Диводород как топливо - определение, использование, примеры

Водород — первый элемент в современной периодической таблице. Он имеет самую простую атомную структуру по сравнению со всеми другими элементами. В атомарной форме он имеет один протон и один электрон. С другой стороны, в элементарной форме он существует в виде двухатомной (H ₂ ) молекулы, называемой диводородом. Если водород потеряет один свой электрон, он станет элементарной частицей, протоном.

Это то, что делает водород уникальным. Водород — это самый распространенный элемент во Вселенной. Он не распространен в земной атмосфере в свободном состоянии. Тем не менее, это третий по распространенности элемент на поверхности земли, когда мы рассматриваем водород в комбинированном состоянии.

Что такое дигидроген?

Dihydrogen, as mentioned above, exists as the diatomic molecule H₂ of Hydrogen. It is the primary element in the solar atmosphere and the most abundant in the universe, constituting 70% of the universe’s total mass.

Для сравнения, его гораздо меньше в земной атмосфере (0,15% по массе) из-за его легкой природы. Тем не менее, это происходит в комбинированной форме с несколькими факторами, такими как вода, ткани растений и животных, белки, углеводы, углеводороды и многие другие соединения.

Диводород получают в промышленных масштабах в результате реакции конверсии водяного газа из нефтехимических продуктов. Его получают как побочный продукт электролиза рассола. Диводород имеет очень высокую отрицательную энтальпию диссоциации, поэтому он довольно неактивен при комнатной температуре. Тем не менее, он соединяется почти со всеми элементами при соответствующих условиях с образованием гидридов.

Использование дигидрогена

• Наибольшее использование диводорода в синтезе аммиака. Используется для производства азотной кислоты и азотных удобрений.
• Дигидроген используется для производства жира ванаспати путем гидрогенизации полиненасыщенных растительных масел, таких как семена хлопка, сои и т. д.
• Он также используется для производства гидридов металлов, таких как LiH, AlH ₃ , CaH ₂ и т. д.
• Диводород используется для производства сыпучих органических химикатов, особенно метанола.

CO (г) + 2H ₂ (г) ⇢ CH ₃ OH (ж) (в присутствии кобальта)

• Он также используется для получения хлористого водорода (HCL). Он используется для восстановления оксидов тяжелых металлов до металлов в металлургических процессах.
• Диводород используется в качестве ракетного топлива в космических исследованиях.
• Он используется для выработки электроэнергии в топливных элементах. Это имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными ископаемыми видами топлива и электроэнергией. Он не загрязняет окружающую среду и выделяет больше энергии на единицу массы топлива по сравнению с бензином и другими видами топлива.

Диводород как топливо

Диводород выделяет большое количество тепла при сгорании. Мы можем сравнить энергию, выделяемую при сгорании различных видов топлива, таких как метан, сжиженный нефтяной газ, диводород и т. д., с точки зрения одинаковых количеств в молях, массе и объеме.

Энергия, выделяемая при сгорании различных видов топлива в молях, массе и объеме, указана в таблице ниже как:

Из приведенной выше таблицы можно сделать вывод, что дигидроген выделяет больше энергии, чем бензин (примерно в три раза) в пересчете на массу. Кроме того, сжигание диводорода приведет к меньшему загрязнению, чем бензин. Поскольку диазот присутствует в виде примеси с диводородом, единственными загрязнителями будут оксиды диазота.

Это можно свести к минимуму, понизив температуру цилиндра, чтобы не происходила реакция между диазотом и молекулярным кислородом. Это можно сделать, впрыскивая в цилиндр небольшое количество воды. Хотя при этом следует учитывать и массу емкостей, содержащих диводород. Если мы рассмотрим равное количество энергии, которое будет произведено соответствующими видами топлива, баллон сжатого диводорода будет весить в 30 раз больше, чем бак бензина.

Более того, нам пришлось бы перевести газообразный диводород в жидкое состояние, охладив его до 20К. Для этого преобразования нам потребуются дорогие изолированные резервуары. Резервуары из металлических сплавов, таких как NaNi ₅ , Ti-TiH ₂ , Mg-MgH ₂ и т. д., используются для хранения водорода в небольших количествах. Поэтому из-за этих недостатков и ограничений мы разработали альтернативные методы эффективного использования диводорода.

Водородная экономика

Водородная экономика - это альтернативный метод эффективного использования диводорода. Основным принципом водородной экономики является транспортировка и хранение энергии в виде жидкого или газообразного диводорода. Основное преимущество состоит в том, что энергия в этом случае передается непосредственно в виде диводорода, а не в виде электроэнергии.

Текущие достижения

• В октябре 2005 года впервые в Индии был запущен пилотный проект по использованию диводорода в качестве топлива для работающих автомобилей.
• Вначале только 5% диводорода смешивали с КПГ для использования в четырехколесных автомобилях. Этот процент постепенно увеличивается, чтобы оптимизировать использование диводорода в качестве топлива.
• В настоящее время он также используется в топливных элементах для производства электроэнергии. Ожидается, что в ближайшие годы будут определены экономичные и более безопасные источники диводорода для его использования в качестве общего источника энергии.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое диводород?

Отвечать:

In elemental form, Hydrogen exists as a diatomic (H2) molecule called dihydrogen. It occurs in combined form in several factors like water, plants and animal tissues, proteins, carbohydrates, hydrocarbons, and many other compounds. Dihydrogen is industrially prepared by the water-gas shift reaction from petrochemicals. It is acquired as a by-product of the electrolysis of brine. Dihydrogen has a very high negative dissociation enthalpy, thus is it rather inactive at room temperature. Yet, it combines with almost all elements under appropriate conditions to form hydrides.

Вопрос 2: Что такое водородная экономика?

Отвечать:

Hydrogen Economy is an alternative technique to use dihydrogen efficiently. The basic principle of the Hydrogen Economy is the transporting and storing of energy in liquid form or gaseous dihydrogen. The primary advantage is that energy in this case is transmitted directly in the form of dihydrogen and not in the form of electric power.  

Вопрос 3: Почему водород хранится в сплавах?

Отвечать:

We need to convert dihydrogen gas to the liquid state by cooling it down to 20K. For this conversion, we require expensive insulated tanks. Tanks of metal alloys like NaNi5, Ti-TiH2, Mg-MgH2, etc are used for storing dihydrogen in small quantities. 

Moreover, alloys are used for the following reasons:

• Energy Conversion (as discussed above).
• Hydrogen Separation, recovery and purification.
• Isotope Separation.
• Catalysis.
• Alloy sensors and batteries.
• Storage and transportation of hydrogen.

Вопрос 4: Как производится водород в больших масштабах?

Отвечать:

Hydrogen is produced on a large scale by electrolysis of water or by thermochemical reaction cycle. 

Вопрос 5: Сравните водород и бензин в качестве топлива.

Отвечать:

Dihydrogen releases more energy than petrol (about three times) on a mass for mass basis. Additionally, the combustion of dihydrogen will lead to less pollution than petrol. As dinitrogen is present as an impurity with dihydrogen, the only pollutants will be the oxides of dinitrogen. We should also consider the mass of the containers that hold the dihydrogen. If we consider the equal amounts of energy that would be produced by the respective fuels, a cylinder of compressed dihydrogen would weigh 30 times more than a tank of petrol. 

Вопрос 6: Какие проблемы возникают при использовании диводорода в качестве топлива?

Отвечать:

There are several disadvantages and limitations of dihydrogen as a fuel due to which we have developed alternate techniques to use dihydrogen efficiently. One disadvantage is that the storage of dihydrogen becomes very difficult. We need to convert dihydrogen gas to the liquid state by cooling it down to 20K. For this conversion, we require expensive insulated tanks. Tanks of metal alloys like NaNi5, Ti-TiH2, Mg-MgH2, etc are used for storing dihydrogen in small quantities. This is overall not economical and very expensive.