Жидкий водород

Жидкий водород

Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH₂, LH2, LH₂) — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой плотностью − 0,07 г/см³ , и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K ( −259,14 °C ) и точкой кипения 20,28 K ( −252,87 °C ) [1] . Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Спиновое соотношение изомеров в жидком водороде [en] составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород [2] . Коэффициент расширения [en] водорода при смене агрегатного состояния на газообразное при комнатной температуре составляет 848:1.

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 криогенного ракетного топлива).

Содержание

• 1 История
• 2 Спиновые изомеры водорода
• 3 Использование
  • 3.1 Преимущества
  • 3.2 Препятствия
• 4 Ракетное топливо
  • 4.1 Водород с разными окислителями
• 5 Опасность
• 6 См. также
• 7 Примечания
• 8 Ссылки

История [ править | править код ]

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом [3] , Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году, Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак, американский изобретатель Оливер Эванс первым разработал холодильный компрессор в 1805 году, Яков Перкинс первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и Джон Гори первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году [4] [5] , Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году, Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона» и регенеративного охлаждения [6] в 1876 году. В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K, критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K. Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара. Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода [ править | править код ]

Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового изомера, ортоводорода. После производства жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать спонтанной экзотермической реакции его превращения, приводящей к сильному самопроизвольному испарению полученного жидкого водорода. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов, как оксид железа, оксид хрома, активированный уголь, покрытых платиной асбестов, редкоземельных металлов или путём использования урановых или никелевых добавок [7] .

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 жидкого водорода 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 ]

Данные приводятся на основании [9] таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (англ. Joint Army Navy Air Force , «Сборник ВМС и ВВС армии США»), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией «Рокетдайн». [10] При этом делались предположения, что имеет место адиабатическое сгорание, изоэнтропийное расширение в одном направлении и имеет место смещение равновесного состояния. Кроме варианта использования водорода в качестве топлива, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела, что объясняется его небольшим молекулярным весом. Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания («КС»), равного 68,05 атмосфер. Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода.

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.

Ученый из Сколково: Водородные двигатели не так хороши, как кажется

От массового использования водородный двигателей предостерегает инженер Сколковского института науки и технологий, гендиректор одной из компаний-резидентов Евгений Ерхан. «Водородно-топливная энергетика, по моему мнению, — это абсолютно тупиковая ветвь развития, не имеющая никакого продолжения», — заявил Ерхан в интервью ФАН. Водород, по его словам, сложно и дорого производить, а его эксплуатация крайне опасна: использование водородных двигателей в транспортных средствах, в случае попадания такого автомобиля или автобуса в аварию, чревато большим количеством жертв. «Представьте себе, что у вас в машине баллон 700 атмосфер и вы на этой машине влетаете в стену, ну или в аварию попадаете. Так вот, при ударе ваш баллон превращается в гранату, разрывая все вокруг себя, — пояснил инженер. — Если вы возьмете статистику, посмотрите, какое количество аварий в России произошло и какое количество машин загорелось, она просто ничтожно мала. Но если в автомобиле будет баллон с водородом и если он взорвется, то мало того, что 100% пострадает человек, который находится внутри машины, так еще и автомобиль превратится в шрапнель, куски гранаты, которые будут уничтожать все вокруг себя».

Ученый привел в пример случаи взрывов баллонов с бытовым газом в жилых домах, которые способны разрушить несколько квартир и даже несколько этажей друг над другом.

«Давление в газовом баллоне при этом всего 14 атмосфер, а в водородном — 700 атмосфер. Это опасная, страшная технология», — подчеркнул Ерхан.

Он также обратил внимание на то, что водород является крайне сложным в производстве газом.

«Добывать водород при помощи электролиза воды крайне неэффективно и очень дорого, это колоссальные затраты энергии. На сегодняшний день единственным эффективным способом получения водорода является сжигание метана. В итоге получается водород, и в машине или где бы вы его ни использовали, выбросов не будет. Но для того, чтобы получить этот водород, придется обязательно загрязнять атмосферу в процессе производства этого водорода», — пояснил эксперт.

Собеседник агентства подчеркнул, что еще одним аргументом против использования водорода является энергоемкость таких двигателей: она значительно меньше, чем у традиционных ДВС.

«Что бы ни делали, как бы ни танцевали, но если вы возьмете водородный самолет и керосиновый самолет, то второй будет летать дольше — это факт. Некоторые доказывают, что это несовершенная технология, что ее нужно доработать, что водородно-топливной энергетике еще только 20 лет. Но эти 20 лет прошли, и за это время не сильно-то поменялась технология. В ее основе в любом случае лежат платиновые либо палладиевые мембраны. И платина, и палладий — это колоссально дорогие элементы», — резюмировал Ерхан.

Эксперт убежден, что от использования водорода мир быстро откажется. «Мое личное мнение, что вся водородная индустрия, весь хайп вокруг этого свернется, как только появится необходимость массового производства и поставок, появятся станции заправки, когда начнутся первые взрывы баллонов. Вот тогда и начнутся запреты», — добавил эксперт.

Евгений Ерхан отметил, что выступающие за зеленую энергетику европейцы сами не спешат пересаживаться на водородомобили, водородобусы и подниматься в небо на самолетах с водородными двигателями.

Один из самых знаменитых стартапов 2020 года: как выходцы из МФТИ создали в Калифорнии первый в мире самолет с водородным двигателем

Лента новостей

• 02:33 Президент Эстонии призвала ЕС разместить в ее стране ПВО для сдерживания России
• 01:36 Двое мужчин умерли в Японии после прививки от Moderna
• 00:35 Скончалась член СПЧ Мария Большакова
• вчера, 23:22 При обстреле Горловки в ДНР пострадали двое детей
• вчера, 22:47 Талибы призвали Запад сохранить дипотношения с Афганистаном
• вчера, 21:47 Путин предложил на должность главы КЧР три кандидатуры
• вчера, 21:09 США уничтожили последнюю базу ЦРУ в Кабуле
• вчера, 20:27 Сборная РФ вышла в финал ЧМ по пляжному футболу
• вчера, 20:01 США начали вывод военных из аэропорта Кабула
• вчера, 19:27 Гоночный автомобиль протаранил толпу зрителей в Италии
• вчера, 18:47 Пентагон сообщил о ликвидации двух главарей ИГ в Афганистане
• вчера, 18:08 Умер народный артист Роман Громадский
• вчера, 17:36 Изменения в ЕГЭ коснутся почти всех предметов
• вчера, 16:29 Убийца Роберта Кеннеди может выйти на свободу
• вчера, 15:53 Роспотребнадзор предупредил Линдеманна об антиковидных мерах на фестивале
• вчера, 15:20 Глава Минпросвещения отверг планы по переводу учебы в онлайн
• вчера, 14:51 Арестован второй участник нападения на женщину в Измайловском парке в Москве
• вчера, 14:24 Талибы призвали жителей Кабула в недельный срок сдать правительственные машины и оружие
• вчера, 13:53 В центре Москвы вновь произошла массовая драка мигрантов
• вчера, 13:22 Эксперт Минздрава РФ считает, что иммунитет сильнее к ковиду после болезни, чем после вакцинации
• вчера, 12:54 Россиянин Жданов установил новый мировой рекорд в плавании на Паралимпиаде
• вчера, 12:21 Москва депортировала около 200 мигрантов
• вчера, 11:49 Аэропорт «Домодедово» получил анонимку о минировании рейса Москва — Геленджик
• вчера, 11:38 В России выявлено 19 492 новых случая COVID-19
• вчера, 11:25 Российские паралимпийцы принесли 4 медали в копилку сборной России
• вчера, 10:58 Военные США провели спецоперацию против боевика ИГ в Афганистане
• вчера, 10:40 В США опубликованы выводы разведки по итогам расследования о происхождении ковида
• вчера, 10:10 СМИ: солиста Rammstein Линдеманна посетили российские силовики
• вчера, 09:41 В Казахстане объявлен траур по жертвам взрывов в воинской части
• вчера, 09:12 В Ялте загорелся пятиэтажный дом на площади 1000 квадратных метров
• вчера, 08:59 Французы создали «бензин» на вине
• вчера, 08:39 В результате пожара в «красной зоне» больницы в Ярославле погиб пациент
• вчера, 07:37 Исчезнувшую почти 70 лет назад берестяную грамоту нашли в старом сейфе РАН
• вчера, 06:35 На выплаты медикам, участвующим в вакцинации от COVID-19, дополнительно выделено 7,8 млрд рублей
• вчера, 05:30 Власти Дании с 10 сентября отменят все ограничения, введенные из-за COVID
• вчера, 02:23 Достопримечательности Рио-де-Жанейро будут доступны только привитым от COVID-19
• вчера, 01:25 В Кузбассе второй подросток скончался от коронавируса
• вчера, 00:32 В центре Москвы во время раскопок найдены новые артефакты
• 27 августа Мексиканские ученые создали маску, убивающую ковид
• 27 августа Сооснователь «Смысловых галлюцинаций» впал в кому
• 27 августа Пентагон запретил закупать российские энергоресурсы
• 27 августа Агитка ЖКХ могла стать причиной смерти пенсионера в Магнитогорске
• 27 августа Соратников Навального обязали оплатить работу полиции в выходной день
• 27 августа Белорусскую ассоциацию журналистов указано ликвидировать
• 27 августа Черное море в Анапе и Новороссийске признали непригодным для купания
• 27 августа Дизельная подводная лодка «Магадан», вооруженная ракетами «Калибр», прошла госиспытания
• 27 августа Девять медалей завоевала сборная России в третий день Паралимпиады
• 27 августа Роналду переходит в «Манчестер Юнайтед»
• 27 августа Frankfurter Allgemeine Zeitung: в ЕС считают, что «Газпрому», скорее всего, придется продать «Северный поток — 2»
• 27 августа ФРС может приступить к сворачиванию стимулов в этом году

Все новости »

Глава европейского направления компании ZeroAvia Сергей Киселев дал интервью главному редактору Business FM Илье Копелевичу

Фото: скриншот с видео Youtube —>

В компанию ZeroAvia, созданную в Калифорнии выходцами из России, вложились фонды Билла Гейтса и Джеффа Безоса. Тема — водородный авиадвигатель. Ноль выбросов. Не в проекте, а в металле. В прошлом году прошел первый полет, за что Time включил его в список лучших изобретений 2020 года. Попробуем проследить путь этих людей из российской физики в топ мирового инновационного бизнеса. С главой европейского направления компании ZeroAvia Сергеем Киселевым беседовал главный редактор Business FM Илья Копелевич. Этот материал доступен в виде подкаста.

Сергей Киселев: Как раз сжатие водорода до такого давления частично решает эту проблему. Но все равно у нас получается разрыв с точки зрения количества энергии на объем, мы отстаем от обычного топлива. Это проблема и не проблема, потому что, если говорить о маленьких самолетиках или о следующем классе, который мы сейчас разрабатываем, мы сейчас действительно летали на шестиместном самолете, сейчас мы начали программу 19-местного самолета — это уже, наверное, самый маленький размер, с которым работают авиалинии. Существуют региональные или субрегиональные авиалинии, которые работают как раз с самолетами такого размера. Мы подвешиваем цилиндры с водородом на крылья, как на бомбардировщики, и, таким образом, мы решаем проблему с объемом или вместимостью. Мы просто расширяем эту возможность, частично решаем эту проблему.

Декарбонизация. Финская компания испытывает газопоршневые двигатели на водороде: фото

Финская технологическая группа Wärtsilä начала испытания своих газопоршневых двигателей на чистом водороде, предназначенных для балансирования энергосистем. В компании планируют к 2025 году создать концепт двигателя и электростанции, способных работать на 100% водороде, сообщается в пресс-релизе группы.

По прогнозам Wärtsilä, зеленый водород будет удовлетворять 13% мирового спроса на энергию к 2070 году. Однако пока на рынке не существует серийных двигателей, способных эффективно использовать это топливо, что ставит под угрозу глобальные амбиции по достижению нулевых выбросов.

Подписывайтесь на LIGA.Бизнес в Telegram: только важное

Wärtsilä объявила старт программы испытаний своих газопоршневых двигателей. В городе Вааса (Финляндия) будет исследована существующая технология двигателей серии 31, чтобы определить оптимальные параметры для работы на водороде. Сейчас газопоршневые двигатели Wärtsilä используются в качестве гибких балансирующих мощностей в энергосистемах с высокой долей ВИЭ.

В компании уверены, что зеленый водород, произведенный с использованием избыточной возобновляемой энергии с помощью электролиза, и другие виды чистого топлива на основе зеленого водорода будут обеспечивать длительный запас энергии, чтобы совместно с ВИЭ и краткосрочными системами накопления энергии (такими как литий-ионные батареи) создать надежные и полностью безуглеродные энергетические системы.

Согласно моделированию, осуществленному компанией Wärtsilä, только в странах G20 необходимо 11 000 ГВт солнечных и ветровых станций, чтобы достичь 100% возобновляемой энергетики. Также это потребует 933 ГВт углеродно-нейтральных тепловых маневренных мощностей, чтобы сделать возможным добавление такого объема ВИЭ и уравновесить эти будущие энергосистемы.

«Способность модифицировать существующие двигатели под использование водорода и других видов топлива на основе водорода, когда они станут широкодоступными, является критически важной для достижения глобальных целей декарбонизации. Двигатель внутреннего сгорания – это ключевая технология, с которой становится возможным наращивание возобновляемых источников энергии, поскольку она обеспечивает гибкость, необходимую для балансирования прерывистой генерации ветра и солнца», – отмечается в пресс-релизе.

• В 2019 году эксперт ООН предупредил о возможном «климатическом апартеиде», когда негативные последствия климатических изменений затронут в большей степени бедное население планеты. В 2020 году генсек ООН Антониу Гутерреш заявил, что XXI век может стать последним для человечества из-за экологических изменений. Исследователи из Принстонского университета считают, что климатический кризис подталкивает тропические регионы планеты, где проживают свыше 40% населения Земли, к пределам адаптации для жизни человека.
• В июне Европарламент одобрил климатический закон, который обязывает страны-членов ЕС снижать выбросы СО2 к 2030 году на 55% по сравнению с 1990 годом. Также Еврокомиссия подготовила крупный пакет законодательных предложений для достижения этой цели.

Подписывайтесь на LIGA.Бизнес в Facebook: главные бизнес-новости