ФОНД РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ И ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ

«Переход к Водородной Энергетике -
главный Ключ к Триумфу всего Человечества»

ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ВОДОРОДА

   Одной из важнейших проблем развития Водородной Энергетики является отсутствие эффективных, безопасных, доступных систем хранения и транспортировки Водорода. Существующие системы хранения Водорода уступают другим энергоносителям* по стоимости, объемно-весовым показателям энергоемкости, обслуживающей инфраструктуре и др. При этом еще одним серьезным ограничением развития Водородной Энергетики является более высокие требования безопасности.

* — углеводородные энергоносители (бензин, дизель и т.п.) и технологии аккумуляции электрической энергии Li-ion, LiPo и др.

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ВОДОРОДА

   Массовая теплотворная способность Водорода (120 МДж/кг) самая высокая среди традиционных химических видов топлив:

  • природный газ  (48,5 МДж/кг),
  • бензин (45,5 МДж/кг),
  • дизельное топливо (42,6 МДж/кг),
  • уголь (29,4 МДж/кг). 

   Однако, если сравнивать эти же виды топлива по объемной теплотворной способности, то Водород (при н.у.) будет обладать самой низкой величиной энерговыделения 10,7 МДж/м3.

Массовая теплотворная способность химических топлив при н.у., (МДж/кг)

1. Водород

120 МДж/кг

100%
2. Природный газ
40.41%
3. Бензин
37.91%
4. Дизельное топливо
35.5%
5. Уголь
24.5%

Объемная теплотворная способность химических топлив при н.у., (МДж/м3)

1. Уголь

38220 МДж/м3

100%
2. Дизельное топливо
95.8%
3. Бензин
84.5%
4. Природный газ
0.1%
5. Водород
0.03%

Криогенное или компримированное хранение ВОДОРОДА

   Низкая плотность = 0,08987 г/л (при н.у.) накладывает серьезные ограничения на распространение Водорода в Мире, как источника экологически чистой энергии. В настоящее время существуют несколько способов увеличения плотности хранимого Водорода. Самое большое распространение получили способы криогенного — при сверхнизких температурах (T= 20K, ρ = 70,8 гр/л), и компримированного хранения Водорода при высоких давлениях (P= 70 МПа, ρ = 39,42 г/л). Несмотря на очевидную более высокую плотность жидкого Водорода, чем сжатый*, все же  компримированное хранение имеет более высокий потенциал развития удельной энергоемкости

* — Речь идет о сжатом Водороде до рабочего давления 70 МПа, применяемом в современных композитных баллонах (Type IV)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПРИМИРОВАНИЯ

   Мировые производители композитных баллонов не смогли найти технические решения по увеличению содержания водорода (% масс*). На сегодня этот показатель для самых современных композитных баллонов (Type IV) не превышает 6,5-7% масс. Их дальнейшая модернизация — утолщение стенок баллонов, поиск новых материалов не привела к существенному улучшению этих показателей. Поэтому назрела ситуация для принципиально новых решений в области аккумуляции Водорода. Таким решением может стать микробаллонный принцип хранения Водорода (МПХ), открытый еще во времена СССР в 60-х годах прошлого века, группой советских ученых во главе с Нобелевским лауреатом, д.ф.-м.н., академиком АН СССР и РАН —  Н.Г. Басовым.

* — Соотношение массы хранимого Водорода к массе системы хранения.

Примечание:
Жидкий Водород (ρ = 70,8 гр/л при T= 20K) эквивалентен газообразному сжатому до 170 МПа

2. Существенным отличием нанокапиллярных аккумуляторов водорода от других систем хранения, является способность длительного хранения водорода при высокой плотности без потерь на испарение. Так например, для стандартных систем хранения в среднем потери такого рода в сутки составляют от 1 до 3% (от содержания водорода).
При этом отсутствие потерь на испарение делает нанокапиллярные аккумуляторы водорода самыми безопасными, и могут спокойно применяться повсеместно — без опасения скопления водорода.

3. Уникальная структура нанокапиллярного аккумулятора водорода делает его одним из самых безопасных способов хранения и транспортировки водорода. Принцип разбиения на микрообъемы (капилляры) исключает мгновенное распространение пламени в объеме. Например, в случае повреждения целостности конструкции — происходит постепенное (растянутое во времени) истечение водорода из пучка поврежденных капилляров. Поэтому данные системы хранения более взрывобезопасны, чем стандартные баллоны высокого давления. 

4. Минимальная стоимость производства нанокапиллярных аккумуляторов водорода CNT© среди мировых производителей баллонов высокого давления.

Мировые производители баллонов (Hexagon Linc, Quantum, SA DFMA, 3M и др.)

> 330 $

Сравнение Стоимости систем хранения за 1 кг H2

УНИКАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ CNT

1. Материалы конструкции

Это прежде всего композитные углеродные и полимерные материалы. Так, например, изготовленные на основе поли-п-фенилентерефтал-амида и других аналогичных полимеров (Армос, СВМ, терлон, руссар, кевлар) имеют плотность ρ в 5,5 раз меньше плотности стали, а прочностные характеристики 5,6-10 раз выше. Для различных конструкционных хромоникелевых сталей предел прочности может достигать значений порядка 550 МПа, для арамидов предел прочности при растяжении достигает σвр= 5500 МПа.

Материал ρ, гр./см3 σ limit, МПа
Хромникелевая сталь 7,8 550
Полиамид 1,4 80
Армос 1,45 5500
СВМ 1,45 4200
Терлон 1,45 3100
Кварц 2,65 >7500
Стекло с МgO 2,3 4200
Матрица капилляров (d=100 мкм)

2. Идеальная структура капилляров на микроуровне

Вытягивание капилляров увеличивает их прочностные свойства из-за утончения оболочки и, таким образом, уменьшает внутреннюю структуру дефектов материала. Таким образом получается почти идеальная структура капилляров.

Хромникелевая сталь
Капилляры CNT

3. Структура намотки капилляров на бобину

Уникальная структура аккумулятора позволяет хранить различные газы (водород, гелий, метан и т. д.) при давлениях более 2500 бар. Это достигается разбиением на микрообъемы всего геометрического объема системы хранения. Таким образом, получается единый прочных сотовый каркас способный  выдерживать действие сил (от молекул газов)  на стенки капилляров при сверхвысоких давлениях (выше 2500 бар).

Капиллярная матрица

  • Создана технология производства для различных типов капиллярной матрицы;
  • Испытания капиллярной матрицы и показывают реальность создания капиллярной матрицы с давлением до 2000 атм;
  • Создана программа расчета содержания газа в капиллярной матрице.

Система заполнения водородом

  • Разработаны методы соединения системы заполнения с капиллярной матрицей;
  • Реализовано соединение системы заполнения с капиллярной матрицей;
  • Реализованы экспериментальные системы заполнения капиллярных матриц с давлением до 2000 атм.

Система извлечения водорода

  • Принципы извлечения и редуцирования газа высокого давления;
  • Реализовано редуцирование и извлечение водорода из капиллярной матрицы с диаметром в несколько миллиметров;
  • Разработана технология редуцирования водорода с 1000-2000 атм.

Внешний вид аккумулятора водорода CNT©

Рисунок11
В пластиковом контейнере
Рисунок12
Без контейнера, подключен к установке сверхвысокого давления

САМАЯ БЕЗОПАСНАЯ СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА В МИРЕ

1

Уникальная структура нанокапиллярного аккумулятора водорода делает его одним из самых безопасных способов хранения и транспортировки водорода.

Принцип разбиения на микрообъемы (капилляры) исключает мгновенное распространение пламени в объеме. Например,  в случае повреждения целостности конструкции — происходит   постепенное (растянутое во времени) истечение водорода из пучка поврежденных капилляров. Поэтому данные системы хранения  более взрывобезопасны, чем стандартные баллоны высокого давления.

Существующие типы баллонов являются взрывоопасными, это обусловлено высвобождением большого объема газа при его разрушении.