CC BY
11ПЕРСПЕКТИВЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДА В МИКРОПОРИСТЫХ СТРУКТУРАХ
А. Ф. Чабак
Академия перспективных технологий «
Микропористые структуры на основе капилляров и микросфер могут аккумулировать водород при высоких давлениях (100-300 МПа), что позволяет достичь высокого весового и объемного его содержания в аккумуляторе (более 10 % весовых и более 50 г/дм3). На настоящий момент только такой способ аккумуляции водорода обеспечивает требования, предъявляемые департаментом энергетики США к аккумуляторам водорода.
Таблица 1
Требования департамента энергетики США по содержания водорода в аккумуляторе
Создание сменных картриджей на основе микропористых структур позволяет решить вопросы безопасного хранения, транспортировки и использования водорода. В атомной энергетике рассматриваются два основных направления производства водорода — это создание атомно-промышленных комплексов на базе высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов и использование энергии, вырабатываемой на действующих АЭС, в период снижения внешнего потребления электрической энергии.
Водород имеет более высокое энергосодержание — 33,3 кВт ч/кг, по сравнению с 13 кВт-ч/кг у бензина и 13,9 кВт-ч/кг у природного газа. При всех своих преимуществах водород имеет два существенных недостатка — очень низкую плотность и взрывоопасность. Показано, что транспортировка водорода 40-тонным грузовиком (может вместить только 320 кг Н2 при 200 атм) на расстояние в 500 км требует энергозатрат, сравнимых с энергосодержанием транспортируемого водорода. В то же время транспортирование природного газа тем же транспортом, при том же давлении и на то же расстояние ограничивается 25 % энергосодержания транспортируемого газа, бензина — всего несколькими процентами его энергосодержания. Такая разница объясняется низкой плотностью водорода. Кроме того, дорожно-транспортные происшествия с грузовиками, перевозящими водород, неприемлемы по социально-политическим причинам. Поэтому транспортировка водорода в больших объемах будет возможна только в случае обес-
печения безопасности, сравнимой с перевозкой д
нефтепродуктов или природного газа. s
Существующие способы аккумулирования -5
обеспечивают невысокие содержания водорода ^
(газообразный водород под давлением в балло- |
нах) и при этом имеют ограничения по дальней- £
КС
шему росту этого показателя, а также невысо- g кие показатели по обеспечению взрывобезопас- © ности. Водород можно хранить в жидком состоянии при его охлаждении до -253 °С (до 7,1 % вес.), но для охлаждения водорода до этой температуры требуется затратить порядка одной трети содержащейся в нем энергии (11 кВтч/кг Н2), потери водорода при испарении достигают 3-5 % в сутки Все другие способы аккумуляции водорода (интерметаллиды, фуллерены, нанотрубки, адсорбция на активированных углях и другие способы) обеспечивают содержание водорода не выше 4,5 % весовых.
Исключительный интерес для создания пористой микроструктуры представляют материалы, имеющие высокие прочностные характеристики и низкий удельный вес, это, прежде всего, полимеры, изготовленные на основе поли-п-фе-нилентерефталамида и других аналогичных полимеров ароматического ряда, арамидов (армос, СВМ, терлон, кевлар), которые имеют удельный вес в 5,5 раз меньше стали, а прочностные характеристики в 2,5-3,5 раза выше. Для высокопрочных сталей овр = 160...200 кг/мм2, для ара-мидов прочность при растяжении достигает 550 кг/мм2 (табл. 2).
Перспективно мыслящие нефтяные компании активно участвуют в инвестициях в водородное направление. Так, вторая по размерам в мире нефтяная компания Shell в 2003 г. с крупнейшим производителем автомобилей General Motors инвестировала в это направление мил- * лиард долларов. Shell только в 2003 г. построи- <t ла в США 22 заправочные станции на водороде. I На рис. 1 представлен компрессор, разработан- | ный фирмой Pressure Products Industries (PPI) И для заправки автомобилей. PPI выпускает ком- й прессоры, обеспечивающие давление до 200 МПа 1 и производительность по водороду до 680 м3/ч. £
Применяемые в настоящее время в качестве >• аккумуляторов водорода для автомобилей бал- ^ лоны заправляются водородом до 30...35МПа, S разрабатываются баллоны для заправки водоро- 0 дом до 70 МПа. Как видно из рис. 2, плотность водорода при 70 МПа не превышает 40 г/л.
Наибольшего удельного содержания водорода можно добиться в микропористых структурах.
Весовое содержание водорода в микропористой структуре зависит от прочности на растяже-
Параметр 2007 г. 2010 г. 2015 г.
Весовое содержание водорода, кг Н2/кг 0,045 0,06 0,09
Объемное содержание водорода, кг Н2/л 0,036 0,045 0,081
Рис. 1. Компрессор фирмы РР1 обеспечивает давление до 100 МПа, производительность по водороду до 48 м3/ч
120
ч
Давление, МПа
Рис. 2. Зависимость плотности водорода от давления при 18 °С
Рис. 3. Микросферы; диаметр микросферы, измеренный стандартом, равен 31 мкм
Рис. 4. Матрица из капилляров; диаметр капилляра, измеренный стандартом, равен 110 мкм, толщина стенки капилляра 8 мкм
ние опр, плотности материала структуры р и радиуса элементов микропористой структуры R. Для сравнения материалов с целью применения их для создания микропористых структур вводим безразмерный комплекс:
Опр/сR.
Большее весовое содержание водорода можно получить в микроструктурах с большим значением величины безразмерного комплекса.
Создавая давление водорода Р в микроструктуре с радиусом R и толщиной оболочки 8 элемента структуры, уровень напряжений в оболочки о для того, чтобы она не разрушилась, не должен превышать предел прочности материала оболочки на растяжение (8/R — аспектное отношение):
опр > о = PR / 2д (для сфер),
опр > о = PR / д (для капилляров).
Поэтому наиболее перспективны материалы, имеющие большую прочность на растяжение и малую плотность. В табл. 2 представлены характеристики некоторых материалов, которые могут применяться при изготовлении микросфер и капилляров.
и
с а
i/i
с с
е
^ Таблица 2
< Характеристики некоторых материалов, применяющихся для изготовления микросфер
Отношение безразмерных комплексов спр R / с
Материал Плотность, Прочность
г/см3 о, МПа (за 1 принято значение комплекса для стали)
Хромоникелевая сталь 7,8 550 1,0
Магнийалюмосиликатное стекло, волокно 2,5 3500 20,0
Кварц плавленый, волокно 2,5 5000 28,5
ПОЛИМЕРЫ (волокна):
Полиамиды 1,4 2500 25,3
Армос 1,45 5500 53,8
СВМ 1,43 4200 41,7
Терлон 1,45 3100 30,3
В таблицах 3-5 представлены расчетные значения содержания водорода в микросферах и капиллярах при различных аспектных отношениях.
На рис. 5 показана принципиальная возможность создания элементов аккумулятора водорода на основе матрицы из капилляров, выполненной из стекла.
Таблица 3
Содержание водорода в микросферах из стекла (кварца) при различных аспектных отношениях, при давлении водорода в микросферах 200 МПа
д/R о, кг/мм2 Содержание водорода, % вес. Содержание водорода, г/л
0,02 505,0 47,0 52,5
0,025 405,0 38,1 51,7
0,033 308,0 28,3 50,5
0,04 255,0 22,0 49,1
0,05 205,0 18,0 47,8
0,1 105,0 8,1 40,7
Таблица 4
Содержание водорода в микросферах из армоса при различных аспектных отношениях, при давлении водорода в микросферах 200 МПа
д/R о кг/мм2 Содержание водорода, % вес. Содержание водорода, г/л
0,02 505,0 81,0 52,5
0,025 405,0 65,6 51,7
0,033 308,0 48,7 50,5
0,04 255,0 37,3 49,1
0,05 205,0 31,0 47,8
0,1 105,0 13,3 40,7
Таблица 5
Содержание водорода в капиллярах из армоса при различных аспектных отношениях, при давлении водорода в капиллярах 200 МПа
д/R о кг/мм2 Содержание водорода, % вес. Содержание водорода, г/л
0,02 1010 117,0 67,2
0,04 560 56,7 64,5
0,05 410 44,7 63,2
0,075 276,6 28,6 60,0
0,1 210 20,6 56,7
Как видно из таблиц 3-5, создание аккумуляторов водорода на основе микропористых структур позволяет достичь высоких содержаний водорода как гравиметрических, так и объемных.
Рис. 5. Прототип аккумулирующего элемента аккумуля- ® тора водорода: а — набор матриц капилляров без оболочки и с внешней оболочкой, диаметр матриц в оболочке — 50 мм., б — структура матрицы, в — шестигранные капилляры в структуре матрицы. Расстояние между линиями стандарта 65 мкм, толщина стенки шестигранного капилляра — 1,25 мкм
Микропористые структуры позволяют создавать аккумуляторы водорода самых разнообразных конструкций и практически любых размеров от аккумуляторов водорода для портативных источников питания (мобильные телефоны, компьютеры, бытовая техника) до аккумуляторов водорода для транспорта и аэрокосмического комплекса. Создание системы производства водорода и его аккумуляции позволит сформировать многоплановые экологически чистые технологические комплексы на базе АЭС. Аккумуляторы водорода на основе микропористых структур в перспективе обеспечат потребителей водородом не только в районе АЭС, но и в удаленных от нее районах с уже сложившейся инфраструктурой. При этом высокое удельное содержание водорода, отсутствие потерь, присущих, например, криогенным вариантам хранения и транспорта, высокая взрыво- и пожаробезопасность создает хорошие предпосылки для развития этого направления.
