ENG
Технологии

Нанобак для водорода

Еще Жюль Верн предполагал, что топливом будущего может стать водород, неисчерпаемые запасы которого содержатся в составе простой воды. Однако технически разработка водородного двигателя натыкается на множество проблем. Недавно был сделан еще один важный шаг по их разрешению: ученые из Красноярска разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления автомобильных водородных аккумуляторов.

© Syda Productions / Фотобанк Лори

В современном гибридном или полностью «водородном» автомобиле может быть установлено два вида двигателей. Первый — классический ДВС, где вместо бензина сжигается водород. В другом варианте водород в качестве сжигаемого топлива не используется: в топливных элементах водород, смешиваясь с природным кислородом, вырабатывает электрический ток, который и крутит двигатель.

Однако в обоих вариантах водородный транспорт сегодня эффективно развиваться не может. Все методы получения водорода из воды или метана достаточно дороги, стоимость водорода для конечного потребителя может составлять, по оценкам различных экспертов, от 1 до 60 долларов за килограмм, при том что созданные на сегодня автомобили потребляют около килограмма водорода на 100 км движения при емкости бака 4-5 килограммов. Это делает водород неконкурентоспособным по сравнению с обычным топливом. Кстати, объявленная стоимость одного километра пробега недавно пущенной в продажу японской автоновинки составляет «всего» 11 центов.


Вторая проблема — безопасность хранения и транспортировка водорода. Водород летучий и взрывоопасный, поэтому системы хранения громоздки, тяжелы. Для примера, водородный баллон, вмещающий 6 кубометров газа, весит 80 кг. Применение таких «баков» в транспорте весьма затруднительно. Решить проблему хранения и транспортировки, таким образом, можно двумя путями: найти способы упрочнения, повышения надежности и удешевления традиционных систем хранения (газовых баллонов) или использовать принципиально иные технологии — например, хранение водорода в химических соединениях в связанном виде.

В качестве наиболее перспективных материалов для хранения и транспортировки водорода рассматриваются гидриды — соединения некоторых металлов с водородом. Принцип их использования прост: под давлением порошок металла захватывает водород, а при нагреве газ отдается в систему. Такой способ хранения имеет значительные преимущества перед традиционными. Водород в металле — нелетучий — и произвольно из него не выделится, повреждённый сосуд с гидридом металла менее опасен, чем повреждённая емкость со сжатым или сжиженным водородом.

Самый «вместительный» металл — это палладий (в одном объеме палладия можно уместить 900 объемов водорода), но его использование не рассматривается ввиду чрезвычайно высокой стоимости (сегодня та составляет около 1400 рублей за грамм чистого металла) и удельного веса (палладий тяжелее свинца, его плотность — 12 гр/куб.см).

Наиболее перспективный образующий гидрид металл, который может практически использоваться для хранения водорода, — магний. У него небольшая плотность (в 4,5 раза легче железа и в 1,5 раза легче алюминия), относительно низкая стоимость, и в теории он может связывать до 7,66% водорода в расчете на единицу массы. Но это в теории: достигнуть предельного значения непросто — магний окисляется на воздухе. Эту задачу и пытаются решить ученые многих стран мира.

Вот физики из Красноярска объявили, что разработали технологию синтезирования нанодисперсного порошка магния и достигли растворения в нем около 7 весовых процентов водорода. Работа с материалами проводилась учеными Сибирского федерального университета и Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН на основе экспериментальных методик, разработанных Григорием Чуриловым.

Чурилов так поясняет современную значимость научных исследований в области хранения водорода: «Хранение и транспортировка водорода в баллонах, в каких обычно перемещают другие газы, затруднены и имеют несколько существенных недостатков. Во-первых, баллоны изготавливаются по очень дорогой технологии, во-вторых, транспортировка данного газа совершенно не безопасна: водород отличается очень высоким коэффициентом диффузии и мгновенно занимает весь предоставленный объем, в связи с чем возможны пожары и взрывы. Извлечение водорода из материалов, обладающих физической способностью к его поглощению, неэффективно, так как вместимость водорода в этих материалах невысока — не превышает 3-4% от веса сорбента. Выделение же водорода из веществ, в которых он химически связан, не дает возможности его многократного использования.  В связи с этим гидридообразующие металлы наиболее безопасны и эффективны с точки зрения транспортировки водорода. Наиболее перспективен из этих металлов магний. То есть водород как экологически чистое топливо перспективнее всего использовать для автомобильной промышленности при аккумулировании его в виде гидрида магния, и сегодня в мире идет исследование возможности создания аккумуляторов водорода на основе этого металла».

Красноярские ученые поясняют, что полученный результат — один из самых успешных в мире: сегодня экспериментальные показатели насыщения гидрида магния водородом составляют 5-6 весовых процента. Сибирские физики намерены продолжать свое исследование, которое позволит приблизиться к созданию экологичных и безопасных водородных энергетических систем. Таким образом, по крайней мере одна задача на пути к водородному автомобилю, а именно — водородного бака, будет решена.

Но, помимо накопления максимума, необходимо решить вопросы устойчивости порошка к рециклированию (то есть многократного использования в системе), снижения температуры отдачи водорода (гидрид магния отдает водород при температуре 360 градусов Цельсия), увеличения скоростей протекания реакции. Этими вопросами также занимаются в мире и в России в лабораториях институтов РАН и на базе университетов, например, в Институте катализа им Г.К. Борескова СО РАН, Институте металлофизики и функциональных материалов имени Г.В. Курдюмова РАН, Институте машиноведения Уральского отделения РАН, научных институтах Госкорпорации «Росатом». Сколько времени займет путь от фундаментальных исследований до полноценных промышленных изделий, ученые предсказывать не берутся. Как отмечают эксперты, полноценному развитию водородной энергетики в России недостает национальной программы, целевого государственного финансирования фундаментальных и прикладных работ по этой тематике, а также сильно мешает неготовность частного бизнеса участвовать в субсидировании исследований.

Автор: Кирилл Иванов

Вам понравился этот текст? Вы можете поддержать наше издание, купив пакет информационных услуг
Загрузка...
Предыдущая статьяСледующая статья