Проверьте себя: как горит Солнце?

Проверьте свои знания. Согласны ли вы с этим утверждением? Большинство участников акции «Открытая лабораторная» не смогло дать верный ответ.

Задумывались ли вы о том, что там вообще горит на Солнце? Сам термин «горение» означает самоподдерживающийся химический процесс окисления, протекающий при высокой температуре, с выделением энергии, которая поддерживает эту температуру. В земных условиях горение без кислорода невозможно. А вот в составе Солнца кислорода очень мало. Да и вообще, химическое горение там невозможно, поскольку при таких температурах не могут существовать молекулы, которые являются продуктами такого горения.

Энерговыделение Солнца обеспечивается не химическими, а термоядерными реакциями превращения водорода в гелий, которые протекают в его ядре.

Однако это тоже высокотемпературный процесс, который поддерживается за счет выделяемого тепла.

Поэтому о нем часто говорят как о горении, но в переносном, не строго научном смысле. Кислород для термоядерного горения водорода не требуется и в качестве продукта реакции тоже не образуется.

Интересно еще вот что: на поздних стадиях эволюции Солнца (примерно через 6,5 млрд лет) горение водорода в его ядре сменится горением гелия, который будет превращаться в углерод, а в дальнейшем и в кислород. Солнце при этом значительно увеличит свою светимость и вырастет в размерах, став красным гигантом. Именно такие ядерные реакции в звездах предыдущего поколения наработали тот кислород, которым мы дышим. В конце жизни этих звезд часть их вещества, обогащенного кислородом, была рассеяна в окружающей среде и вошла в состав звезд и планет, которые образовались из него в дальнейшем.

Правильный ответ: Да.

Если хотите проверить свои знания о космосе, пройдите наш «Большой космотест». Он наверняка расширит границы вашего восприятия Вселенной.

Водород горение — Справочник химика 21

    Водород. Строение атома и химические свойства. Атомарный водород. Молекулярный водород. Горение водорода. Водород как восстановитель. Методы получения водорода.  [c.153]

    ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА. ГОРЕНИЕ ВОДОРОДА [c.111]

    Многие сложные вещества вступают во взаимодействие с хлором. Так, зажженная на воздухе парафиновая свеча, если ее погрузить в банку с хлором, продолжает гореть в нем сильно коптящим пламенем (рис. 22), выделяя удушливый газ — хлористый водород. Горение свечи В хлоре объясняется тем, что хлор соединяется с водородом, входящим в состав парафина, а углерод парафина, выделяясь при этом в свободном состоянии, образует копоть. [c.84]

    В отличие от горения водорода горение СО обладает значительно более слабо выраженным автокаталитическим характером, причиной чего является то, что эта реакция идет только в присутствии водяного пара, содержанием которого в смеси лимитируется концентрация активных центров реакции — атомов Н и О и радикалов ОН. Поэтому скорость реакции в зоне пламени быстро достигает стационарного значения, определяемого температурой и близкими к равновесным (при этой температуре) концентрациями веществ в каждой точке зоны горения, чем и обеспечивается достаточно точное выполнение условий подобия поля температуры и поля концентраций. [c.618]

    Для первых трех реакций — горения водорода, горения углерода и образования метана из элементов — при комнатной температуре (298° К) свободные энергии имеют отрицательное значение, т. е. течение этих реакций должно сопровождаться изменением свободной энергии системы в сторону уменьшения. Следовательно, указанные реакции лшгут протекать самопроизвольно и, каК мы увидим позже, практически до конца. 

[c.98]

    Металлическая ртуть хорошо растворяет. многие металлы, образуя так называемые амальгамы. Легче всего в ней растворяются щелочные металлы. Полученные путем простого погружения натрия или калия в ртуть амальгамы щелочных металлов сохраняют все свойства этих металлов, но значительно ослабляют их активность амальгама натрия вытесняет из воды водород.

Горение в кислороде натрия и калия в виде амальгамы идет значительно спокойнее, чем в тех случаях, когда для этой цели берутся чистые металлы. [c.354]

    Для получения различных значений коэффициента избытка окислителя использовались твердотопливные заряды длиной от 30 до 90 мм с малой, средней и большой скоростями горения. На величину удельной тяги оказывало также влияние количес гво впрыскиваемого водорода в смеси. Экономичность двигателя оценииалась по характеристической скорости с. Во всех опытах при впрыске водорода наблюдалось значительное улучшение работы двигателя. П]1И работе на основных компонентах топлива давление в камере сгорания составляет 21 атм имели место низкочастотные колебания давления. После нодачи водорода горение стабилизировалось, а Рк возрастало до 30,8 атм. 

[c.89]

    При изготовлении Р№, предварительно следует вытеснить воздух из колбы водородом или другим газом, горения не поддерживающим, чтобы не произошло взрыва от самовоспламенения фосфористого водорода. Горение фосфористого водорода в кислороде совершается даже под водою, если в ней пузырьки обоих газов встречаются, и оно очень ярко. Фосфористоводородный газ, полученный при действии кислот на фосфористый кальций и фосфора на едкое кали, всегда содержит свободный водород, и часто даже большая часть выделяющегося газа состоит из водорода. Чистый (без подмеси водорода и без жидкого, и твердого фосфористого водорода) трехводородистый фосфор получается при действии раствора едкого кали на кристаллический иодистый фосфоний P№J + КНО = РН -)-KJ-t-№0 (как NH из N№01). Реакция совершается легко, и чистота PH видна из того, что он вполне поглощается раствором белильной извести, а сам собою ие заг ается, но смесь его с кислородом при уменьшении давления взрывает. Пары брома, азотной кислоты и т. п., а также нагревание до 100 заставляют его приобретать способность воспламеняться на воздухе, т.-е. отчасти разлагают, образуя Р №. Оппенгейм показал, что красный фосфор с крепкою соляною кислотою в запаянной трубке, при 200°, образует РС1 Н РО ) вместе с PH .

Ядовитость PH столь велика, что даже при разбавлении 1 объем ва 100000 объемов воздуха смерть наступала примерно чрез сутки для испытанных животных. [c.484]

    КОДЫ водородом наполняют большой цилиндр, закрепляют в кольце подлигают водород. Через горящий водород в цилиндр быстро вносится газоотводная трубка от газометра. Кислород ярко горит в водороде. Горение прекращается только после того, когда весь водород будет израсходован на горение. Итак, горел кислород, а водород поддерживал горение.  [c.105]

    Ну, а для самой химии Конечно, знать тепловой эффект реакции необходимо, чтобы правильно рассчитывать тепловой баланс в химическом реакторе, грамотно и безопасно проводить химическую реакцию, подбирать материал сосуда для ее проведения. Переход в ракетной технике от углеводородного горючего к водороду, горение которого более экзо-термично, чем горение углеводородов, потребовал по-новому решить вопрос о защите стенок камеры сгорания.  [c.9]

---

В Томске научились получать водород из опилок и резины — Российская газета

Томские ученые разработали технологию, позволяющую получать водород из твердых отходов — древесных опилок, угольной пыли, шлама, старых покрышек.

Научные сотрудники Томского политеха на протяжении длительного времени работают над получением топлива из вторсырья. К примеру, недавно политехникам удалось получить морозостойкий мазут из старых автомобильных шин, который не теряет своих свойств при температурах до -50 °С.

Ученые намерены доказать, что отходы — это не мусор, а источник полезных для промышленности продуктов.

— Глобальная цель, которую мы преследуем в этом и в других наших исследованиях, — найти реально работающие способы, которые из никому не нужных отходов, никак не используемых в энергетике, позволят получать высокомаржинальные продукты, причем максимально экологично, — говорит руководитель проекта, заместитель директора по развитию Инженерной школы энергетики ТПУ Владимир Губин. — Мы ставим задачу не утилизации, а переработки отходов.

На базе Инженерной школы энергетики в политехе создана линейка установок для работы с разными объемами исходного продукта — от нескольких граммов до 20 кг. А базе томской ТЭЦ-3 ученые могут проводить комплекс испытаний для отработки технологии с объемом исходного продукта 4 тонны в час.

Для экспериментов исследователи используют древесные опилки, старые резиновые покрышки, отходы угольной промышленности, такие как штыб, шлаки, шлам, угольная пыль. Опыты показали, что именно из такого «мусора» получается синтез-газ с самым высоким содержанием водорода — от 20 до 40 %.

— В основе технологии лежит метод паровой термической конверсии, — рассказали «РГ» Томском политехническом университете. — Исходный продукт подвергается воздействию пара при высоких температурах — от 500 до 1200 градусов Цельсия в зависимости от материала.

Особенность технологии в заключается том, что из отходов получается не один полезный продукт, а сразу три. В газообразной фазе это синтетический газ, состоящий из водорода, минимального процента углекислого газа и азотных соединений. Он прекрасно горит и его можно использовать не только для извлечения водорода, но и для обогрева. В жидкой фазе из вторсырья получается жидкое углеводородное топливо, которое также пригодно для отопления. А в твердой фазе образуется углеродная крошка. Такой порошок можно использовать для производства дорожного покрытия или при дополнительной очистке в качестве фильтра.

— Если исходным материалом были сосновые опилки, после переработки мы получаем прекрасный биоуголь для приготовления пищи, — объясняет Владимир Губин.

Отмечается, что при переработке в термической установке выделяется минимальный объем СО2 — не более 5 % от общего объема синтез-газа. В будущем ученые намерены продолжить эксперименты и найти наиболее эффективный способ выделения водорода и снижения содержания углекислого газа.

ЛЕКЦИЯ IV ВОДОРОД В СВЕЧЕ. ВОДОРОД СГОРАЕТ И ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ВОДУ.

ДРУГАЯ СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ ВОДЫ — КИСЛОРОД

ЛЕКЦИЯ IV

ВОДОРОД В СВЕЧЕ. ВОДОРОД СГОРАЕТ И ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ВОДУ. ДРУГАЯ СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ ВОДЫ — КИСЛОРОД

Я вижу, вам еще не надоела свеча, иначе вы бы не стали проявлять столько интереса к этой теме. Когда наша свеча горела, мы убедились, что она дает в точности такую же воду, к какой мы привыкли в повседневной жизни. При дальнейшем исследовании этой воды мы нашли в ней интересное вещество — водород. Это легкое вещество у нас сейчас вот здесь, в банке. Затем мы убедились в горючести водорода, а также в том, что он дает воду. Помнится также, что я познакомил вас вкратце с одним аппаратом, который я охарактеризовал как некий химический источник энергии или силы, устроенный так, чтобы по этим проводам передавать нам свою энергию. Тогда же я сказал, что употреблю эту энергию для того, чтобы разложить воду на части, — так сказать, разорвать ее на куски, — с целью узнать, что же, кроме водорода, содержится в воде. Ведь вы помните, когда мы пропускали водяной пар сквозь железную трубку, мы получали очень значительное количество газа, но отнюдь не столько по массе, сколько мы туда впускали воды в виде пара.

Теперь нам предстоит выяснить, каково то, другое вещество, которое там имеется.

Давайте проделаем несколько опытов, чтобы вы могли разобраться, что собой представляет этот прибор, т. е. батарея, и для чего она употребляется, Прежде всего давайте приведем в соприкосновение некоторые известные нам вещества, а затем посмотрим, какое воздействие на них окажет батарея. Вот медь (обратите внимание на различные видоизменения, в которых она может существовать), а вот азотная кислота; вы увидите, что она, обладая вообще очень сильным химическим действием, будет весьма энергично действовать на медь. Вот она испускает красивые рыжие пары, но так как эти пары нам будут только мешать, мистер Андерсон некоторое время подержит колбу около вытяжной трубы, чтобы нам досталась польза и красота этого опыта без его неприятной стороны. Медь, которую я положил в эту колбу, растворится и при этом превратит кислоту с водой в голубую жидкость, содержащую медь и другие вещества; затем я покажу вам, какое действие окажет электрическая батарея на эту жидкость.

А пока мы проведем другой опыт, чтобы вы могли увидеть, каковы возможности этой батареи. Вот здесь вещество, которое для вас неотличимо от воды. Подобно воде оно содержит какие-то еще не известные нам вещества. Этим раствором некоей соли[25] я могу пропитать бумажку, а затем подвергну ее действию нашей батареи, и мы посмотрим, что получится. Произойдет несколько существенных явлений, которыми мы и воспользуемся для дальнейших рассуждений.

Бумажку, пропитанную раствором, я кладу на лист станиоля, — во-первых, чтобы она не испачкалась, а во-вторых, чтобы удобнее было подводить электрическую энергию. Как вы видите, этот раствор не претерпевает никаких изменений ни от того, что мы его поместили на станиоль, ни от чего бы то ни было другого, с чем я до сих пор приводил его в соприкосновение; таким образом, он вполне пригоден для испытания действия батареи. Но сперва проверим, в порядке ли наша батарея, продолжает ли она находиться в том же состоянии, как прошлый раз. Это легко можно выяснить. Вот провода; я сближаю их концы, но пока еще энергии нет, потому что отключены те пути для электричества, которые мы называем электродами. (На концах проводов происходит внезапная вспышка.)

Ага! Вот мистер Андерсон подал мне сигнал, что все готово. Прежде чем мы приступим к нашему опыту со смоченной бумажкой, я попрошу его снова разомкнуть цепь батареи, а здесь мы соединим полюса платиновой проволочкой. Если теперь окажется, что нам удастся раскалить током эту довольно длинную проволочку, мы сможем спокойно приступить к своему опыту со смоченной бумажкой. Сейчас вы увидите, какова энергия нашей батареи. (Ассистент включает цепь, и соединительная проволочка раскаляется докрасна.) Смотрите, как прекрасно передается энергия через эту проволочку, причем я нарочно взял тонкую, чтобы показать вам, с какой мощной силой мы имеем дело. Теперь, располагая этой энергией, мы ее применим к исследованию воды.

Вот два кусочка платины; если я их положу на эту бумажку (смачивает бумажку раствором), то никакой реакции, как видите, не произойдет; и если я их опять сниму, все останется, как было, без малейших изменений. Теперь следите за тем, что будет происходить: если я прикоснусь каким-нибудь из этих двух полюсов к платиновой пластинке, то по отдельности ни тот, ни другой не окажут ровно никакого действия. Однако если я сделаю так, чтобы они одновременно оба касались платины, — смотрите, что получается. (Под обоими полюсами появилось по бурому пятну.) Видите, какой результат; вы можете убедиться, что я из белого вещества выделил что-то бурое.

Теперь я все это расположу несколько иначе… вот так… и один из полюсов приложу снизу к станиолю, подстилающему бумагу, — ну, теперь получается такое чудесное действие тока на бумагу, что надо попробовать, не удастся ли мне что-нибудь написать таким способом-своего рода телеграмму. (Лектор вывел на бумаге концом одного из проводов слово «молодежь».) Вот какие интересные результаты у нас получаются!

Вы видите, что из этого раствора мы извлекли нечто такое, о чем раньше и не подозревали. Теперь возьмем вот эту колбу у мистера Андерсона и посмотрим, что мы можем получить отсюда. Это ведь та жидкость, которую мы сегодня приготовили из меди и азотной кислоты за то время, пока занимались другими опытами. И хотя получена она в спешке и, может быть, опыт с ней у меня не вполне удастся, но я предпочитаю приготовлять ее не заранее, а у вас на глазах, чтобы вы могли видеть, что я делаю.

Теперь смотрите, что будет происходить. Пусть эти две платиновые пластинки служат полюсами батареи — я потом соединю их с проводами. Я собираюсь привести их в соприкосновение с раствором, как мы это только что делали на бумаге. Для нас все равно, находится ли раствор на бумаге или в банке, лишь бы мы подвели к нему полюса батареи. Если я погружу в раствор эти платиновые пластинки сами по себе (лектор погружает их в жидкость, не соединяя с батареей), то выну их такими же чистыми и белыми, какими их туда опустил. Однако когда мы привлечем к делу энергию батареи (соединяет платиновые пластинки с батареей и вновь опускает их в раствор), — смотрите, вот эта пластинка (показывает пластинку) сразу как будто превращается из платины в медь. Видите, она стала как медная, а вот та (показывает другую) совсем чистая, как была. Если же я возьму и поменяю полюса батареи, налет меди переместится с одной пластинки на другую: та пластинка, которая только что была покрыта медью, окажется чистой, а чистая покроется налетом меди. Итак, вы видите что ту самую медь, которую мы ввели в этот раствор, мы можем и извлечь из него при помощи батареи.

Рис. 19.

Отставим этот раствор и посмотрим, какое действие батарея будет оказывать на воду. Вот две платиновые пластинки, которые я сделаю полюсами батареи, а это — сосуд. Я могу разобрать его на части и показать вам его устройство. В эти две чашечки (А и В) я наливаю ртуть, так что она будет находиться в контакте с концами проводов, соединенных с платиновыми пластинками. В сосуд С я наливаю слегка подкисленную воду (кислота прибавляется только для облегчения реакции, и сама она при этом не претерпевает никаких изменений). В пробку сосуда С вставлена изогнутая стеклянная трубка D, она подведена под банку F и она, может быть, напомнит вам отводную трубку, присоединенную к трубке с железными стружками в том опыте с печью, который мы проделывали в прошлый раз. нибудь другой результат. Об этом вы сможете судить на основании опыта.

Один провод я присоединю к А, другой — к В, и вы скоро увидите, останется ли вода спокойной. Кажется, что вода вовсю кипит; но кипит ли она на самом деле? Давайте проверим, что оттуда выходит — водяной пар или нет? Я думаю, вы скоро увидите, что банка наполнится парами, — если то, что поднимается пузырьками из воды, представляет собой пар. Но пар ли это? Ну, конечно, нет. Ведь вы же видите, что это нечто остается неизменным. Оно не превращается в воду, и потому это никак не может быть паром; это, очевидно, какой-то устойчивый газ. Так что же он собой представляет? Водород? Или что-нибудь другое?

Что ж, испытаем его. Если это водород, он должен гореть. (Тут лектор зажигает некоторое количество собравшегося газа, который сгорает со взрывом.) Несомненно, это что-то горючее, но горит оно не так, как водород. Тот бы не дал такого шума; однако свет при горении этого газа был по цвету похож на водородное пламя.

Впрочем, этот газ способен гореть и без доступа воздуха. Вот почему я собрал еще один прибор, приспособленный для того, чтобы сделать опыт более тщательно. Вместо открытого сосуда я взял закрытый. Я хочу показать вам, что этот газ, каков бы он ни оказался, может гореть без воздуха; в этом отношении он отличается от свечи, которая без воздуха гореть не может. Проделаем мы это следующим образом. Вот стеклянный сосуд (G), в который впаяны две платиновые проволочки (I и К), к ним я могу подвести электрический ток. Мы можем соединить этот сосуд с воздушным насосом и выкачать из него воздух, а затем поставить его на банку, соединить с ней и впустить в него тот газ, который образовался в результате воздействия батареи на воду; можно сказать, что мы получили его, превратив в него воду, — я вправе употребить такое выражение и сказать, что мы действительно, по ходу нашего опыта, превратили воду в этот газ.

Мы не только изменили ее состояние, но по-настоящему превратили воду в это газообразное вещество; и вся вода, которая была при этом опыте разложена, находится тут, в банке. Вот я привинчиваю к банке F сосуд О, тщательно соединяю их трубки кранами Н, Н, Н, и если вы будете следить за уровнем воды в банке F, вы заметите, что он повысится, когда я открою краны (Н, Н, Н), т. е. газ из этой банки поднимется в верхний сосуд. Теперь я закрою эти краны, так как сосуд О уже наполнился газом. Перенеся его для безопасности в эту камеру, я пропущу через него электрическую искру от лейденской банки L. Сосуд сейчас совершенно прозрачный, а после взрыва он затуманится. Стенки его настолько толсты, что звука слышно не будет. (Через сосуд пропускается электрическая искра, поджигающая взрывчатую смесь.) Вы видели этот яркий свет?

Я снова привинчу сосуд О к банке F, открою краны, и вы убедитесь, что уровень воды в банке вторично повысится. (Краны открываются.) Как видите, эти газы исчезли. (Лектор имеет в виду газы, первоначально собранные в банке и только что зажженные электрической искрой. ) В сосуде их место освободилось, и в сосуд вошла новая порция газа. Из вспыхнувших газов образовалась вода. Если мы все повторим (делает опыт снова), у нас опять получится пустота, в чем вы убедитесь по подъему воды в банке F. После взрыва у меня всегда оказывается пустой сосуд, потому что тот пар или газ, в который мы при помощи батареи превратили воду в банке С, взрываясь от искры, превращается в воду. И действительно, через некоторое время вы увидите, как капельки воды будут понемногу стекать по стенкам этого верхнего сосуда и собираться на дне.

Здесь мы имели дело с водой совершенно безотносительно к атмосфере. Вода; содержащаяся в свече, образовалась в свое время при участии атмосферы. А таким путем, как сейчас, воду можно получать независимо от воздуха. Значит, в воде должно содержаться также и то другое вещество, которое горящая свеча берет из воздуха и которое, соединяясь с водородом, дает воду.

Рис. 20.

Вы только что видели, как один из полюсов нашей батареи с помощью вот этого провода притягивал к себе медь, извлекая ее из сосуда с голубым раствором. И, конечно, мы вправе задать себе такой вопрос: если батарея имеет такую власть над раствором металла, который мы сами можем приготовить и разложить, то не окажется ли возможным разложить воду на составные части и отделить их друг от друга? Посмотрим, что произойдет с водой вот в этом приборе, где металлические концы батареи далеко разнесены. Один провод я присоединяю тут, у А, другой — там, у В. На каждый полюс можно надеть по маленькой подставке с отверстием, для того чтобы надежно разделить газы, выделяющиеся на полюсах (ведь вы убедились, что из воды у нас получается не водяной пар, а газы).

Ну, вот, теперь провода присоединены надлежащим образом к сосуду с водой, и вы видите, как пузырьки идут вверх. Давайте соберем эти пузырьки и выясним, из чего они состоят. Вот стеклянный цилиндр О; я наполняю его водой, опрокидываю и ставлю его над полюсом А, другой цилиндр, Н, я таким же образом помещаю над полюсом В. Теперь у нас сдвоенный прибор для получения газа на обоих полюсах. Оба эти цилиндра будут наполняться газом. Вот, пошло дело! Правый цилиндр Н наполняется очень быстро, а левый, О, — не так быстро.

Хотя я и упустил несколько пузырьков, но видно, что реакция протекает равномерно; и если бы не то обстоятельство, что цилиндры не совсем одинаковые, вам было бы видно, что здесь в цилиндре Н, газа вдвое больше, чем там, в цилиндре О. Оба эти газа бесцветны; они находятся над водой, не конденсируясь; они одинаковы по всем признакам — я хочу сказать, по всем видимым признакам; однако мы должны исследовать эти вещества и выяснить, что они собой представляют. Каждого газа у нас помногу, и нам легко делать с ними опыты.

Начнем с цилиндра H, я надеюсь, вы скоро поймете, что в нем содержится водород. Вcпомните все свойства водорода: это легкий газ, хорошо сохраняющийся в опрокинутых сосудах, горящий бледным пламенем у края банки. Проверьте, удовлетворяет ли наш газ всем этим условиям. Если это водород, он останется здесь, в цилиндре, который я держу опрокинутым. (Лектор подносит к цилиндру горящую лучинку, и водород загорается.) Ну, а что же находится в другом цилиндре? Вы знаете, что оба газа вместе дают взрывчатую смесь. Но что же представляет собой вторая составная часть воды и благодаря которой, следовательно, горит водород? Мы знаем, что вода, налитая нами в сосуд, состояла из совокупности этих двух веществ. Мы убедились, что одно из них — водород; но что же представляет собой второе вещество, которое до опыта находилось в воде, а теперь есть у нас в изолированном виде? Я введу в этот газ зажженную лучинку. Сам газ не будет гореть, но он заставит гореть лучинку (вносит в газ зажженную лучинку). Вот видите, как он усиливает горение дерева, как он заставляет лучинку гореть несравненно ярче, чем на воздухе. Итак, у нас здесь в чистом виде то второе вещество, которое содержится в воде и которое, когда вода образовалась при горении свечи, было, очевидно, взято из окружающего воздуха. Как же мы его назовем? А, В или С? Давайте назовем его О, назовем его кислородом. Имя очень хорошее, характерно звучащее. Итак, значит, это кислород присутствовал в воде и составлял такую значительную часть ее.

Теперь мы сможем яснее понимать наши опыты и исследования: ведь когда мы все это хорошенько продумаем, мы сразу сообразим, почему свеча горит в воздухе. Разделив воду на составные части при помощи электричества, мы получаем два объема водорода и один объем вещества, сжигающего водород. Это соотношение объемов представлено на следующей схеме, где указаны также и массы этих составных частей. Отсюда видно, что кислород — второй составной элемент воды — вещество очень тяжелое по сравнению с водородом.

Пожалуй, теперь, после того как мы выделили кислород из воды, мне пора вам рассказать, как он получается в больших количествах. Кислород, как вы сразу же сообразите, есть и в атмосфере, иначе как же могла бы свеча давать при сгорании воду? Без кислорода это было бы совершенно невозможно. А можем ли мы добывать кислород из воздуха? Что же, есть такие способы, очень сложные и трудные, посредством которых можно получить кислород из воздуха, но мы воспользуемся другим, более простым способом.

Вот это вещество называется перекисью марганца. Минерал этот очень невзрачный, но очень полезный; если его раскалить докрасна, он выделяет кислород.

Рис. 21.

Вот чугунная бутыль, в которую заложено некоторое количество этого вещества; в горлышко вставлена трубка. Мистер Андерсон поместит этот сосуд в огонь: ведь сосуд чугунный и может выдержать жар. А вот так называемый хлорат калия [26]. Это вещество в больших количествах производится для отбеливания пряжи и тканей, для использования в химии и медицине, для фейерверков и других целей. Я смешиваю его с перекисью марганца (кстати, окислы меди и железа дали бы такие же результаты). Для получения кислорода из такой смеси достаточно будет нагреть сосуд до температуры гораздо более низкой, чем красное каление. Я не собираюсь добывать много кислорода — нам он нужен только для опытов. Однако вы сейчас убедитесь, что если я помещу в сосуд слишком мало смеси, то первая порция газа будет непригодна к употреблению, потому что она смешается с тем воздухом, который уже находится в сосуде. Как видите, нагревание на обычной спиртовке оказывается совершенно достаточным, чтобы получить кислород из смеси бертолетовой соли с перекисью марганца, так что у нас пойдут одновременно два процесса добывания кислорода. Смотрите, как обильно выделяется газ из этой маленькой порции смеси!

Исследуем этот газ и выясним, каковы его свойства. Вы видите, что здесь получается в точности такой же газ, как тот, который у нас получался в опыте с батареей: газ бесцветен, в воде не растворяется и по видимым свойствам похож на обычный атмосферный воздух. (Эту первую банку, содержащую смесь воздуха с первыми порциями выделяющегося кислорода, мы отставим подальше и приготовимся к проведению опытов надлежащим образом.)

У кислорода, который мы добывали из воды при помощи электрической батареи, была ярко выражена способность заставлять гореть дерево, воск и т. п.; очевидно, мы можем рассчитывать и здесь найти то же самое свойство. Испытаем газ. Посмотрите, вот как горит лучинка в воздухе, а вот как она горит в этом газе. (Лектор опускает лучинку в кислород.) Видите, как она ярко и хорошо горит!

Вы также можете наблюдать еще вот что: этот газ — тяжелый; водород же поднялся бы вверх подобно воздушному шару или даже еще быстрее: ему не мешал бы вес оболочки. Нетрудно убедиться, что, хотя мы получили из воды вдвое больше по объему водорода, чем кислорода, отсюда еще не следует, чтобы у нас его было вдвое больше и по массе: ведь один газ тяжелый, а другой — очень легкий. Мы располагаем методами определения массы газов или воздуха, но я не буду здесь заниматься этим, а просто сообщу вам, какова масса водорода и кислорода. Пинта водорода имеет массу всего три четверти грана, а тот же объем кислорода — около двенадцати гран. Это очень большая разница. Масса кубического фута водорода — ¹/₁₂ унции, а масса кубического фута кислорода 1 ¹/₃ унции. Продолжая таким образом, мы могли бы дойти до таких масс вещества, которые можно определить с помощью весов, и таких, которые мы можем исчислять на центнеры и тонны, в чем вы очень скоро убедитесь.

Так вот, вернемся к этой способности кислорода — поддерживать горение, — по которой мы можем его сравнивать с воздухом. Я возьму огарок свечи и на нем покажу вам это свойство. Вот наша свечка горит в воздухе, — а как же она будет гореть в кислороде? У меня тут есть банка с кислородом, и я накрою ею свечку, чтобы вы могли сравнить действие этого газа с действием воздуха. Ну, смотрите, Это похоже на тот яркий свет, который вы видели у полюсов электрической батареи. Подумайте, до чего здесь сильна реакция! И тем не менее, по ходу всей этой реакции не возникает ничего такого, что бы не получалось при сгорании свечи в воздухе. В кислороде наблюдается такое же выделение воды и точно такие же явления, какие происходят, когда свеча горит в воздухе.

Рис. 22.

Теперь, познакомившись с этим новым веществом, мы можем исследовать его несколько подробнее, чтобы иметь уверенность в том, что мы в общем хорошо поняли, что собой представляет эта составная часть продуктов сгорания свечи. Способность этого вещества поддерживать горение изумительно велика. Возьмем, например, эту простейшую лампочку, являющуюся своего рода прототипом всякого рода ламп, применяемых для самых различных целей, — для маяков, для освещения предметов, рассматриваемых в микроскоп, и т. д. Если бы понадобилось заставить ее гореть очень ярко, вы бы сказали: «Раз свеча лучше горела в кислороде, то почему бы и лампе не гореть ярче!» Конечно, она будет лучше гореть.

Сейчас я нарочно устрою так, чтобы эта лампочка у нас горело тускло, а затем мистер Андерсон передаст мне трубку, подводящую сюда кислород из банки, где он у нас накопился, и я поднесу ее к пламени лампочки… Вот пошел кислород! И какое получилось пламя! Ну, а что будет с лампой, если я прекращу подачу кислорода? (Закрывается кран, и лампа опять становится тусклой.) Поразительно, до чего мы усиливаем горение при помощи кислорода! Он влияет на горение не только водорода, углерода или свечи — он усиливает все виды горения вообще.

Рис. 23.

Посмотрим, например, как будет гореть в кислороде железо. Ведь вы уже видели, как слабо горит железо в воздухе. Вот банка с кислородом, а вот железная проволока; но даже если бы это был брус толщиной в руку, и то он горел бы совершенно так же, как проволока. К концу проволоки я сперва прикрепляю кусочек дерева и зажигаю его, а затем опускаю все вместе в банку. Смотрите! Дерево горит так, как оно и должно гореть в кислороде. А сейчас горение передастся железу… Вот загорелось и железо. Как ярко оно горит. Так оно и будет гореть долгое время. Если мы обеспечим подачу кислорода, железо будет продолжать гореть, пока не сгорит дотла.

Рис. 24.

Оставим теперь железо и обратимся к какому-нибудь другому веществу. Однако нам придется ограничиться немногими опытами, так как у нас не хватит времени для всех тех иллюстраций, которые вы могли бы посмотреть, будь у нас больше времени. Возьмем кусочек серы, — вы знаете, как сера горит на воздухе. Так вот, поместим ее в кислород, и вы убедитесь, что все, что может гореть в воздухе, может гореть и в кислороде, и притом гораздо интенсивнее. Это наведет вас на мысль, что, пожалуй, сам атмосферный воздух обязан именно этому газу своей способностью поддерживать горение. Сера очень спокойно горит в кислороде, но вы же видите, что реакция здесь несравненно сильнее и интенсивнее, чем при горении серы в обыкновенном воздухе.

Теперь я покажу вам горение еще одного вещества — фосфора. Здесь условия более подходящие для этого опыта, чем у вас дома. Фосфор — вещество весьма горючее; а если так обстоит дело в воздухе, то что вы можете ожидать от горения фосфора в кислороде? Показывать вам его в полной силе я не собираюсь, так как есть риск, что при этом взорвется весь прибор. Даже и так банка может треснуть, несмотря на все мои предосторожности. Видите, как горит фосфор на воздухе. Но какой изумительный свет он испускает при горении в кислороде! (Лектор опускает зажженный фосфор в банку с кислородом.) Вот вы тут видите, как отскакивают твердые частицы, благодаря которым это горение и оказывается таким ослепительно ярким.

До сих пор это свойство кислорода и вызываемое им яркое горение мы испытывали при помощи таких веществ, которые не содержатся в воде и в свече. Теперь нам надо еще рассмотреть это свойство в отношении к водороду. Помните, у нас произошел небольшой взрыв, когда мы дали возможность кислороду и водороду смешаться и гореть вместе. Вы помните также, что когда я сжигал кислород и водород вместе в одной струе, у нас получалось очень мало света, но очень много тепла. Теперь я собираюсь поджечь смесь кислорода и водорода в той же пропорции, в какой они содержатся в воде. Вот сосуд, в котором смешан один объем кислорода с двумя объемами водорода. Таким образом, эта смесь по своей природе не отличается от того газа, который мы сегодня получали при помощи электрической батареи.

Здесь у нас чересчур много газа, чтобы сжечь его одновременно, поэтому я устроил приспособление, чтобы надувать этой смесью газов мыльные пузыри, а затем их поджигать и таким образом на опыте убедиться, как кислород поддерживает горение водорода. Прежде всего проверим, удастся ли нам надуть пузырь. Вот пошел газ. (Через курительную трубку, присоединенную к банке со смесью, лектор пропускает газ в мыльную воду.) Вот и пузырь. Я ловлю его на ладонь. Пожалуй, мои действия в этом опыте покажутся вам странными, но я просто хочу вам доказать, что не всегда можно доверяться шуму и звукам, а лучше держаться подлинных фактов. (Лектор поджигает на своей ладони мыльный пузырь; происходит взрыв.) Я боюсь поджечь пузырь прямо у трубки, потому что взрыв может проникнуть в банку — тогда она разлетелась бы на куски. По всем этим видимым явлениям и по звуку вы можете судить, что кислород с чрезвычайной готовностью и стремительностью соединяется с водородом.

Я надеюсь, что из всего сказанного выше вы теперь можете составить себе понятие о том, что представляет собой вода по отношению к кислороду и к воздуху. Почему кусочек калия разлагает воду на составные части? Потому, что в воде он находит кислород. Я сейчас повторю этот опыт. Что выделяется в свободном состоянии, когда я кладу в воду калий? Выделяется водород, и он-то и горит, а кислород соединяется с калием. Так этот кусочек калия, разлагая всякую воду, в том числе хотя бы воду, полученную при горении свечи, забирает из нее кислород, в свое время забранный свечой из воздуха, и тем самым высвобождает водород. Даже если положить кусочек калия на лед, то, как это ни странно, лед подожжет калий. Я это вам покажу для того, чтобы расширить ваше представление обо всем этом и чтобы вы могли убедиться, до какой степени внешние обстоятельства влияют на результаты опыта. Ведь калий на льду, а получается какое-то подобие вулканического извержения!

Ну, теперь мы познакомились с этими необычайными и удивительными реакциями. На следующей лекции я покажу вам, что такие странные и опасные явления не угрожают нам не только при горении свечи, но и при горении светильного газа в уличных фонарях и топлива в наших каминах, если только мы будем соблюдать соответствующие правила, подсказанные нам природой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Опасные и легковоспламеняющиеся вещества » Предметы запрещенные для пересылки » Посылка » Бизнес » Omniva

Взрывоопасные и взрывчатые вещества

 

Определение:

Любые химические соединения, смеси или средства, которые могут вызвать взрыв или использование которых сопровождается риском моментального разогревания и выделения газа. Все взрывчатые вещества запрещены.

 

Пример:

нитроглицерин, пистоны, ракеты для салюта, зажигательные смеси, взрывчатка, осветительные ракеты, амуниция и т.д.
 

Газы (сжатые, сжиженные или растворенные под давлением)

Определение:

Стабильные газы, которые не сжижаются под воздействием температуры окружающей среды, растворенные в растворителе под давлением. Запрещены:

• сжатые и воспламеняющиеся газы: водород, этан, метан, пропан, бутан, зажигалки, газовые цилиндры для примусов, паяльные лампы и т. д.
• токсичные сжатые газы: хлор, фтор и др.
• невоспламеняющиеся сжатые газы: диоксид углерода, азот, неон, огнетушительные аппараты, в которых есть такие газы, и т.п.
• аэрозоли

 

ВОСПЛАМЕНЯЮЩИЕСЯ ЖИДКОСТИ

 

Определение:

Жидкости, смеси жидкостей или жидкости, в которых есть твердые частицы в виде раствора или суспензии, создающие горючие пары. Запрещены все жидкости, температура возгорания которых в закрытом сосуде ниже 55ºC.

 

Пример:

ацетон, бензол, чистящие средства, бензин, горючее для зажигалок, растворители для красок и чистящие средства, керосин, растворители и т.п.
 

ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИЕСЯ ТВЕРДЫЕ ВЕЩЕСТВА

 

Определение:

Твердые материалы. причиной возгорания которых может быть трения, поглощения влаги, спонтанной химической реакции или тепло, удерживаемого в процессе обработки, или которые легко воспламеняется и горят.

 

Пример:

спички, карбид кальция, целлюлоза, вещества, содержащие нитрат, металлический магний, пленка на базе нитроцеллюлозы, фосфор, калий, натрий, гидрид натрия, порошок цинка, гидрид циркония и т. п.
 

ОКСИДИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА И ОРГАНИЧЕСКИЕ ПЕРОКСИДЫ

 

Определение:

Эти вещества являются самовоспламеняемыми, хоть и не всегда, но они могут вызвать или способствовать воспламенению других веществ. Кроме этого, они могут взорваться, вызвать опасную реакцию, взаимодействовать с другими веществами и создавать угрозу для здоровья.

 

Пример:

броматы, хлораты, компоненты средств для ремонта изделий из стекловолокна, перхлораты, перманганаты, пероксиды и т.п.
 

ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА И ВЕЩЕСТВА, СПОСОБСТВУЮЩИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЮ ИНФЕКЦИЙ, ДРУГИЕ МЕДИЦИНСКИЕ ВЕЩЕСТВА

 

Определение:

Вещества, которые после их заглатывания, вдыхания или соприкосновения с кожей могут вызвать смерть или повреждения. Вещества, содержащие микроорганизмы или их токсины, которые определенно или, возможно, могут способствовать распространению заболеваний.

 

Пример:

мышьяк, бериллий, цианид, фтор, водород, селенит, ртуть, ртутные соли, иприт, диоксид азота, патогенный материал, крысиный яд, сыворотка, вакцины и т. п.
 

РАДИОАКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ

 

Определение:

Все материалы, специфическая активность которых выше 74 килобеккерелей на килограмм (0,002 микрокюри на грамм). Все радиоактивные материалы запрещены.

 

Пример:

распадающиеся вещества (уран 235 и т.п.), радиоактивные отходы, урановая руда или ториевая руда и т.п.
 

ЕДКИЕ ВЕЩЕСТВА

 

Определение:

Вещества, которые могут причинить серьезный вред, поскольку они оказывают химическое воздействие на живые ткани, товары или транспортное средство.

 

Пример:

хлорид алюминия, гидроксид натрия, едкая чистящая жидкость, средство для снятия/предотвращения ржавчины, едкое средство для снятия краски, электробатарейки, соляная кислота, азотная кислота, серная кислота и т.п.
 

ДРУГИЕ ОПАСНЫЕ ВЕЩЕСТВА

 

Определение:

Вещества, создающие угрозу, которую невозможно классифицировать в соответствии с вышеуказанными категориями.

 

Пример:

асбест, сухой лед, магнетизированный материал с силой магнитного поля 0,159 А или выше на расстоянии 2,1 м от упаковки и т. п.

Проблема рынка водорода в том, что он не существует | Водородная энергетика

Рынок водорода вряд ли появится раньше 2040 года. Так утверждает Патрик Хизер в докладе Оксфордского института энергетических исследований (The Oxford Institute for Energy Studies, OIES) «Роль водорода в энергетическом переходе» (The role of hydrogen in the energy transition). А немецкий исследовательский центр Agora Energiewende в докладе «Making renewable hydrogen cost-competitive: Policy instruments for supporting green h3» («Как сделать возобновляемый водород конкурентоспособным: инструменты политики для поддержки зеленого h3») добавляет: даже 200 евро за тонну СО₂ не помогут добиться обозначенной в названии цели.

Проблема «блокировки»: «за» и «против» 

В Европе активно обсуждается вопрос «блокировки» низкоуглеродного водорода из опасения, что его появление перекроет путь на рынок  зеленому водороду, получаемому при разложении воды электроэнергией из ВИЭ.

Вопрос принципиален для достижения цели российских властей «занять 20% европейского рынка водорода» (конечно, когда этот рынок появится). Россия может реально поставлять в Европу только низкоуглеродный водород, получаемый при паровом риформинге природного газа с утилизацией попутного СО₂ (процесс CCS, carbon capture and storage), или получаемый при термическом риформинге (в этом процессе углерод выделяется в твердом виде) — это «голубой» водород. Росатом мечтает поставлять в Европу «желтый» водород, получаемый разложением воды электроэнергией АЭС (ЕС никак не может решить, признавать ли атомную энергию зеленой или не признавать, вопрос подвешен для «дальнейшего изучения» проблем захоронения отходов реактора).

Проблема усугубляется неконкурентоспособностью водорода. Само собой разумеется, что водород уже использовался бы, если бы он был конкурентоспособен с существующими видами ископаемого топлива. Однако это далеко не так. Замена природного газа водородом поднимет цену энергии для потребителей и промышленности в несколько раз.

С одной стороны, Совет ЕС недвусмысленно признал роль низкоуглеродного водорода в содействии декарбонизации: «существуют различные безопасные и устойчивые низкоуглеродные технологии производства водорода, которые способствуют быстрой декарбонизации». Однако это встретило сопротивление со стороны зеленых, которые рассматривают низкоуглеродный водород как средство, позволяющее продлить существование ископаемого топлива.

Хотя в январе 2021 года члены Европейского парламента проголосовали за использование низкоуглеродного водорода из природного газа в качестве временного решения до тех пор, пока возобновляемый водород не станет коммерчески доступным, депутат Европарламента от Зеленых Ютта Паулюс осталась недовольна: «К сожалению, сформировалось грязное большинство, которое больше сосредоточилось на будущем газовой промышленности, чем на экологических проблемах».

Барбара Мариани, сотрудник по вопросам политики Европейского экологического бюро, выразилась еще жестче: «Трудно избежать эффектов блокирования при миллиардах евро, инвестируемых в долгосрочные и дорогостоящие технологии, необходимые для производства, транспортировки и развертывания климат-вредительских видов водорода».

Сторонники («грязное большинство») использования «климат-вредительских» видов водорода упирают на то, что главное – начать масштабное использование водорода. Пусть развиваются водородные сети и водородные технологии, а потом, когда осуществится светлая мечта человечества и водород из электроэнергии ВИЭ станет конкурентоспособным, он легко заменит водород из природного газа. 

Алекс Барнс проводит параллель с рынком электроэнергии, где возобновляемая электроэнергия заменяет электроэнергию на ископаемом топливе, как только возобновляемые источники энергии становятся конкурентоспособными по цене.

Есть и другая возможность, пишет Барнс: даже если возобновляемый водород никогда не станет конкурентоспособным по стоимости с низкоуглеродным, те потребители, которые придают большее значение углеродному следу, смогут добровольно заключить контракт на покупку возобновляемого водорода, как это сейчас делается с сертификатами на зеленую электроэнергию. Кроме того, правительства могут заставить потребителей использовать только возобновляемый водород, заставить производителей поставлять только его, или сделать стоимость углеродных выбросов такой, чтобы низкоуглеродный водород был дороже (на радость спекулянтам углеродными квотами).

А Agora Energiewende без обиняков заявляет: даже цены на выбросы углерода от 100 до 200 евро за тонну будет недостаточно, чтобы сделать возобновляемый водород достаточно конкурентоспособным. Поэтому поддержка использования возобновляемого водорода в соответствии с целями европейской Водородной стратегии будет стоить Европе 10–24 млрд евро в год в течение всего текущего десятилетия. То есть 100–240 млрд перекочует в чьи-то карманы. Как же это выгодно — быть зеленым! 

Водород и дилемма «курицы и яйца»

Любая принципиально новая технология упирается в дилемму «курицы и яйца»: что сначала — производство или рынок сбыта? Нет смысла производить водород, если его некому продать. Все заявления российских властей о развитии водородного рынка уперлись в простой факт: «Газпром» способен хоть завтра продавать, в том числе на экспорт, 26 млн т водорода, но его никто не берет. И неизвестно, когда будет брать и будет ли вообще.

Природный газ успешно вышел на рынок, вытесняя более дорогой городской газ, получаемый с конца XVIII века путем газификации угля. Широкому внедрению газа в промышленность также способствовало открытие в 50-е годы в Северном море его гигантских месторождений. Промышленники уверились в достаточном количестве газа для перехода от угольных к газовым технологиям и в том, что газ всегда будет дешевле. 

С водородом такой фокус не пройдет. Во-первых, он в несколько раз дороже газа, во-вторых, пока никто не может гарантировать, что водород всегда будет доступен на рынке по приемлемой цене. Патрик Хизер напоминает: переход с городского газа на природный в Великобритании занял 10 лет, почти 15 лет потребовалось, чтобы завершить процесс либерализации газового рынка, и еще пять, чтобы британская площадка торговли газом, National Balancing Point, стала ликвидным, зрелым торговым центром. Автор оптимистично предполагает, что если промышленность и политики будут сосредоточены на конечной цели декарбонизации Европы с помощью водорода и не будут отвлекаться на вопросы о том, как он был получен и какова его чистота, торгуемый рынок водорода, возможно, появится к 2040 году.

Ни один водородный проект не получил финансирования

О новых водородных проектах сообщают едва ли не каждый день. Но радоваться этому рано. Так, японцы в 2020 году построили для Австралии единственное в мире судно Suisso Frontier, способное перевозить жидкий водород при температуре -253 °C в сосуде с вакуумной изоляцией (в просторечии «сосуд Дьюара»). Но не ищите новостей о поставках: согласно Википедии, они запланированы только на весну 2022 года. 

В Швеции начат широко разрекламированный проект HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology, Водородная технология производства железа). Восстановление железа водородом — технология, старая как мир. Но ни один такой проект не вышел на промышленный уровень из-за дороговизны процесса, кокс в несколько раз дешевле. 

Шведы сделали себе хорошую зеленую рекламу, но вкладывать деньги не спешат. Mårten Görnerup, генеральный директор предприятия, объясняет сроки реализации проекта: «Предварительное технико-экономическое обоснование началось в 2016 году, сейчас мы строим пилотную установку и будем проводить испытания в период с 2020 по 2024 год. К 2028 году мы расширимся до демонстрационной установки, которая будет круглосуточно работать как промышленный объект в течение нескольких месяцев. Если все будет хорошо, цель состоит в том, чтобы к 2035 году начать производственный процесс». Металлургический проект длительностью 20 лет? Комментарии излишни.

Патрик Хизер честно признается: «Многие из этих [водородных] проектов получили первоначальное финансирование для анализа и технико-экономического обоснования, но до сих пор ни один из них не получил финансирования для реализации!» Можно подозревать, что и не получит.

Например, в Японии, которая объявила о своем водородном будущем, согласно базовой водородной стратегии, выпущенной в 2017 году, затраты на поставку голубого водорода без CO₂ должны быть снижены с нынешних 170 японских иен за кубический метр примерно до 30 иен в 2030 году и 20 иен в 2050 году. Цель — достигнуть паритета с существующими затратами на производство электроэнергии на основе сжиженного природного газа, где целевой показатель на 2050 год — 20 иен/м³. Такого (восьмикратного!) снижения цен на водород не будет никогда, потому что невозможно подобное снижение цен на первичную энергию (хоть ВИЭ, хоть природного газа и угля), необходимую для получения водорода. 

Наиболее реально увидеть в ближайшем будущем добавку водорода в природный газ. Смысла в этом нет никакого (не считать же за смысл «сокращение выбросов парниковых газов», что, скорее, вредительство по отношению к человеческой цивилизации), но и катастрофы не случится. Просто в два-три раза вырастет цена газа для потребителей, как выросла из-за ВИЭ цена электроэнергии. А фундаментальные исследование многих академий подтверждают, что если к газу добавить водород, он как горел в конфорке, так и будет гореть. С чем вас и поздравляем!

история водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации / Хабр

За годы ВОВ около 600 таких полуторок (ГАЗ-ММ), что перед заградительным аэростатом, были переведены на водород

Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.

Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.

В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.

Почему водород — превосходное топливо

Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.

Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.

Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:

• Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.

• Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.

• Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси. 

С чего началось применение водорода на транспорте

Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.

В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.

Водородная лебедка для аэростата

Фотографии и коллажи блокадного Ленинграда, который в сентябре 1941 года был отрезан от остальной страны

С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.

Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.

Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема

Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.

Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.

Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.

Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.

И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.

Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.

В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.

Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.

Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.

В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.

Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.

Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.

Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения

На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.

Это микроавтобус РАФ 22031:

Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.

Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.

Авиастроение

Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.

Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.

Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».

К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.

Переход на топливные элементы

Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.

В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.

Пять проблем, мешающих водороду стать массовым

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.

Проблема 1. Это очень дорого

Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.

Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.

Способ получения водорода	Себестоимость в долларах США на кг
Паровая конверсия природного газа (метана)	4–6
Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы	6–7
Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов	7–11
Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции	10–30

Даже учитывая, что по теплоте сгорания один килограмм водорода эквивалентен трем килограммам бензина, водородное топливо стоит в несколько раз дороже. Для самого дешевого способа производства — конверсии природного газа, в основном метана, разница вроде бы не очень велика. Но возникает вопрос: а зачем это нужно, если метан сам по себе отличное топливо для автомобильного двигателя? 

Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.

Проблема 2. Сложно держать в автомобиле

Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).

Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.

Вид топлива	Плотность, кг/л	Низшая теплота сгорания, МДж/кг
Сжатый водород	0,016	120
Сжиженный водород	0,07	120
Бензин	0,75	44
Метанол	0,72	20,5

Стоит также вспомнить, что водород в жидком виде существует в очень узком диапазоне температур: от минус 252,87 до 259,14 ℃ — близко к температуре абсолютного нуля.

Чтобы сохранять водород при такой температуре, необходима высокотехнологичная криогенная емкость с уникальной тепловой изоляцией, не позволяющей теплоте извне проникнуть внутрь. Это дорогостоящее устройство.

Схема сосуда Дьюара

И даже у этих дорогих высокотехнологичных устройств нет идеальной тепловой изоляции. Специалисты фирмы BMW — пионера в области криогенных технологий для автомобильного транспорта — признаются, что водород все равно не выходит долго хранить в жидкой фазе. Каждый день один-два процента водорода теряются из-за испарения и последующей утечки. В итоге автомобиль, заправленный жидким водородом, весьма быстро останется с пустым баком. Это подтверждают, например, владельцы водородных гибридов Toyota Mirai.

Есть еще один способ хранения водорода — с помощью так называемых металлогидридных аккумуляторов. Это конструкция из сплава двух разнородных металлов — например, железа и титана или никеля и магния, — которая способна в определенных условиях задерживать водород (хранить молекулы газа внутри своей кристаллической решетки) и выделять его при нагреве, например с помощью отработавших газов.

Однако металлогидридные аккумуляторы стоят дорого, поскольку содержат цветные и редкоземельные металлы. Плюс они большие по массе и габаритам.

Проблема 3. Взрывоопасность

У тех, кто занимается водородной энергетикой, есть специальный термин в контексте этой проблемы — синдром Гинденбурга. Он возник после гибели знаменитого дирижабля в 1937 году.

Бум строительства дирижаблей пришелся на тридцатые годы прошлого века.

Дирижабль — это жесткий каркас с тканевой или прорезиненной оболочкой, заполненной газом для создания подъемной силы. В 1930-е годы их наполняли водородом. Сейчас для этого используют гелий, но на тот момент в Германии, активно занимавшейся дирижаблями, еще не было промышленных технологий его получения.

3 мая 1937 года экипаж Гинденбурга совершил привычный трансатлантический полет из Германии в США, высадил пассажиров в Вашингтоне и полетел в Нью-Йорк. При стыковке со станцией произошел взрыв. Как потом выяснило следствие, с большой вероятностью дирижабль воспламенился от искры, которая возникла при контакте его корпуса со стыковочной станцией. 

Емкости с водородом сгорели буквально за считаные секунды, поскольку этот газ имеет самую высокую скорость сгорания. Тогда погибли несколько десятков человек: экипаж, пассажиры дирижабля и несколько людей на земле. После гибели Гинденбурга люди стали задумываться, насколько безопасно применять водород в качестве топлива для автомобильного транспорта.

Проблема 4. Отсутствие заправок

В мире больше 1,1 миллиарда автомобилей. К концу 2019 года функционировали около 2 тысяч водородных заправочных станций, и лишь 8% из них работали со сжиженным водородом. В России заправочные станции массово появятся лишь к 2025 году, а сейчас функционирует только одна.

Проблема 5. Низкий КПД

Обычный бензиновый ДВС имеет КПД порядка 20–40%, водородный ДВС — около 25%, электромобиль с системой на водородных топливных элементах — уже 60% и более. Другими словами, сжигать водород в цилиндрах экономически нецелесообразно, а вот получать из него электричество — уже выгоднее. 

Но тут надо помнить, что если мы начнем считать КПД от первичного источника энергии до колес, т. е. от затраченной энергии на электролиз воды и до его окисления в топливных элементах, итоговый КПД составит около 30%. Ведь водород надо сначала получить, потом сжать — и все это энергозатратные процессы. 

Теперь сравните этот процесс с простой зарядкой аккумулятора, где потери энергии будут как минимум в два раза меньше. И это мы еще не поднимаем вопрос стоимости обслуживания водородных установок и двигателей.

А что дальше

Во всем мире грядет водородный бум, но к технологии остается много вопросов. История показывает, что подступиться к ней пытались не одно десятилетие. То, что водород будет в ходу, — факт. Но что-то мне (редактору этого блога) подсказывает, что он будет нишевым продуктом, используемым в отдельных областях и сценариях. Например, для хранения избытков электроэнергии от электростанций ВИЭ. Или в коммерческом транспорте: городских автобусах и грузовиках, поскольку им нужен минимум инфраструктуры.

Сжигание водорода — обзор

6 долгосрочных вариаций солнечной энергии

В этом разделе сначала рассматривается, что теория звездной эволюции говорит нам о прошлом и будущем Солнца в космических масштабах времени. Затем он исследует рекорд числа солнечных пятен на предмет свидетельств солнечной изменчивости в течение нашей собственной жизни и несколько раньше. Он расширяет запись на многие тысячелетия, используя радиоизотопы в качестве индикаторов циклов активности. Наконец, он спрашивает, что другие звезды солнечного типа говорят о циклах в целом и как это связано с Солнцем.

Когда Солнце коллапсировало из солнечных туманностей, гравитация уравновешивалась давлением и, возможно, магнитными полями, пока Солнце не превратилось в стабильную звезду «главной последовательности» около 5 × 10 ⁹ лет назад. Первоначально горение водорода ограничивалось крайним ядром Солнца, и его светимость тогда составляла 70% от его текущего значения. Если бы Солнце внезапно приняло эту пониженную мощность, Земля замерзла бы. Существует мало или совсем нет геологических свидетельств того, что это происходило в прошлом, и это раннее тусклое солнце считается загадкой.Предположительно, это связано с составом первозданной атмосферы Земли, которая полностью отличалась от нынешней.

В настоящее время горение водорода в p-p реакции ограничено 0,3 R _⊙ . По мере того как водород будет истощаться еще через 5 × 10 ⁹ лет, горение водорода будет ограничено оболочкой увеличивающегося радиуса, а Солнце значительно расширится в 30 раз, превратившись в светящегося красного гиганта. На земле больше не будет жизни.Фактически, недавнее моделирование предполагает, что Земля станет непригодной для жизни всего через 500 миллионов лет. После того, как водород уйдет, Солнце сожмется, сожжет гелий и в конечном итоге превратится в белого карлика размером с Землю. Это большая картина.

Сегодня больший интерес представляет изменчивость Солнца в настоящее время и в ближайшем прошлом. В 1976 году Джек Эдди сравнил исторический рекорд числа солнечных пятен с наблюдениями полярных сияний и с земными резервуарами временного ряда ¹⁴ C, чтобы определить минимум Маундера.Конечно, это было до ACRIM, но его открытие корреляции между солнечными и земными событиями подтвердило обоснованность эксперимента.

Архивы номеров солнечных пятен ни в коем случае не имеют одинакового качества с течением времени. Начиная с международного геофизического года (1956–1957), участники конкурса стремились наблюдать и сообщать о количестве солнечных пятен. Но до этого усилия были смешанными, и в течение столетия, прошедшего после открытия Галилеем пятен с помощью телескопа, мы почти не имели представления о том, насколько интенсивно наблюдалось Солнце.Французские астрономы, особенно такие ученые, как Элизабет Рибес из Медона, искали из неясных источников недостающие данные о солнечных пятнах. Недавно Дуг Хойт и Кен Шаттен обнаружили, что благодаря нанесению на график номеров групп пятен, а не просто числа пятен, ранние записи стали более полными и, возможно, более надежными (рис. 5). Однако мало кто сомневается в реальности минимума Маундера.

Историческая запись солнечных пятен насчитывает около 400 лет, тогда как радиоизотопные индикаторы могут, в принципе, давать информацию о солнечной активности с точностью до 100 000 пар оснований (раньше).После недавней обзорной статьи Юрга Бера в этой статье теперь исследуются последние тысячелетия солнечной активности с использованием радиоизотопов, обнаруженных в кольцах деревьев и ледниковом льду в качестве индикаторов.

Галактические космические лучи непрерывно проходят через солнечную систему. Насколько известно, этот поток космических лучей постоянен. Галактические космические лучи состоят из протонов (87%), ядер гелия (12%) и более тяжелых элементов (1%). В зависимости от энергии эти частицы взаимодействуют с азотом и кислородом в атмосфере с образованием ¹⁴ C и ¹⁰ Be.Возмущения геомагнитного поля Земли и магнитного поля гелиосферы рассеивают космические лучи и уменьшают их поток на Земле. В частности, корональные выбросы массы, связанные с активностью солнечных пятен, модулируют поток низкоэнергетической компоненты космических лучей.

Изотопы природного происхождения — это ¹² C и ⁹ Be, тогда как продуктами космических лучей являются радиоизотопы ¹⁴ C и ¹⁰ Be. ¹⁴ C имеет срок службы 5730 лет и скорость образования космических лучей в атмосфере 2 атома / см ² / с. ¹⁰ Be имеет срок службы 1,5 × 10 ⁶ лет, но производительность составляет всего 2% от ¹⁴ C.

После создания ¹⁴ C подвергается довольно сложному процессу смешивания, циркулируя между атмосфера и океаны, прежде чем они будут окончательно поглощены биосферой (например, деревьями). По этой причине его способность показывать 11-летний цикл Швабе ослабляется в 100 раз, а годичные кольца не показывают 11-летний цикл. Отношение изотопов ¹⁴ C / ¹² C показывает изменение до 10% за последние 10 000 лет с небольшой зависимостью от широты.Считается, что долгосрочные тенденции в основном связаны с медленными изменениями геомагнитного поля со слабой, но четкой модуляцией солнечного излучения, наложенной, чтобы отметить минимум Маундера.

¹⁰ Be имеет гораздо более прямой путь от его источника в стратосфере до, например, отложения снега на леднике Гренландии. Его временное разрешение составляет примерно 1 год, так что цикл Швабе хорошо раскрывается. Как и ¹⁴ C, он модулируется главным образом геомагнитным полем.Он показывает явное предпочтение полярных широт, тогда как ¹⁴ C не зависит от широты. Эти различия между ¹⁴ C и ¹⁰ Be могут быть использованы для подавления доминирующего сигнала от геомагнетизма и геохимических эффектов. Антропогенное изменение топлива, сжигающего углерод, стало новым тревожным сигналом XIX века.

Спектральный анализ записей ¹⁴ C годичных колец, проведенный Полом Дэймоном и его коллегами, выявил 88-летний цикл Глейсберга.Подобное исследование записей керна льда ¹⁰ Be показало 11-летний цикл Швабе и 205-летний цикл, названный в честь Де Вриза. Обе записи ¹⁴ C и ¹⁰ Be показывают периоды низкой активности, которые обозначены минимумами Маундера, Шперера и Вольфа. Хотя датировка является потенциальной проблемой, ¹⁰ ледяных кернов Be могут проследить цикл Швабе на 100 000 лет назад.

Наконец, эта статья обращается к звездам солнечного типа как к руководству по циклам активности и к тому, чего ожидать.Солнце классифицируется как G2V (то есть карлик главной последовательности), в основном на основании относительной силы его спектральных линий. (Астрономы классифицируют звезды как O, B, A, F, G, K или M на основе спектров низкой дисперсии. Ряд представляет собой цикл температуры, где O — горячие звезды с поглощением He II, а M — холодные звезды с сильным полосы молекулярного TiO. Каждый класс далее подразделяется на пронумерованные категории (1, 2,… 9.) Кроме того, существуют классы светимости от I (сверхгиганты) до V (карлики главной последовательности).Опытный наблюдатель может сразу классифицировать звезду, просто изучив ее спектр. Фотометрический цвет звезд является приблизительным ориентиром для определения спектрального класса и является удобным методом, когда необходимо исследовать большое количество звезд. Конечно, для изучения спектра требуются спектры.)

В 1960-х годах Олин Уилсон начал программу интенсивных наблюдений за линиями кальция H и K у звезд, которые были признаны похожими на Солнце. Это было предпринято в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, и многие известные астрономы, в частности Салли Балиунас и Роберт Нойес, присоединились к этой работе.Идея была захватывающей. Есть ли там звезды, похожие на наше солнце? Конечно, нужно учитывать огромное количество звезд. Первым критерием был синий – визуальная величина (B-V) или цвет (для солнца B-V = 0,65), затем спектральный класс, как описано ранее. И, наконец, вопрос возраста вырисовывается из спектра. Известно, что с возрастом циклы активности сокращаются. Некоторое представление об активности, а следовательно, и о возрасте, можно сделать по силе кальциевых линий H и K.

Одним из первых результатов этого поиска был любопытный недостаток звезд, подобных Солнцу — солнечных близнецов.Даже по сей день, после изучения сотен кандидатов, точного близнеца не найдено. На момент написания этой статьи ближайшей похожей на Солнце звездой была 18 Scopii, спектр которой примерно такой же, но чья циклическая активность имеет большую амплитуду.

С другой стороны, обнаружено множество циклов, сравнимых с солнечными. Другие звезды, которые иначе квалифицируются по возрасту и спектру, демонстрируют небольшую циклическую амплитуду или вообще не имеют ее. Предполагается, что эти звезды могут находиться в состоянии, сравнимом с маундеровским минимумом.Оглядываясь назад на тысячелетние записи от ^{до 14} C, можно заметить, что Солнце неактивно каждые несколько сотен лет или примерно одну треть времени. Этим условием можно объяснить наличие звезд без циклов, и это подтверждает гипотезу о том, что Солнце может снова стать неактивным. С другой стороны, в зависимости от обстоятельств рождения звезды, могут быть случаи, когда туманность изначально имела очень низкий угловой момент. Это создало бы звезды без заметных циклов активности, то есть звезды в постоянном состоянии минимума Маундера.

Вопрос возраста — сложная задача, которую удалось обойти с помощью схемы, разработанной Марком Джампапой и Ричардом Радиком. С помощью коллег-астрономов они наблюдали звезды солнечного типа в рассеянном скоплении M67. Преимущество состоит в том, что все звезды должны иметь одинаковый возраст, что исключает эту переменную. До сих пор было обнаружено, что циклы солнечного типа действительно преобладают, но, по-видимому, существует отдельный класс сверхсильных циклов. Этот проект продолжается.

Архивы ¹⁰ Be на основании сигналов звезд солнечного типа и солнечной активности, такой как CME (которые продолжают бомбардировать Землю даже при минимуме солнечной активности), убедительно свидетельствуют о том, что с Солнцем многое происходит, из которых в настоящее время мы не знаем. Есть много работы для будущих поколений физиков Солнца.

Водородное пламя | Hydrogen Tools

Водород воспламеняется при концентрациях в воздухе от 4% до 75%, что является очень широким диапазоном по сравнению с другими распространенными видами топлива.(См. Диаграмму диапазона воспламеняемости для водорода и других распространенных видов топлива).

• Концентрация водорода могла бы легко достичь нижнего предела воспламеняемости (4%), если бы произошла утечка в замкнутом пространстве без вентиляции. Утечка на открытом воздухе просто быстро поднимется и рассеется.
• Водород горит бледно-голубым пламенем, которое почти невидимо в дневное время, поэтому пожары практически невозможно увидеть невооруженным глазом.
• Водородные огни имеют низкое тепловое излучение, поэтому вы не можете почувствовать присутствие пламени, пока не окажетесь очень близко к нему (или даже в нем).
• Возгорание не может происходить в баке, содержащем только водород. Для возникновения горения требуются кислород (или воздух) и источник воспламенения.

  Пламя водорода и пропана при дневном свете (Фото любезно предоставлено HAMMER)	Пламя водорода и пропана ночью (Фото любезно предоставлено ImageWorks)

• К потенциальным источникам возгорания относятся:
  • Электрооборудование
    • Статическое электричество
    • Электрический заряд от работы оборудования
  • Механический
    • Удар
    • Трение (трущиеся поверхности)
    • Металл перелом
  • Тепловой
    • Открытое пламя
    • Высокоскоростной струйный нагрев
    • Горячие поверхности (например,г., выпускной коллектор)
    • Выхлоп автомобиля
  • Химическая промышленность
• 
  Используемая тепловизионная камера
  (Фото любезно предоставлено HAMMER) Обнаружение водородного пламени
  • Водород горит бледно-голубым пламенем, почти невидимым при дневном свете. Пламя может казаться желтым, если в воздухе есть примеси, такие как пыль или натрий.
  • Пламя из чистого водорода не дает дыма.
  • Водородное пламя имеет слабое тепловое излучение.В отличие от углеводородного огня, вы можете не чувствовать тепла, пока не окажетесь очень близко к пламени.
  • Из-за этих свойств по возможности используйте переносной датчик пламени, например тепловизор. Если оборудование для обнаружения пламени недоступно, прислушайтесь к выпуску водорода и следите за тепловыми волнами.
  • Обратите внимание, что вентиляционные трубы являются стандартными в хранилищах, и воспламенение выходящего газообразного водорода является обычным явлением. Системы спроектированы так, чтобы делать это безопасно.
  • Извещатели пламени могут быть установлены в складских помещениях и на автозаправочных станциях.Слушайте и следите за звуковыми или визуальными сигналами тревоги.

Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода

Водород (H ₂ ) — альтернативное топливо, которое можно производить из различных внутренних источников. Хотя рынок водорода в качестве транспортного топлива находится в зачаточном состоянии, правительство и промышленность работают над чистым, экономичным и безопасным производством и распределением водорода для широкого использования в электромобилях на топливных элементах (FCEV).Легковые автомобили FCEV теперь доступны в ограниченных количествах для потребительского рынка в локализованных регионах внутри страны и по всему миру. Рынок также развивается для автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (такого как вилочные погрузчики), наземного вспомогательного оборудования, грузовиков средней и большой грузоподъемности, морских судов и стационарного оборудования. Для получения дополнительной информации см. Свойства топлива и Центр ресурсов по анализу водорода.

В нашей окружающей среде много водорода. Он хранится в воде (H ₂ O), углеводородах (таких как метан, CH ₄ ) и других органических веществах.Одной из проблем использования водорода в качестве топлива является его эффективное извлечение из этих соединений.

В настоящее время паровой риформинг — сочетание высокотемпературного пара с природным газом для извлечения водорода — составляет большую часть водорода, производимого в Соединенных Штатах. Водород также можно получить из воды путем электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, и избегая вредных выбросов, связанных с другими видами производства энергии.

Почти весь водород, ежегодно производимый в Соединенных Штатах, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов.

Хотя производство водорода может приводить к выбросам, влияющим на качество воздуха, в зависимости от источника, FCEV, работающий на водороде, выделяет только водяной пар и теплый воздух в качестве выхлопных газов и считается автомобилем с нулевым уровнем выбросов. Основные усилия в области исследований и разработок направлены на то, чтобы сделать эти автомобили и их инфраструктуру практичными для широкого использования.Это привело к развертыванию легких серийных автомобилей для розничных потребителей, а также к первоначальному внедрению автобусов и грузовиков средней и большой грузоподъемности в Калифорнии и доступности автопарка в северо-восточных штатах.

Узнайте больше о водороде и топливных элементах из отдела технологий водородных и топливных элементов.

Водород в качестве альтернативного топлива

Водород считается альтернативным топливом в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Интерес к водороду как альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью приводить в действие топливные элементы в транспортных средствах с нулевым уровнем выбросов, его потенциалом для внутреннего производства и быстрой заправкой топливных элементов. время и высокая эффективность.Фактически топливный элемент, соединенный с электродвигателем, в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине. Водород также может служить топливом для двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от FCEV, они производят выбросы из выхлопной трубы и менее эффективны. Узнайте больше о топливных элементах.

Энергия 2,2 фунта (1 килограмм) газообразного водорода примерно такая же, как энергия 1 галлона (6,2 фунта, 2,8 кг) бензина. Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа для достижения дальности движения обычных транспортных средств.В большинстве современных приложений используются резервуары высокого давления, способные хранить водород при плотности 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, производимые производителями автомобилей и доступные в дилерских центрах, имеют резервуары на 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные диспенсеры, которые в основном расположены рядом с автозаправочными станциями, могут заполнить эти резервуары примерно за 5 минут. В электрических автобусах на топливных элементах в настоящее время используются баки емкостью 5000 фунтов на квадратный дюйм, для заполнения которых требуется 10–15 минут. Другие способы хранения водорода находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.Узнайте больше о хранении водорода.

Данные с розничных станций заправки водородом, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время, затрачиваемое на заправку топливом FCEV, составляет менее 4 минут.

Калифорния является лидером в строительстве водородных заправочных станций для автомобилей FCEV. По состоянию на середину 2021 года 47 розничных водородных станций были открыты для публики в Калифорнии, а также одна на Гавайях, а еще 55 находились на различных стадиях строительства или планирования в Калифорнии.Эти станции обслуживают более 8000 автомобилей FCEV. Калифорния продолжает предоставлять финансирование для строительства водородной инфраструктуры в рамках своей Программы чистого транспорта. Калифорнийская энергетическая комиссия уполномочена выделять до 20 миллионов долларов в год до 2023 года и инвестирует в первые 100 общественных станций для поддержки и поощрения этих транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. Кроме того, в северо-восточных штатах планируется построить 14 станций розничной торговли, некоторые из которых уже обслуживают клиентов автопарка.

Производители автомобилей предлагают FCEV только потребителям, живущим в регионах, где есть водородные станции.Неразничные станции в Калифорнии и по всей стране также продолжают обслуживать автопарк FCEV, включая автобусы. Многие распределительные центры используют водород в качестве топлива для погрузочно-разгрузочных машин в своей нормальной работе. Кроме того, было сделано несколько заявлений о производстве большегрузных автомобилей, таких как линейные грузовики, для которых потребуются заправочные станции с гораздо большей мощностью, чем существующие заправочные станции для легких грузовых автомобилей. Найдите водородные заправочные станции в Соединенных Штатах.

Лучше ли внутреннее сгорание водорода, чем топливные элементы?

Хотя водород — и водородные топливные элементы — все еще могут играть важную роль в транспорте будущего, даже многие сторонники водорода признают, что внутреннее сгорание водорода, вероятно, не будет.

Так было не всегда. Около 15 лет назад была большая надежда на идею внутреннего сгорания водорода — по сути, запуск двигателей, мало чем отличающихся от бензиновых, на хранении первого элемента таблицы Менделеева.

BMW предлагала версию BMW 7-й серии 2005-2007 годов под названием Hydrogen 7 с 6,0-литровым двигателем V-12, который мог работать на бензине или водороде. Он заявлял, что КПД на водороде составляет около 40 процентов — по сравнению с большинством бензиновых двигателей.

НЕ ПРОПУСТИТЕ: Энергопотребление для транспортных средств на водородных топливных элементах: выше, чем у электриков, даже у гибридов

Mazda была особенно активна в этой области и утверждала, что ее роторный двигатель Ванкеля особенно хорошо подходит для водорода, поскольку конструкция двигателя уже имеет тенденцию работать при более низких температурах, чем обычные поршневые двигатели, и, таким образом, может снизить опасения по поводу NOx.Сначала у него была двухтопливная версия RX-8, которая могла при необходимости переключаться между водородом и бензином, а затем в Premacy h3 RE как часть серийной гибридной системы. Когда мы управляли этим автомобилем в первые дни выпуска Green Car Reports , мы обнаружили, что он довольно веселый благодаря своей системе электродвигателя.

Mazda Premacy Hydrogen RE Гибрид

Проблемой любого из этих транспортных средств — не считая чистой стоимости — была непрактичность хранения достаточного количества водорода для получения значимого диапазона.Hydrogen 7 мог проехать всего 125 миль на 17,6 фунтах водорода, после чего в игру вступил бензин. С другой стороны, нынешний автомобиль на топливных элементах Hyundai Nexo 2019 года может проехать 380 миль на 13,7 фунтах водорода.

В последние годы эффективность транспортных средств на топливных элементах превысила 50-процентную отметку, что означает, что более половины энергии, содержащейся в водороде, используется для работы транспортного средства. Hyundai, например, заявила, что сама батарея топливных элементов в Nexo работает с КПД до 60 процентов.

ПРОВЕРКА: Эта диаграмма 11-летней давности объясняет проблему с автомобилями на водородных топливных элементах

Хранение водорода в автомобиле по-прежнему остается проблемой, поэтому технология, которая может идти дальше за драгоценную унцию водорода (то есть топливные элементы), является победителем. Топливный элемент Honda Clarity, например, проезжает 366 миль на своих 12 фунтах водорода, хранимых при давлении 10000 фунтов на квадратный дюйм и требующих трех отдельных цилиндрических баков для поддержания достаточно практичной упаковки (даже при этом спинки задних сидений не складываются и не позволяют пройти через.

2017 Honda Clarity Топливный элемент

Кроме того, внутреннее сгорание водорода не решает основную проблему с водородом, а именно его доставку и распределение из устойчивых источников. Ассортимент водородных транспортных средств является еще одним препятствием, поскольку инфраструктура постепенно развивается.

Конечно, должна была быть причина, по которой руководители отдела исследований и разработок и инженеры нескольких крупных автопроизводителей, часто имеющие докторскую степень и очень хорошо понимающие, как работают энергия и сгорание, а также проблемы, с которыми сталкиваются топливные элементы и производство водорода, принимали во внимание в первую очередь внутреннее сгорание водорода.

Я посетил несколько таких презентаций. В то время топливные элементы были громоздкими и непомерно дорогими. Сохранение схемы внутреннего сгорания считалось более дешевым и могло производиться наряду с существующими моделями.

ПОДРОБНЕЕ: из-за нехватки водорода автомобили на топливных элементах задыхаются в Калифорнии

Но времена изменились. Топливные элементы стали намного меньше и более энергоемкими и теперь имеют размер примерно с чемодан для ручной клади, а в следующем поколении потенциально могут стать еще меньше.

Водородные двигатели внутреннего сгорания по-прежнему производят одни из самых скандальных загрязняющих веществ, NOx, из-за которых их выбросы «на колесах» были хорошими, а не такими экологичными, даже до того, как скандал с выбросами Volkswagen сосредоточил внимание на этом компоненте выхлопных газов.

Хотя приведенное ниже видео из Engineering Explained, выпущенное в конце прошлого года, объясняет, почему внутреннее сгорание водорода сейчас выглядит глупой идеей, стоит вспомнить, почему: инженерные разработки и экономическое обоснование того, что работает в настоящее время (и почему), очень сильно развиваются. быстро.

Итак, объявите водородное внутреннее сгорание мертвым. Но мы не готовы делать такие заявления в отношении топливных элементов. По мере того, как растет количество электрических и электрифицированных транспортных средств, топливные элементы могут все больше функционировать как часть всей экосистемы электромобилей; и, возможно, обменять на батареи — в промышленных приложениях или в контурах коммерческих автомобилей, где они, в конце концов, могут оказаться разумной идеей.

Почему бы нам просто не запустить двигатели внутреннего сгорания на водороде?

Мы знаем, что нам нужно найти замену ископаемому топливу.Автопроизводители прилагают все усилия, чтобы найти решение этой дилеммы. Похоже, что большинство из этих решений связано с избавлением от наших любимых двигателей внутреннего сгорания. Но не могли бы мы просто перепроектировать типичный поршневой двигатель, чтобы он работал на чем-то более чистом, например, на водороде?

Если бы это было так просто. Как объясняет Джейсон Фенске из Engineering Explained, вы можете сконструировать поршневой двигатель, работающий на водороде. Это было бы не очень хорошо.

Водород — заманчивое альтернативное топливо. При правильном сжигании выделяется только водяной пар.Уже в этом месяце компания Fenske изучает возможности водорода в нескольких видеороликах, как в качестве топлива для поршневых двигателей, так и для роторных двигателей.

Есть две основные проблемы с водородным двигателем внутреннего сгорания. Во-первых, водород не такой энергоемкий, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно много его, чтобы выполнить небольшую работу. Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность (в лучшем случае вы превращаете только около 30 процентов энергии топлива в поступательное движение), и вы получите рецепт разочарования.

Вторая проблема? Когда вы сжигаете водород, вы получаете другие выбросы, помимо водяного пара. В основном, вы получаете NOx, токсичные выбросы, лежащие в основе скандала с мошенничеством с дизельными двигателями Volkswagen. Если вы ищете чистую альтернативу бензину, выбросы водорода NOx исключают его из эксплуатации.

Ответ? Используйте водород в топливном элементе для выработки электроэнергии. Топливные элементы намного эффективнее двигателей внутреннего сгорания, а водородный топливный элемент имеет более чистые выбросы, чем водородный двигатель внутреннего сгорания.Чтобы узнать больше, посмотрите полное видео Фенске ниже.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Производство водорода: эти газовые турбины могут работать на самом многочисленном элементе во Вселенной

Если вы изучали химию в школе, память о водороде будет улетучиваться из прошлого — в буквальном смысле.Вы не можете увидеть или почувствовать запах водорода, но вы поймете, что он там есть, когда услышите скрипучий звук , хлопающий , когда держите зажженную спичку над пробиркой. Легкая воспламеняемость и беспрецедентная легкость водорода позволяют легко понять, почему НАСА использует его в качестве ракетного топлива. (Это также самый распространенный элемент во Вселенной.)

Прирученный и надежно хранящийся в контейнере, газ имеет еще одно преимущество: когда он горит и соединяется с кислородом, он может производить электричество, которое обеспечивает нулевые выбросы углекислого газа, только воду и тепло.Этот, казалось бы, идеальный — хотя и потенциально взрывоопасный — брак вызвал у представителей энергетической отрасли и экологов одинаковый интерес к потенциалу водорода в качестве альтернативы экологически чистому топливу для выработки электроэнергии. «Наши заказчики турбин постоянно спрашивают, как они могут использовать водород для производства энергии с низким содержанием углерода», — говорит Джефф Голдмер, который работает над продуктами для газовых турбин для GE Power. «Я говорю этим клиентам: это возможно прямо сейчас».

Голдмер, который раньше работал в НАСА, проводя испытания горения на своем исследовательском самолете с малой гравитацией, говорит, что газовые турбины GE уже могут похвастаться долгой историей сжигания водорода в смеси с природным газом, что имеет длинный список преимуществ в широком диапазоне. концентраций.GE установила более 70 газовых турбин в США, Азии и Европе, которые в настоящее время или имеют значительный прошлый опыт сжигания топлива, содержащего водород, для выработки электроэнергии. Вместе они наработали более 4 миллионов часов.

Например, система сгорания DLN 2.6e на рекордных машинах HA GE — самом быстрорастущем парке газовых турбин в мире — может сжигать топливо, содержащее до 50 процентов (по объему) водорода в определенных приложениях.И это тоже не счастливая случайность. Компания GE разработала технологию сжигания в рамках программы Министерства энергетики США по созданию газовой турбины, способной сжигать водород в высоких концентрациях.

И водород также находится в готовом виде на многих заводах. Например, водород присутствует в коксовом газе и доменном газе, которые являются побочными продуктами процесса выплавки стали, а также в отходящих газах нефтеперерабатывающего завода. Вместо того, чтобы сжигать богатый водородом газ, операторы заводов могут подавать это топливо в свои турбины для выработки электроэнергии для заводов.

Изображение вверху: внешние топливные баки космического челнока содержали жидкое водородное топливо и жидкий окислитель кислорода. В 2016 году один из них отправился из сборочного цеха Мишуда НАСА в Луизиане в Калифорнийский научный центр в Лос-Анджелесе. Изображение предоставлено: Минтаха Неслихан Эроглу / Агентство Анадолу / Getty Images. Вверху: французский писатель, поэт и драматург Жюль Верн в 1874 году предсказал, что два компонента воды, водород и кислород, «используемые по отдельности или вместе», в конечном итоге предоставят человечеству неиссякаемый источник тепла и света.«Похоже, он мог быть пугающе прав», — говорит Джефф Голдмер из GE. Изображение предоставлено: Getty Images.

Возьмите нефтеперерабатывающий завод Гибралтар-Сан-Роке в Испании, где турбина 6B.03 производства GE отработала тысячи часов, сжигая смесь топливного газа и водорода. Та же самая установка 6B.03 также работает на нефтеперерабатывающем заводе в Южной Корее, где она более 20 лет сжигала топливную смесь, содержащую более 70 процентов водорода. Эта турбина даже дошла до 90-процентной смеси водорода.

В течение восьми лет нефтехимический завод в Луизиане также снабжал смесью водорода и природного газа свои четыре газовые турбины 7F производства GE. Эти водородные турбины позволили операторам промышленных предприятий сэкономить миллионы долларов на поставках природного газа, который был бы «традиционным» топливом для машин.

Турбины, готовые к работе с водородом, также могут сыграть большую роль в мировых усилиях по сокращению выбросов углерода.Если смешать водород с природным газом, подаваемым на эти турбины, можно значительно сократить выбросы углерода в сети. Например, использование 5-процентной смеси водорода для подачи природного газа на газовую турбину GE 9F.03 снижает ее годовые выбросы CO2 почти на 19 000 метрических тонн. 50-процентная смесь экономит 281 000 тонн, а 95-процентная смесь сокращает выбросы CO2 на целых 1,04 миллиона тонн. Это эквивалентно ежегодному углеродному следу почти 70 000 американцев. «Прелесть этих турбин в их топливной гибкости», — говорит Голдмир.«Они — часть решения.
Сталелитейный завод, управляемый Luojing Baosteel Group Co. Ltd. в Шанхае, Китай, использует электричество этой электростанции, сжигая в качестве топлива богатый водородом сталеплавильный газ. Изображение предоставлено GE Power.

Турбины, работающие на водороде, также могут помочь сократить выбросы за счет добавления большего количества возобновляемых источников энергии в структуру генерации. Проблема прерывистости по-прежнему связана с возобновляемыми источниками энергии: не всегда дует ветер и не всегда светит солнце.Эти турбины, работающие на водороде, могут сгладить такие пробелы, вырабатывая надежную электроэнергию для сети, когда существует избыток, а не дефицит возобновляемой энергии.

Например, как в 2015, так и в 2016 году Германия и Великобритания вместе зафиксировали около 5 тераватт-часов «урезанной» ветровой энергии — электроэнергии, которая могла быть произведена, но не производилась из-за отсутствия спроса и других факторов. Этого достаточно, чтобы запитать всю Индию на целый день. Но что, если бы всю эту потраченную впустую энергию ветра можно было бы вместо этого использовать для электролиза воды, процесса, который использует электрический ток, чтобы расщепить воду — h3O — на составляющие ее атомы и произвести кислород и водород.Таким образом, у вас может быть водород — мощное топливо с нулевыми выбросами углерода, которое было произведено путем использования безуглеродной энергии ветра, которая в противном случае была бы потрачена впустую.

«Есть много способов создать безуглеродную электроэнергию, в том числе вводить этот водород во всю газовую сеть для производства электроэнергии из существующих газовых турбин», — говорит Голдмир. Инженер GE указывает на цитату Жюля Верна, французского отца писателя-фантаста, книги которого полны запоминающихся технологических пророчеств.

Верн сказал в 1874 году, что два компонента воды, водород и кислород, «используемые по отдельности или вместе», в конечном итоге предоставят человечеству неиссякаемый источник тепла и света. «Похоже, он мог быть пугающе прав», — говорит Голдмир.

Под кожей: станут ли водородные двигатели внутреннего сгорания жизнеспособными?

Водород до сих пор изо всех сил пытался реализовать свои первые обещания в качестве альтернативного топлива для дорожного транспорта, но это тема, которая просто отказывается уходить.

Его использование в водородных топливных элементах для выработки электроэнергии без вредных выбросов по-прежнему имеет огромный потенциал, но импульс, стоящий за запуском двигателей внутреннего сгорания на нем, уменьшился. Тем не менее интерес остается, примером является разработка Toyota трехцилиндрового гоночного двигателя с водородным двигателем, взятого у GR Yaris и используемого для питания специально разработанной Corolla Sport, участвующей в гонке Fuji 24 Hours.

Хотя водород является более чистым топливом по сравнению с бензином или дизельным топливом, он полностью исключает выбросы только при преобразовании в системе топливных элементов для выработки электроэнергии.Когда сжигается в двигателе внутреннего сгорания, это не совсем так. Хотя несгоревшие углеводороды (HC), оксид углерода (CO) или CO2 не образуются, оксиды азота (NOx) образуются. Воздух на 78% состоит из азота, и при сгорании он окисляется с образованием токсичных NOx — но насколько сильно зависит от того, насколько горячие предметы попадут в камеру сгорания, и именно здесь водородные двигатели могут иметь преимущество.

Водород гораздо менее требователен, чем бензин или дизельное топливо, он смешивается и сжигается полностью и эффективно в гораздо более широком диапазоне соотношений воздух-топливо.