| Wodór paliwem przyszłości /dr inż. Przemysław Bukowski/ |
 |
 |
 |
| poniedziałek, 30 maja 2011 08:04 | ||||||||
Strona 1 z 3 WPROWADZENIE Wodór jest paliwem, który nigdy się nie wyczerpie (96% materii Wszechświata to H2), ma najwyższą wartość opałową ze wszystkich paliw (120 MJ/kg) i powstaje coraz więcej koncepcji jego pozyskiwania. Oczywiście ma też wady, jak problemy z magazynowaniem, brak występowania w stanie wolnym czy bardzo szerokie granice zapłonu. Czy na pewno są to jednak wady? Szczegóły w opracowaniu. WODÓR ? PIERWIASTEK CHEMICZNY Nazwa wodór wywodzi się z greckiego hydro genes, co znaczy tworzący wodę. Została ona nadana przez Antoine Laurenta Lavoisiera. Wodór znajduje się na samym początku układu okresowego pierwiastków chemicznych. Atom wodoru ma jeden proton i jeden elektron. W stanie wolnym łączy się w cząsteczki dwuatomowe - H2. Pierwiastek ten został odkryty (nazwany) w 1776 r. przez angielskiego chemika i fizyka Henry'ego Cavendisz'a, uważanego za twórcę chemii gazów. Badacz ten odkrył również tlenki azotu, oraz opisał skład chemiczny wody i powietrza. Wodór to najlżejszy gaz, nieposiadający smaku i zapachu. Gęstość wodoru w warunkach normalnych (1013 hPa, 00C) wynosi zaledwie 89 g/m3. Dla porównania ? gęstość powietrza w tych samych warunkach to 1 290 g/m3. Także w postaci ciekłej wodór jest cieczą bardzo lekką. Gęstość ciekłego wodoru to 70,8 kg/m3. Po porównaniu z wodą, (której gęstość wynosi 1000 kg/m3) widać, że jest to pierwiastek bardzo lekki w każdym stanie skupienia. Także dlatego wodór jest powszechnie stosowany w lotach kosmicznych. Jego mała waga i duża wartość opałowa nie są tu bez znaczenia. Wodór: ? występuje głównie w postaci gazu (jest możliwe skroplenie wodoru, ale proces ten wymaga dużych nakładów energetycznych do wytworzenia bardzo niskiej temperatury, albo bardzo wysokiego ciśnienia), ? jest gazem bezbarwnym i bezwonnym, ? słabo rozpuszcza się w wodzie ? ta informacja jest bardzo cenna z punktu widzenia magazynowania wodoru, ? jest gazem nietoksycznym, lecz bardzo łatwo łączy się z tlenem tworząc mieszankę wybuchową, a w zamkniętych pomieszczeniach może spowodować duszenie, ? punkt wrzenia wodoru wynosi (?253) 0C (przy 1 atm). ? łączy się z niemetalami: o z tlenem tworzy wodę, H2O, o z azotem tworzy amoniak, NH3, o z chlorem tworzy chlorowodór, HCl, o z siarką tworzy siarkowodór, H2S. Wymienione powyżej związki są składnikami spalin powstających przy spalaniu paliw kopalnych (w których wodór występuje obok węgla) i mają duży wpływ na procesy zachodzące w komorach paleniskowych kotłów, jak szlakowanie, wysokotemperaturowa korozja siarkowa, chlorowa, itp. W przemyśle wodór znalazł zastosowanie głównie w procesach: ? otrzymywania metanolu, węglowodorów i amoniaku, ? utwardzania tłuszczów, ? jako paliwo rakietowe, ? w ogniwach paliwowych. Ostatnie z wymienionych powyżej zastosowań wodoru daje największą nadzieję, na zastąpienie tym pierwiastkiem dotychczas używanych źródeł energii. Więcej o ogniwach paliwowych w dalszej części opracowania. OTRZYMYWANIE WODORU Jedną z przytaczanych wad wodoru jako paliwa jest to, że nie można go wydobyć czy pozyskać, jak większość paliw. Nie jest to do końca prawda, bo wodór występuje na naszej planecie w stanie wolnym, choć nie we wnętrzu Ziemi, ale: ? w górnych warstwach atmosfery, ? podczas erupcji wulkanów. Niestety nie ma możliwości pozyskania tego cennego gazu w żadnym z wymienionych przypadków. Górne warstwy atmosfery są nieosiągalne bez ogromnych nakładów, na które mogą pozwolić sobie wyłącznie instytucje organizujące loty kosmiczne (jak NASA). Tym bardziej ekstremalna, niebezpieczna i kosztowna byłaby próba pozyskania tego paliwa podczas erupcji wulkanu. Można więc przyjąć, że przy obecnej technice pozyskanie wodoru w stanie wolnym (niezwiązanym) jest niemożliwe. W związku z tym wodór musi zostać wyprodukowany. Jest wiele sposobów produkowania wodoru. Najprostszy, domowy sposób otrzymania tego pierwiastka to wytworzenie wodoru w reakcji cynku z kwasem solnym. Do probówki umocowanej w statywie należy wsypać kilka granulek cynku i dodać rozcieńczonego kwasu solnego (HCl). Probówkę należy zamknąć korkiem z rurką odprowadzającą. W probówce zacznie wydzielać się gaz (w sposób bardzo gwałtowny). Należy zgromadzić go przy pomocy dowolnego zbiornika. Należy jednak pamiętać, że wodór przenika przez gumę, częściowo nawet przez stal (więcej w części o magazynowaniu wodoru), więc dobrym rozwiązaniem jest gromadzenie go w probówce umocowanej do góry dnem i wypełnionej wodą. Otrzymywanie wodoru na skalę przemysłową jest dopracowane, choć ciągle ewoluuje. Zmieniają się koszty poszczególnych metod, inne są udoskonalane. Najpopularniejszą (i obecnie najtańszą metodą) są reakcje konwersji węglowodorów (a więc paliw kopalnych) parą wodną, zgodnie z reakcjami: CH4 + H2O ? CO + H2 (2) CH4 +2H2O ? CO2 + H2 (3) CO + H2O ? CO2 + H2 (4) lub w wyniku reakcji pary wodnej z rozżarzonym kokosem zgodnie z reakcją: C + H2O ? H2 + CO (5) Jednak przyszłość produkcji wodoru, upatruje się w innych (niezwiązanych ze zużywaniem paliw kopalnych) technologiach, jak fotoliza. Pojęcie to pochodzące z języka greckiego zgodnie z encyklopedyczną definicją oznacza, dysocjację fotochemiczną. Fotodysocjacja jest to rozpad cząsteczek związku chemicznego wywołany absorpcją (pochłonięciem) fotonu. Proces ten jest znany i zbadany na podstawie obserwacji roślin zielonych, które dokonują fotolizy wody na wodór (wykorzystywany w dalszym etapie fotosyntezy) i tlen (wydalany do atmosfery). WODÓR JAKO PALIWO Najważniejszą i często zapominaną zaletą wodoru jako paliwa jest jego ?czystość". Wodór spala się niebieskim płomieniem a spaliny powstałe w wyniku tej reakcji to czysta woda. Wodór spala się bowiem zgodnie z reakcją: 2H2+O2 ? 2 H2O (1) Trudno wyobrazić sobie paliwo bardziej przyjazne środowisku. Nie powstają bowiem w trakcie spalania żadne zanieczyszczenia ani gazy cieplarniane (jak CH4, czy w mniejszym stopniu CO2). Także wielkości charakteryzujące paliwa są w przypadku wodoru ?obiecujące". Do głównych parametrów charakteryzujących każde paliwo należą: ? wartość opałowa, ? granice palności, ? liczba oktanowa, ? inne. Wartość opałowa Z wartością opałową 120 MJ/kg wodór znajduje się na czele paliw z punktu widzenia przydatności energetycznej. Dla porównania na rysunku 1 pokazano zestawienie wartości opałowych różnych paliw.  Rysunek 1. Porównanie wartości opałowych wybranych paliw.Większość stosowanych w przemyśle i motoryzacji paliw ma wartość opałową oscylującą w okolicach 40 ? 50 MJ/kg. Granice palności Granice palności określają stężenie paliwa w utleniaczu (w tym przypadku w powietrzu), inaczej mówiąc określają stosunek paliwa do powietrza, przy którym następuje zapłon mieszanki. W przypadku wodoru obejmuje ono zakres od 4% do 75% zawartości wodoru w powietrzu. Dla porównania granice palności [1]: ? metanu to 5,3% - 15,0%, ? propanu to 2,2% - 9,6%, ? benzyny: 1,0% - 7,6%, ? oleju napędowego: 0,6% - 5,5%. Jak widać nie ma drugiego tak reaktywnego paliwa jak wodór (o tak szerokich granicach palności). Należy jednak zdawać sobie sprawę, że z punktu widzenia bezpieczeństwa jest to wada tego paliwa. W przemyśle energetycznym (gdzie wodór jest używany jako chłodziwo do generatorów) ciągle zdarzają się poważne w skutkach wypadki spowodowane niespodziewanym zapłonem wodoru, nawet przy bardzo małych lub bardzo dużych stężeniach. Liczba oktanowa Liczba oktanowa określa jakość paliwa dla silników z zapłonem iskrowym lub turbinowym [1]. Parametr ten określa odporność mieszanki paliwowo-powietrznej na samozapłon i spalanie detonacyjne podczas sprężania mieszanki oraz podczas rozpoczętego już procesu spalania mieszanki w cylindrze silnika. Im większa liczba oktanowa, tym większa wartość paliwa. Liczba oktanowa: ? wodoru to 130, ? benzyny ? 87 do 98, ? oleju napędowego ? 30, ? metanu ? 125. Inne parametry Istnieją jeszcze inne parametry i wielkości charakteryzujące paliwa. Są to: ? prędkość spalania (inaczej prędkość propagacji) ? dla wodoru wynosi ona około 3 m/s, dla benzyny tylko 0,4 m/s, ? temperatura samozapłonu - w porównaniu z wcześniej przytaczanymi paliwami jest najwyższa dla wodoru i wynosi około 5800C, ? energia zapłonu - jest to najmniejsza wartość energii wyładowania iskrowego, jaka w danych warunkach może spowodować zapłon lub wybuch mieszaniny wybuchowej [1]. Energia zapłonu wodoru wynosi tylko 0,02 mJ i jest o jeden rząd wielkości mniejsza niż pozostałych paliw, z którymi porównywano wodór. Po raz kolejny nie ma jednoznacznej odpowiedzi czy jest to wada czy zaleta, jeśli uwzględni się bezpieczeństwo i zagrożenie wypadkiem. Jednakże z punktu widzenia potencjału energetycznego po raz kolejny można stwierdzić, że nie ma drugiego takiego paliwa jak wodór. MAGAZYNOWANIE WODORU Ze względu na najmniejsze cząsteczki wodór jest pierwiastkiem trudnym do magazynowania. W większym lub mniejszym tempie wydostaje się z większości zbiorników. Dlatego ważną informacją jest, że wodór bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie. Dużo łatwiej w metalach, bowiem rozpuszcza się w palladzie, niobie, platynie, niklu (870 objętości wodoru w 1 objętości palladu, 850 objętości wodoru w 1 objętości niobu), natomiast bardzo słabo w wodzie (0,021 objętości wodoru w 1 objętości wody). Ta informacja skłoniła wielu konstruktorów do używania wody, jako ?naturalnej uszczelki" sprawdzającej się tutaj lepiej niż guma. Najpopularniejsze sposoby magazynowania wodoru to wodór [4]: ? sprężony w postaci gazowej w zbiornikach ciśnieniowych; sposób ten może być stosowany tylko w rozwiązaniach stacjonarnych ze względu na ciężar zbiorników i niebezpieczeństwo wybuchu w czasie transportu, ? skroplony w silnie opancerzonych i termostatowanych zbiornikach; firma BMW bada możliwość wykorzystania tego sposobu do napędu samochodu, ? w postaci związków międzymetalicznych ze stopem lantanu z kobaltem i samaru z niklem; proszki wykonane z tych stopów w zbiorniku pod ciśnieniem 0,4 MPa pochłaniają tyle wodoru, ile można zmagazynować w tym samym ale pustym zbiorniku pod ciśnieniem 100MPa; odkręcenie zaworu i lekkie ogrzanie zbiornika uwalnia wodór, ? w postaci wodorków; jedna jednostka objętości litu jest w stanie pochłonąć w trakcie reakcji z wodorem ok. 1600 objętości wodoru; uzyskany wodorek w zetknięciu z wodą uwalnia wodór; stopy tytanu z żelazem, magnezu z niklem tworzą przy chłodzeniu wodorki o dużej gęstości zmagazynowanej energii, zaś podczas ogrzewania wodorków odzyskuje się wodór ? na powierzchni materiałów o bardzo rozwiniętej powierzchni, które powstają przy użyciu nanotechnologii.
|
Komentarze
Kanał RSS z komentarzami do tego postu.