Хранение водорода в баллонах – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НИВИЭ :: Теория :: Раздел 2. Проектирование энергетических систем. Выбор энергооборудования при проектировании :: Тема 1. Водородная энергетика. Возможности и перспективы :: 1.4. Хранение водорода

Технологии и способы хранения водорода

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

Наиболее известный способ хранения водорода — это хранение в сжатом состоянии. По своим массогабаритным характеристикам и по характеристикам взрывопожаробезопасности он не полностью удовлетворяет условиям эксплуатации в наземном транспорте и в морских условиях, особенно на подводных кораблях и аппаратах.

Взрывопожароопасным является и еще один известный вариант хранения водорода — в криогенном виде. Несмотря на то, что этот вариант хранения широко применяется в космической технике, он имеет существенные недостатки.

Неоднократно выполненные исследования проблемы взрывопожаробезопасности криогенного водорода показали, что для транспортных установок допустимо только кратковременное хранение водорода (не более нескольких суток), да и то при условии тщательного обоснования. При этом параметры взрывопожаробезопасности в значительной степени определяются объемом хранимого газа и улучшаются с уменьшением объема. Именно последнее обстоятельство позволило в лунной экспедиции космического корабля «Аполлон» использовать этот метод хранения. Что же касается возможности использования криогенного метода на кораблях и особенно на подводных лодках, где масса хранимого водорода во много раз больше, чем на космических кораблях, а время хранения составляет десятки суток, то вряд ли этот способ может оказаться приемлемым.

С точки зрения безопасности наиболее предпочтительный способ хранения водорода для транспортных средств — связанное хранение — либо в химически связанном виде (гидриды), либо с использованием управляемых способов сорбции-десорбции водорода некоторыми интерметаллическими соединениями. Именно способ связанного хранения водорода в гидридах интерметаллидов применяется на немецких подводных лодках типа U-212.

Перспективность хранения и генерации водорода в химически связанном состоянии определяется следующими особенностями этого способа:

  • накоплением водорода в составе гидридов, используемых как промежуточный продукт при транспортировке и хранении;
  • генерацией водорода непосредственно в месте его потребления, в частности на транспортном средстве, путем разложения гидридов одним из известных путей. Этот процесс может быть включен в рабочий цикл установки, что исключает необходимость предварительного накопления водорода перед его использованием;
  • применением принципа аккумулятора с возможностью многократной зарядки и разрядки без замены сорбентов;
  • относительно низкими давлением и температурой в процессе эксплуатации. Существенными недостатками этого способа являются большая удельная масса системы хранения и относительно высокая стоимость.

Хранение водорода в газообразном виде под давлением

Это самый традиционный способ хранения водорода. Поскольку водород ведет себя по добно идеальному газу при температуре окружающей среды, справедливо уравнение для идеальных газов:

P ∙ V = n ∙ R ∙ T,

где n — количество водорода, моль; R — газовая постоянная.

Количество энергии, сохраненной в форме химической энергии сжатого водорода, может быть оценено изменением теплосодержания, когда водород использован, — например, когда он реагирует с кислородом, в результате чего получается вода.

Наземное хранение газообразного водорода

Наземные водородные контейнеры хранения отличаются по размерам, но имеют, как правило, стандартное давление 20 МПа. Есть также контейнеры высокого давления (> 20 МПа) и большие сферические контейнеры низкого давления (> 15 000 м3 и 1,2— 1,6 МПа). Самый обычный материал, используемый в водородных контейнерах, — сталь. Это весьма дешевый и практичный материал, но тяжелый, и, таким образом, гравиметрическая плотность хранения водорода с учетом массы контейнера оказывается низкой. Некоторые контейнеры сделаны из алюминия. Такие баллоны при одинаковых давлениях легче стальных.

Идеальная объемная плотность энергии водорода под давлением 20 МПа при температуре окружающей среды составляет 651,4 кВт ∙ ч/м3. Для реальных систем эта величина, естественно, меньше, и когда принят во внимание контейнер, объемная плотность энергии в случае применения стальных контейнеров (цилиндрических баллонов) составит 537 кВт ∙ ч/м3.

Гравиметрическая плотность энергии (или удельная энергия) в баллоне под давлением, в отличие от объемной, очень сильно зависит от свойств материала контейнера. Традиционные стальные баллоны позволяют достигать плотности энергии приблизительно 0,45 кВт ∙ ч/кг, что эквивалентно 1,1 % массы сохраненного водорода по отношению к общей массе системы хранения. За счет оптимизации контейнера и выбора материала может быть достигнута относительная плотность 1,5—2,6 % массы сохраненного водорода от общей массы системы хранения.

Применение новых материалов позволило создать ультралегкие бесшовные контейнеры из углеродного волокна.

В этих контейнерах достигнута гравиметрическая плотность 6 % от веса.

Одно из положительных свойств контейнеров заключается в том, что они не пропускают водород, протечки практически отсутствуют. Небольшие утечки могут быть через соединения, но с помощью надлежащих стыков и регуляторов их легко предотвратить.

Подземное хранение газообразного водорода

Подземные пещеры — простой и относительно дешевый метод для крупномасштабного хранения водорода. Есть несколько различных видов пещер, которые могут использоваться: солевые пещеры, естественные пещеры и структуры водоносного слоя. Соль часто залегает в форме уровней, которые могут иметь толщину до нескольких сотен метров. Они фактически непроницаемы для воды и воздуха.

Водоносные слои расположены в пористых геологических уровнях. Газ вводится в пористый слой, первоначально заполненный водой, в котором и накапливается. Применение этого метода требует специальных геологических условий, он может использоваться только в некоторых регионах.

Помимо солевых пещер и водоносных слоев, водород может быть сохранен в естественных и искусственных пещерах.

Давление в земных пещерах изменяется от 8 до 16 МПа, и, таким образом, объемная плотность энергии составляет приблизительно 250—465 кВт ∙ ч/м3. В структурах водоносных слоев плотность энергии, естественно, значительно меньше. Потери, вызванные утечками в земных пещерах, составляют приблизительно 1—3 % от полного объема в год.

Хранение водорода в сжиженном виде

Жидкий водород используется как топливо в космической технологии в течение многих лет. Сосуды с жидким водородом легче, чем сосуды под давлением.

Однако водород превращается в жидкость при температуре 20,25 °К, и следовательно, система хранения требует сложных методов изоляции для предотвращения испарения. Квантово-механический анализ водорода показывает, что есть два различных вида водородных молекул: ортоводород с параллельным ядерным вращением и параводород с антипараллельным ядерным вращением. Это определяет необычное поведение теплоемкости водорода при низких температурах и приводит к отличию идеальной необходимой работы для сжижения водорода от экспериментальных данных.

Реальная энергия, которая должна быть израсходована для сжижения водорода, — при близительно 11 кВт ∙ ч/кг, что составляет около 28 % от высшей теплоты горения водорода. Это одна из самых больших проблем использования жидкого водорода. Однако эта потеря энергии в некоторых случаях частично компенсируется большой ее плотностью.

Плотность жидкого водорода, включая контейнер хранения, составляет приблизительно 25,9 % по массе, при этом массовая плотность энергии равна 10,1 кВт ∙ ч/кг и объемная плотность энергии — приблизительно 2760 кВт ∙ ч/м3.

Контейнеры хранения теряют энергию при неизбежном испарении водорода, которое вызвано теплопроводностью изоляции.

Потери на испарение изменяются от 0,06 % в день для больших контейнеров до 3 % в день — для маленьких сосудов. Контейнеры обычно имеют комбинированную изоляцию. Она включает вакуумную изоляцию, охлаждаемые паром лучевые экраны и обычную многослойную изоляцию (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Схема изоляции контейнера для хранения жидкого водорода

Вакуумная изоляция уменьшает передачу теплоты теплопроводностью, поскольку теплопроводность газа сильно уменьшается при уменьшении его давления. Несколько отражающих экранов, окружающих внутренний контейнер (так называемая многослойная изоляция), могут уменьшить передачу теплоты излучением.

Значительное сокращение скорости испарения водорода, связанного с потоком теплоты q, может быть достигнуто путем охлаждения экранов изоляции вентилируемым водородным паром. Это уменьшает температурный перепад между экранами изоляции, что приводит к меньшему потоку теплоты. Такой метод используется прежде всего в больших контейнерах.

Хранение водорода в связанном виде

Хранение водорода в гидридах металлов

Металлические гидриды состоят из металлических атомов, которые составляют ведущую решетку, и водородных атомов, которые находятся в своеобразных ловушках, представляющих собой дефекты решетки или вакансию. Ловушка бывает дефектом строки, в котором могут накопиться атомы водорода. Такая дефектная строка увеличивает напряжение решетки, особенно если два смежных атома повторно объединяются, чтобы формировать молекулярный водород. С этого момента адсорбция водорода увеличивает размер решеток, поэтому металл обычно используют в виде порошка, чтобы предотвратить растрескивание крупных металлических частиц.

energy.zp.ua

Хранение водорода — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Хранение водорода — одно из промежуточных звеньев в жизненном цикле водорода от его производства до потребления. Разработка наиболее экономичных и эффективных способов хранения водорода представляет собой одну из главных технологических проблем водородной энергетики.

Как правило, водород хранят в сжиженном, абсорбированном либо сжатом газообразном состоянии. Основные проблемы, требующие решения при разработке технологий хранения водорода, имеют отношение к обеспечению их рентабельности и безопасности, что напрямую связано с химическими и физическими свойствами водорода.

Хранение водорода может использоваться и как технология сглаживания естественных колебаний в объёмах электрической энергии, получаемой за счёт возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце. Вырабатываемый в пиковые периоды избыток электрической энергии используется для получения водорода методом электролиза, а в периоды снижения выработки электроэнергии этот водород используется как топливо. КПД данной операции, однако, достаточно низок по сравнению, например, с гидроаккумулирующими электростанциями.

Наиболее перспективным методом считается хранение водорода в абсорбированном состоянии. Большинство материалов позволяют сорбировать не более 7-8 % водорода в массовой доле. В настоящее время разрабатывается несколько способов увеличения этого показателя. Добились успеха в этом Adam Phillips и Bellave Shivaram — они описали процесс синтеза композитного вещества на основе металлического титана, у которого способность сорбировать до 12,4 % водорода (массы).

Компьютерное моделирование показало возможность хранения водорода в бакиболах (кластерных углеродных структурах). Бакиболы являются представителями фуллеренов.

Достаточно необычный, но при этом весьма недорогой способ хранения водорода с использованием карбонизированных волокон куриных перьев приводится здесь.

Ученые из Lawrence Berkeley National Laboratory совместно с Министерством энергетики США (U.S. Department of Energy) разработали новый композитный материал, состоящий из наночастиц магния и кристаллической решетки полиметилметакрилата[1].

ru.wikipedia.org

ХРАНЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Для систем хранения газообразного водорода под давлением

в сосуде объемом V основной интерес представляет массовая емкость, т. е. от­ношение массы максимально возможного количества запасенного водорода, определенной при давлении, близком к давлению разрыва баллона Рб, к общей массе системы Мс. Это отношение пропорционально коэффициенту эффектив­ности PF системы хранения

(1)

В СИ коэффициент эффективности имеет размерность Дж/кг.

При одинаковых условиях (материал, технология обработки) изготовления баллонов для хранения сжатого водорода масса баллона пропорциональна макси­мальному давлению. Таким образом, отношение массы запасенного газа к массе баллона не зависит от максимального давления в системе хранения. Поэтому единственным способом увеличения коэффициента эффективности является использование более прочных материалов и более совершенных технологий для изготовления газовых баллонов.

Малые количества водорода для использования в химических лабораторії удобно хранить в простых стальных цилиндрических газовых баллонах, рассч> ■ танных обычно на давление 150 атм.

Для транспортных средств, работающих на топливных элементах, использс ние сжатого водорода может быть практическим способом хранения топлив: . і борту. Очевидно, что системы хранения газообразного водорода под давление одни из самых простых и не требуют специального оборудования для извлеч ния газа из хранилища. Необходимо только иметь газовые баллоны с хорой1, коэффициентом эффективности.

Алюминиевые баллоны современной конструкции, усиленные оболочкой углеволокна, выглядят многообещающе. Они относительно легкие и могут сол ■ жать газ при давлении 500 атм: баллон объемом 0,15 м3 (150 л) может вмест 6 кг водорода (860 МДж) при суммарной массе менее 90 кг. Массовая емкое такого баллона составляет 6,7 % и сравнима с емкостью металлогидридных сис тем хранения водорода, рассмотренных в этой главе далее. Характер выхода і строя таких баллонов некатастрофичен: при разрыве оболочка не разлетает. ■ шрапнелью, а лишь отслаивается. Конструкция выполнена таким образом, утечка газа начинается до разрыва баллона.

Рассмотренный 150-литровый баллон может представлять собой цилиндр (г и ■ на 1,5 м, диаметр 0,36 м), разместить который на борту транспортного средс не представляет особых трудностей. На настоящий момент рекомендованное к соображений безопасности отношение давления разрыва к рабочему давление составляет 3:1, таким образом, давление разрыва баллона должно быть не мен 1500 атм, коэффициент эффективности при этом 250 кДж/кг.

Теплота сгорания водорода, содержащегося в таком баллоне, составляв ет 860 МДж, что по энергоемкости соответствует примерно 20 л бензин т. е. весьма немного, учитывая, что на обычном пассажирском автомобиле р; мещается 50-литровый бензобак. Стоит отметить, однако, что КПД двигате і на топливных элементах более чем в 2 раза превышает КПД двигателя внутр< него сгорания.

Для крупномасштабного хранения водорода можно использовать подземн: е структуры, такие как пористые горные породы, выработанные шахты пешерг водоносные горизонты и истощенные месторождения природного газа.

В настоящее время имеется лишь небольшой опыт подземного хранения ва - дорода. Однако результаты хранения гелия в подземных резервуарах г. Амарилл » штат Техас, позволяют надеяться, что при использовании данной технології і придется преодолеть лишь незначительные трудности.

На рис. 9.1 показана схема крупномасштабного хранилища газа на осно I использования подземного водоносного горизонта в полости между поверхи стью воды и непроницаемым слоем горной породы, образующим своеобразна > крышу.

В г. Амарилло подземное хранение 8,5 • 108 м3 гелия не вызвало проблем. Сто­ит отметить, что гелий характеризуется примерно такой же утечкой, как и водо­род. При нормальных условиях 8,5 • 108 м3 водорода эквивалентны 10 ООО ТДж запасенной энергии.

Рис. 9.1. Структура водоносного пласта, используемого для хранения водорода

Чтобы понять, насколько велика энергоемкость этого хранилища, можно сравнить ее с емкостью одной из крупнейших гидроаккумулирующих элек­тростанций1', расположенной в г. Людингтоне, штат Мичиган. Эта станция способна аккумулировать 54 ТДж, что почти в 200 раз меньше энергии, ко­торую можно аккумулировать в резервуаре Амарилло, если заполнить его водородом.

Другой системой хранения водорода могут стать те самые трубопроводы, которые используются для транспортировки газа. Обычный магистральный трубопровод для транспортировки природного газа имеет протяженность око­ло 1000 км. Диаметр трубопровода может быть около 1,2 м, а рабочее давление 6 МПа (60 атм). Количество водорода, которое можно запасти в таком трубо­проводе, эквивалентно энергии 1000 ТДж, т. е. примерно в 20 раз выше, чем может аккумулировать Лудингтонская ГАЭС.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используют избыток вырабатываемой элек­троэнергии для закачки воды в резервуары, чтобы затем при необходимости использовать аккумулированную таким образом энергию для производства электроэнергии.

Выше мы говорили о том, что газ, находящийся в цилиндриче­ском сосуде с поршнем, может совершать работу. Какова эта работа? Сила, действующая на поршень со стороны газа, равна рА, где А …

Подведем некоторое количество Q теплоты к газу, находящему- ■ : цилиндре с адиабатическими стенками и поршнем внутри, который может ■сремещаться без трения. Наличие адиабатических стенок означает, что тепло - р …

При изменении температуры некоторого фиксированного коли­чества газа будет меняться его внутренняя энергия. Если при этом объем газа остается постоянным (например, газ помещен в сосуд с жесткими стенками), то изменение его …

msd.com.ua

Хранение - водород - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Хранение - водород

Cтраница 1

Хранение водорода связано с необходимостью соблюдения специфических требований по технике безопасности.  [1]

Хранение водорода включает в себя производство его электролизом воды во внепиковые периоды и использование водорода при увеличении потребностей в энергии в топливных элементах, газовых турбинах или под котлами. При хранении электроэнергии в сверхпроводящих магнитах используется тот факт, что при нулевом сопротивлении проводника энергия может сохраняться практически неограниченное время; ток постоянно движется по замкнутому контуру в пределах мощного магнитного поля. Хранение тепловой энергии включает в себя хранение у потребителя горячей либо холодной воды или воздуха; хранение на промежуточных стадиях питающей воды на электростанциях или перегретого пара в цистернах либо емкостях, могут также возникать случаи, когда необходимо хранение расплавленной соли при высокой температуре, а также возможны системы, подразумевающие одновременно хранение больших количеств воздуха и газификацию угля.  [2]

Хранение водорода в баллонах высокого давления ( имеются баллоны на 15 МПа, экспериментальные на 40 МПа) неприемлемо вследствие большой массы и чрезвычайно большого объема. В будущем возможно уменьшение массы при использовании новых материалов, например пластмасс, армированных углеродным волокном, однако громоздкость и большие энергозатраты на компримирование водорода ставят под сомнение возможность применения такого метода его хранения.  [3]

Хранение водорода на автомобиле осуществлялось в специально разработанном для этой цели фирмой Миннесота Вэлли инженеринг сосуде Дьюара VLH-50 емкостью 50 галлонов на 11 6 кг водорода. Это сосуд сферической формы, диаметр наружной сферы 86 36 см, внутренней - 71 12 см. Обе сферы изготовлены прокаткой из алюминиевого сплава 3003 ( 98 8 % А1 и 1 2 % Мп), что позволило значительно снизить массу сосуда.  [4]

Хранение водорода в жидкой форме также имеет свои трудности. Водород сжижается при температуре - 252 87 С, и для его сжижения требуются значительные затраты энергии. Длительное криогенное хранение без больших потерь затруднительно, к тому же безопасность его хранения представляет действительно серьезную проблему. Вариантом компактного и безопасного хранения водорода является хранение его в составе особого класса компаундов - металлических гидридов.  [5]

Для хранения водорода используют стальные баллоны и стеклянные газометры с колоколом, опущенным в ртуть ( см. рис. 13, стр.  [6]

Для хранения водорода могут быть использованы выработанные газовые месторождения и подземные пустоты. Объемы хранения в этих случаях могут быть очень велики.  [7]

Для хранения водорода в больших количествах в технике применяют особые стальные цилиндры, выдерживающие большое давление. Сжатый в стальных баллонах под давлением до 100 и выше атмосфер газ удобен для транспортирования на дальние расстояния.  [8]

Для хранения водорода используют стальные баллоны и стеклянные газометры с колоколом, опущенным в ртуть ( см. рис. 13, стр.  [9]

Возможно хранение водорода в инкапсулированном виде в цеолитах и в ряде других микропористых материалах.  [10]

Преимущество хранения водорода в криогенно охлаждаемых емкостях, содержащих адсорбирующий водород материал [727], по сравнению с хранением водорода в виде гидридов заключается в том, что количество хранимого водорода на единицу массы адсорбента в случае криоадсорбции больше, чем в случае гидридного хранения.  [12]

Оценка хранения водорода в том или ином виде, например в виде жидкого водорода или водорода газообразного, в виде гидрида или в другой форме, это не только чисто техническая, но и сложная экономическая задача.  [14]

Задача безопасного экономичного хранения водорода на борту автомобиля, не решенная до настоящего времени, сдерживает развитие экологически чистого транспорта на топливных элементах. Возможность использования для хранения водорода сорбентов на основе углерода изучалась начиная с 60 - х годов. Для некоторых активированных углей ( например, АХ-21) были получены неплохие значения сорбционной емкости ( - 10 вес %), но при Т - 77 К, что делает неэффективным их применение на траспорте. Хранение водорода в углеродных материалах вновь привлекло внимание благодаря открытию новых форм элементарного углерода - фуллеренов и нанотрубок.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Хранение водорода — различные способы, включая гидридный аккумулятор

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
12407 0

Наибольшую сложность представляет хранение водорода в автомобиле. Поскольку водород очень легок, то масса и размеры существующих металлических баллонов, а также способы его хранения в них неприемлемы. В табл. ниже для сравнения приведены различные способы хранения водорода. Сжиженный водород занимает небольшой объем, однако теплоизоляция емкости с ним очень громоздка и дорога. Кроме того, обращение с жидким водородом небезопасно и требует обученного персонала. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в хранении и доставке сжиженного водорода, его применение в легковых автомобилях до сих пор представляет собой нерешенную задачу. Неприемлемы также и величины потерь водорода в результате его испарения из криогенных баков.

Способы хранения водорода
Фазовое состояние и способ хранения водородаЕмкость с водородом
Масса, %Объем, %
Жидкий в сосуде Дьюара100100
Связанный в гидриде FeTi + NiMg64256
Связанный в гидриде FeTi86763
Газообразный под давлением 14 МПа1725594

Гидридный аккумулятор

Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения — гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода гидрид необходимо нагреть подобно воде для образования пара.

Эти свойства гидридов при применении в автомобиле дают преимущества по сравнению с другими способами хранения водорода. При движении автомобиля емкость с гидридами нагревается жидкостью системы охлаждения или же отработавшими газами двигателя. Эта теплота аккумулируется в гидридах, температура которых повышается и растет давление водорода. Однако при достижении определенного значения давления в емкости температура вновь падает и выравнивается с температурой окружающей среды. На рис. 1 приведены изотермические диаграммы систем «металл — водород» для соединений FeTi и NiMg. В емкости с гидридом FeTi уже при температуре — 20 °C устанавливается избыточное давление 0,1 МПа, что достаточно для подачи водорода в смесительное устройство. Для дальнейшего повышения давления и выделения водорода необходимо нагревать гидрид жидкостью системы охлаждения двигателя. Холодный пуск двигателя без подогрева гидридов возможен таким образом до — 20 °C.

Рис. 1 Условия равновесия FeTi и NiMg при различных температурах.

Если для дальнейшего выделения водорода использовать теплоту системы охлаждения, то через радиатор системы охлаждения будет отводиться меньшее количество теплоты и, следовательно, можно иметь и меньшего размера вентилятор. Следовательно, системой охлаждения в этом случае может отводиться лишь некоторая доля неиспользуемой теплоты, другая же ее часть может аккумулироваться в гидриде для извлечения водорода.

Теплоту, аккумулированную в гидриде, необходимо отводить при заправке автомобиля. Ее можно использовать, например, для нагревания технической воды, отопления гаража и т. д. Такой путь можно расценить как улучшение теплового КПД двигателя в более широком смысле этого понятия. О тепловом балансе двигателя с гидридным аккумулятором можно судить по рис. 2, где слева показан тепловой баланс обычного двигателя, а справа — двигателя с питанием водородом из гидридного аккумулятора. Из общего количества поданной в двигатель с топливом теплоты Q часть Qe используется на эффективную мощность, Qv — на привод вентилятора, a Qz теряется и отводится отработавшими газами и системой охлаждения. В водородном двигателе с гидридным аккумулятором из общего количества теплоты Q на эффективную мощность расходуется теплота Qe, теплота Qa используется для нагревания гидрида, теплота Qz теряется.

Рис. 2 Тепловой баланс двигателей с гидридным аккумулятором и без него.

Таким образом, гидрид представляет собой аккумулятор двойного действия. Когда гидрид заряжается водородом, из него отводится теплота, когда он «заряжается» теплотой, из него отводится водород. Следовательно, при одной и той же форме и размерах аккумулятор выполняет две функции. При определенной комбинации различных гидридов можно добиться работы двигателя без радиатора системы охлаждения с ее вентилятором.

Гидрид FeTi состоит из относительно тяжелых железа и титана и поэтому масса аккумулированного в нем водорода составляет лишь 2 % от собственной массы аккумулятора, что представляет собой весьма неблагоприятное соотношение. Лучшее соотношение характерно для гидрида NiMg, включающего сверхлегкий магний; в настоящее время интенсивно ведутся поиски более приемлемых гидридов.

Относительно легкий гидрид NiMg начинает выделять приемлемое количество водорода при нагревании почти до 350 °C. До такой температуры гидрид можно нагреть лишь отработавшими газами. При холодном пуске двигателя таких температурных условий в автомобиле нет и поэтому гидрид необходимо нагревать иным источником. В данном случае приемлемо сочетание двух гидридов, в частности, гидрид FeTi обеспечивает холодный пуск, а гидрид NiMg — подачу водорода при движении автомобиля, благодаря обогреву гидридного бака отработавшими газами двигателя, как это показано на рис. 3.

Рис. 3 Комбинированное применение гидридов FeTi и NiMg.

Комбинация этих двух гидридов позволяет, кроме того, отапливать или охлаждать салон автомобиля при отключенном двигателе. Если соединить между собой оба гидридных бака, то водород будет перемещаться из емкости с гидридом FeTi, где более высокое давление, в гидридный бак NiMg с более низким давлением. Резервуар с более высоким давлением будет освобождать водород и, следовательно, охлаждаться, в то время как емкость с более низким давлением будет наполняться водородом и, следовательно, нагреваться. Если климатической установкой автомобиля подавать в салон воздух, обдувающий гидридные баки, то можно обеспечить желаемый температурный режим в салоне при выключенном двигателе. Обдув резервуара с NiMg, однако, будет связан с некоторой потерей водорода.

Все эти свойства гидридов следует учитывать при сравнении водородных двигателей с другими альтернативными приводами.

Гидридный аккумулятор с FeTi, схематически изображенный на рис. 3, представляет собой стальной цилиндр, наполненный гранулами этого металлического соединения. Для лучшего теплообмена в центре аккумулятора расположен также трубопровод, через который проходит жидкость системы охлаждения. При заправке аккумулятора объем наполнителя увеличивается (с чем приходится считаться при его конструировании), а сам наполнительный материал превращается в порошок. Долговечность его не ограничена.

Опубликовано 13.06.2012

Читайте также

  • Отключение цилиндров

    Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КПД.

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 299 - 301 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru

Комментарии

icarbio.ru

Водород жидкий, хранение

Длительное хранение высокоактивных РАО. Хранение высокоактивных жидких отходов (обычно это водные азотнокислые растворы) осуществляется в баках из нержавеющей стали с двойным дном объемом от нескольких десятков до нескольких сотен кубометров. Устанавливают их в бетонных камерах, а для того чтобы предотвратить возможный взрыв скапливающегося водорода, резервуар непрерывно продувают воздухом. Отработанный воздух в дальнейшем очищают от радиоактивных аэрозолей в специальных фильтрах.[ ...]

Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант — использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и ряда других металлов. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла — лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.[ ...]

При неблагоприятных условиях хранения и накопления навоза из него-теряется значительное количество важнейших веществ, тем самым снижается его удобрительная ценность. В процессе разложения навоза больше всего может быть потеряно азота в виде аммиака. При рыхлом хранении навоза возможны также потери фосфора (в виде фосфористого водорода РН3). В жидких выделениях животных и навозной жиже при стенании их в сторону или просачивании в грунт на месте хранения навоза наряду с азотом может быть потеряна и значительная часть калия.[ ...]

В качестве перспективного варианта использования водорода рассматривается вариант, связанный с аккумулированием его в составе металлогид-ридов (как способ хранения) с последующим высвобождением его перед употреблением. Этот способ основан на способности некоторых металлов накапливать водород (атомы последнего внедряются между атомами металла, не образуя прочных химических соединений). При этом может достигаться довольно высокая плотность хранения водорода. Например, у гидрида титана плотность водорода при достаточном насыщении может быть вдвое выше по сравнению с жидким водородом. Для того чтобы гидрид начал отдавать водород, его необходимо подогревать. Для гидрида титана необходимая для обеспечения интенсивной отдачи водорода температура составляет 350—400 °С. Гидрид в виде сплава титана с железом отдает водород уже при 80 °С, но массовый его выход его при этом низкий. Недостатком систем с использованием гидридов является их большая масса.[ ...]

Другим видом топлива для реактивного двигателя в будущем может быть водород, получаемый электролизом воды, и метанол. Теплотворная способность водорода на единицу веса в 3 раза выше, чем у углеводородов, но хранение его в надежно герметизированных сосудах в жидком состоянии представляет огромные трудности.[ ...]

По технико-экономическим показателям устройства на гидридах оказываются значительно эффективнее традиционных, в которых водород запасается в жидкой или газообразной фазах В книге А. Н. Подгорного и других приведен пример, позволяющий сравнить гидридный аккумулятор со стандартным газовым баллоном, рассчитанным на хранение 500 г водорода. Такой баллон при полезном объеме до 45 л имеет массу около 80 кг, соответствующий же контейнер с гидридом массой не более 50 ki имеет объем всего 14 л. Заряжается такой аккумулятор при низких давлениях и не требует ни компрессоров высокого давления яи толстостенных либо теплоизолированных, как в случае хранения жидкого водорода, сосудов. Упрощаются, таким образом, заправка, транспортировка, хранение (хранение жидкого водородг требует специальной холодильной техники), повышаются взрыво-и пожаробезопасность. Очень интересное свойство гидридного ак кумулятора — его избирательность, позволяющая не только из влекать водород из смесей с другими газами, но и очищать егс от посторонних примесей. Это особенно важно при дальнейшем использовании водорода для производства белка. Затраты энер гии в цикле хранения водорода в гидридных аккумуляторах примерно сравнимы с газобаллонным методом и в 4—5 раз ниже, чем при сжижении. Они составляют 1,8—2,2 кВт-ч/кг водорода. Нг основе использования гидридных систем сейчас разрабатывают« самые различные устройства от двигателей внутреннего сгоранш до холодильных машин.[ ...]

Кубовый остаток, имеющий удельную активность, на несколько порядков большую удельной активности исходной воды, из выпарного аппарата периодически направляется в сборный монжюс. Далее этот раствор при помощи бессальниковых насосов, сжатого воздуха или вакуума передается в специальное хранилище или герметичный контейнер, имеющий биологическую защиту, для последующей транспортировки в централизованное хранилище. Ко всем операциям и оборудованию, связанным с кубовым остатком, должны быть предъявлены специальные требования, относящиеся к работе с радиоактивными растворами (особенности компоновок таких узлов разобраны в гл. В связи с тем, что способ хранения высокоактивных отходов в жидком виде имеет существенные недостатки (коррозия емкостей, в которых находится раствор; необходимость отвода тепла, выделяющегося в результате распада радиоактивных изотопов; удаление водорода, образующегося при радиолизе воды, и пр.), предложены различные методы отверждения радиоактивных жидких отходов.[ ...]

ru-ecology.info

Как лучше всего хранить водород, чтобы бстро не испарялся?

Хранение газообразного водорода не является более сложной проблемой, чем хранение природного газа. На практике для этого 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, расчитанных 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 болоны 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 мега Паскаль, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

otvet.mail.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *