Водородная энергетика — это один из вариантов развития энергетики в будущем. В России уже проектируются первые поезда на водородном топливе для Сахалинского полигона, в Петербурге построен опытный водородный трамвай, существуют водородные автомобили.
Потенциал водорода как источника энергии велик, он выдает большое количество энергии и он экологически чист по сравнению с другими видами топлива. Он невероятно энергоемок — один килограмм этого газа дает в три раза больше энергии, чем килограмм бензина. Это делает его идеальным кандидатом для авиации и морского транспорта, где вес топлива имеет критическое значение.
Основные проблемы внедрения водорода
Но существует два больших препятствия на пути его внедрения: его сложно и дорого производить и сложно, дорого и небезопасно хранить.
Фактически чистого водорода в природе мало. Чтобы его получить необходимо выделить его из других веществ. Самые простые и изученные это вода, метан и аммиак. Но для этого необходимо разложить эти вещества на составляющие, то есть затратить большое количество энергии для его получения.
Еще большей проблемой является его хранение и транспортировка. Водород — это коварный враг металлов. Из-за своих крошечных размеров под высоким давлением он проникает в кристаллическую решетку стали, вызывая так называемое «водородное охрупчивание». Материал становится хрупким, что ведет к микротрещинам, утечкам и, в конечном счете, к авариям. К тому же, водород, попадая в атмосферу, косвенно способствует изменению климата.
Главная проблема, сдерживающая водородную революцию, — это даже не производство, а именно хранение и транспортировка. Существующие технологии либо невероятно сложны, либо запредельно дороги. Криогенные емкости охлаждают водород до температуры -253°C, что требует огромных энергозатрат. Для хранения водорода в сжатом виде используют баллоны 3 и 4 типа (металлокомпозитные (на основе алюминиевого лейнера) и композитные) рабочее давление в которых 400 или 700 атм. При таком рабочем давлении требования к безопасности очень высокие. А учитывая, что циклическая нагрузка таких сосудов должна составлять 10-20 тыс. циклов, то требования предельно жесткие. Композитные баллоны из углеволокна высокого давления эффективны, но дороги и часто зависят от уникальных компонентов - углеволокна высокой прочности.
Именно этот технологический барьер — отсутствие безопасного, технологичного и дешевого накопителя — и решили преодолеть ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Их подход прост: нужно создать такое защитное покрытие для внутренних стенок резервуаров, которое станет непреодолимой преградой для молекул водорода.
Исследователи обратили внимание на полимеры. Казалось бы, пластик не пропускает воду, но с водородом все иначе. Большинство лаков, красок и эпоксидных смол, которые нас окружают в быту, для него проницаемы. Однако, как объясняют ученые, свойства полимера можно изменить, если добавить в него наполнитель.
Терморасширенный графит: от сбора нефти до защиты от водорода
В качестве такого наполнителя команда ПНИПУ под руководством профессора, доктора технических наук Людмилы Хименко впервые в мире предложила использовать особый материал — терморасширенный графит (ТРГ). Это легкий, высокопористый углеродный материал, похожий на графитовую губку. Его получают путем резкого нагрева химически обработанного графита, отчего он «вспучивается», многократно увеличиваясь в объеме. Благодаря своей структуре ТРГ обладает выдающейся впитывающей способностью и давно применяется в промышленности, например, для сбора разливов нефти.
Но традиционный промышленный способ получения ТРГ дает неоднородный продукт с примесями. Для удержания водорода требовалась идеальная, чистая и управляемая структура. И пермские ученые нашли решение.
Решение пермских ученых
«Ключевая идея заключается в том, чтобы использовать развитую пористую структуру терморасширенного графита как «каркас» или носитель для специальных добавок, которые будут эффективно блокировать водород», — поясняет Людмила Хименко, заведующая кафедрой «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ, профессор, доктор технических наук.
Для этого ученые разработали уникальную методику синтеза прямо на месте, с помощью специального пиротехнического состава. Чтобы реакция была безопасной, а структура — идеальной, они подобрали три отечественных компонента. Первый — гексацианоферрат калия, который действует как «огнетушитель», подавляя излишнее пламя (достаточно всего 0,2–3% от массы). Второй — карбоксиметилцеллюлоза (до 10%), она предотвращает впитывание влаги и обеспечивает сохранность смеси. Третий — графеновый материал (от 0,1% до 4,2%), который помогает сформировать более совершенную внутреннюю структуру.
Оптимальное решение
На втором этапе в поры полученного идеального графита ученые внедряют соединения-барьеры — оксиды алюминия или хрома. Затем этот модифицированный наполнитель смешивают с полимером и алюминиевым порошком. Получается многоуровневая защита, своеобразный «сэндвич», который не даст водороду шанса разрушить стенки резервуара.
Главное преимущество разработки пермских ученых в том, что все компоненты недороги и производятся в России. Технология позволяет получать высокоэффективный защитный материал прямо на месте строительства емкостей, без использования громоздкого и дорогого оборудования. Это открывает путь к созданию нового поколения легких, прочных и герметичных сосудов, что является важнейшим шагом к тому, чтобы сделать водород доступным и безопасным топливом для каждого. Данная технология позволит сделать баллоны 3, 4 типов и так называемого 5 типа более прочными и безопасными.
Ключевые слова: водородная энергетика, терморасширенный графит, ПНИПУ, хранение водорода, композитный материал
Источник информации: статья на сайте ПНИПУ, которая опубликована в научном журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника».
Читайте также:
Понравилась статья? Тогда ставьте лайк 👍 и подписывайтесь на наш канал. Это поможет нам понять, что вам действительно интересно, – чтобы рассказать об этом более подробно. Посещайте наш сайт (www.pagz.info) и наш телеграм-канал (ПАГЗ ИНФО), чтобы ознакомиться с более подробной информацией по этой теме.