Мир сталкивается с проблемой энергетических потребностей — баланса между спросом и предложением, затратами и воздействием на окружающую среду — и одним из возможных решений этой проблемы является водород.
Водород перспективен как источник топлива для двигателей внутреннего сгорания, топливных элементов и как альтернатива отоплению природным газом. Единственным остатком его сгорания является вода, и есть несколько способов получения газа без угрозы выбросов углерода.
Однако производство чистого газообразного водорода обходится дорого, а его хранение и транспортировка еще дороже по сравнению с традиционными ископаемыми видами топлива. Исследователи энергетики пытались найти наилучшие способы получения водорода, а также наиболее практичные методы его транспортировки, чтобы он мог составить конкуренцию природному газу или нефтехимии. Есть несколько способов решить эту проблему, подробнее о них ниже.
При всех своих применениях чистый двухатомный водород имеет ограничения, препятствующие его практическому использованию в больших масштабах. Производство водородного топлива не совсем свободно от парниковых газов, и существуют как устойчивые, так и неустойчивые способы. методы производства которые необходимо учитывать. Наиболее перспективным в настоящее время является электролитическое расщепление воды (с использованием возобновляемых источников энергии), в результате которого образуются газообразные водород и кислород.
Когда проблема производства решена, материализуется вопрос эффективности - при атмосферном давлении и температуре просто недостаточно энергии на единицу объема газообразного водорода, чтобы обеспечить сопоставимую меру по сравнению с ископаемым топливом. Плотность энергии газообразного водорода на килограмм почти в три раза больше, чем у традиционных видов топлива, однако реальная энергоемкость на литр на порядки меньше.
Хотя газообразный водород можно сжимать под высоким давлением, для этого требуется специальное оборудование, а также еще больше энергии, и все же можно получить только около 5% водорода на единицу веса (где остальные 95% - это вес сосуда под давлением). ). То же самое можно сказать и о сжиженном водороде, для которого требуется температура –253 °C или ниже, что требует охлаждающего оборудования и дополнительной мощности.
Наилучшее решение для эффективного использования и транспортировки водорода, которое нашли ученые, на самом деле вовсе не чистый водород. Существуют альтернативы с большим потенциалом, а именно хранение химических веществ и физическое хранение.
Химическое хранение — это место, где атомы водорода хранятся в молекулах посредством химических связей и высвобождаются только после того, как происходит химическая реакция. Существует много потенциальных вариантов химических носителей водорода, таких как гидриды металлов или органические молекулы (например, спирты, углеводы).
Чтобы быть наиболее эффективным, материал должен иметь емкость по водороду не менее 7% по весу и иметь рабочую температуру от 0 до 100°C. Многие гидриды металлов требуют температуры не менее 200°C для выделения водорода. Органические углеводороды находятся в аналогичном положении, но с дополнительным недостатком, заключающимся в выделении CO.2 как продукт реакции.
Варианты физического хранения позволяют адсорбировать водород на поверхности материала в гораздо больших количествах, чем оставить газ, содержащийся сам по себе. Наиболее распространенными из них являются высокопористые губчатые материалы, такие как активированный уголь или металлоорганические каркасы (MOF). Было обнаружено, что MOF, о котором сообщалось в 2020 году, достигает выдающейся емкости по водороду на уровне 14% по весу. Однако ограничением многих MOF является то, что они лучше всего адсорбируются при очень низких температурах (многие около -200°C) и теряют эффективность при повышении температуры.
Аммиак уже зарекомендовал себя в качестве жизненно важного компонента удобрений, и к 200 году мировое годовое производство превысит 2021 миллионов тонн. Он также вызвал вдохновение в качестве метода химического хранения водорода.
Нынешний метод производства аммиака не является экологичным — процесс Габера включает в себя совместное взаимодействие газообразного азота и газообразного водорода при высоких температурах и давлениях, при этом водород чаще всего получают из ископаемого топлива. Тем не менее, ученые-энергетики добиваются успехов в использовании альтернативных методов производства, таких как топливные элементы и мембранные реакторы, которые могут сделать аммиак более экологичным для производства топлива, удобрений и многого другого.
Аммиак представляет собой неорганическую молекулу, состоящую из одного атома азота и трех атомов водорода. Эта плотность водорода делает его привлекательным химическим носителем водорода для энергетических целей в качестве альтернативы транспортировке чистого жидкого водорода. Аммиак не требует температуры ниже -253°C, аммиак является жидкостью только при -77°C при атмосферном давлении или до -10°C при несколько более высоком давлении. Кроме того, аммиак не содержит углерода, поэтому обладает большим потенциалом в качестве углеродно-нейтрального источника топлива. Его можно разделить на газообразный водород и азот в обратном топливном элементе, где двухатомный азот может просто снова соединиться с атмосферой без ущерба для окружающей среды.
Если вы хотите узнать больше о различных видах химических веществ или о том, как свести к минимуму риск при работе с химическими веществами, мы здесь, чтобы помочь. У нас есть инструменты, которые помогут вам с обязательной отчетностью, а также SDS и оценки рисков. Также у нас есть библиотека Вебинары охватывает глобальные правила безопасности, обучение работе с программным обеспечением, аккредитованные курсы и требования к маркировке. Для получения дополнительной информации свяжитесь с нами сегодня по адресу продаж @chemwatch.net.
Источники:
