Жидкий водород что это
Как получить жидкий водород
Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве ракетного топлива).
Содержание
История [ править | править код ]
Спиновые изомеры водорода [ править | править код ]
Использование [ править | править код ]
Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например DeepC [en] или BMW H2R [en] ). Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ («СПГ»). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо «СПГ» в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.
Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.
Преимущества [ править | править код ]
Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода, но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.
Препятствия [ править | править код ]
Один литр «ЖВ» весит всего 0,07 кг. То есть его удельная плотность составляет 70,99 г/л при 20 K. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день [8] ). При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом («Водородная безопасность») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определенные трудности при хранении.
Ракетное топливо [ править | править код ]
Жидкий водород является распространенным компонентом ракетного топлива, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде, он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя, перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги. Используемые современные двигатели на компонентах H2/O2 потребляют переобогащенную водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счет уменьшения молекулярного веса, это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания.
Такие препятствия использования ЖВ в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель («Дельта-4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном ЖВ используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамерзшей формы ЖВ.
Водород с разными окислителями [ править | править код ]
| Оптимальное расширение от 68.05 атм до условий: | поверхности Земли (1 атм) | вакуума (0 атм, расширение сопла 40:1) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H2 | распространено | 3816 | 4.13 | 2740 | 0.29 | 2416 | 4462 | 4.83 | 2978 | 0.32 | 2386 | |
| H2-Be 49/51 | 4498 | 0.87 | 2558 | 0.23 | 2833 | 5295 | 0.91 | 2589 | 0.24 | 2850 | ||
| 3126 | 3.36 | 3245 | 0.71 | 1920 | 3719 | 3.63 | 3287 | 0.72 | 1897 | |||
| H2 | 4036 | 7.94 | 3689 | 0.46 | 2556 | 4697 | 9.74 | 3985 | 0.52 | 2530 | ||
| H2-Li 65.2/34.0 | 4256 | 0.96 | 1830 | 0.19 | 2680 | |||||||
| H2-Li 60.7/39.3 | 5050 | 1.08 | 1974 | 0.21 | 2656 | |||||||
| H2 | 4014 | 5.92 | 3311 | 0.39 | 2542 | 4679 | 7.37 | 3587 | 0.44 | 2499 | ||
| H2 | 3871 | 4.80 | 2954 | 0.32 | 2453 | 4520 | 5.70 | 3195 | 0.36 | 2417 | ||
| H2 | 3997 | 3.29 | 2576 | — | — | 2519 | ||||||
| [-] | — массовое соотношение смеси «окислитель/топливо»; | |
| Ve | [м/сек] | — средняя скорость истечения газов; |
| C* | [м/сек] | — характеристическая скорость; |
| Tc | [°C] | — температура в КС; |
| d | [г/см³] | — средняя плотность топлива и окислителя; |
при этом «Ve» является той же единицей, что и удельный импульс, но приведена к размерности скорости [Н*сек/кг], а «C*» вычисляется путём умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на массовый расход топлива и окислителя, что дает приращение скорости на единицу массы.
Опасность [ править | править код ]
Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание ЖВ на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку легких.
Жидкий водород – одно из агрегатных состояний водорода. Выделяют еще газообразное и твердое состояние этого элемента. И если газообразная форма хорошо знакома многим, то остальные два крайних состояния вызывают вопросы.
История
Жидкий водород был получен только в тридцатых годах прошлого века, но до этого химия прошла долгий путь по освоению такого способа хранения газов и применения.
Искусственное охлаждение экспериментально начали применять в середине восемнадцатого века в Англии. В 1984 году получили сжиженный диоксид серы и аммиак. На основе этих исследований через двадцать лет был разработан первый холодильник, а еще через тридцать лет Перкинс оформил официальный патент на свое изобретение. В 1851 году по другую сторону Атлантического океана Джон Гори заявил о правах на создание кондиционера.
До водорода дело дошло только в 1885 году, когда поляк Вроблевский анонсировал в своей статье тот факт, что точка кипения этого элемента равна 23 Кельвинам, пик температуры – 33 Кельвинам, а критическое давление равно 13 атмосферам. После этого заявления создать жидкий водород попытался Джеймс Дьюар в конце 19-го века, но стабильной субстанции у него не получилось.
Физические свойства
Данное агрегатное состояние характеризуется очень низкой плотностью вещества – сотые доли граммов на кубический сантиметр. Это дает возможность использовать относительно маленькие емкости, чтобы хранить жидкий водород. Температура кипения равна всего 20 Кельвинам (-252 по Цельсию), а замерзает эта субстанция уже при 14 Кельвинах.
Жидкость не имеет запаха, цвета и вкуса. Смешивание ее с кислородом может привести к взрыву в половине случаев. При достижении температуры кипения водород переходит в газообразное состояние, и его объем увеличивается в 850 раз.
После сжижения водород помещается в изолированные контейнеры, в которых поддерживается низкое давление и температура в промежутке от 15 до 19 Кельвинов.
Распространенность водорода
Жидкий водород производится искусственно и в естественной среде не встречается. Если не брать в расчет агрегатные состояния, то водород – самый распространенный элемент не только на планете Земля, но и во Вселенной. Из него состоят звезды (в том числе и наше Солнце), им заполнено пространство между ними. Водород принимает участие в реакциях термоядерного синтеза, а также может образовывать облака.
В земной коре этот элемент занимает всего лишь около процента от всего количества вещества. Его роль в нашей экосистеме можно оценить по тому факту, что число атомов водорода по количеству уступает только кислороду. На нашей планете практически все запасы Н2 находятся в связанном состоянии. Водород — составная часть всех живых существ.
Использование
Жидкий водород активно используется физиками как охладитель в их экспериментах с нейтронами. Так как масса элементарной частицы и ядра водорода практически равны, обмен энергией между ними является весьма эффективным.
Преимущества и препятствия
Жидкий водород дает возможность замедлить нагревание атмосферы и уменьшить количество парниковых газов, если применять его в качестве топлива для автомобилей. При его взаимодействии с воздухом (после прохождения через двигатель внутреннего сгорания) будет образовываться вода и незначительно количество оксида азота.
Однако у этой идеи есть и свои трудности, например, способ хранения и транспортировки газа, а также повышенная опасность воспламенения или даже взрыва. Даже при условии соблюдения всех мер предосторожности предотвратить испарение водорода не удается.
Ракетное топливо
Жидкий водород (температура хранения до 20 Кельвинов) является одним из компонентов ракетного топлива. У него есть несколько функций:
Современные ракетные двигатели работают на комбинации водород-кислород. Это помогает достичь нужной скорости для преодоления притяжения земли и при этом сохранить все части летательных аппаратов, не подвергая их действию чрезмерных температур.
На данный момент существует только одна ракета, которая полностью использует водород в качестве топлива. В большинстве случаев жидкий водород необходим для отделения верхних ступеней ракет или в тех аппаратах, которые большую часть работы проведут в вакууме. От исследователей поступали предложения использовать наполовину замороженную форму этого элемента, чтобы повысить его плотность.
Все о жидком водороде
Это всё о Криогении.
Все о жидком водороде
Устойчивое развитие является центральным вопросом в современном обществе. Стихийные бедствия, тревожные сводки новостей и давление со стороны политиков требуют, чтобы все больше и больше отраслей промышленности прилагали все усилия к тому, чтобы работать более устойчиво.
В соответствии с Европейским зеленым курсом, Европейский климатический закон также устанавливает юридически обязательную цель сокращения выбросов парниковых газов на 55% в 2030 году по сравнению с уровнем 1990 года и достижения климатической нейтральности в ЕС к 2050 году. Чтобы достичь этих целей, сегодня во многих отраслях промышленности необходимо принять меры. Это приводит к множеству исследований, дискуссий и, к счастью, к разработке перспективных возобновляемых источников энергии.
В этом блоге мы сосредоточимся на водороде как важной составляющей современной дискуссии об устойчивом развитии. Водород обладает огромным потенциалом для использования в качестве устойчивого энергоносителя при условии адекватного производства и использования.
Каковы характеристики этого газа? Какие возможности открывает водород с точки зрения устойчивости? Каковы основные области применения, и какие решения предлагает Demaco? Об этом и многом другом мы поговорим в этом блоге.
Что такое жидкий водород?
Водород — самый легкий газ во Вселенной. При нормальных условиях это химический элемент с символом H и атомным номером 1, бесцветный, не имеющий запаха и легковоспламеняющийся газ. Этот газ не встречается на Земле в изолированном виде, а входит в состав воды. Следовательно, недостаток водорода действительно не станет проблемой.
История жидкого водорода
Водород был впервые получен в 1671 году ученым Робертом Бойлем. Он исследовал реакцию различных металлов, погружая их в кислоту. По мере того, как металлы вступали в соответствующие реакции с кислотой, в качестве побочного эффекта образовывался водород.
Однако только в 1766 году водород был впервые идентифицирован Генри Кавендишем. В своей научной работе он подтвердил, что водород является отдельным элементом, и подробно описал чрезвычайную воспламеняемость этого недавно открытого газа.
Кавендиш также обнаружил, что водородный газ образует воду при соединении с огнем. Это открытие привело к названию, которое Антуан Лавуазье дал газу несколько лет спустя: hydrogenium («hydro» и «genes» можно перевести как «создающий воду» или «образующий воду»).
Производство водорода не получило настоящего развития до тех пор, пока Уильям Николсон и сэр Энтони Карлайл не открыли процесс производства водорода в 1800 году. Метод электролиза заключается в воздействии электрического тока на воду, в результате чего образуется водород и газообразный кислород.
В то время водород был исключительно газообразным. Лишь спустя несколько десятилетий несколько ученых по всему миру начали свои эксперименты по сжижению газа. Одним из этих исследователей был Камерлинг Оннес, профессор Лейденского университета. Он построил холодную лабораторию и усердно соревновался с другими исследователями, чтобы первым произвести жидкий водород.
Тем временем исследования по применению водорода также неуклонно продолжались. Это привело к разработке первой газовой батареи в 1945 году и, вскоре после этого, к исследованию возможностей водорода в качестве энергоносителя в топливных элементах.
В 1990-х годах потенциал водорода становился все более очевидным. Начались эксперименты на кораблях, грузовиках и самолетах, и вскоре аэрокосмический сектор стал основным пользователем.
Все более очевидными становились и преимущества устойчивого развития. В 1970 году Джон О’М. Бокрис создал термин «водородная экономика». Он описал экономику, в которой возобновляемый водород станет основным энергоносителем, заменив ископаемое топливо.
Преимущества жидкого водорода
Хотя водородная экономика Бокриса еще не стала реальностью, устойчивый водород действительно находится в центре внимания. Преимущества для устойчивого развития значительны:
Помимо экологичности, водород имеет и практические преимущества. Например, он может эффективно хранить в течение длительного времени выработанную энергию. В отличие от энергии, получаемой от энергии ветра. Эта энергия должна подаваться непосредственно в сеть и разряжаться в случае ее заполнения.
Но действительно ли водород настолько экологичен, как многие думают? Это зависит от способа его производства. Если в процессе производства используется возобновляемая энергия, водород действительно является очень экологичным вариантом.
Однако, к сожалению, в большинстве случаев это еще не так. В настоящее время только 5% водорода производится с использованием устойчивой энергии; в остальных случаях по-прежнему используется ископаемое топливо. Несмотря на благие намерения, такой метод производства не делает водород очень устойчивым.
Производство водорода
Поскольку водород не существует на Земле в чистом виде, его необходимо производить. Существует три немного отличающихся друг от друга производственных процесса, основанных на одном и том же принципе.
Для производства водорода необходимо сырье, которое приводится в контакт с источником энергии. Как сырье, так и источник энергии могут быть разными. На практике существует три различных производственных процесса:
Серый водород
Серый водород производится с использованием ископаемого топлива (например, угля или природного газа) и пара. В результате эта форма производства водорода также называется паровым риформингом метана. Преимущество этого метода производства в том, что затраты относительно низкие, и возможно крупномасштабное производство.
Однако существенным недостатком является то, что в процессе производства выделяется CO2. Это, к сожалению, делает серый водород вредным для окружающей среды.
В настоящее время около 95% водорода производится путем парового риформинга метана. Это осуществляется в больших реформерах, которые расщепляют углеводород на водород и углерод.
Голубой водород
Производство голубого водорода в основном такое же, как и производство серого водорода, с одним отличием. Огромное количество CO2, выделяемого в процессе производства, не поглощается в воздух, а улавливается или повторно используется.
Это делает голубой водород гораздо более экологичным, чем серый. Однако улавливание С02 требует затрат энергии, что снижает конечный выход в общей энергии.
Зеленый водород
При производстве зеленого водорода используется экологически чистая энергия и вода. С помощью электролиза вода преобразуется в водород и кислород. При таком способе производства не выделяется CO2, что делает «зеленый водород» единственным по-настоящему экологичным водородом.
Крупномасштабное производство «зеленого» водорода стало бы значительным шагом вперед в повышении устойчивости топлива и энергии. К сожалению, в настоящее время это не так, поскольку несколько факторов делают производство зеленого водорода проблематичным:
Вышеуказанные причины означают, что производство «зеленого» водорода все еще медленно набирает обороты. По этой причине для того, чтобы сделать возможным крупномасштабное производство «зеленого» водорода, необходимо существенное снижение цен и большая поддержка со стороны правительств.
Хранение и транспортировка
Хотя водород относительно широко используется в газообразной форме, хранение и транспортировка газообразного водорода представляет собой сложную задачу. Из-за своей чрезвычайно низкой плотности водород в газообразном состоянии занимает большой объем при атмосферном давлении.
Однако, если поместить газ под высокое давление (350-700 бар в баллоне) или сжижить его, эта проблема решается. В действительности, в жидком состоянии плотность водорода увеличивается в 800 раз. Это означает, что в одном и том же резервуаре или емкости можно хранить в 800 раз больше водорода.
Что это означает для транспортировки водорода? На короткие расстояния водород часто транспортируется в жидком виде в оптимальных изолированных линиях передачи, а для транспортировки на большие расстояния используются большие криогенные танкеры или поезда. Водород также перевозится в газообразном виде по автомобильным или железным дорогам в баллонах высокого давления.
Как и транспортировка, хранение водорода также становится более удобным, если он находится в жидкой форме или хранится под очень высоким давлением. Поэтому газообразный водород обычно хранится в специальных резервуарах, построенных таким образом, чтобы выдерживать и регулировать такое высокое давление. Жидкий водород также хранится в больших резервуарах или емкостях. Они оснащены оптимальной (вакуумной) изоляцией, сводящей к минимуму потери энергии.
В настоящее время изучается возможность использования существующих инфраструктур природного газа для транспортировки водорода в будущем. Этот вариант кажется осуществимым без слишком больших изменений в существующей инфраструктуре, но и в этом случае речь идет о слишком высоких затратах. Другой вопрос заключается в том, что не все инфраструктуры одинаковы, и каждую из них придется оценивать индивидуально, чтобы определить степень необходимых корректировок.
Применение жидкого водорода
Для чего именно используется водород? В настоящее время (жидкий) водород в основном используется и исследуется в следующих отраслях промышленности:
Хотя вышеперечисленные отрасли промышленности в настоящее время являются наиболее известными потребителями водорода и заинтересованы в нем, универсальный газ используется и во многих других отраслях. Например, в пищевой промышленности водород используется для преобразования ненасыщенных жиров в насыщенные масла и жиры.
Промышленный сектор, помимо прочего, также использует водород для производства железа; водород применяется для так называемой атомно-водородной сварки (AHW). В электронной промышленности водород используется для производства различных электронных компонентов, а в медицинском секторе водород применяется для получения перекиси водорода (H2O2).
Как упоминалось ранее, во многих отраслях промышленности водород используется в газообразной форме, но хранится и транспортируется в жидком виде. Однако у жидкого водорода есть и несколько применений:
Риски, связанные с жидким водородом
Использование водорода, будь то в газовой или жидкой форме, не лишено рисков. Когда водород вступает в реакцию с нужным количеством газообразного кислорода, выделяется огромное количество энергии, что приводит к взрыву. Кроме того, водород имеет относительно низкую температуру горения и поэтому является легковоспламеняющимся.
Кроме того, поскольку водород не имеет цвета и запаха, утечку в системе трудно обнаружить. Даже водородное пламя почти невидимо, и поэтому его трудно погасить. Жидкий водород также чрезвычайно холоден (-252,9 по Цельсию) и вызывает замерзание при контакте. Наконец, кислород может конденсироваться, если водород недостаточно изолирован, что создает повышенную пожарную опасность.
Существуют некоторые споры о том, насколько вышеуказанные риски сопоставимы с другими видами топлива. На самом деле, исследования показывают, что водород представляет собой несколько более высокий риск возгорания, чем бензин или природный газ. Что означает этот повышенный риск для будущего водорода, еще предстоит выяснить. Однако все другие виды топлива также не лишены опасностей, и при наличии соответствующей инфраструктуры и информации водород можно использовать хорошо и безопасно.
К счастью, водород уже давно используется в различных отраслях промышленности, а инфраструктура и меры безопасности значительно улучшились за последние несколько десятилетий. В настоящее время существуют сложные датчики, которые сразу же указывают на утечку из инфраструктуры. Водородные резервуары, трубопроводы и приложения также подлежат строгим стандартам испытаний. Перед вводом в эксплуатацию это оборудование подвергается воздействию высокого давления и экстремальных температур.
При наличии соответствующей инфраструктуры водород можно безопасно использовать без каких-либо проблем, если конечный пользователь также ответственно подходит к обращению с газом. В этом отношении предоставление правильной информации играет важную роль. Чем лучше пользователь следует инструкциям и осведомлен о возможных опасностях, тем меньше будет риск.
Изоляция для жидкого водорода
К счастью, существует вид изоляции, который обеспечивает оптимальную изоляцию. Метод вакуумной технологии — это решение для безопасной транспортировки, хранения и использования жидкого водорода. Вакуумная изоляция в 15 раз лучше, чем другие изоляционные материалы (например, PIR/PUR, или Foamglas, Armaflex, Perlite и Misselon), и может использоваться для труб, а также фитингов, резервуаров и криогенного оборудования.
Вакуумная технология использует вакуум или высокий вакуум для оптимальной изоляции линий передачи или систем. Вакуумная среда создается путем инкапсуляции этих линий или систем двойной стенкой и вакуумирования пространства между двумя стенками. Вакуум обеспечивает невозможность теплообмена (поскольку большинство молекул удалено) между теплым внешним и холодным внутренним пространством.
Вакуумная изоляция для водородных систем не только безопасна, но и отвечает строгим требованиям, предъявляемым к водородным инфраструктурам. Например, ожидается, что линии передачи жидкого водорода на судах будут оборудованы двойной защитой для дополнительной безопасности (если на технологической линии произойдет утечка, дополнительная защитная оболочка будет на месте). Если трубопроводы снабжены вакуумной изоляцией, то вакуумная труба также выполняет непосредственно функцию двойной изоляции. Таким образом, вакуумная изоляция убивает двух зайцев одним выстрелом.
Решения Demaco для жидкого водорода
В компании Demaco мы верим в будущее зеленого водорода. Фактически, мы находимся на переднем крае исследований лучших водородных инфраструктур. На протяжении десятилетий мы экспериментировали с прототипами, участвовали в новаторских проектах и осуществляли доказательство концепции передовых проектов и продуктов.
Мы работаем с основными игроками водородного рынка и являемся аффилированным лицом Hydrogen Europe. Эта ассоциация представляет интересы индустрии водорода и топливных элементов и, вместе с сотнями компаний и ассоциаций, привержена будущему водорода в обществе с нулевым уровнем выбросов. Благодаря нашему сотрудничеству с Hydrogen Europe мы не только внимательно следим за всеми событиями, но и активно участвуем в исследованиях и принятии решений. Это делает нас экспертами в области водорода.
Компания Demaco также является поставщиком «под ключ» для водородных проектов по всему миру. Мы участвуем в работе с самого начала и предлагаем поддержку, начиная с первоначального концептуального эскиза, детального проектирования, инжиниринга, производства, поставки, монтажа, шеф-монтажа, ввода в эксплуатацию и, наконец, технического обслуживания и сертификации инфраструктуры и ее оборудования.
Естественно, все наши проекты выполняются с использованием лучших материалов, тщательно изолируются вакуумом и следуют строгим стандартам инженерного проектирования, касающимся потенциальной взрывоопасности в атмосферных условиях (ATEX). В результате мы можем минимизировать упомянутые риски, связанные с водородом. Кроме того, Demaco сертифицирована DNV для применения на судах.
В настоящее время мы предлагаем рынку водорода следующие продукты и решения:
Мы гордимся знаниями и опытом, накопленными за последние десятилетия. Поскольку мы работаем с водородом так давно, наши методы, продукты и инфраструктура прошли всестороннее тестирование и оптимизацию. Мы можем предложить проверенную технологию всякий раз, когда к нам обращается (новый) клиент за решением.
Еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем водородная экономика Бокриса станет реальностью. Мы, однако, готовы!
Хотите узнать больше?
Для получения дополнительной информации о нашей работе ознакомьтесь с нашими продуктами и услугами. Для получения дополнительной информации о жидком водороде, пожалуйста, загляните на нашу страницу, посвященную жидкому водороду.