Как водород, так и метан легко адсорбируются углем. Молекулы газа удерживаются на поверхности слабыми вандерваальсовыми силами, поэтому затраты энергии, необходимой для десорбирования топлива, невелики.

В углеродных системах хранения могут комбинироваться адсорбция и дру­гие методы аккумулирования водорода: сжатие газа и понижение температуры. Обычно адсорбционная система хранения водорода на основе активированного глерода имеет следующие рабочие параметры: давление от 20 до 40 атм; темпе­ратуру, равную температуре жидкого азота. Эти требования существенно огра­ничивают область практического применения таких систем. Достигаемая в них массовая емкость составляет 5-6 %, что примерно соответствует показателям хороших металлогидридных систем, обсуждаемых далее.

Углеродные нанотрубки являются перспективным материалом и могут по­глощать водород более эффективно. Опубликованные данные по однослойным нанотрубкам показывают, что при температуре 120 К и давлении 0,4 атм массо­вое содержание водорода в них может достигать 10 %.

Отметим, что если бы на один атом углерода приходился только один атом водорода, то массовое содержание водорода составляло бы только 8 %.

Впервые жидкий водород был получен еще в 1898 г., однако тех­нология производства и хранения больших объемов сжиженного водорода была разработана лишь недавно благодаря усилиям исследователей из NASA.

Самая крупная установка из существующих расположена на мысе Канаверал и имеет емкость 3375 м3. Плотность жидкого водорода составляет 71 кг/м’, поэтому данная установка может аккумулировать 240 000 кг жидкого водо­рода, что эквивалентно 34 ТДж, т. е. лишь немногим меньше энергоемкости Лудингтонской станции.

Существует две модификации молекулы водорода — пара - и рр/доводород.

В молекуле параводорода ядерные спины атомов, составляющих молекул) направлены противоположно, а в молекуле ортоводорода ядерные спины сона - правлены. В жидком состоянии параводород (р-Н2) имеет более низкое значение энтальпии, чем ортоводород (о-Н2). При температуре кипения (20,4 К) при атмос­ферном давлении (0,1 МПа) разница энтальпий составляет 1,406 МДж/кмоль.

Реакция конверсии пара - и ортоводорода

р-Н2 о-Н2 (2)

протекает непрерывно и зависящие от температуры равновесные концентрации компонентов известны. При нормальных условиях равновесные концентрации пара - и ортоводорода составляют 25 и 75 % соответственно, а при температуре нормального кипения 20,4 К равновесная концентрация р-Н увеличивается до

99,7 9%. Из-за небольшой скорости реакции конверсии концентрация молеку. о-Н2 в водороде непосредственно после ожижения существенно превышает равновесную. Превращение ррдгомолекул в иорпмолекулы водорода протекает с выделением теплоты, что приводит к испарению жидкого водорода даже пр отсутствии внешнего подвода теплоты.

Жидкий водород сразу после конденсации теряет 1 % массы в течение первой' часа и 50 % массы в течение первой недели, даже если находится в идеально адиа­батических условиях. Для того, чтобы уменьшить эти потери, ортомолекулы прсос разуется в парамолекулы каталитическим способом в процессе ожижения водорода Желательно, чтобы концентрация />Н2 в процессе конверсии достигала 95 %.

Рассматривалась возможность использования жидкого водорода как топлива для самолетов. Компанией Lokhid проводились исследования характеристик сверхзвуко­вого пассажирского самолета, предназначенного для перевозки 234 пассажиров на расстояния до 7800 км на скоростях, соответствующих числам Маха М = 2,7. Общая масса самолета, использующего в качестве топлива керосин, составляет 232 т, из которых 72 т — масса топлива.[33]) Самолет с такими же техническими характеристи-

ками, летающий на водородном топливе, будет иметь общую массу всего 169 т, из которых на топливо будет приходиться менее 22 т.

Коммерческие модели водородных самолетов вряд ли появятся в обозримом будущем. Существующие сегодня разработки сверхзвуковых самолетов, рассчи­танных на полет с числом Маха М = 3, ориентированы на реактивные самолеты, использующие в качестве топлива керосин. Однако вполне вероятно, что двига­тели самолетов, предназначенных для полета в космосе, будут работать на водо­роде. Проект такого самолета был предложен недавно. Это будет гиперзвуковой самолет (число Маха М = 8), который может совершать орбитальный полет при взлете с подходящей взлетно-посадочной полосы[34] [35]^

Одна из проблем, которая возникает при движении в атмосфере Земли с вы­сокой скоростью, это высокая температура. Температура торможения при движе­нии тела в газе (температура, до которой нагревается газ в точке, где скорость потока относительно тела равна нулю) определяется как

Для воздуха коэффициент у = 1,4, и формула (3) преобразуется к виду

= 1 + 0,2М[36]. (4)

* О. С-

При М = 2,5 и у = 1,4 отношение Т/Тос = 3,25, а при М = 25 это отношение..оставляет 226. Это означает, что при этой скорости движения и температуре окружающей среды 300 К температура торможения будет равна 67 800 К.

Очевидно, что материалов, которые могли бы выдержать такую темпера­туру, просто не существует. Таким образом, теплоту, выделяющуюся на ло­бовых поверхностях фюзеляжа, крыльев и управляющих элементах самолета необходимо интенсивно отводить. Часть тепла может быть отведена излуче­нием и теплопроводностью, а часть — путем охлаждения. Водородное топли­во в жидком состоянии может быть использовано для охлаждения наиболее термически нагруженных элементов самолета, прежде чем оно поступит в двигатель в виде газа.

Сжижаемый водород должен быть высокой степени чистоты, так как при­месные газы кристаллизуются в процессе сжижения водорода и могут засорить трубопровод. Если образуются кристаллы кислорода, могут происходить взры­вы. Обычно технические условия требуют, чтобы концентрация кислорода не превышала 10 промилле.

Для систем хранения газообразного водорода под давлением в сосуде объемом V основной интерес представляет массовая емкость, т. е. от­ношение массы максимально возможного количества запасенного водорода, определенной при давлении, близком к давлению разрыва баллона Рб, к общей массе системы Мс. Это отношение пропорционально коэффициенту эффектив­ности PF системы хранения

PF = ^~V - (О

В СИ коэффициент эффективности имеет размерность Дж/кг.

При одинаковых условиях (материал, технология обработки) изготовления баллонов для хранения сжатого водорода масса баллона пропорциональна макси­мальному давлению. Таким образом, отношение массы запасенного газа к массе баллона не зависит от максимального давления в системе хранения. Поэтому единственным способом увеличения коэффициента эффективности является использование более прочных материалов и более совершенных технологий для изготовления газовых баллонов.

Малые количества водорода для использования в химических лабораторії удобно хранить в простых стальных цилиндрических газовых баллонах, рассчн - тайных обычно на давление 150 атм.

Для транспортных средств, работающих на топливных элементах, использо ние сжатого водорода может быть практическим способом хранения топлива. і борту. Очевидно, что системы хранения газообразного водорода под давление одни из самых простых и не требуют специального оборудования для извлече­ния газа из хранилища. Необходимо только иметь газовые баллоны с хороши» коэффициентом эффективности.

Алюминиевые баллоны современной конструкции, усиленные оболочкой углеволокна, выглядят многообещающе. Они относительно легкие и могут сод'3 жать газ при давлении 500 атм: баллон объемом 0,15 м3 (150 л) может вмест:

6 кг водорода (860 МДж) при суммарной массе менее 90 кг. Массовая емкое такого баллона составляет 6,7 % и сравнима с емкостью металлогидридных сис­тем хранения водорода, рассмотренных в этой главе далее. Характер выхода строя таких баллонов некатастрофичен: при разрыве оболочка не разлетает. шрапнелью, а лишь отслаивается. Конструкция выполнена таким образом, утечка газа начинается до разрыва баллона.

Рассмотренный 150-литровый баллон может представлять собой цилиндр (дли­на 1,5 м, диаметр 0,36 м), разместить который на борту транспортного среде не представляет особых трудностей. На настоящий момент рекомендованное н соображений безопасности отношение давления разрыва к рабочему давленії*' составляет 3:1, таким образом, давление разрыва баллона должно быть не мен 1500 атм, коэффициент эффективности при этом 250 кДж/кг.

Теплота сгорания водорода, содержащегося в таком баллоне, составля­ет 860 МДж, что по энергоемкости соответствует примерно 20 л бензин

т. е. весьма немного, учитывая, что на обычном пассажирском автомобиле ра мещается 50-литровый бензобак. Стоит отметить, однако, что КПД двигате на топливных элементах более чем в 2 раза превышает КПД двигателя внутри него сгорания.

Для крупномасштабного хранения водорода можно использовать подземг структуры, такие как пористые горные породы, выработанные шахты пешері і водоносные горизонты и истощенные месторождения природного газа.

В настоящее время имеется лишь небольшой опыт подземного хранения во, дорода. Однако результаты хранения гелия в подземных резервуарах г. А мар ил-л штат Техас, позволяют надеяться, что при использовании данной технології* придется преодолеть лишь незначительные трудности.

На рис. 9.1 показана схема крупномасштабного хранилища газа на осно - использования подземного водоносного горизонта в полости между поверхно­стью воды и непроницаемым слоем горной породы, образующим своеобразна крышу.

В г. Амарилло подземное хранение 8,5 • 108 м3 гелия не вызвало проблем. Сто­ит отметить, что гелий характеризуется примерно такой же утечкой, как и водо­род. При нормальных условиях 8,5 • 108 м3 водорода эквивалентны 10 000 ТДж запасенной энергии.

Чтобы понять, насколько велика энергоемкость этого хранилища, можно сравнить ее с емкостью одной из крупнейших гидроаккумулирующих элек­тростанций1', расположенной в г. Людингтоне, штат Мичиган. Эта станция способна аккумулировать 54 ТДж, что почти в 200 раз меньше энергии, ко­торую можно аккумулировать в резервуаре Амарилло, если заполнить его водородом.

Другой системой хранения водорода могут стать те самые трубопроводы, которые используются для транспортировки газа. Обычный магистральный трубопровод для транспортировки природного газа имеет протяженность око­ло 1000 км. Диаметр трубопровода может быть около 1,2 м, а рабочее давление 6 МПа (60 атм). Количество водорода, которое можно запасти в таком трубо­проводе, эквивалентно энергии 1000 ТДж, т. е. примерно в 20 раз выше, чем может аккумулировать Лудингтонская ГАЭС.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используют избыток вырабатываемой элек­троэнергии для закачки воды в резервуары, чтобы затем при необходимости использовать аккумулированную таким образом энергию для производства электроэнергии.