante a acestui gaz, este și mai periculoasă din punct de vedere al exploziilor și incendiilor pentru vehicule, submarine și nave de suprafață. Deoarece parametrii de siguranță în caz de explozie și incendiu sunt determinați în mare măsură de volumul de hidrogen stocat și de timpul de stocare, această metodă nu este adecvată pentru transportul maritim și terestru.
O metodă de stocare a hidrogenului bazată pe nanotuburi de carbon (cilindri lungi cu pereți compuși din unul sau mai multe straturi de grafit molecular), care a început să fie intens cercetată în 1998, a fost limitată până în prezent de dificultăți tehnologice. Deși această metodă este încă considerată promițătoare (conform unor studii, intensitatea hidrogenului din nanotuburi depășește 6 % din masă, față de 1,5-2 % pentru intermetaluri), aplicarea sa nu este încă posibilă din cauza cunoștințelor insuficiente.
Aplicații ale hidrogenului
Proprietățile excepționale ale hidrogenului îi oferă o gamă largă de aplicații în diferite domenii ale energiei, transporturilor și industriei.
Este posibilă utilizarea hidrogenului în stare lichidă și gazoasă, iar în stare gazoasă hidrogenul este utilizat pe scară mai largă. Figura 1.1 prezintă schematic domeniul de aplicare al hidrogenului și al gazelor care conțin hidrogen.
Hidrogenul este necesar în cantități mari pentru rafinarea petrolului, în industria chimică, metalurgică, a construcțiilor, a combustibililor și alimentară.
Transporturile, industria și utilitățile publice din țările dezvoltate utilizează hidrogen de mulți ani. Utilizarea hidrogenului în tehnologia rachetelor a fost deja stăpânită.
Utilizarea hidrogenului drept combustibil nu este numai utilă din punct de vedere ecologic, ci și justificată din punct de vedere economic. Să luăm, de exemplu, poluarea atmosferei cu gazele de eșapament ale mașinilor. Înlocuirea tuturor motoarelor pe benzină cu motoare pe hidrogen este nerealistă, deoarece implică costuri materiale uriașe. Cu toate acestea, cu aproape nicio modificare a motorului, se poate utiliza benzină cu un aditiv de hidrogen de 10 %. Chiar și acest mic pas ar îmbunătăți dramatic situația mediului în orașele mari.
Hidrogenul în sectorul energetic
Hidrogenul este un acumulator de energie. Devine evident că hidrogenul poate contribui la rezolvarea unora dintre problemele energiei nucleare.
Accidentele distructive ale centralelor nucleare (CN) au arătat că cele mai periculoase sunt „manevrele” de putere ale reactorului, adică modificările intensității reacției nucleare. În consecință, pentru a asigura siguranța, este de dorit să ne limităm la modul staționar de funcționare a centralelor nucleare. Această stabilitate limitează capacitatea sistemelor energetice de a egaliza sarcinile atunci când, de exemplu, consumul de energie crește brusc în timpul orelor de lucru și scade noaptea și în weekend. Nu există încă o modalitate satisfăcătoare de stocare a energiei electrice, dar hidrogenul ar putea fi de ajutor. Odată cu dezvoltarea pe scară largă a tehnologiilor de producție, transport și stocare, hidrogenul poate fi utilizat pentru a rezolva o serie de probleme energetice la scară largă. Printre acestea se numără următoarele: stocarea energiei în sistemele electrice cu program de încărcare neuniform, alimentarea cu energie a consumatorilor locali și alimentarea cu căldură pe distanțe lungi.
În prezent, programul de sarcină variabilă al sistemelor energetice, în special eșecul de sarcină electrică pe timp de noapte, este una dintre cele mai importante probleme ale industriei energetice. Această problemă este acută pentru energia nucleară. Valoarea ridicată a componentei de capital din costul energiei produse, precum și considerațiile privind creșterea fiabilității operaționale a echipamentelor principale și, în principal, a combustibilului, fac de dorit ca centralele nucleare să funcționeze în modul de sarcină de bază. Pentru reactoarele de tip breeder, funcționarea în regim de bază crește rata de reproducere a combustibilului. Această problemă poate fi rezolvată prin aplicarea tehnologiilor pe bază de hidrogen conform schemei: producerea și acumularea hidrogenului în timpul căderii de noapte și utilizarea acestuia în timpul vârfurilor de sarcină. Pentru a acoperi sarcinile de vârf, poate fi utilizat un generator de abur cu declanșarea aburului suplimentar la turbină. În Germania, Rusia, Japonia și alte țări au fost efectuate studii experimentale privind procesele de ardere a hidrogenului în oxigen și aer, transferul de căldură în timpul filmului și răcirea prin evaporare a pereților la fluxuri mari de căldură. Institutul de Înalte Tehnologii al Academiei Ruse de Științe și Centrul de Cercetare Keldysh au dezvoltat și testat un eșantion demonstrativ al unui astfel de generator de abur cu o capacitate de 25 MW.
Hidrogenul în industrie
Producția de amoniac și metanol, reducerea directă a fierului
Temperatura ridicată de ardere — iar în combinație cu un arc electric ajunge la 4000 °C — asigură topirea chiar și a celor mai refractare metale. Prin urmare, torțele cu oxigen-hidrogen sunt utilizate pentru sudarea și tăierea metalelor. În metalurgia neferoasă, reducerea cu hidrogen produce metale deosebit de pure din oxizi. Hidrogenul este utilizat pe scară largă în industria chimică — în sinteza amoniacului, producția de acid clorhidric și metilic, alcool metilic. În industria alimentară hidrogenul este utilizat pentru transformarea grăsimilor lichide în solide, hidrogenarea lor. Dată fiind imponderabilitatea hidrogenului, acesta a fost și este utilizat pentru umplerea învelișurilor aeronavelor. La început au fost baloane, mai târziu — aerostate și dirijabile, astăzi, împreună cu heliul — sonde meteorologice.
Rafinarea petrolului
Principalii consumatori industriali de gaz de sinteză sunt rafinarea petrolului și petrochimia. Cea mai mare parte a energiei consumate de rafinării este utilizată pentru a produce hidrogen din hidrocarburi cu putere calorică redusă și gaze naturale. Hidrogenul este utilizat pentru producerea de produse petroliere ușoare, reducerea toxicității și eliminarea sulfului și a altor poluanți. Pe măsură ce rezervele de petrol ușor cu un raport ridicat hidrogen-carbon sunt epuizate și crește producția de petrol greu disponibil în cantități mari, crește cererea de hidrogen. Dacă hidrogenul produs de reactoarele nucleare este utilizat în acest proces, nu numai că randamentul de benzină pe tonă de țiței crește, dar și emisiile de gaze cu efect de seră rezultate din producția convențională de hidrogen sunt reduse.
Hidrogenul ca purtător de energie
Avantajul hidrogenului ca și combustibil este capacitatea sa de a produce nu numai căldură cu potențial ridicat atunci când este ars în oxigen, ci și energie electrică atunci când este combinat cu oxigenul într-o celulă de combustibil — un generator electrochimic.
Hidrogenul ca combustibil este utilizat în mod eficient în motoarele de rachetă. Motoarele de rachetă cu hidrogen-oxigen oferă cele mai mari valori ale tracțiunii specifice. Tehnologia spațială a stimulat utilizarea tehnologiei pentru conversia directă a energiei chimice a hidrogenului în energie electrică într-un generator electrochimic. Se preconizează utilizarea pe scară largă a tehnologiei generatoarelor electrochimice în autovehicule.
Generatoarele electrochimice vor găsi, de asemenea, aplicații în sectorul utilităților și în generarea de energie specializată, cum ar fi pentru vehiculele subacvatice.
Vehicule alimentate cu hidrogen
Lucrările privind utilizarea hidrogenului vizează atât îmbunătățirea combustibililor pe bază de hidrocarburi pentru arderea în motoarele cu ardere internă, cât și utilizarea generatoarelor electrochimice. Industria automobilelor efectuează teste complete ale unei game largi de vehicule alimentate cu hidrogen. În SUA, Germania, Japonia, Canada, au fost create și sunt în funcțiune stații experimentale de alimentare cu hidrogen. Într-un viitor nu prea îndepărtat, ca urmare a unor standarde mai stricte privind emisiile, a creșterii prețurilor la benzină și a scăderii costurilor pilelor de combustie, se preconizează că piața va evolua în favoarea vehiculelor alimentate cu hidrogen.
Figura 1.2 prezintă cele două strategii principale pentru alimentarea vehiculelor cu pile de combustie.
Partea superioară a Fig. 1.2, a prezintă o schemă de transformare a combustibilului în hidrogen la bordul unui vehicul, cu ajutorul unui reformator. Această opțiune a fost utilizată de Mazda, care testa un vehicul cu pile de combustie. Un reformator este instalat la bord pentru a produce hidrogen din metanol. Firma „Honda” a aplicat a doua variantă de alimentare cu pile de combustie, care este prezentată în Fig. 1.2, b. Și a introdus vehiculul cu pile de combustie FCX-V3, care este alimentat cu hidrogen. Timpul de pornire al centralei este de numai 10 secunde. Puterea de ieșire este de 70 kW. Firma rusă AvtoVAZ nu a rămas deoparte și, împreună cu Energia Corporation, a produs un vehicul cu pile de combustie pe hidrogen Niva.
Aplicarea hidrogenului în tehnologia rachetelor și a spațiului
Cea mai mare experiență în utilizarea hidrogenului ca purtător de energie a fost acumulată în tehnologia rachetelor spațiale. Un exemplu al unui astfel de sistem este reprezentat de rachetele complexului Energia, în ale căror motoare de rachetă cu combustibil lichid hidrogenul este utilizat drept combustibil. Rusia și SUA au acumulat, de asemenea, experiență în utilizarea hidrogenului în motoarele rachetelor nucleare. Principalul avantaj al motoarelor nucleare de rachetă față de motoarele de rachetă cu combustibil lichid este posibilitatea de a utiliza un corp de lucru monocomponent cu o greutate moleculară minimă, iar hidrogenul are aceste proprietăți, care asigură cea mai mare tracțiune specifică a motorului. Astfel, atunci când se utilizează hidrogen și se încălzește în reactor la 2727 ° C, impulsul specific al motoarelor nucleare de rachetă este de peste 2 ori mai mare decât impulsul specific al unui motor de rachetă cu lichid chimic. În Rusia, au fost dezvoltate reactoare nucleare pentru motoare de rachetă, în timpul testelor cărora s-au atins temperaturi ale hidrogenului de până la 2827 °C. Deși aviația consumă mai puțin de 3% din resursele de combustibili fosili produse, independența față de aprovizionarea externă cu produse petroliere a stimulat dezvoltarea aeronavelor care utilizează combustibil pe bază de hidrogen. În anii 1980, Rusia a creat un laborator de zbor bazat pe un avion TU-154V cu două motoare NK-88 alimentate cu hidrogen. În prezent, experimentele cu hidrogen în aviație continuă. De asemenea, se efectuează cercetări privind sistemele aerospațiale hipersonice care utilizează motoare alimentate cu hidrogen cu flux direct.
Economia hidrogenului
Termenul „economie bazată pe hidrogen” a apărut în prezent și este utilizat pe scară largă. Acesta este înțeles ca o economie construită prin înlocuirea parțială sau completă a combustibilului pe bază de hidrocarburi cu combustibil pe bază de hidrogen, care permite reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră în mediu.
Așadar, cât de realistă este înlocuirea combustibililor fosili cu hidrogen? Răspunsul la această întrebare va depinde de rezultatele cercetărilor ample care se desfășoară în prezent în cea mai mare parte a lumii dezvoltate.
Costurile energiei în diferite etape ale ciclului de viață al hidrogenului
Atunci când se trece la combustibilul pe bază de hidrogen, sunt inevitabile noi probleme. Hidrogenul este un purtător artificial de energie, care este obținut din substanțe existente în natură. Prin urmare, în primul rând, este necesar să se analizeze costurile energetice necesare în acest scop în toate etapele ciclului de viață al hidrogenului ca purtător de energie — de la producerea sa până la utilizarea sa (Fig. 2.1) ca mijloc de generare a energiei electrice sau a lucrului mecanic necesar pentru deplasarea vehiculelor. Se pare că energia electrică de înaltă calitate din surse regenerabile sau nucleare este necesară nu numai pentru producerea hidrogenului, ci și pentru îndeplinirea tuturor celorlalte etape ale ciclului. Din cauza structurii moleculare și a stării de fază a hidrogenului în condiții normale, este necesară o infrastructură mult mai intensivă din punct de vedere energetic decât în economiile bazate pe gaze naturale și petrol.
În economia bazată pe hidrogen, hidrogenul, ca orice alt produs comercial, trece prin mai multe etape între primire și utilizare. Odată obținut, acesta trebuie ambalat prin compresie sau lichefiere, transportat pe cale terestră sau maritimă și depozitat în sisteme de stocare până când este transferat către consumator. Strict vorbind, ciclul de viață al hidrogenului se încheie atunci când acesta este utilizat integral de către consumator, dar ne vom limita la etapele de primire, depozitare inițială și transport.
Hidrogenul, fie că este produs la nivel central prin electroliză sau chimic, fie că este produs direct la stațiile de benzină, fie că este gazos sau lichid, trebuie să treacă prin toate procesele de pe piață înainte de a putea fi utilizat de consumator. Hidrogenul poate fi, de asemenea, produs chimic la un cost relativ scăzut din gaze naturale sau alte hidrocarburi.
Consumul real de energie electrică necesar pentru obținerea, ambalarea și transportul hidrogenului poate depăși cu ușurință energia utilă generată de utilizarea acestuia.
Cu toate acestea, energia utilă poate fi, de asemenea, stocată în hidrogen ambalat într-o hidrocarbură lichidă sintetică, cum ar fi metanolul sau etanolul. Utilizarea combustibililor fosili poate fi evitată prin utilizarea biomasei. Procesul de electroliză poate fi parțial înlocuit cu conversia chimică a apei și a dioxidului de carbon în hidrocarburi naturale, precum biometanolul sau bioetanolul, care consumă mai puțină energie. În consecință, pot fi utilizate cicluri naturale închise de apă și dioxid de carbon.
Hidrogenul este unul dintre cele mai comune elemente chimice de pe planetă și nu există în natură în formă elementară (liberă). Acesta poate fi produs prin electroliză din apă sau chimic din hidrocarburi sau alte substanțe care conțin hidrogen. Electricitatea pentru electroliză poate fi utilizată în cele din urmă din surse regenerabile curate, cum ar fi radiația solară, energia cinetică a vântului, energia hidroelectrică, energia geotermală sau energia nucleară.
În prezent, se acordă o atenție maximă etapelor de stocare și utilizare a hidrogenului, care sunt considerate, pe bună dreptate, esențiale pentru dezvoltarea hidrogenului energetic. Mult mai puțină atenție este acordată analizelor energetice, de mediu și economice ale tuturor celorlalte verigi din lanțul de producție și utilizare a hidrogenului.
După cum s-a menționat deja, hidrogenul trebuie produs, ambalat, transportat și transferat către utilizator. Realizarea acestor procese necesită aporturi de energie.
În economia actuală a petrolului și gazului, energia pierdută între producerea și consumul de combustibil este de aproximativ 12% pentru petrol și 5% pentru gaz. În mod evident, este necesar să se estimeze aceste pierderi și pentru opțiunile de utilizare a hidrogenului ca și combustibil.
De fapt, o cantitate semnificativă de hidrogen este deja produsă, prelucrată, transportată și utilizată în industria chimică. Dar acest hidrogen este o substanță chimică, nu o marfă energetică. În industria chimică, costurile de producție a hidrogenului, costurile de transport și altele sunt incluse în prețul substanțelor chimice sintetizate. Costul hidrogenului este acceptabil atât timp cât produsele finale sunt comercializabile. Astfel, în prezent, utilizarea hidrogenului este guvernată mai degrabă de legi economice decât de considerente energetice și de mediu.
Cu toate acestea, dacă hidrogenul urmează să fie utilizat ca purtător de energie, preocupările legate de energie și mediu trebuie să fie luate în considerare la fel ca preocupările economice.
Tabelul 2.1 rezumă valorile calorifice și densitățile hidrogenului și metanului, iar figura 2.2 prezintă datele pentru cei mai cunoscuți purtători de energie.
Tabelul 2.1 și figura 2.2 arată că, la orice presiune dată, hidrogenul gazos conține mai puțină energie pe unitate de volum decât metanul (reprezentând gazul natural), metanolul, etanolul, propanul sau octanul (reprezentând benzina). La o presiune de 80 MPa, hidrogenul gazos atinge densitatea energetică volumetrică a hidrogenului lichid. Chiar și așa, conținutul său energetic volumetric este de 3,2 ori mai mic decât cel al metanului la 80 MPa. Transportorii convenționali de energie lichidă, precum metanolul, etanolul, propanul și octanul, depășesc hidrogenul lichid cu factori de 1,8, 2,3, 2,5 și, respectiv, 3,4. În acest caz, hidrogenul la o presiune de 80 MPa sau în stare lichidă trebuie păstrat în recipiente sub presiune de înaltă tehnologie sau în containere criogenice, în timp ce combustibilii lichizi din hidrocarburi pot fi depozitați în rezervoare simple la presiune atmosferică (propan — puțin mai mare).
It should be kept in mind that hydrogen is a synthetic energy carrier. It only transfers energy generated by other processes. For example, as already mentioned, hydrogen can be produced with electricity by electrolysis of water. Next, high quality (in the thermodynamic sense) electrical energy must be used to compress or liquefy the hydrogen, provide transportation and store it at the consumer. In many cases, during the hydrogen utilization stage of electrochemical generators, despite their high efficiency, it is not possible to compensate for all these losses. For example, in stationary applications, hydrogen produced by electrolysis would not be able to compete with grid electricity, which could be distributed directly to users with much lower primary energy losses.
Obviously, the cost of hydrogen should be as low as possible. However, this is not enough. The hydrogen economy has a future only if hydrogen can compete with conventional energy carriers.
Infrastructura existentă poate gestiona aproape orice hidrocarbură sintetică (lichidă), în timp ce hidrogenul necesită o rețea de distribuție complet nouă. Trecerea la o economie elementară a hidrogenului ar afecta sistemul general de aprovizionare și distribuție a energiei. Problema fundamentală a cantității de energie necesare pentru a utiliza economia bazată pe hidrogen trebuie neapărat analizată. Acest lucru necesită analiza etapelor-cheie ale ciclului de viață al hidrogenului ca și combustibil: producție, ambalare (depozitare primară), transport, depozitare la stația de realimentare (sau de distribuție) și transferul hidrogenului elementar către consumator — și compararea energiei utilizate în aceste etape cu cantitatea de energie furnizată de hidrogen către consumator.
Siguranța și hidrogenul
Hidrogenul este un purtător de energie. Este incolor și inodor, mai ușor decât aerul și se disipează foarte repede în atmosferă. Un kilogram de hidrogen conține aceeași cantitate de energie ca 2,1 kg de gaz natural sau 2,8 kg de benzină.
Densitatea energetică a hidrogenului este de 2,36 kW/litru, a gazului natural de 5,8 kW/litru și a benzinei de 8,76 kW/litru. Aceste date ne permit să deducem mărimea capacității de stocare a hidrogenului și a benzinei și puterea explozivă a acestor doi combustibili.
Hidrogenul nu este toxic.
Benzina și petrolul sunt destul de toxice pentru oameni și animale sălbatice. Dacă hidrogenul se scurge, acesta se scurge aproape instantaneu, în timp ce deversările de produse petroliere sunt costisitoare de curățat.
Hidrogenul necesită o concentrație mai mare în aer decât alți combustibili pentru a se aprinde. Într-adevăr, hidrogenul are o gamă largă de limite de aprindere, limita inferioară fiind mai mare decât cea a benzinei, de exemplu. În cazul benzinei, concentrația vaporilor acesteia în aer peste 1 % devine explozivă, în timp ce pentru hidrogen acest nivel este de 4 %. Prin urmare, riscul de explozie este mai scăzut decât pentru vaporii de benzină.
Neîncrederea față de hidrogen este legată de trecut.
Hidrogenul în majoritatea populației este personificat cu două evenimente neplăcute din istorie — tragedia dirijabilelor în anii 40 ai secolului XX atât în Rusia, cât și în străinătate (în special în lume sunt amintite evenimentele cu dirijabilul „Hindenburg”) și tragedia bombei cu hidrogen.
Pentru o explozie cu o putere similară bombei cu hidrogen, este necesar să se creeze presiuni și temperaturi cu un ordin de mărime mai mari decât în pilele de combustie.
Caracteristicile de risc de incendiu ale unor combustibili sunt prezentate în tabelul 3.1.
Cu o formare specializată corespunzătoare a personalului de exploatare, hidrogenul nu este mai periculos decât mulți alți combustibili utilizați pe scară largă în prezent.
Manipularea hidrogenului
Introducerea pe scară largă a hidrogenului în ingineria energetică, industrie, transporturi, utilități publice va necesita dezvoltarea unor noi abordări în practica manipulării acestuia. Problemele emergente includ transportul hidrogenului, asigurarea rezervelor sale, stocarea centralizată și individuală, distribuția către consumatori și toate acestea — sub rezerva garanțiilor de siguranță, ținând seama de inflamabilitatea și riscul de explozie al hidrogenului și al amestecurilor sale. Soluționarea acestor probleme necesită nu numai abordări organizatorice și tehnice, ci și căutarea și introducerea de noi materiale și tehnologii. Ca exemplu, trebuie amintită apariția în țara noastră a unei baze tehnico-științifice și industriale pentru lucrul pe scară largă cu hidrogen lichid în timpul dezvoltării vehiculului de lansare Energia. În acest scop, a fost creat un complex de mașini criogenice, o producție de hidrogen lichid cu o capacitate de până la 10 mii de tone pe an, o flotă de vagoane cisternă cu izolație ecran-vacuum pentru transportul hidrogenului lichid. Utilizarea pe scară largă a hidrogenului necesită sisteme sigure și eficiente pentru stocarea centralizată a acestuia. Hidrogenul poate fi stocat în formă lichidă atunci când este răcit la minus 253 °C. Răcirea hidrogenului la această temperatură necesită aproximativ o treime din energia pe care o conține — 11 kW ∙ h/kg H2și dispozitivele criogenice necesită materiale și tehnologii speciale. Hidrogenul poate fi stocat și sub formă de gaz. Acest proces necesită mai puțină energie pentru comprimarea hidrogenului decât pentru lichefierea acestuia. Hidrogenul în fază gazoasă poate fi stocat în cavități subterane, depozite de gaze naturale. De exemplu, în timpul testelor motoarelor rachetelor nucleare rusești, au fost utilizate rezervoare subterane pentru depozitare; hidrogenul a fost stocat în acestea la o presiune de 90 de atmosfere.
Utilizarea hidrogenului de către consumatorii individuali ridică problema stocării localizate. Acest lucru este deosebit de important în cazul utilizării hidrogenului în vehicule, unde, pe lângă cerințele de siguranță, trebuie asigurată o capacitate specifică ridicată per unitate de masă și volum. Crearea de rezervoare metalice sau compozite (metal plus fibră de carbon) adecvate pentru stocarea eficientă a hidrogenului în transporturi necesită aplicarea de noi tehnologii. Unul dintre cele mai recente exemple în această direcție este dezvoltarea și testarea de către Centrul Keldysh, împreună cu institute din industria rachetelor, a unor cilindri compozite cu dimensiuni de până la 40 cm pentru stocarea hidrogenului la presiuni de până la 70 MPa pe un vehicul.
Concernul BMW a efectuat o serie de teste privind siguranța rezervoarelor de hidrogen în caz de accident. Ei au reușit să creeze un rezervor de combustibil care nu explodează în nicio situație imaginabilă și care rezistă la o încălzire de până la 1000 ºC timp de 70 de minute. Dacă rezervorul este distrus, hidrogenul va arde în aer. Benzina vărsată în urma unui accident arde pe sol, arzând totul în jurul său.
