Водородное топливо. Производство, хранение, использование

1. Производство водорода из воды с использованием не возобновляемых (газ. нефть, уголь, атомная энергия) и возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, биомасса, водные и терминальные источники и т. д).

2. Транспортировка и хранение водорода в крупных и мелких масштабах (увеличение безопасности и уменьшение стоимости).

3. Использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в быту.

4. Водородное материаловедение и безопасность энергетических систем.

Глава 1. Характеристика водорода и водородного топлива

Водород – химический элемент периодической системы Менделеева с обозначением H и атомным номером 1, самый лёгкий из элементов периодической таблицы.

Водород – наиболее распространенный элемент во Вселенной, на долю водорода приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов – менее 0,1 %). Водород – основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца – 6000°С) и межзвёздного пространства, которое пронизано космическим излучением, этот элемент существует в виде отдельных атомов. В земной коре из каждых 100 атомов 15 приходится на водород. В плотной части земной коры (16 км), включая воду и атмосферу, содержится примерно 0,88 % (масс.) или 15,4 % (ат.) водорода. Солнце содержит 57 % (масс. водорода и 40 % гелия. При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H2). Однако, большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H2O).

При стандартных температуре и давлении водород – бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, не токсичный двухатомный газ с химической формулой H2, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен, в 14,38 раза легче воздуха, при плотности его 0,089870 г/л.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от - 252,76 до - 259,2°C, является бесцветной жидкостью, очень лёгкая (плотность при - 253°C- 0,0708 г/с м3) и текучая (вязкость при - 253°C- 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура - 240,2°C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. Жидкий водород примерно в 15 раз легче воды, он представляет собой прозрачную бесцветную легкоподвижную жидкость, которая не проводит электричество и обладает небольшим поверхностным натяжением. Жидкость водорода нетоксична, но пожаро- и взрывоопасна. Температура взрывного самовоспламенения в воздухе 577°C.

Твердый водород образуется при охлаждении водорода до 259oС и представляет собой белую пенообразную или снегоподобную массу, плотность которой в 12 раз меньше плотности воды.

В 2017 году физики из США заявили о получении металлического водорода, в 2019 году французскими физиками были подтверждены условия существования водорода в металлической форме – при увеличении внешнего давления до 500 ГПа атомы водорода начинают проявлять металлические свойства. Металлический водород – метастабильный материал, представляющий компактное, эффективное и чистое топливо. При этом высвобождаемая энергия не требует окисления с кислородом, а выделяется при фазовом переходе из металлического состояния в газообразное. Плотность металлического водорода сравнима с плотностью воды, поэтому энергетическая емкость металлической водородной ячейки объёмом 1 литр (1 кг) составляет ~216 МДж энергии, что только в ~6,5 раза превышает энергоемкость того же объема жидкого углеводородного топлива при огромной энергоемкости процесса.

Водород обладает сильными восстановительными свойствами, он может отнимать кислород или галогены от многих металлов и металлоидов, но при 25oС и 0,1 МПа его химическая активность невелика, и в этих условиях он медленно реагирует даже с кислородом, с металлоидами он более активен, чем с металлами. При повышенных температурах водород вступает в соединения со многими элементами. Реакционная способность водорода возрастает под действием света (ультрафиолетовые лучи), также под действием электрической искры и электрического разряда, кроме того, в присутствии катализаторов, под действием элементарных частиц атомного распада. Эта способность водорода в момент его выделения объясняется тем, что при этом реагируют не только молекулы, но и атомы водорода. Атомный водород уже при комнатной температуре соединяется с серой, фосфором, мышьяком, кроме того, при комнатной температуре он восстанавливает оксиды ряда металлов, а также вытесняет некоторые металлы (Cu, Pb, Ag и др.) из их солей.