Горение водорода

4. ГОРЕНИЕ ВОДОРОДА     Первые качественные модели реакций горения водорода исходили из следующего:  Только ядро водорода, имеющее минимальный электрический заряд, способно преодолеть кулоновский барьер с вероятностью достаточной для слияния ядер при температурах звезд.  Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Рис. 13. Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах    Бете и Вайцзеккер показали, что возможны две различные последовательности реакций преобразования 4-х ядер водорода в ядро 4He, которые могут обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:     — протон — протонная цепочка (pp — цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;     — углеродно — азотно — кислородный цикл (CNO — цикл), в котором в качестве катализатора участвуют ядра C, N и O.     Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды (рис. 13).     В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон — протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO — цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра C, N и O. По современным представлениям температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5 ·107 K и доминирующую роль в выделении энергии играет протон — протонная цепочка.

Протон — протонная цепочка представлена на рис. 14. Под каждой стрелкой приведено либо время t протекания данной реакции в условиях Солнца, либо период полураспада T 1/2 ядра. Расчет проведен с использованием формул (8) — (13) для случая равенства общих масс водорода и гелия, вступающих во взаимодействие, средней плотности вещества ρ = 150 г/см3 и температуры T =1. 5 ·107 K. Для каждой реакции приведено энерговыделение (энергия реакции Q).     Первая реакция в цепочке — взаимодействие двух ядер водорода с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино. Эта реакция происходит в результате слабого взаимодействия и является определяющей в скорости всей pp-цепочки (t = 5.8 ·109 лет). На втором этапе в результате взаимодействия образовавшегося дейтрона с водородом происходит образование изотопа 3He с испусканием -кванта. Далее может реализоваться одна из двух возможностей. С вероятностью 69% происходит реакция: 3He + 3He → 4He + 2p (14) и с вероятностью 31% — реакция с участием дозвездного 4He 3He + 4He → 7Be + γ . (15)     Образовавшееся ядро 7Be в 99. 7% случаев вступает в реакцию с электроном (ppII — цепочка) и в 0.3% случаев — с протоном (ppIII — цепочка). Существенным является наличие в ppIII — цепочке реакции: 8B → 8Be* + e+ + e , (16) дающей поток высокоэнергичных нейтрино, доступный для регистрации. Полная энергия (суммарная энергия реакции Q), выделяющаяся в результате синтеза изотопа 4He из 4 протонов, составляет 24.7 МэВ — для цепочек ppI, ppIII и 25.7 МэВ для цепочки ppII. Образующиеся при синтезе позитроны аннигилируют, увеличивая энерговыделение для всех цепочек до 26.7 МэВ. Рис. 14. Протон — протонная цепочка. Для оценки величины энергии, выделяющейся в pp-цепочке, необходимо уметь оценить скорости протекания различных ядерных реакций. Сечение реакции ij для частиц i, j, вступающих во взаимодействие, можно записать в виде: ij(Sij/E)exp[(-EG/E)1/2]. (17) В табл. 8 приведены значения коэффициента Sij при E = 0 для некоторых реакций pp — цикла и неопределенности оценок величин соответствующих коэффициентов. Таблица 8 Значение величин коэффициента Sij в реакциях pp-цикла Реакция Sij Значения Sij, МэВ·мб S/S, % p + p → d + e+ + ν S11 3. 82 ·10-25 3 3 He + 3He → 4He + 2p S33 5.0 10 3He + 4He → 7Be + γ S34 0.52 ·10-3 8 7Be + p → 8B + γ S17 0.29 ·10-4 10     Значения Sij и их неопределенности, приведенные в таблице, позволяют получить представление о сложности расчетов ядерных реакций в звездах и точности, достигнутой на сегодняшний день.     Водородный цикл может начинаться также с реакции: p + p + e— → d + νe  (Q = 1.44 МэВ). (18)     Однако при плотностях, характерных для звезд массы Солнца и T ~ 107 K, она происходит в 400 раз реже реакции p + p → d + e+ + νe. (19)     В звездах с массой большей, чем у Солнца, pp — цепочка не является главным источником энергии.     Вещество звезд второго поколения наряду с водородом и гелием содержит более тяжелые элементы, образующиеся в реакциях горения водорода и гелия, и, в частности, азот, углерод, кислород, неон и другие. Эти элементы играют роль катализаторов в реакциях горения водорода.     Когда температура в центре звезды приближается к 20 млнK, в звездах начинается цепочка ядерных реакций, в ходе которых ядра углерода испытывают ряд последовательных превращений, а из водорода образуется гелий. Эта цепочка реакций называется CNO — циклом.

CNO — цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению 4-х протонов с образованием в конце CNO — цикла ядра 4He. Последовательность реакций, первоначально предложенная Бете и Вайцзеккером, имеет вид 12C + p → 13 N + γ (Q = 1.94 МэВ) (20) 13N → 13C + e+ + e (Q = 1.20 МэВ, T1/2=10 мин) 13C + p → 14N + γ (Q = 7.55 МэВ) 14N + p → 15O + γ (Q = 7.30 МэВ) 15O → 15N + e+ + e (Q = 1. 73 МэВ, T1/2=124 с) 15N + p → 12C + 4He (Q = 4.97 МэВ).     Цикл начинается с ядерной реакции между ядрами водорода и имеющимися в звезде ядрами углерода. Образующийся радиоактивный изотоп 13N в результате +-распада превращается в изотоп 13C. Затем в результате последовательного захвата двух протонов происходит образование ядер 14N и 15O. Радиоактивное ядро 15O в результате +-распада превращается в изотоп 15N. Завершается CNO — цикл реакцией захвата ядром 15N протона с образованием ядер 12C и 4He. Таким образом, в CNO — цикле ядра азота, углерода и кислорода играют роль катализаторов — количество этих ядер в результате ядерных реакций не изменяется. Последующее изучение скоростей ядерных реакций с участием различных изотопов углерода, азота и кислорода показало, что может происходить разветвление CNO — цикла в результате реакции 15N + p → 16O + .     Это разветвление происходит примерно в одном случае на 90 основных циклов I (рис. 15). Рис. 15. CNO — цикл.     Цикл II имеет следующую последовательность реакций 15N + p → 16O + γ (Q = 12.13 МэВ), (21) 16O + p → 17F + γ (Q = 0.60 МэВ), 17F → 17O + e+ + νe (Q = 1.74 МэВ, T1/2=66 c), 17O + p → 14N + α (Q = 1.19 МэВ).     Возможно еще большее усложнение CNO-цикла за счет цепочки реакций III: 17O + p → 18F + γ (Q = 6. 38 МэВ), (22) 18F → 18O + e+ + νe (Q = 0.64 МэВ, T1/2=110 мин), 18O + p → 15N + α (Q = 3.97 МэВ). Рис. 16. Соотношение скоростей реакций 18O(p,α)15N и 18O(p,γ)19F в звездах как функция температуры звездного вещества.     Интенсивность цикла III зависит от соотношения сечений реакций 17O(p,) и 17O(p,α). Скорость реакции 17O(p,α) существенно выγше скорости реакции 17O(p,γ), поэтому цикл III практически не оказывает влияния на выделение энергии в CNO — цикле, однако существенно влияние этой последовательности реакций для объяснения распространенности изотопов 17O, 18O и 19F. На распространенность изотопов кислорода и фтора существенное влияние оказывает соотношение скоростей реакций 18O(p,α)15N и 18O(p,)19F (рис. 16).

Ne — цикл и Mg — Al — цикл. В звездах второго поколения, содержащих Ne, Mg, Al, возможны замкнутые циклы, приводящие к горению водорода с образованием 4He (рис. 17, 18). Рис. 17. Ne — цикл. Широкой стрелкой указан выход из замкнутого цикла. Из-за высокого кулоновского барьера ядер Ne (Z = 10), Mg (Z = 12), Al (Z = 13) горение водорода при участии катализаторов Ne, Mg, Al возможно при температуре T ≥ 5·107 K. Mg — Al и Ne — циклы не играют существенной роли в выделении ядерной энергии в звездах, однако их необходимо учитывать для правильного описания распространенности изотопов Ne, Mg и Al (рис. 7, 8). Реакции 27Al(p,γ)28Si и 23Na(p,)24Mg приводят к утечке ядер из Mg — Al и Ne — циклов.     Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для звездных недр, горение водорода происходит при температуре (1 — 3) ·107 K. При этих температурах требуется 106 — 1010 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. Еще раз подчеркнем, что время горения водорода сильно зависит от массы звезды. Рис. 18. Mg — Al — цикл. Широкой стрелкой указан выход из замкнутого цикла.

Водород в энергетической и климатической повестке

Доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики ИЭ СПбПУ Ярослав Владимиров рассказывает о перспективах водорода и о разработках Политеха в области водородной энергетики.

Развитие «зеленой» экономики, сокращение объема потребления нефтепродуктов обуславливает активное развитие водородной энергетики. Уже в недалеком будущем это позволит достичь экологически чистого производства и транспорта.

Водородная энергетика основана на использовании водорода в качестве энергоносителя, то есть изначально нужно затратить энергию на производство водорода, а затем водород можно снова трансформировать в энергию.  Водород – наиболее распространенный элемент на поверхности Земли и в космосе, теплота его сгорания на единицу массы в 2,5 раза превосходит калорийность природного газа, продуктом сгорания в кислороде являются пары воды. Водородная энергетика может рассматриваться как безуглеродная, если для производства водорода использована энергия возобновляемых источников.

На настоящий момент наиболее доступным является водород, произведенный посредством парового риформинга метана, однако в таком процессе выделяется углекислый газ, что дискредитирует саму идею перехода на водородную энергетику с целью декарбонизации. Снизить уровень выбросов углекислого газа можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий. Для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа при паровом риформинге метана, а также электролиза воды, в первую очередь с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики.

5 августа 2021 года правительство Российской Федерации утвердило Концепцию развития водородной энергетики в РФ, тем самым Россия вошла в группу стран, поддерживающих и работающих в направлении перехода к водородной энергетике.

Водород в 2021 году прочно занял свое место в энергетической и климатической повестке. О нем говорят на всех крупнейших конференциях и форумах, связанных с энергетикой. Тема водорода затрагивалась на церемонии объявления шорт-листа номинантов на премию «Глобальная энергия», прошедшей в стенах Санкт-Петербургского политехнического университета, Петербургском международном газовом форуме и, конечно, на 16-й Российской конференции «Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики». Экспортный потенциал водорода интересен всем крупнейшим энергокомпаниям России.

Перспективы

В среднесрочной перспективе следует ожидать многократного роста спроса на водород как на принципиально новый энергоноситель. Причем именно на «безуглеродный» водород. Если все смелые прогнозы сбудутся, то мы станем свидетелями глобального энергетического перехода. Дело в том, что сейчас водородная энергетика только зарождается, активный интерес к ней мировое сообщество начало проявлять в 2017 году (Япония), к концу 2021 года число стран с принятой водородной стратегией приблизилось к 25. Основные технологии, как по получению самого водорода, так и по получению энергии из него, сегодня носят, скорее, опытный, а не серийный характер. А как все новое, данные технологии дороги и в данный момент практически не могут конкурировать с традиционными электростанциями. Но со временем, при условии совершенствования и поиска новых подходов, следует ожидать удешевления водородной энергетики и роста ее конкурентоспособности, как, например, уже произошло с солнечной энергетикой (PV-элементы). Повысить конкурентоспособность водорода также может введение углеродного налога. От его величины будет зависеть инвестиционная привлекательность водородных технологий. Прогнозы по плате за выбросы тоже различаются: в Китае, например, они могут составить $6 за тонну СО2.

О стоимости водорода как энергоресурса в данный момент можно говорить тоже крайне приблизительно, ведь глобальный рынок водорода как энергоносителя еще не сформирован. В данный момент в мире стоимость водорода, произведенного методом электролиза (здесь следует обратить внимание на то, что как энергоноситель он практически не используется, а находит применение в основном в химической промышленности), колеблется от $4 до 5,5 за кг. В энергетическом эквиваленте это на 65% дороже, чем природный газ (дано сравнение для стран Евросоюза), в России разница будет еще больше.

В плане реализации всей технологической цепочки производства электроэнергии из водорода также существует немало неразрешенных вопросов. Здесь уместно рассмотреть все этапы: производство, транспорт, хранение, генерацию энергии.

Производство

В данный момент к промышленно освоенной технологии производства водорода на территории России можно отнести паровую конверсию метана с получением так называемого «серого» водорода. В условиях перехода к низкоуглеродной экономике спроса на такой водород не будет, так как при его производстве образуется углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу. При такой конъюнктуре спросом будет пользоваться только тот водород, при производстве которого в атмосферу не выбрасывается углерод,  «голубой» (паровая конверсия метана с применением технологий улавливания СО2 (Carbon Capture technologies)), «бирюзовый» (пиролиз метана с захоронением или использованием твердого углерода), «зеленый» (производство водорода электролизом, электроэнергия генерируется посредством возобновляемых источников энергии) и «желтый» (производство водорода электролизом на атомных электростанциях). В направлении разработки и совершенствования данных технологий мировая наука и промышленность и ведут сейчас работу.

Серийное оборудование по крупнотоннажному производству такого водорода на данный момент практически отсутствует. Себестоимость производства такого водорода в разы выше, чем при паровой конверсии метана.  

Транспорт

При транспортировке водорода возникают две большие проблемы, связанные с его физическими и химическими свойствами. Первая состоит в том, что водород – это легкий и летучий газ. При нормальных условиях плотность водорода в десять раз ниже, чем плотность природного газа, в сжиженном состоянии (- 253℃, 1 бар) – в шесть раз. Теплота сгорания единицы объема водорода (как в газообразном, так и в сжиженном состоянии) в три раза ниже, чем у природного газа. То есть, чтобы передать одно и то же количество энергии (при одинаковом давлении), нужно прокачать по трубопроводу в три раза больше по объему водорода, чем природного газа. Более того, температура кипения водорода значительно ниже, чем у природного газа, что усложняет и удорожает процесс его ожижения.

Вторая проблема – водородное охрупчивание металла, или водородная коррозия. При взаимодействии металла с чистым водородом довольно быстро изменяются механические свойства, и происходит его разрушение. 

Перспективными способами для транспортировки водорода в России является трубопроводный транспорт, автомобильный, морской, железнодорожный для транспортировки в сжатом, сжиженном или связанном состоянии, в том числе в виде аммиака, жидких или твердых носителей. Основной материаловедческой проблемой при этом является охрупчивание металлов водородом. Проблема водородной хрупкости тесно связана с хладостойкостью конструкционных материалов, так как большая часть России – это территории с низкой годовой температурой. Перед учеными и инженерами стоит задача разработки современных энергетических систем потребления водорода, включая создание турбогенераторов и двигателей. Также по водородной тематике требуется разработка нормативной документации по материалам, технологиям, конструкциям.

Таким образом, транспортировка чистого водорода накладывает определенные, повышенные по сравнению с системами транспорта природного газа, требования, как к материалам, так и производительности системы транспорта.

Опыт успешной эксплуатации систем транспорта водорода на дальние расстояния (как в газообразном, так и сжиженном виде) в мире, насколько мне известно, отсутствует. Исключение составляют резервуары сжиженного водорода емкостью порядка 1 500 кубических метров, установленные на космодромах.

 

Хранение

В системах хранения главные проблемы опять-таки замыкаются на большом удельном объеме, летучести и взрывоопасности водорода. Ученые предлагают хранить водород в сжатом состоянии в ресиверах большой емкости. Водород под атмосферным давлением может закачиваться в подземные солевые каверны, также возможно хранение водорода в сжиженном состоянии с организацией отдельной системы ожижения отпарного газа. Особняком стоит вопрос хранения водорода в химически связанном состоянии.  

Генерация энергии

Генерация электрической энергии из водорода возможна либо путем его сжигания, либо посредством специальных электрохимических устройств – топливных элементов.

На текущий момент промышленные энергетические установки (энергетические котлы, газовые турбины и так палее), способные сжигать чистый водород, отсутствуют. Над их созданием трудятся ученые и инженеры по всему миру. Одна из проблем сжигания чистого водорода заключается в том, что скорость его горения в восемь раз быстрее, чем у метана, и, соответственно, сам факел очень короткий, также многократно увеличивается риск обратного заброса пламени в горелку. В частности, поэтому существующие газотурбинные установки и горелки котлов, работающие на природном газе, не подходят для сжигания чистого водорода. Вторая проблема заключается в том, что температура факела при горении водорода на 15% выше, чем при горении природного газа (порядка 2 200℃), соответственно, это провоцирует повышенное образование термических оксидов азота, которые являются вредоносными для людей и окружающей среды. Среди российских проблем использования водорода в качестве энергетического топлива хотелось бы отметить отсутствие на сегодняшний день утвержденных норм промышленной безопасности по использованию водорода в качестве топлива на тепловых электростанциях и котельных.

Энергетические топливные элементы сейчас также находятся на стадии разработки. В мире уже успешно используются топливные элементы на автомобильном транспорте, однако в силу малого ресурса для непрерывной работы в качестве источника электрической энергии данные топливные элементы применяться не могут.

В литературе встречается информация об опытных образцах энергетических топливных элементов мощностью 300 кВт, 1,2 и 2,4 МВт (FuelCell Energy) и 30 МВт (Ansaldo Fuel Cells). Но, во-первых, это еще не серийная продукция, во-вторых, совершенно очевидно, что единичная мощность таких топливных элементов недостаточна для применения в большой энергетике. На мой взгляд, мировая водородная энергетика пойдет именно по пути использования топливных элементов.

Подводя итоги, хочется сказать, что мы сегодня являемся свидетелями «энергетической революции», нового энергоперехода, где водородная энергетика играет одну из ведущих ролей. Конечно, в силу инновационности задачи есть много технических проблем и вопросов. Это новая и перспективная область энергетики, которая открывает простор для творчества ученым и инженерам. Конечно, прогресс невозможен и без подготовки кадров для новой отрасли, куда должны внести свой вклад ведущие технические вузы России, в том числе Петербургский Политех. 

Развитие водородной энергетики поддерживается в вузе в рамках федеральной программы «Приоритет-2030». Так, исследования ведутся сразу в нескольких областях: материалы для водородной энергетики, твердооксидные топливные элементы, производство «голубого» водорода на ТЭЦ. В 2022 году ученым Политехнического университета удалось разработать принципиальную схему ТЭЦ с применением теплонасосных установок в технологической схеме парового риформинга метана. Интеграция данной установки в тепловую схему ТЭЦ позволит трансформировать ее в тригенерационную установку с получением сразу трех полезных продуктов: электрической энергии, тепловой энергии водорода, что обеспечит повышение коэффициента использования теплоты топлива на 5%. Также закуплено оборудования, собраны исследовательские стенды и проведены первые эксперименты в области подбора материалов для систем транспортировки водорода; идет лабораторная апробация разработанной технологии создания мембранно-электронного блока твердооксидного топливного элемента, не имеющей аналогов в России и имеющей мировой потенциал развития. Технология позволяет снизить диапазон рабочей температуры топливного элемента до 500-700оС. Участвуя в конкурсе в рамках проекта, Политех выбрал исследовательский трек и поставил цели по усилению своего влияния на федеральном уровне и увеличению вклада в развитие всей страны. Водородная энергетика в настоящее время является одним из важных стратегических направлений науки и техники и может послужить основой для перехода экономики России на более высокий уровень по энергоэффективности, производительности и экологии, а также обеспечить страну еще одним экспортным ресурсом, который, возможно, в будущем вытеснит с рынка столь привычные сегодня углеводороды. У Политеха есть уверенность в том, что партнерство с регионом – залог успеха вклада университета в социально-экономическое развитие на федеральном уровне. Санкт-Петербург – один из крупнейших городов страны с развитой промышленностью и высочайшим уровнем человеческого капитала. Это и есть лучшая экспериментальная площадка для апробации новых разработок, неиссякаемый источник талантов. Именно поэтому СПбПУ видит свое дальнейшее развитие  не только как сотрудничество с ведущими исследовательскими организациями, но и как партнерство с регионом и его крупнейшими предприятиями для усиления влияния на всю страну. Хочется отметить, что разработки вуза в области водородной энергетики интересуют представителей реального сектора экономики: в 2022 году выполнен ряд работ по водородной тематике для двух организаций из «Газпрома», ведутся переговоры с предприятиями «Росатома». Вуз занимается опережающей инженерной подготовкой. Будущие выпускники могут получить несколько специальностей и опыт проектной деятельности еще во время учебы в университете. В 2023 году будет осуществлен первый набор студентов в магистратуру по программе подготовки «Водородная энергетика».

 

 

 

Водородная экономика как панацея

Почему вообще появилась потребность в таком топливе, как водород? Сейчас в глобальном масштабе на прямое сжигание топлива для транспорта и отопления приходится более половины выбросов парниковых газов, значительная часть выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и около двух третей использования первичной энергии. Большинство прогнозов предсказывают: даже при продолжающемся прогрессе в энергетических технологиях выбросы парниковых газов и загрязнителей воздуха в результате использования топлива будут расти в течение ближайшего столетия из-за растущего спроса, особенно в развивающихся странах. Безопасность энергоснабжения – одна из важнейших глобальных задач, стоящих перед человечеством.

Было предложено множество альтернативных видов топлива, которые так или иначе могут помочь решить будущие проблемы окружающей среды и энергоснабжения. Эти виды топлива включают метанол, этанол, синтетические жидкости (например, диметиловый эфир, полученный из природного газа или угля), сжатый природный газ, бензин или дизельное топливо новых поколений, водород. И именно водород предлагает наибольшие потенциальные преимущества для окружающей среды и энергоснабжения.

Как и электричество, водород является универсальным энергоносителем, который может быть получен из множества широко доступных первичных (то есть естественных) источников энергии, включая природный газ, уголь, биомассу (сельскохозяйственные или лесные отходы, или энергетические культуры), отходы, солнечный свет, ветер и ядерную энергию. Водород можно сжигать или подвергать химической реакции с высокой эффективностью преобразования и практически нулевыми выбросами в месте использования. Если водород производится из возобновляемых или ядерных источников либо из декарбонизированных ископаемых источников, в которых во время обработки улавливается и надежно хранится углекислый газ, становится возможным производить и использовать топливо в глобальном масштабе с нулевыми или очень низкими выбросами загрязнителей воздуха (оксиды азота, оксид углерода, оксиды серы, летучие углеводороды и твердые частицы) и парниковых газов. Энергетическая система будущего, основанная на электричестве и водороде – так называемая водородная экономика, выглядит как идеальное долгосрочное решение экологических проблем, связанных с энергией.

 

 

 

Вспомним школу

Почему именно водород? Есть несколько причин, делающих этот газ великолепным выбором для экономики будущего. 

1. Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Около 75% всей материи – это именно водород! Даже человек примерно на 10% состоит из H₂. В отличие от нефти, газа, угля, урана и других видов ископаемого топлива, запасы водорода в буквальном смысле неисчерпаемы.
2. Сгорание водорода происходит по формуле, знакомой любому восьмикласснику: H₂ + O₂ = H₂O. То есть выхлопной газ у водородомобилей – это чистейший водяной пар. Сложно представить себе более «зеленое» топливо, чем водород.
3. Колоссальная теплотворная способность. Удельная теплота сгорания у водорода не просто выше, чем у любого другого топлива, а выше в несколько раз. Для водорода этот показатель равен 141 кДж/кг, для бензина – 43 кДж/кг, для угля – 30 кДж/кг. Это означает, что при том же КПД удельный расход топлива у водородных двигателей должен быть значительно ниже, чем у углеводородных.
4. Высокая скорость сгорания. Позволяет увеличить мощность двигателей.
5. Устойчивость горения даже в составе экстремально бедных смесей. Дает возможность максимально экономно расходовать топливо.
6. Легкость воспламенения. Легкий запуск в любую погоду.

Почему же мы все еще не ездим на водородомобилях и не летаем на водородолётах? К сожалению, есть у H₂ и недостатки.

1. Несмотря на исключительную распространенность в масштабах Вселенной, на Земле водород практически не встречается в чистом виде – только в виде соединений. То есть для его получения (из воды, природного газа, и т.д.) необходимо затрачивать энергию.
2. Легкость воспламенения оборачивается исключительной взрывоопасностью. Смесь водорода с кислородом имеет собственное название: гремучий газ. Он горюч в широком диапазоне концентраций водорода – от 4 до 75%. Причем для воспламенения гремучего газа достаточно искры с энергией 17 микроджоулей – например «статики» от синтетической одежды! Другими словами, утечка водорода почти гарантированно приводит к взрыву газа.
3. Утечку водорода зачастую сложно предотвратить, ведь этот газ обладает способностью улетучиваться даже из закрытых сосудов, в которых хранится, например диффундировать сквозь металлические стенки газового баллона. При этом происходит еще и охрупчивание стали. Ситуация усугубляется тем, что водород не имеет запаха и утечку сложно обнаружить.
4. Водород – самый легкий газ. Для промышленного использования его приходится сжимать или сжижать, то есть емкости для хранения и трубы для перекачки H₂ должны быть герметичными и высокопрочными, обеспечивая сохранность газа под давлением в сотни атмосфер. Но и плотность жидкого водорода – лишь 0,07 г/см³, что в 10 раз ниже плотности бензина. Соответственно, для получения того же теплового эквивалента потребуется значительно увеличивать емкости топливных баков. Правда, масса топлива при этом будет заметно ниже.

Эти недостатки стали причиной того, что самый распространенный во Вселенной элемент применяется в современной экономике лишь очень незначительно и практически не используется в качестве топлива. А ведь попыток исправить эту ситуацию было немало.

 

 

Поделиться записью

Что такое водородный двигатель? Подробное руководство по водородным технологиям

По мере роста глобальной обеспокоенности по поводу изменения климата и загрязнения окружающей среды активизировался поиск устойчивых и экологически безопасных источников энергии. Одной из таких альтернатив является водородный двигатель, который использует водород в качестве источника чистого топлива для выработки электроэнергии. В этой статье рассматривается концепция водородных двигателей, их типы, преимущества, проблемы и области применения.

‍

Типы водородных двигателей

‍

Существует два основных типа водородных двигателей: водородные двигатели внутреннего сгорания (HICE) и двигатели на водородных топливных элементах. Каждый тип имеет свои уникальные характеристики и области применения.

‍

Водородные двигатели внутреннего сгорания (HICE)

‍

Водородные двигатели внутреннего сгорания работают аналогично традиционным бензиновым или дизельным двигателям. Однако вместо использования ископаемого топлива они сжигают водород для выработки электроэнергии. Эти двигатели могут быть адаптированы из существующих двигателей внутреннего сгорания, что делает их привлекательным вариантом для перехода на более чистый источник энергии.

‍

Двигатели на водородных топливных элементах

‍

Двигатели на водородных топливных элементах используют топливные элементы для преобразования водорода и кислорода в электричество, которое затем приводит в действие электродвигатель. В отличие от HICE, в двигателях на топливных элементах не используется процесс сгорания, что делает их более эффективными и экологически безопасными.

‍

Как работают водородные двигатели

‍

Работа водородных двигателей зависит от типа используемого двигателя.

‍

Процесс сжигания водорода

‍

В водородном двигателе внутреннего сгорания водород смешивается с воздухом и сжимается в цилиндрах двигателя. Затем свеча зажигания воспламеняет смесь, вызывая контролируемый взрыв, который генерирует механическую энергию. Эта мощность используется для привода поршней двигателя и, в конечном итоге, для питания транспортного средства или устройства.

‍

Процесс производства водородных топливных элементов

‍

В двигателе на водородных топливных элементах водород и кислород вводятся в топливный элемент, где происходит электрохимическая реакция. Эта реакция производит электричество, воду и тепло. Вырабатываемое электричество питает электродвигатель, а вода и тепло удаляются как безвредные побочные продукты.

‍

Преимущества водородных двигателей

‍

Водородные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания, в том числе:

1. Снижение выбросов парниковых газов. меньше выбросов парниковых газов, чем у двигателей, работающих на ископаемом топливе.
2. Повышенная энергоэффективность: водородные двигатели, особенно двигатели на топливных элементах, имеют более высокую эффективность преобразования энергии, чем двигатели внутреннего сгорания, что приводит к лучшей общей производительности и меньшему расходу топлива.
3. Возобновляемый источник топлива: водород можно производить из различных возобновляемых источников, таких как электролиз воды, что делает его устойчивым источником энергии.

‍

Проблемы и ограничения

‍

Несмотря на свои преимущества, водородные двигатели сталкиваются с некоторыми проблемами и ограничениями, в том числе: требуют дорогостоящих материалов, таких как платина, в качестве катализаторов.

Ограниченная инфраструктура: водородных заправочных станций немного по сравнению с автозаправочными станциями, что затрудняет широкое внедрение водородных двигателей.

Хранение и транспортировка. Хранение и транспортировка водорода представляют собой значительные препятствия из-за его низкой плотности энергии и необходимости использования контейнеров высокого давления или криогенных хранилищ.

‍

Применение водородных двигателей

‍

Водородные двигатели внедряются в различных секторах, включая:

‍

Транспорт

‍

Автопроизводители все чаще исследуют водородные двигатели для транспортных средств, таких как легковые автомобили, автобусы и грузовики. Такие компании, как Toyota, Hyundai и Honda, представили автомобили с водородным двигателем, в то время как другие продолжают разрабатывать новые модели.

‍

Стационарное производство электроэнергии

‍

Водородные двигатели также могут использоваться для стационарного производства электроэнергии, обеспечивая резервное питание зданий или удаленных мест. Они предлагают чистое, надежное и эффективное энергетическое решение, особенно в районах с ограниченным доступом к электросети.

‍

Аэрокосмическая промышленность и авиация

‍

В аэрокосмической и авиационной промышленности исследуются водородные двигатели в качестве альтернативы обычным реактивным двигателям. Несколько компаний разрабатывают самолеты с водородным двигателем, стремясь сократить выбросы и повысить эффективность авиаперелетов.

‍

Будущие перспективы и развитие

‍

Ожидается, что спрос на чистые и устойчивые источники энергии будет расти, и водородные двигатели, вероятно, будут играть значительную роль. Текущие исследования и разработки направлены на повышение эффективности, доступности и инфраструктуры водородных двигателей, делая их более доступными и широко распространенными.

‍

Заключение

‍

Водородные двигатели предлагают многообещающую альтернативу традиционным двигателям внутреннего сгорания с потенциалом значительного сокращения выбросов парниковых газов и зависимости от ископаемого топлива. Несмотря на то, что проблемы остаются, дальнейшее развитие технологий и инфраструктуры водородных двигателей может проложить путь к более устойчивому и экологически безопасному будущему.

‍

Часто задаваемые вопросы

Каковы основные побочные продукты водородных двигателей?

Водородные двигатели производят воду и небольшое количество оксидов азота в качестве побочных продуктов. Двигатели на водородных топливных элементах дополнительно производят тепло.

Безопасны ли водородные двигатели?

Хотя водород легко воспламеняется, водородные двигатели включают меры безопасности, такие как специальные резервуары для хранения и датчики, чтобы свести к минимуму риски, связанные с их использованием.

Как производится водород для использования в водородных двигателях?

Водород можно производить различными способами, включая электролиз воды, конверсию природного газа и газификацию биомассы.

В чем разница между водородным двигателем внутреннего сгорания и двигателем на водородных топливных элементах?

Водородный двигатель внутреннего сгорания сжигает водород для выработки электроэнергии, а двигатель на водородных топливных элементах использует электрохимическую реакцию для производства электроэнергии.

Насколько эффективны водородные двигатели по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания?

Двигатели на водородных топливных элементах обычно более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. Водородные двигатели внутреннего сгорания имеют такой же КПД, как и их бензиновые аналоги, но обеспечивают более чистые выбросы.

Другие статьи:

Как работает водородный двигатель?

12 апреля 2023 г.

Что происходит под капотом водородного автомобиля? Хотя многие люди используют термин «водородный двигатель», на самом деле в водородных транспортных средствах используются электрические двигатели, работающие на водороде. Водородные грузовики, автомобили, тракторы и т. д. действительно являются электромобилями или, точнее, электромобилями на топливных элементах (FCEV).

Однако, в отличие от «обычного» электромобиля (который на самом деле следует называть аккумуляторным электромобилем или BEV), электроэнергия которого сохраняется в аккумуляторе во время зарядки, «водородный электромобиль» вырабатывает собственное электричество, используя водородный топливный элемент.

Чтобы использовать водородный автомобиль, пользователь должен заполнить бак водородом, а не перезаряжать аккумулятор.

Существует два типа технологии водородных двигателей:

• FCEV: электромобиль с электродвигателем, работающим на топливном элементе – в большинстве доступных сегодня водородных автомобилей используется эта технология,
• ДВС: автомобиль на водороде двигатель внутреннего сгорания. Эта технология, которой еще нет на рынке, находится в стадии исследований и разработок и интересует таких производителей, как Toyota, Porche и MAN. Этот тип двигателя сохранит большую часть операционной системы текущего двигателя и потребует минимальных настроек транспортных средств.

Что определяет мощность водородного двигателя?

FCEV имеют несколько конструктивных параметров, определяющих мощность транспортного средства:

• Емкость аккумулятора (кВтч)
• Мощность топливного элемента (кВт)
• Объем хранения водорода (кг)
• Общая мощность двигателя, (кВт)
  

В зависимости от назначения автомобиля производители проектируют различные конфигурации этих четырех элементов.

Газ или жидкий водород?

‍

Это два способа хранения водорода, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от назначения транспортного средства. Жидкий водород позволяет хранить в четыре раза больше водорода, но сжижение водорода приводит к меньшему выходу энергии из-за дополнительной операции сжижения. Более того, когда он находится в машине, его нужно использовать очень быстро, прежде чем он снова превратится в газ и расширится. Это означает, что его нужно использовать или эвакуировать… и потерять!

‍

Как именно работает топливный элемент?

‍

Существует несколько типов топливных элементов, которые преобразуют топливо в энергию. Наиболее распространенным является водородный топливный элемент, который преобразует водород (топливо) в электричество (энергию) посредством электрохимической реакции водорода и кислорода.
‍

Этот процесс, происходящий мгновенно, приводит в действие электрический двигатель, при этом выделяется только вода.

Технически топливный элемент использует «окислительно-восстановительную» реакцию для производства электроэнергии. Он состоит из двух электродов: окислительного анода (испускающего электроны) и восстановительного катода (собирающего электроны), разделенных электролитом, который непосредственно проводит ионы от одного электрода к другому и блокирует электроны, заставляя их проходить через внешнюю цепь. аккумулятора.

Резервуар постоянно снабжает анод водородом, а катод получает кислород (из воздуха).

Анод заставляет топливо окисляться и высвобождать электроны, которые вынуждаются заряженным ионами электролитом (который разделяет два электрода) проходить через внешнюю цепь. Таким образом, эта внешняя цепь обеспечивает непрерывный электрический ток, питающий двигатель.

После воссоединения на катоде ионы и электроны рекомбинируют с кислородом. Эта комбинация вызывает восстановление, которое, помимо электрического тока, генерирует тепло и чистый водяной пар, который выходит в виде газа через небольшую трубку, расположенную под автомобилем, либо во время движения, либо при нажатии кнопки в конце путешествие.

• Резервуар постоянно снабжает анод водородом, а катод получает кислород (из воздуха).
• Анод заставляет топливо окисляться и высвобождать электроны, которые под действием ионно-заряженного электролита (который разделяет два электрода) вынуждены проходить через внешнюю цепь. Таким образом, эта внешняя цепь обеспечивает непрерывный электрический ток, питающий двигатель.
• После воссоединения на катоде ионы и электроны рекомбинируют с кислородом. Эта комбинация вызывает восстановление, которое, помимо электрического тока, генерирует тепло и чистый водяной пар, который выходит в виде газа через небольшую трубку, расположенную под автомобилем, либо во время движения, либо при нажатии кнопки в конце путешествие.

Таким образом, работающий водородный двигатель выделяет только чистую воду и является абсолютно чистым при условии, что используется абсолютно чистое водородное топливо.

‍

Читать статью

Анализ рисков горения водорода (HCRA)

Безопасны ли ваши системы и компоненты для использования с водородом

?

По мере роста водородной экономики отраслевые стандарты и рекомендации стараются не отставать, и ориентироваться в них может быть сложно. Для многих новых применений стандартов для водорода еще не существует, и промышленность зависит от анализа рисков, чтобы избежать случаев возгорания водорода. WHA International прокладывает путь к безопасному будущему для всех, кто связан с водородом.

Ваш водород

Эксперты по безопасности

На протяжении более 35 лет WHA International помогает предприятиям во всем мире понимать и снижать риски, связанные с кислородом, водородом и другими опасными жидкостями. Основываясь на нашем опыте и знании установленных методологий, мы разработали метод анализа риска горения водорода (HCRA), адаптированный к уникальным опасностям водорода, существующим сегодня.

Подход

HCRA

Наш подход к анализу водородных рисков устанавливает планку для промышленности, обеспечивая анализ технических рисков для вашей уникальной установки и условий эксплуатации. Подход специфичен для водорода и анализирует вероятность операций и режимов отказов, которые могут привести к горючим смесям и событиям возгорания, приводящим к пожару, дефлаграции и/или детонации. В нем также рассматриваются последствия возгорания, связанные с безопасностью персонала, воздействием на оборудование и достижением бизнес-целей. Наш анализ может быть подкреплен количественными данными, моделированием и/или пользовательским тестированием.

Услуги включают:

• Системную документацию
• Обзор информации о компонентах
• Анализ опасностей на уровне системы
• Анализ проекта (общий дизайн системы и отношения между подсистемами и компонентами)
• Обзор административного контроля (эксплуатация, техническое обслуживание, чрезвычайные ситуации и процедуры обучения)
• Анализ совместимости материалов
• Анализ последствий сгорания и вторичных эффектов
• Анализ компонентов

Водород

Типы анализа риска возгорания

Наши решения для анализа рисков могут применяться как к компонентам, так и к системам, использующим водород или водородные смеси.

Водород

Уровни анализа риска возгорания

Мы предлагаем анализ риска возгорания на нескольких различных уровнях, в зависимости от необходимого уровня детализации.

Научитесь применять метод WHA

HCRA

Хотите узнать, как выполнять анализ риска возгорания водорода на ваших собственных компонентах и ​​системах? Наш процесс HCRA описан в наших курсах технического обучения 3 и 4 по водороду.

Водородная промышленность

Опыт

• Производство водорода
• Хранение водорода
• Транспортировка водорода и трубопроводы
• Водородные электролизеры и топливные элементы
• Водород в качестве горючего
• Системы, использующие водородные смеси, включая природный газ и гибридные смеси
• Применение в автомобильной и транспортной промышленности
• Аэрокосмические системы
• Промышленное применение водорода
• Новое применение водорода

Промышленность

Соответствие

• АИАА
• ASME (включая B31.12)
• АСТМ
• CGA (включая G-5)
• CSA
• АНСИ
• NFPA (включая NFPA 2, NFPA 55, NFPA 70)
• ISO (включая TC 197, ISO/TR 15916:2015, ISO/TS 19880, ISO 22734 и др.