Низкая температура жидкого водорода обусловливает высокий тепловой поток через изоляцию, что при малой теплоте испарения (примерно 0,418 кДж/кг) может вызвать быстрое испарение водорода и, следовательно, повышение давления. Следует также иметь в виду воздействие низких температур на такие свойства конструкционных материалов, как прочность, теплопроводность, теплоёмкость и тепловое расширение.
Давление, необходимое для поддержания водорода в жидком состоянии при 300 оК, равно 200 МПа. Это вызывает необходимость использования в любом ограниченном криогенном пространстве надёжной системы сброса давления. Число мест сброса газообразного водорода в атмосферу должно быть ограниченным; выброс газа допустим только на большой высоте, чтобы всё оборудование в случае воспламенения водорода оказалось ниже уровня пламени.
Одной из особенностей жидкого водорода является возможность его расслоения при хранении на несколько температурных слоёв. Давление в резервуаре при расслоении определяется температурой более тёплого поверхностного слоя. Таким образом, расслоение сопровождается повышением давления, что опасно, поэтому допустимая длительность хранения жидкого водорода без сброса пара и газа сокращается. При перемешивании расслоение водорода устраняется. В этом случае трубку газосброса можно закрывать и выпускать пары только при установке резервуара в безопасном месте.
В жидком водороде могут накапливаться опасные твёрдые примеси кислорода. Причинами его попадания в резервуар могут быть неплотности в узлах арматуры, датчиках, ниппельных соединениях, а также несвоевременное закрытие вентилей, отсекающих резервуар от атмосферы во время эксплуатации, а также нарушение герметичности при ремонтах. Кроме того, возможна неполная очистка резервуара от кислорода при подготовке его к заполнению водородом.
При соприкосновении воздуха с жидким водородом возможны его конденсация и затвердевание. Это очень опасно, так как затвердевший воздух способен закупорить вентиляционные линии, что может привести к опасному повышению давления. При контакте воздуха с поверхностью, охлаждённой ниже 82 оК, в образовавшемся конденсате содержится примерно 52 % кислорода. Жидкий водород будет постепенно обогащаться кислородом, что может создать благоприятные условия для его возгорания и взрыва. Жидкий водород при его хранении, перекачке и выполнении других технологических операций следует всячески предохранять от прямого соприкосновения с воздухом.
И, тем не менее, в США имеется уже 300 подземных хранилищ водорода, а в Норвегии 26 % заправок заправляют автомобили водородом!
Предлагаем читателю ознакомиться с приводимыми ниже Таблицами 3 и 4.
Фактически они представляют собой аналог системы экранов мышления, предложенной Г. С. Альтшуллером: «Мышление несистемно. Не успели люди в процессе эволюции выработать системное видение мира. Если в задаче сказано „дерево“, человек видит именно дерево. Начинается перебор вариантов. Дерево становится чуть больше, чуть меньше… Часто на этом всё кончается: ответ не найден, задача признана неразрешимой.
Это – обычное мышление. Талантливое воображение одновременно зажигает три экрана: видны надсистема (группа деревьев), система (дерево), подсистема (лист).
Конечно, это минимальная схема. Иногда включаются и другие экраны: наднадсистема (лес) и подподсистема (клетка листа). А главное – всё это видно в развитии, потому что работают боковые экраны, показывающие прошлое и будущее на каждом уровне. Девять (минимум девять!) экранов системно и динамично отражают системный и динамичный мир ‹…›. Системная природа техники осложняет решение задач и в тех случаях, когда объект, подлежащий изменению, выбран правильно и точно. Всякое изменение выбранного объекта сказывается чаще всего отрицательно (выделено нами. – Авт.), на других объектах, на надсистеме, в которую входит объект, и на подсистемах, из которых он состоит. Возникают технические противоречия: выигрыш в одном сопровождается проигрышем в чем-то другом. Поэтому для решения изобретательской задачи недостаточно улучшить ту или иную характеристику объекта; необходимо, чтобы это улучшение не сопровождалось ухудшением других характеристик. Обязательный признак изобретения – преодоление противоречия» (Альтшуллер, 2003, С. 60–61).
Таблица 3. Систематизация проблем водородной энергетики
Можно увидеть, что одна и та же проблема характерна для хранения и транспортировки водорода. Это проблема безопасности. Хранение и транспортировку даже можно было бы объединить в одно, если бы не некоторые различия. Например, водород уже успешно хранится в подземных «резервуарах» со стенками из мокрой глины. Оказывается, в таких условиях водород мало диффундирует из резервуара, так как плохо растворяется в воде. К тому же для подземных хранилищ снимается проблема компактности (по крайне мере, она не стоит так остро). Хранить под землёй водород можно при обычных давлениях, а не при сверхвысоких. Кроме того, для хранения газообразного водорода применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами.
Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.
Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3 000 м3 – около 1,65 %, а вместимостью от 3 000 м3 и более – около 1,1 % в сутки (считая на номинальный объём газгольдера).
Как правило, хранение и перевозку осуществляют «мокрым» способом. Что это значит? В цистерне находится некоторое количество воды. Оказывается, водород связывается с водой (растворяется) и более безопасен. Так может быть, просто, хранить водород в воде? Нет! В воде водорода растворяется немного. Но правильное направление мысли найдено: это методы физического или химического связывания водорода. Тогда он будет и при низком давлении и при высоком одновременно. Он будет более безопасен, так как для взрыва или возгорания его ещё сначала нужно высвободить из связанного состояния. Более того, практически до минимума упадет величина диффузии, а с ней и утечки водорода. Транспортировка станет безопасна и экономически выгодна. Можно будет создать систему заправочных станций, которые будут продавать сразу готовые к употреблению аккумуляторы водорода. Не нужно будет сбрасывать давление, снижать температуру, бороться с коррозией. Удивительно, но одно единственное решение разрубает Гордиев узел проблем. Правда, ещё остаются проблемы производства и проблемы использования водорода. Кроме того и само решение ещё не найдено, это только направление его поиска. Но «свет в конце туннеля» уже замаячил.
Физические методы связывания основаны на использовании микросфер и микрокапилляров. В них водород может при обычных условиях находится под огромными давлениями – порядка 1 000 атмосфер[42]. В микрокапиллярных матрицах водород может находиться при плотностях, равных и даже превышающих плотность жидкого водорода.
Таблица 4. Системные противоречия водородной энергетики
Таблица 5. Температурные противоречия использования водорода
Возможность получения водорода различными способами является одним из важных преимуществ водородной энергетики. К ним относятся:
1. Паровая конверсия метана и природного газа.
2. Газификация угля.
3. Электролиз воды.
4. Пиролиз.
5. Частичное окисление.
6. Биотехнологии.
В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «замкнутого круга», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижение выброса парниковых газов. Такими источниками могут быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.
