Caracteristici tehnologice și a sistemelor de energie electrică și termică pe bază de echipamente de nivie
1.4. Stocare hidrogen
Cu toate că hidrogenul este consumatoare de energie și surse de energie ecologice, utilizarea sa prezintă un inconvenient considerabil de o densitate foarte mică (0,09 kg / m3). De exemplu, pentru o mașină de 100 km ruleaza pe celule de combustibil necesar să se afle la bord
hidrogen gaz comprimat
Pentru a stoca rezervoarele de gaz de gaz utilizat hidrogen, rezervoare naturale subterane (roca purtător de apă dezvoltată de petrol și gaze) de stocare prin explozii nucleare subterane. Sa dovedit posibilitate fundamentală stocarea hidrogenului gazos în caverne de sare care sunt create prin dizolvarea apei sărate prin puțuri borfreze.
Pentru a stoca hidrogen gazos la o presiune de 100 MPa, folosind vase sudate, cu pereți dubli sau multistrat. Peretele interior al unei astfel de recipient este fabricat din oțel inoxidabil austenitic sau alt material compatibil cu hidrogen sub presiune ridicată, straturile exterioare - din oțel cu rezistență mare. Pentru această utilizare scop și vase cu pereți subțiri fără sudură din oțeluri cu emisii reduse de carbon, concepute pentru presiuni de până la 40-70 MPa.
depozitarea pe scară largă a hidrogenului gazos în apă piscina deținătorii de gaz (rezervoare de gaz umed), o presiune constantă alternativă deținătorilor de gaz (balon gaz uscat), un volum constant de gaz deținătorilor (rezervor de înaltă presiune). Pentru a stoca cantități mici de hidrogen sunt utilizate cilindri.
Trebuie amintit că construcțiile rezervoarele (piston) cu gaz umed și uscat sudate nu au suficientă impermeabilitate. Conform specificațiilor este scurgeri de hidrogen în timpul funcționării normale a titularilor de gaze umede pentru până la 3000 m 3 - aproximativ 1,65% și o capacitate de 3000 m 3 sau mai mult - aproximativ 1,1% pe zi (în funcție de volumul nominal al rezervorului de gaz).
Una dintre cele mai promițătoare metode pentru stocarea cantități mari de hidrogen este de a stoca în acviferele. Pierderea anuală este la o astfel de metodă de stocare de 1-3%. Această valoare confirmă pierderea experienței de stocare a gazelor naturale.
Gazul de hidrogen poate fi depozitat și transportat în vase din oțel sub presiune de până la 20 MPa. Astfel de containere pot aduce până la locul de consum în platforme rutiere sau feroviare, la fel ca în container standard, în recipiente special concepute.
Pentru depozitarea și transportul unor cantități mici de hidrogen comprimat la temperaturi de la -50 până la +60 ° C, folosind cilindri de oțel, fără sudură, cu o capacitate mică de a 12 dm3 și rezervoare secundare 20-50 dm3 presiune de lucru de până la 20 MPa. Corpul supapei este realizat din alamă. Cilindrii sunt vopsite în culoare verde închis, ei au o inscripție roșie „hidrogen“.
Cilindrii pentru stocarea hidrogenului sunt destul de simplu și compact. Cu toate acestea, depozitarea de 2 kg butelii H2 necesară o greutate de 33 kg. Progresele în tehnologia materialelor permite containerului să reducă masa materialului la 20 kg per 1 kg de hidrogen și în continuare poate fi redus la 8-10 kg. În timp ce masa de stocare a hidrogenului în butelii este aproximativ 2-3% din greutatea balonului.
Cantități mari de hidrogen pot fi stocate în suporturi mari de gaz sub presiune. Rezervoarele cu gaz sunt de obicei realizate din oțel carbon. Presiunile de operare sunt de obicei mai mică de 10 MPa. Datorită densității scăzute de hidrogen gazos stocat în astfel de containere este avantajos numai în cantități relativ mici. Creșterea presiunii dincolo de aceasta, de exemplu, la sute de Mpa, determină în primul rând dificultăți legate de coroziune a oțelurilor hidrogen-carbon, și, pe de altă parte, conduce la o creștere substanțială a costului acestor containere.
Pentru depozitarea unor cantități foarte mari de hidrogen este costul metodă eficientă pentru stocarea gazului sărăcit și acvifere. În Statele Unite există mai mult de 300 de depozite subterane de gaze.
Hidrogenul în cantități foarte mari, depozitate în adâncimea de sare caverna de 365 m sub o presiune de hidrogen de 5 MPa, un poros structuri umplute cu apă de până la 20 · 106 m 3 de hidrogen.
hidrogen lichid
Printre multele proprietăți unice ale hidrogenului, care este important să se ia în considerare atunci când este stocat în formă lichidă, este una deosebit de importantă. Hidrogenul este stocat în stare lichidă într-un interval de temperatură îngust din punctul de fierbere de la 20 K până la 17 K punctul de congelare, atunci când se deplasează în stare solidă. Dacă temperatura crește peste punctul de fierbere al hidrogenului se schimbă instantaneu dintr-un lichid la o stare gazoasă.
Pentru a preveni supraîncălzirea locală, vasele care sunt umplute cu hidrogen lichid, să fie pre-răcite la o temperatură apropiată de punctul de fierbere al hidrogenului, numai atunci le poate umple cu hidrogen lichid. Pentru acest gaz este trecut printr-un sistem de răcire care este rezervor de hidrogen costisitor de racire.
Pentru rezervoarele de stocare a hidrogenului lichid impun o serie de cerințe:
- rezervor de proiectare trebuie să asigure durabilitate și fiabilitate în exploatare, operarea în condiții de siguranță a continuat;
- Consumul de prerăcire de stocare a hidrogenului lichid înainte de umplere cu hidrogen lichid trebuie să fie reduse la minimum;
- rezervor de stocare trebuie să fie echipate cu mijloace de umplere rapidă cu hidrogen lichid și eliberarea rapidă a produsului depozitat.
hidrogen lichid în cantități mari depozitate în volum special de depozitare până la 5 mii m. 3. O mare capacitate sferic lichid de stocare a hidrogenului de 2850 m 3, are un diametru interior de aluminiu sfere de 17,4 m 3.
hidrogen lichid refrigerat ocupă volumul 1/700 stare gazoasă.
Dificultățile asociate cu depozitarea și transportul hidrogenului sunt bine cunoscute. Nici în criogenice (lichid) sau într-o stare comprimată pentru o lungă perioadă de stocare a hidrogenului nu este posibilă. hidrogen lichid la 20 K are o densitate de 71 g / l.
Toate materialele capabile să acumuleze hidrogen, poate fi împărțită la energia de legare. Cea mai mică caracteristică rezistență a legăturii de adsorbție fizică a hidrogenului. Gazul de hidrogen reacționează cu suprafața adsorbantă prin dispersia forțelor van der Waals. Această interacțiune este un slab (1-10 kJ / mol) și se extinde peste temperatura critică la o adâncime mai mică de un monostrat. Din aceasta este evident că materialele de stocare a hidrogenului trebuie să aibă o suprafață mare specifică, astfel încât materialele fin divizate, inclusiv nanoscala intens investigate.
materiale adsorbante cunoscute sunt zeoliți hidrogen.
Ele sunt caracterizate prin valori scăzute ale hidrogenului capacitate - până la 0,3% (în greutate). La temperatura camerei, care pune sub semnul întrebării competitivitatea zeoliți în sistemele de stocare a hidrogenului. Mai mulți indicatori mai are un alt material de stocare a hidrogenului convențional - o densitate scăzută de carbon activ, care este capabil să absoarbă
6% (greut.) De hidrogen la o presiune de 4 MPa și o temperatură de 65-78 C. Un dezavantaj semnificativ este temperaturile scăzute sorbție (condiții criogenice). Cu toate acestea, materialele de carbon, cum ar fi absorbanți de hidrogen continuă să atragă atenția cercetătorilor. La sfârșitul anilor '90 au apărut lucrări în care sa observat că o mare capacitate de H2 poate fi pus în aplicare pe nanotuburi de carbon si nanofibrelor. In mod ideal, adsorbantul trebuie să aibă o capacitate mare de hidrogen la temperatura camerei precum și capacitatea de a absorbi și vydelyatvodorod rapid. Pentru această valoare a energiei de interacțiune adsorbant-H2 ar trebui să fie de aproximativ 5 kJ / mol. O problemă comună cu sorbția fizică a hidrogenului este că energia de legare a hidrogenului cu suprafața este prea mică pentru a furniza sorbție satisfăcătoare la temperaturi peste temperatura azotului lichid. Direcția de bază găsirea adsorbanți eficiente hidrogen trebuie să fie asociată cu dezvoltarea sistemelor cu o suprafață mai mare interacțiune - H2.
nanofibre de carbon
Cercetătorii au făcut noi materiale de carbon popytkirazrabotki repetate pentru stocarea hidrogenului, la temperaturi mai ridicate și presiunea atmosferică. The nanofibre de carbon (CNF), au fost propuse ca astfel de materiale, care sunt nanomateriale grafit stratificat. Cu toate acestea, capacitatea lor sorbție inițială de hidrogen la temperatura camerei a atins numai 0,7% (greut.), Și presiunea ridicată necesară de aproximativ 10 MPa. Pentru a mări capacitatea hidrogenului prin diferite metode și pre-tratament de modificare CNF. Astfel, activarea aburului duce la o creștere semnificativă a suprafeței lor specifice (116-1758 m2 / g). Capacitatea de absorbție pentru hidrogen poate fi crescută cu până la 3,5% (greut.), Ceea ce corespunde la 60% din acoperirea suprafeței cu hidrogen (77,3 K, 0,65 MPa).
În prezent, materialele de carbon mai promițătoare pentru stocarea hidrogenului includ nanotuburi de carbon (CNT), un sistem cu o densitate mare de micropori, care sunt laminate foi de grafen. CNTs perete exterior caracterizat sistem mai slab π-electron și, prin urmare, scăderea potențialului de suprafață pentru sorbția fizică a hidrogenului decât grafen plane. Dimpotrivă, pereții interiori au un potențial mai mare: pentru locurile de adsorbție pe suprafața interioară a CNTs observate suficient de physisorption energetică ridicată (până la 30 kJ / mol). Acest lucru se datorează faptului că domeniul potențial al pereților opuse se suprapun în vigoare este micropori foarte mici (proporționale cu moleculare), iar acest lucru crește forța de atracție a moleculelor adsorbite în raport cu o suprafață plană.
În prezent, pentru adsorbția hidrogenului utilizat CNTs cu un singur perete și cu pereți multipli. Un dezavantaj semnificativ al utilizării unor condiții criogenice de sorbție fizică. Capacitatea nanotuburi de un singur perete de hidrogen la presiune atmosferică atinge
5% (în greutate). La 77 K și