Проблемы водородной энергетики

20 June

Часть 5

Если судить по прошлым статьям, где описывалась водородная энергетика и перспективы водородной экономики, то может возникнуть заблуждение, что никаких технологических ограничений к переходу на водород, в принципе, нет. Однако это не так.

Самая большая нерешённая проблема водородной энергетики и перспектив водородной экономики – это хранение водорода.

Хранение водорода обходится ещё дороже, чем его производство. Всё дело в плотности энергии водорода на 1 м3, и в больших утечках. Также к хранению водорода предъявлен список строгих требований, среди которых главным является то, что системы хранения должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокие давления, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом.

То есть условия хранения водорода – всегда неблагоприятные, требующие обеспечения высокой надёжности и безопасности.

Какие существуют методы хранения водорода?

1. Хранение газообразного водорода под давлением.

Самый простой метод хранения водорода – это его газообразная форма под давлением.

1 килограмм водорода при комнатных условиях занимает 11,2 м3 объёма, что очень много. Сжимая газообразный водород, мы увеличиваем его плотность. Согласно уравнению состояния идеального газа, чем выше давление газа, тем меньший объём он занимает.

Сам принцип, инфраструктура и технические решения такого метода уже давно отработаны на хранении природного газа.

Для хранения используются цилиндрические баллоны и трубы большого диаметра (контейнеры).

В обычных стальных баллонах хранится водород под давлением до 200 атмосфер.

В России принят стандарт окраски и маркировки баллонов содержащий сжатый водород: Темно-зеленый баллон, с красной надписью.
В России принят стандарт окраски и маркировки баллонов содержащий сжатый водород: Темно-зеленый баллон, с красной надписью.

При таком давлении в 1 м3 хранится около 17,8 килограмм водорода. То есть для хранения 1 кг, водорода при давлении в 20 МПа, нужно 56,3 литра объема. И это честно говоря, вообще трэш с энергетической точки зрения.

Самостоятельно можно подсчитать энергетическую плотность, и узнать, почему это трэш.

Существуют титановые баллоны, способные хранить водород под давлением 400 атмосфер.

Наиболее передовые, композитные баллоны, используемые на автотранспорте, способны безопасно выдерживать давление до 700 атмосфер.

Баки из углепластика со сжатым под давлением 680 атмосфер водородом располагаются под днищем Toyota Mirai.
Баки из углепластика со сжатым под давлением 680 атмосфер водородом располагаются под днищем Toyota Mirai.

Однако даже при таком высоком давлении энергетическая плотность водорода составляет всего 4,4 МДж на 1 литр, что более чем в 7 раз меньше аналогичного показателя бензина – 31,6 МДж на 1 литр.

В BMW i Hydrogen NEXT две емкости, в которых под давлением 700 бар хранится 6 кг водорода.
В BMW i Hydrogen NEXT две емкости, в которых под давлением 700 бар хранится 6 кг водорода.

Хранение водорода под рабочим давлением 160 атмосфер в стационарных условиях происходит в трубах-контейнерах, часто объединённых по 18 штук. Это позволяет запасти до 700 кг водорода.

Контейнеры для хранения водорода
Контейнеры для хранения водорода

2. Хранение водорода в жидком виде.

Плотность жидкого водорода составляет 70,8 кг/м3, что в 1,83 раза больше чем в газообразной форме при давлении в 700 Атмосфер. Соответственно, энергетическая плотность будет более 8 МДж на 1 литр.

Однако сам процесс сжижения водорода энергоёмкий: от 25 до 45 % энергии сжиженного водорода расходуется на сам процесс сжижения, что соответствует 10-14 кВт*ч затрат электроэнергии на 1 кг водорода.

Хранится жидкий водород в криогенных контейнерах, конструкция которых сильно отличается от конструкции композитного баллона для хранения газообразного водорода.

Резервуары для хранения и выдачи жидкого водорода, на 12-ти осных сцепных транспортёрах, ст. Балашиха.
Резервуары для хранения и выдачи жидкого водорода, на 12-ти осных сцепных транспортёрах, ст. Балашиха.

Для производства используются высококачественные стали, предназначенные для требуемых температурных диапазонов. Резервуары оснащены фильтрами тонкой очистки жидкого водорода и пробоотборником специальной конструкции, и имеют высокоэффективную теплоизоляционную систему.

Однако, какой бы хорошей ни была изоляция, потери на испарение водорода существуют, и довольно-таки существенные. Они особенно заметны для небольших резервуаров с высоким соотношением поверхности к объему.

Наибольших успехов в плане уменьшения утечек добились специалисты BMW. Они разработали и испытали несколько автомобилей с водородным топливом, хранящимся в жидком виде в специальных баллонах. Им удалось уменьшить потери на испарение до 1,5 % массы в день.

Двигатель внутреннего сгорания BMW Hydrogen 7 может работать на бензине, или водороде. На Hydrogen 7 установлен бензобак 74 литра, и баллон для хранения 8 кг водорода.
Двигатель внутреннего сгорания BMW Hydrogen 7 может работать на бензине, или водороде. На Hydrogen 7 установлен бензобак 74 литра, и баллон для хранения 8 кг водорода.
Водород хранится в жидкой форме при температуре не выше −253 °C.
Двигатель внутреннего сгорания BMW Hydrogen 7 может работать на бензине, или водороде. На Hydrogen 7 установлен бензобак 74 литра, и баллон для хранения 8 кг водорода.

При хранении жидкого водорода в стационарных контейнерах нужно учитывать одну особенность: хранение водорода в герметичных ёмкостях в жидком виде нерационально для небольших количеств водорода (менее 1 кг), так как утечка жидкого водорода для небольших количеств очень велика, а оборудование слишком дорогое.

Последние разработки в области контейнерного хранения водорода предлагают хранить водород независимо от условий заполнения. Баллоны могут быть заполнены жидким водородом при высоком или низком давлении, сжатым газообразным водородом при низкой или комнатной температуре, возможны и комбинации этих операций (если исходная температура баллона находится в диапазоне от 180 до 300 К). В этом случае водород хранится не в жидком состоянии, а как сжатый криогаз или смесь жидкого и газообразного водорода (в зависимости от условий). Кроме того, в таких системах могут использоваться сорбенты с большой удельной поверхностью. При заполнении жидким водородом обеспечивается высокая плотность и малые потери на испарение.

Обобщая вышенаписанное, подводим итоги:

Распределение молекул H2 в зависимости от условий хранения водорода.
Распределение молекул H2 в зависимости от условий хранения водорода.

1. Энергоёмкость водорода, хранимого в газообразной форме под давлением до 400 атмосфер, очень маленькая. Баллоны, способные хранить водород под давлением 700 атмосфер, существенно дороже, и тоже обладают недостаточно высокой энергоёмкостью.

2. Стоимость хранения водорода в жидком виде относительно высокая, так как требует соответствующего оборудования с высокой стоимостью.

3. Уровень утечки жидкого водорода для небольших хранилищ, особенно в случае длительного времени хранения, очень высок.

Количество молекул водорода в зависимости от условий хранения.
Количество молекул водорода в зависимости от условий хранения.

Всё это заставляет искать новые и более эффективные способы хранения водорода. И они есть. Один из таких способов - это хранение водорода в твёрдых носителях (гидридах металлов), где возможно добиться плотности в 2,7 раза больше, чем в жидком водороде. И об этом в следующей статье.

Часть 6. Современные проблемы хранения водорода

================================================================

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!

Часть 1. Водородная энергетика: когда наступит будущее?

Часть 2. Водородная энергетика: методы получения водорода

Часть 3. Водородная энергетика: атомно-водородная технология

Часть 4. Водород в альтернативной энергетике