Водород обладает рядом замечательных свойств. Он накапливает огромное количество энергии, имеет температуру кипения до -252,9 °C и значительно отличается от большинства других видов топлива и энергоносителей по плотности энергии.
В этом блоге мы рассмотрим плотность энергии газообразного и жидкого водорода. Что делает плотность энергии водорода такой уникальной? И что это означает для практического применения водорода? Используя различные практические примеры, мы исчерпывающе отвечаем на эти вопросы.
Энергетическая плотность водорода
Как уже говорилось в нашем блоге о жидком водороде, водород — самый легкий газ во Вселенной. Газ почти ничего не весит, но имеет чрезвычайно высокую гравиметрическую плотность энергии. В одном килограмме водорода содержится огромное количество энергии, что делает его эффективным и легким энергоносителем.
В свою очередь, объемная плотность энергии водорода особенно низка. В расчете на объем энергетическое содержание водорода даже намного ниже, чем у большинства других видов топлива и энергоносителей. Следовательно, хранение или использование водорода при атмосферном давлении и температуре требует значительного пространства.
К счастью, есть решение этой проблемы. Сжимая или сжижая водород, можно повысить низкую объемную плотность энергии. Это значительно облегчает хранение, транспортировку и применение водорода.
Объемная плотность энергии водорода на практике
Что на практике означает объемная плотность энергии водорода? Приведенные ниже цифры и примеры наглядно иллюстрируют последствия:
- Объемная плотность энергии газообразного водорода при атмосферном давлении составляет 0,09 кг/м³. Следовательно, при нормальных условиях для хранения газообразного водорода требуется много места. Поэтому водород практически не хранится и не транспортируется в газообразной форме при атмосферном давлении, так как это просто неэффективно.
- При давлении 350 бар объемная плотность энергии газообразного водорода составляет 26,1 кг/м³. Повышенное давление позволяет хранить значительно больше газообразного водорода в том же пространстве. Давление в 350 бар используется в баках грузовиков для перевозки газообразного водорода, например, таких, как Hyzon. Груженому 55-тонному грузовику требуется около 50-70 кг водорода, чтобы проехать 500-600 км.
- При давлении 700 бар объемная энергетическая плотность газообразного водорода составляет 42 кг/м³. Такое относительно высокое давление используется, в частности, для газообразного водорода в легковых автомобилях (таких как Hyundai NEXO, о котором рассказывалось в нашем недавнем блоге»Для чего используется водород?’). С 125-литровым баком, содержащим 5 кг водорода, автомобиль может проехать около 600 км.
- В жидком состоянии и при температуре -252,9 °C водород имеет объемную плотность энергии 71 кг/м³. Жидкий водород также используется в качестве энергоносителя для экологичных грузовиков и самолетов, которые в настоящее время находятся в стадии разработки.
Чтобы проехать около 1000 км, грузовику требуется около 80 кг жидкого водорода. Это относится, например, к работающему на жидком водороде автомобилю Daimler GenH2, о котором мы подробно рассказывали в упомянутом ранее блоге.
Жидкий водород также предлагает отличные возможности для использования в самолетах. Потому что энергия жидкого водорода очень высока, а водород как топливо намного легче керосина. Это огромное преимущество для самолетов.
Однако объем жидкого водорода намного больше, чем объем керосина. Чтобы взять на борт такое же количество общей энергии, требуется в четыре раза больший объем жидкого водорода по сравнению с керосином.
К счастью, существуют способы эффективного использования топлива. Например, топливные элементы более эффективны, чем топливные двигатели, а сверхпроводимость делает их еще более экономичными. Применяя эти методы, не всегда есть необходимость брать на борт огромное количество водорода.
Специальные инфраструктуры
В таблице ниже показана энергетическая плотность водорода по сравнению с некоторыми другими (жидкими) газами, такими как биодизель, дизельное топливо и СПГ. Разница здесь предельно ясна: гравиметрическая и объемная плотности энергии водорода едва ли сопоставимы с плотностями большинства других газов.
Уникальные свойства, касающиеся плотности энергии, делают применение водорода отличным от применения других видов топлива и энергоносителей и требуют совершенно иной инфраструктуры.
Хранение и транспортировка водорода в атмосферных условиях крайне неэффективны, поэтому вещество почти всегда сжижают или помещают под высокое давление. Это сближает молекулы, увеличивая энергию на объем и делая газ чрезвычайно интересным для хранения, транспортировки и применения.
Как подробно описано в нашем предыдущем блоге о водородных трубопроводах, оптимальная изолированная инфраструктура необходима для жидкого водорода. Инфраструктуры по производству жидкого водорода часто оснащаются вакуумной изоляцией для предотвращения потерь энергии и обеспечения необходимой безопасности.
Вакуумные изолированные линии передачи состоят из внутренней и внешней трубы, между которыми находится высоковакуумная среда. Вакуумная оболочка обеспечивает чрезвычайно высокую степень изоляции, а две трубы вместе создают двойную оболочку, которая делает трубу чрезвычайно безопасной.
Компания Demaco уже несколько десятилетий находится на переднем крае разработки лучших инфраструктур жидкого водорода. Мы экспериментируем с прототипами, работаем над новаторскими проектами и демонстрируем доказательство концепции для передовых проектов и продуктов. Наши водородные инфраструктуры с вакуумной изоляцией прослужили десятилетия в рамках различных проектов и доказывают, что вакуумная технология является предпочтительным методом для безопасного управления жидким водородом.
Хочешь узнать больше?
Для получения дополнительной информации о нашей работе ознакомьтесь с нашими продуктами и услугами. А для получения дополнительной информации о жидком водороде загляните на нашу страницу, посвященную жидкому водороду.
