при каком давлении и температуре сжижается водород

Как собирать, хранить и поставлять водород

В одном из прошлых постов мы выяснили, что в обозримой перспективе себестоимость производства водорода снизится настолько, что этот газ станет конкурентоспособным энергоносителем на транспорте и в энергетике. Но есть ещё одна потенциальная проблема водородной экономики: хранить, транспортировать и поставлять H₂ не так просто, как кажется. В этот раз мы расскажем, какие технологии решат эти задач и не «съедят» ли транспортные издержки прибыль будущих водородных магнатов.

Где и как хранить водород

По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар — им будут заправлять машины, питать электросистему и отопление домов — его нужно будет запасать в больших количествах. Это нужно будет и для того, чтобы цены на водород не скакали. Причём газ будет храниться долго, поэтому не столько важна скорость закачки/откачки и расположение, сколько объём хранилищ.

Второй естественный резервуар для водорода — истощённые пласты залежей природного газа или нефти и водоносные горизонты. Они больше соляных пещер, но водород в них сильнее загрязняется, вступая в реакцию с горной породой, микробами, жидкостями. В такие пещеры водород пока не закачивают, поэтому считать «экономику» рано.

Карта водородного будущего Европы. Большинство соляных пещер для водорода (обозначены зелёными треугольниками) сосредоточено на севере Германии, в Нидерландах и Франции. Источник: European Hydrogen Backbone Perspective, 2020.

Однако для краткосрочного и мелкомасштабного хранения водорода такие «пещеры горного короля» не подходят — нужны баки. В резервуарах хранят сжатый или сжиженный водород, который можно быстро закачать или откачать в нужных объёмах.

Сжатый водород (при давлении 700 бар, т. е. приблизительно 690 атм.) имеет только 15% плотности энергии (количество энергии на единицу объёма) бензина, и чтобы хранить эквивалентное количество топлива, скажем, на водородной заправке, нужно в семь раз больше места.

Поэтому водород скорее всего будут мешать с аммиаком, у которого плотность больше, а места такой смеси требуется меньше, что позволит транспортировать больше водорода без увеличения объёма хранилища. Правда, придётся потратиться на конверсию и реконверсию смеси.

В каком виде транспортировать водород

Проблема подготовки водорода для транспортировки решается по-разному: H2 сжимают, сжижают, смешивают с другими веществами. У каждого из этих вариантов свои преимущества и недостатки, а оптимальное решение зависит от географии поставок, расстояния, объёма и вида водорода для потребителя.

В любом агрегатном состоянии (кроме твёрдого, конечно) водород можно пустить по имеющимся газовым трубам, что однозначно дешевле, чем строить новую инфраструктуру. Первый кандидат — газовые сети. В мире насчитывается 3 млн километров газопроводов и 400 млрд кубометров подземных хранилищ метана. Но с этим есть технические проблемы:

у водорода низкая плотность энергии, и объёмы (или время) его поставки через газопровод придётся увеличить;

водород очень горюч на воздухе, поэтому чтобы снизить риски, придётся менять оборудование по всей цепочке поставок;

не всякая инфраструктура для, например, метана подойдёт водороду; особенно это касается потребительских котлов, бойлеров и т. п. (об этом подробнее ниже);

В итоге наряду с газообразным водородом нам придётся производить его сжиженные и смешанные версии.

Как адаптировать мелких потребителей к водороду? На рисунке — возможный вариант. Это H2Rex — водородный генератор компании Toshiba (о нём мы рассказывали). Его топливные элементы вырабатывают электричество с помощью электрохимических реакций между полученным водородом и кислородом из атмосферы. Результат — электричество и тепло, которые получает потребитель. Источник: Toshiba ESS

Схожим образом водород можно включить в жидкий органический носитель. На конверсию и реконверсию при этом уйдёт 35-40% водорода, хотя объёмы поставок эти издержки покрывают.

Некоторые жидкие органические носители водорода могут быть негорючими, что делает перевозку безопаснее. Источник: Hydrogenious LOHC Technologies / YouTube

Как доставлять водород

Как и углеводороды сейчас, водород перемещать по миру в основном будут трубы, суда и автоцистерны. Отправлять H2 поездами в целом будет дороже, хотя удалённым потребителям в локациях без трубопровода это возможно. В мире сегодня существует много водородопроводов, но в основном они не выходят за пределы технологических площадок химических и нефтеперерабатывающих заводов. Поэтому более оптимальный вариант — трубы для передачи природного газа.

Однако далеко не все они подходят для прокачки водорода из-за типа стали: трубы из низкопрочной стали будут портиться из-за контакта с водородом (водородное охрупчивание) и давления прокачки. При этом их пропускная способность должна быть в три раза выше из-за низкой плотности водорода. Последнее решается, как мы уже выяснили, смешиванием водорода с жидкостями, и для таких соединений также есть трубопроводы. В частности, трубы используют для прокачки аммиачно-водородной смеси. Один из аммиакопроводов, к примеру, идёт из Тольятти (Россия) до Одессы (Украина) (2,4 тыс. км).

Однако трубопровод подойдёт не для всех потребителей. В некоторые страны H2 доставят морем. Пока танкеры для перевозки водорода массово не производят. Первое такое судно, получившее название Suiso Frontier, построила компания Kawasaki Heavy Industries, а спустили его на воду в декабре 2019 года в Кобе (Япония). В марте 2020 года на танкер установили резервуар объёмом 1 250 куб. м, в котором водород будут перевозить в сжиженном состоянии.

В других проектах предполагаются танкеры, схожие по размеру с судами для СПГ, которые в качестве топлива будут сжигать в день примерно 0,2% от перевозимого водорода. Более перспективны в этом отношении танкеры, которые сейчас перевозят сжиженный нефтяной газ (СНГ). В их резервуары можно залить аммиачную и другие подобные смеси водорода. Газовозами доставлять водород дороже, чем по трубопроводам.

Правда, обычно перевозят таким способом в пределах 300 км: дальше становится невыгодно. Развитие автоперевозок водорода будет зависеть от вместимости баков. Теоретически один прицеп со сжатым газообразным водородом может вместить до 1 100 кг в лёгких композитных цилиндрах (под давлением 500 бар). Однако этот показатель редко достигается на практике, поскольку правила во всем мире ограничивают допустимое давление, высоту, ширину и вес цистерн.

Потреблять бензин или солярку грузовику совсем не обязательно — его ДВС может работать на всё том же водороде. Hyundai XCIENT Fuel Cell — первый массовый грузовик на водороде, десять копий которого поставили в 2020 в Швейцарию для коммерческого использования. Заправить такой грузовик можно 32 кг водорода, которые ему хватит примерно на 400 км хода. Источник: Hyundai.news

Второй вариант — автоцистерны со сжиженным водородом, если есть постоянные потребители и объёмы поставки компенсируют расходы на сжижение.

Как видно, экономика автоперевозок зависит от объёма поставок: чем больше требуется водорода, тем более выгодно построить трубопровод. Чем меньше и чем ближе потребитель, тем выгоднее возить водород грузовиками

Итого: сколько стоят путешествия водорода

Прежде чем подвести предварительный итог напомним, во сколько обойдётся производство «зелёного» водорода и при какой цене он станет конкурентоспособным относительно традиционных энергоносителей.

Как видно, с учётом доставки «зелёный» водород на возобновляемых источниках энергии, добытый в Японии, будет дороже импортированного из Австралии или Ближнего Востока. А вот Европа вполне может не зависеть от его поставок из Северной Африки. Источник: International Energy Agency

Более того, мы в Toshiba знаем, как включить в цепь добавленной водородной стоимости новые технологии, которые позволят снизить транспортные издержки.

Как построить водородную цепь добавленной стоимости

Вырисовывается такая картина: в густонаселенных районах Европы и США водород от большого числа местных поставщиков для небольших потребителей в основном будут возить грузовики. Крупные потребители будут получать водород либо по трубопроводам от дальних поставщиков, либо импортировать морем из соседних стран (Латинская Америка для США и Северная Африка с Ближним Востоком — для Европы).

Японии будет сложнее: местный водород будет сравнительно дорогим, поэтому для крупных потребителей возможны поставки морем из стран ближнего и дальнего зарубежья. Правда, водородная энергетика всё-таки будет «демократичнее» углеводородной благодаря доступности возобновляемых источников энергии большому числу потребителей.

В последнем случае конвертировать полученный водород поможет наш генератор на топливных элементах H2Rex, который уже производит электричество и тепло из водорода и воздуха, к примеру, для гостиницы в Кавасаки. Небольшим и удалённым от производства H2 потребителям подойдут мини-электростанции типа нашей H2One. Она вырабатывает водород методом электролиза из воды, который поддерживается встроенной солнечной батареей.

Мы убеждены, что интеграция таких источников и преобразователей энергии в сочетании со строительством водородных электростанций на ВИЭ позволит снизить зависимость потребителей от зарубежных поставок H2, которые могут оказаться для них дорогими.

Источник

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 ]

CH₄/H₂ 92.6/7.4O₂

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 «V_e» 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.

Источник

При каком давлении и температуре сжижается водород

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Liquid hydrogen. Specifications

Дата введения 2015-09-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным казенным предприятием «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности» (ФКП «НИЦ РКП»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 60 «Химия»

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Сентябрь 2019 г.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на жидкий водород, производимый при избыточном давлении не ниже 0,03 МПа (0,3 кгс/см ) ожижением очищенного газообразного водорода, предназначенный для использования в качестве горючего в ракетно-космической технике, двигательных и энергетических установках, авиации и наземных транспортных средствах; как хладагент в экспериментальной физике при исследованиях материалов и измерительной техники; в качестве источника чистого газообразного водорода для процессов термообработки металлопродукции, получения особо чистых металлов, порошковой металлургии, при изготовлении изделий электронной техники, нейтрализаторов выхлопных газов, в нанотехнологиях.

Газообразный водород получают электролизом воды или путем выделения из азото-водородной смеси.

Значения плотности жидкого параводорода и растворимости в нем примесей кислорода и азота в зависимости от температуры приведены в приложениях А и Б.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 9 Аммиак водный технический. Технические условия

ГОСТ 12.1.004 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования

ГОСТ 12.1.010 Система стандартов безопасности труда. Взрывобезопасность. Общие требования

ГОСТ 12.1.044 (ИСО 4589-84) Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения

ГОСТ 701 Кислота азотная концентрированная. Технические условия

ГОСТ 2715 Сетки металлические проволочные. Типы, основные параметры и размеры

ГОСТ 3118 Реактивы. Кислота соляная. Технические условия

ГОСТ 6709 Вода дистиллированная. Технические условия

ГОСТ 9293 (ИСО 2435-73) Азот газообразный и жидкий. Технические условия

ГОСТ 9941 Трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали. Технические условия

ГОСТ 14162 Трубки стальные малых размеров (капиллярные). Технические условия

ГОСТ 17433 Промышленная чистота. Сжатый воздух. Классы загрязненности

ГОСТ 19433 Грузы опасные. Классификация и маркировка

ГОСТ 30852.11 (МЭК 60079-12:1978) Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 12. Классификация смесей газов и паров с воздухом по безопасным экспериментальным максимальным зазорам и минимальным воспламеняющим токам

ГОСТ 30852.19 (МЭК 60079-20:1996) Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 20. Данные по горючим газам и парам, относящиеся к эксплуатации электрооборудования

ГОСТ Р 51673 Водород газообразный чистый. Технические условия

ГОСТ Р 55878 Спирт этиловый технический гидролизный ректификованный. Технические условия

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 сосуд: Герметически закрытая емкость с тепловой изоляцией, предназначенная для хранения и транспортирования жидкого водорода.

3.2 резервуар: Стационарный сосуд, предназначенный для хранения жидкого водорода.

3.3 цистерна: Передвижной сосуд, постоянно установленный на раме железнодорожного вагона, на шасси или прицепе автомобиля или на других средствах передвижения, предназначенный для транспортирования и хранения жидкого водорода.

3.4 давление: Внутреннее абсолютное давление в паровой подушке сосуда без учета гидростатического давления, если не указано другое.

3.5 контейнер: Сосуд для транспортирования, устанавливаемый на железнодорожную платформу, в кузов или на прицеп автомобиля и на морское (речное) транспортное средство.

3.6 дозаправка: Заполнение сосуда, содержащего в исходном состоянии некоторое количество жидкого водорода.

3.7 гомогенный состав: Жидкий водород, содержащий в своем объеме только жидкую фазу и растворенные в ней примеси.

4 Технические требования

4.1 Жидкий водород должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

4.2 В зависимости от содержания примесей жидкий водород выпускают двух марок, указанных в таблице 1.

Источник