Водород в порошке спасает энергетику

Недавно анонсированная технология хранения водорода заключается в том, что его вдавливают на специальной установке в порошок. Фото: EAT

Водород можно утрамбовывать в довольно простые твердые вещества, с повторным их использованием после извлечения водорода. 30-киллограмового мешка с водородным порошком, хватило бы, чтобы обогреть и осветить дом в течение недели.

До сих пор водородное топливо пытались запасать двумя способами: в виде газа под давлением или в сжиженном виде. Хотя оба метода хранения успешно применяются, и сжатие, и сжижение поглощают значительную часть энергии, содержащейся в водороде.

Недавно анонсированная первая технология заключается в том, что водород вдавливают в порошок. Порошок представляет собой соединение бора и азота – нитрид бора. Ученые из австралийского Университета Дикина занимались даже не водородом, а разделением нефтяных газов. Существующая технология - криогенная перегонка - энергоемкая и подразумевает разделение нефтяных газов за счет снижения температуры кипения под вакуумом и конденсации при охлаждении. Технология, которая там была опробована, относится к области механохимии: стальные шарики с порошком нитрида бора помещаются во вращающийся цилиндр — шаровую мельницу — и через пару часов трамбовки часть газовой смеси захватывается твердым веществом. По сравнению с криогенной перегонкой для разделения газа таким способом требуется всего десять процентов энергии. 

Первая цель заключалась не в том, чтобы хранить водород, просто она чудесным образом удалась. Срикант Матети и Ян Чен говорят, что пока проводят только лабораторные эксперименты. Так или иначе, они смогли добиться захвата 0,065 граммов водорода одним граммом нитрида бора. На первый взгляд результат не производит впечатления, ведь в одном килограмме такого порошка будет содержаться всего 2,3 киловатт-часа водородной энергии. В ископаемом жидком топливе их в пять раз больше на килограмм.

Когда вы сжигаете бензин, например, в двигателе внутреннего сгорания, то в лучшем случае пятая часть водорода остается в виде механической энергии. Однако, электричество можно производить с гораздо большей эффективностью в топливном элементе. Именно так получилось с разработанным в Австралии с решением, которое немного лучше, чем поставленное целью Министерством энергетики США. Для них критический минимальный предел хранения водорода составляет пять процентов. Ну или для сравнения: плотность энергии лучших литиевых аккумуляторов составляет едва 0,2 киловатт-часа на килограмм.

Аккумулятор, конечно, многоразовый, но и нитрид бора тоже — при нагреве до нескольких сотен градусов утрамбованный в него водород высвобождается и низкокалорийный порошок можно отправить в установку с шаровой мельницей для повторного трамбования.

Лучше всего для хранения водорода подходит один из видов кристаллического нитрида бора, где атомы расположены слоями и вершинами шестиугольников. Графен, который, как ожидается, также станет решением для хранения водорода, имеет аналогичную гексагональную структуру. Водород может оставаться в порошке годами, не вытекая.

Гонконгская компания EPRO объявила о производстве материала на основе кремния, который может удерживать до 13,8% водорода на килограмм. По сути, за названием Si+ скрывается соединение оксида кремния с нанометровыми порами. Песок - это тоже соединение оксида кремния, но не такой пористый. Эти поры как раз и связывают водород под влиянием нескольких сил. Что делает это решение привлекательным, так это тот факт, что водород выделяется из этих пор, когда порошок смешивается с водой.

Кремний, безусловно, более распространен на Земле, чем бор, и поэтому такая технология представляет значительный интерес. Для хранения 1200 литров водорода потребуется всего 300 литров нанопористого диоксида кремния (или материала, состоящего в основном из оксида кремния, поскольку EPRO не раскрывает подробности технологии).

Они уже создали прототипы реакторов, в которых насыщенный водородом порошок смешивается с водой для выделения водорода: их 150-литровый реактор способен производить более трех килограммов водорода в сутки, что в сумме дает до 4,5 киловатт энергии.

После таких новостей грех жаловаться, что хранить водород, пусть даже в жидком виде или под давлением, будет беспрецедентно дорого. Следует признать, что за последнее десятилетие этот аргумент довольно часто приводился, чтобы избежать крупных инвестиций в водородную энергетику. Технологические инновации идут своим чередом, и трамбовка водорода может стать вполне прибыльной местной отраслью.

Сейчас водородные транспортные средства генерируют энергию для движения, из находящегося в резервуарах под давлением водорода. Со временем его можно заменить соединениями бора или кремния, которые можно сгребать, как уголь, в котел паровой машины. Если потребление электроэнергии домохозяйствами останется в пределах 500 киловатт-часов в месяц, то трех-четырех килограммов обогащенного водородом порошка в день в будущем будет достаточно для производства электроэнергии. Примерно так, как сейчас мы нагреваем горячую воду с помощью газового котла.

Важно, что водород в порошке можно производить здесь, на месте, не связываясь с импортом, зависимым от политических условий. Но самое главное то, что производство такого электричества не влияет на климат.

Водород

Самый распространенный элемент во Вселенной.

В молекуле два атома - Н2.

Может протечь через стенку сосуда под давлением, потому что молекула водорода очень мала.

Может производиться путем электролиза воды и, если используется солнечная или ветровая энергия, без выделения парниковых газов.

Водородный автомобиль проезжает на 1 кг водорода около 130 километров;

Топливный элемент преобразует 1 кг водорода в 34 киловатт-часа электрической энергии. Из того же количества дизельного топлива получится только 13.