Водородная энергетика: Ученые нашли химическое соединение, пригодное для хранения водородного топлива

Учёные наметили ещё один вариант обеспечения автомобилей энергией, который благоприятен с экологической точки зрения и конкурентоспособен в плане экономики. И пусть перед нами лишь лабораторные опыты, не исключено, что они предвещают переход транспорта на топливо нового формата. Свежее исследование ложится в целую обойму альтернатив, родственных по сути.

Если говорить о топливной эффективности и чистоте выхлопа, то, кажется, трудно придумать что-то лучше комбинации «водород – топливные элементы» (ТЭ). Последние обладают КПД, намного большим, чем у ДВС. А спокойная реакция на их электродах даёт на выходе водяной пар.

И ведь, что приятно, на горизонте уже виднеется удешевление ТЭ, пока ещё заметно проигрывающих ДВС в стоимости. Так, недавно General Motors построила водородные ячейки нового поколения — более компактные, лёгкие и дешёвые, чем предыдущие образцы, а в Британии создали относительно простое водородное авто, тоже на топливных элементах. Оно демонстрирует, насколько экономичным может быть такой транспорт.

Однако остаётся открытым вопрос наилучшего способа хранения водорода на борту. H2 можно держать в сжатом виде, но такой баллон многие именуют не иначе как бомбой. Если перейти на жидкий водород, то так же не обойтись без проблем: он не может плескаться в баке слишком долго — неизбежны потери на испарение.

1251908153-0.jpeg Honda FCX Clarity – один из самых современных водородных автомобилей. Водород здесь хранится в баллоне под высоким давлением (иллюстрации Honda).

Пока нет ярких успехов в «набивании» водорода в какую-нибудь полимерную пену, приходится искать новые пути безопасной и плотной упаковки столь желанного горючего.

Почему бы не использовать соединения легчайшего элемента, но не привычные углеводороды, дающие парниковый CO2 на выходе? Инженеры и учёные уже показали на практике, что ездить можно на аммиаке, банально сжигаемом в ДВС. Учитывая, впрочем, что аммиак ядовит, — это не самый лучший вариант.

С горя специалисты пускаются на самые экзотические поиски. К примеру, японцы разработали дешёвые ТЭ на гидразине (вот уж отрава чистой воды), а также метод безопасного хранения его в машине в виде твёрдого полимера. Другие варианты снабжения авто «чистой» энергией включают топливную ячейку на основе борида ванадия и применение в качестве транспортного энергоносителя обыкновенного крахмала.

Но есть ещё целая группа близких видов топлива. Химические гидриды — твёрдые вещества либо жидкости, которые хранят в своём составе водород при плотности, куда более высокой, чем у водорода, сжатого до 500–700 атмосфер, или даже у жидкого.

Химические гидриды легко выпускают водород «по требованию», скажем, при небольшом нагреве (до температур порядка 70–150 градусов, в некоторых случаях — выше). А такие температуры могут в виде бросового тепла предоставлять сами топливные элементы.

1251908153-2.jpeg Учёные из Тихоокеанской Северо-западной
Национальной Лаборатории (PNNL) как-то установили,
что боран аммиака выпускает водород во много
раз быстрее, будучи нанесённым на наноструктурированные
«леса» из кварца. Возможности боразана не первый раз
привлекают внимание исследователей (иллюстрация
Pacific Northwest National Laboratory).

Одним из перспективных гидридов считается боран аммиака (ammonia borane) или боразан (borazane). Его формула: H3NBH3. При атмосферном давлении и комнатной температуре – это твёрдое соединение с плотностью 0,78 грамма на кубический сантиметр, которое содержит по весу аж 20% водорода.

Это очень высокий показатель, позволяющий, в теории, создать водородные авто с пробегом не меньшим, чем у бензиновых, и с боразановым «баком», не большим по размеру, чем традиционный бензобак.

Но ключевой загвоздкой для данного вида энергоносителя (и это относится ко всем химическим гидридам) является восстановление дегидрированного (отработанного) топлива. Оно должно быть простым, а ещё — экономически и энергетически оправданным. Иначе вся затея с новым хранилищем H2 теряет смысл.

Ныне учёные из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Laboratory), университета Алабамы (University of Alabama) и центра разработки химических средств хранения водорода министерства энергетики США (DOE Hydrogen Program — Chemical Hydrogen Storage Center of Excellence) нашли интересное решение.

Они открыли, что одна из форм отработанного боразана — полимер полиборазилен (polyborazylene) — может быть обращён обратно в боран аммиака при помощи ряда недорогих реагентов и скромной порции энергии. Причём весь набор реакций может полностью проходить в одной ёмкости.

1251908153-3.jpeg Так можно записать превращение полиборазилена в
боразан, отлаженное авторами нового исследования
(иллюстрация Benjamin L. Davis et al./Angewandte Chemie).

И это открывает возможность для крупномасштабной промышленной переработки полиборазилена, позволяющей замкнуть круг. (Детали исследования изложены в статье в Angewandte Chemie.)

1251908153-4.jpeg Рециклинг отработанного боразана должен быть налажен на специальных предприятиях. Учитывая, что само это вещество давно применяется в химической промышленности, проблем с этим быть не должно (иллюстрация Benjamin L. Davis et al./Angewandte Chemie)

Сходный подход к решению проблемы хранения водорода применяют и создатели аммиачных таблеток — специалисты датской компании Amminex. Материал, из которых состоят эти таблетки, назван AdAmmine.

AdAmmine получается путём экспозиции аммиака в присутствии солей типа MCl2 (где M — магний, кальций и некоторые другие металлы). Аммиак реагирует с солями, образуя сложный комплекс наподобие Mg(NH3)6Cl2.

Это совершенно безопасный в обращении (можно брать в руки), довольно стабильный твёрдый материал, который содержит большое количество водорода на единицу объёма (порядка 110 граммов на литр) и веса (более 9%) и выпускает его при нагреве.

Время, прошедшее с момента изобретения AdAmmine, даром не прошло. Компания наладила выпуск различных по размеру и составу его вариаций (Hydrammine), проработала вопросы использования своих таблеток в качестве источника топлива для ТЭ разных типов (высокотемпературных твёрдооксидных, например, или, скажем, ТЭ, потребляющих напрямую аммиак, выпускаемый такими «зарядами»).

1251908153-6.jpeg Hydrammine, содержащий 4 килограмма водорода (красная канистра), и для сравнения объём топлива той же массы в случае жидкого водорода (в центре) и газообразного, сжатого в 500 раз. Такое количество водорода при отправке его в топливные элементы означает пробег легковушки примерно в 300–450 километров (иллюстрация Amminex).

Также Amminex разработала технологию очистки выхлопа обычных моторов от оксидов азота при помощи добавки в него толики аммиака из картриджа с «Адаммином» (он вступает в реакцию с оксидами, преобразуя их в азот и воду).

В общем, как и боразан, солевые таблетки со «спрятанным» в них водородом могут оказаться интересным вариантом для питания транспорта будущего. Не зря технологическая ассоциация European Tech Tour нынешним летом включила Amminex в список «Топ-24» европейских компаний, разрабатывающих самые многообещающие «зелёные» технологии.

1251908153-7.jpeg Система очистки выхлопа от компании Amminex содержит блок управления, ёмкость со сменными блоками «Адаммина», небольшое стартовое устройство (электрический подогреватель) и набор трубок, выпускающих чистейший аммиак в крошечных дозах в выхлопной тракт, где он вступает в реакцию с оксидами азота (иллюстрации Amminex).

На этом поиски не заканчиваются. Различные группы учёных экспериментируют с упаковкой водорода в соединения и комплексы, основанные на литии, магнии и боре. Всё идёт к тому, что кто-то первым решится показать в работе автомобиль, который заряжается картриджами с твёрдым топливом, «дышащим» водородом.

Если разделять оптимизм учёных из Лос-Аламоса, повторная переработка таких картриджей со временем окажется вполне конкурентоспособной отраслью, а значит — бензоколонки могут уступить место станциям по продаже брикетов с «Адаммином» или всё тем же бораном аммиака.

Источник: http://www.membrana.ru/…/191300.html



johndoe аватар

Может быть, будет лучше сказать, не транспорт будущего, а транспорт завтрашнего дня?