Водородное топливо
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).
В Норвегии - Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.
Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер - водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH2).
Водород
Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2).
Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O).
Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.
Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.
Есть другие технологии:
- использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы.
Экологичность - важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее - по углеродному следу.
Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
Н2 + 0,5 О2= Н2О
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
Для сравнения: теплота сгорания ацетилена - 1300 кДж/моль, пропана - 2200 кДж/моль.
1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.
1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.
Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.
Получение водорода
Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:
СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 - 165 кДж
- 1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
- 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
H2O + C ⇄ H2 + CO
- 3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
- 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
- 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
- 6.Взаимодействие кальция с водой:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
- 7.Гидролиз гидридов:
NaH + H2O → NaOH + H2↑
- 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
- 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O
- Биореактор для производства водорода
Физические свойства
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна - Н₂. При обычных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород - самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.
Химические свойства
Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Н2=2Н - 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом - фтором, образуя фтороводород:
F2+H2=2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
CuO + Н2 = Cu + Н20
Записанное уравнение отражает реакцию восстановления - процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).
Реакция восстановления противоположна реакции окисления.
Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.
N2 + 3H2 → 2 NH3С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
C + 2H2 → CH4Оксиды восстанавливаются до металлов:
CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2O WO3 + 3H2 → W + 3H2OГеохимия водорода
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.
Применение кроме энергетики:
- для атомно-водородной сварки,
- в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
- химической промышленности - при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
- в качестве ракетного топлива,
Водородная энергетика
Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:
- более чистый производственный процесс,
- нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя
Пожароопасность и взрывоопасность
Наибольшую взрывоопасность - при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.
