6 Hidrogenul

6.1 Producerea hidrogenului Hidrogenul este cel mai simplu element. Un atom de hidrogen este format din numai un proton i un electron. Este, de asemenea, elementul cel mai abundent n univers. n ciuda simplitii sale i abundenei , pe Pamant - este ntotdeauna combinat cu alte elemente. Ap, de exemplu, este o combinaie de hidrogen i oxigen (H2O).Hidrogenul este de asemenea gsit n multi compui organici , n special in hidrocarburi, care alctuiesc multi combustibili, cum ar fi benzina, gaze naturale, metanol i propan.

Hidrogenul este cel mai usor dintre elementele cu o masa atomica de 1,0. Hidrogenul lichid are o densitate de 0,07 grame pe centimetru cub, apa are o densitate de 1,0 g / cc i benzin aproximativ 0,75 g / cc. Aceste fapte dau pe baz de hidrogen att avantaje ct i dezavantaje. Avantajul este c i stocheaz aproximativ 2,6 ori de energie pe unitate de masa fata de benzin, iar dezavantajul este c are nevoie de un volum de aproximativ 4 ori mai mare pentru aceeasi cantitate de energie. Un rezervor cu 90 de kilograme de benzin la densitatea de 0.750 g/cc necesita un volum de rezervor de V=m/= 90000/0.75=120000 cm3=120 litri Rezervorul de hidrogen corespunztor ar fi de 4x120=480 de litri , dar ar cntri 9 kg deci de 10 ori mai putin Hidrogenul nu este o surs de energie primar cum ar fi crbune i gazul natural . Acesta este un transportator de energie. Figura urmatoare ilustreaza rolul hidrogenului ca transportator de energie intre sursa de energie primara , conversia energiei si aplicatiile acesteia

Iniial, acesta va fi produs cu ajutorul sistemelor existente de energie bazate pe diferite suporturi convenionale de energie primar i a surselor. Pe termen lung, sursele de energie regenerabile vor deveni cea mai important surs pentru producia de hidrogen. Hidrogenul poate fi produs n instalaii centralizate sau descentralizate in diferite locaii n cazul n care acesta va fi utilizat la faa locului. Din instalaiile centralizate, acesta este distribuit la un dispozitiv de conversie a energiei prin conducte, sau depozitat i expediat feroviar sau auto. Atunci cnd este produs la faa locului( descentralizat), hidrogenul poate fi stocat i / sau alimentat direct n dispozitivele de conversie pentru aplicaii staionare, mobile i portabile. Hidrogenul a fost propus ca att un mediu de stocare cat i de mediu de transmisie

Hidrogenul poate fi separat de hidrocarburi, prin aport de cldur - un proces cunoscut sub numele de reformare. n prezent, reformarea hidrogenului care se face din gaze naturale.

A doua cale de obtinere a hidrogenului este electroliza apei separand astfel apa in componentele sale de oxigen si hidrogen

Unele alge i bacterii, folosind lumina soarelui ca sursa lor de energie, n anumite condiii., produc hidrogen, Un sumar al tehnologiilor existente in producerea hidrogeneului

Tehnologia de producere a H2BeneficiiBariere

Electroliza apeiDisponibila n comer cu tehnologie dovedit; E un proces industrial; modular; Produce hidrogen de nalt puritate, Este convenabila pentru producerea H2 din surse regenerabile de energie, compenseaz natura intermitent a unor energii regenerabileConcuren cu utilizarea direct a energiei electrice din surse regenerabile

Reformare hidrocarburi divizate cu cldur i aburCost scazut daca se obtine din gaze naturale Posibilitatea de a fi combinata cu stocarea CO2 (carbon storage)Uniti existente la scara mica care nu-s comerciale; Productia de hidrogen conine unele impuriti; captarea de CO2 adaug costuri; In concurenta directa cu combustibili primari care pot fi utilizati direct

Gazeificare biomasei n hidrogen i gaze pentru reformarePoate fi utilizata pentru combustibili solizi; posibilele sinergii cu combustibili sinteticiUniti mici foarte rare; necesit de obicei de curare extinse nainte de utilizare; gazeificarea biomasei nc n curs de cercetare; biomasa are implicaii de utilizare a terenurilor agricole ; concuren cu combustibili sintetici din biomas

Cicluri termochimice care utilizeaz temperatur naltdin energie solar concentrata sau energie nuclearPotential de producie la scar mare la costuri reduse i fr emisii de gaze cu efect de ser pentru industria grea sau de transport;Colaborarea internaional (Statele Unite ale Americii, Europa i Japonia) privind cercetarea, dezvoltarea i implementareaProce complex, nu-i nc comercial ci in faza de cercetare i dezvoltare privind materialele;Temperatura ridicata a reactorului nuclear sau ta concentratoarelor termice solare

Producie biologic: alge i bacterii produc hidrogen n mod direct, Potential mare de resurse biologiceRatele lente de producere a hidrogenului; nu-s gasite organismele cele mai adecvate pentru productia de hidrogen ,n curs de cercetare

6.1.1 Electroliza apei. Legile electrolizei

Procesele ce se produc in solutiile electrolitice in prezenta unui curent electric continuu poarta numele de electroliza. Aceste procese constau in:

transportul dirijat de camp a produsilor disocierii electrolitice; neutralizarea (prin oxidare si reducere) a acestora; depunerea sau eliberarea produsilor rezultati din disocierea electrolitica.Aceste procese, cunoscute sub numele de electroliza, se produc in urma aplicarii unei diferente de potential electric intre doi electrozi cufundati intr-un electrolit. Un astfel de dispozitiv, construit pentru producerea electrolizei, se numeste electrolizor.

Produsii disocierii electrolitice, prin miscarea lor dirijata de camp, vor determina un curent ionic. La nivelul electrozilor se realizeaza o transformare a ionilor, printr-un schimb de electroni: anionii cedeaza anodului electroni (acest proces fiind numit oxidare), iar cationii primesc electroni (proces numit reducere). In general, in urma proceselor de oxidare, anionii se degaja sub forma de gaze sau, pentru solutiile acizilor, vor forma impreuna cu apa acidul respectiv. Cu exceptia hidrogenului, cationii se depun pe catod sub forma unui strat de substanta (in general la catod are loc o depunere de metal), justificand utilizarea proceselor de electroliza in domenii diferite Prima lege a electrolizei spune: Masa de substanta (m) separata dintr-un electrolit este proportionala cu sarcina electrica transportata(Q):

m= kQ sau (dm= kIdt) ,k fiind numit echivalent electrochimic al substantei neutralizate.

Echivalentul electrochimic al unei substante este direct proportional cu masa molara a substantei si invers proportionala cu modulul valentei acelui element chimic (a doua lege a electrolizei).In electrotehnica Legea electrolizei se enunta astfel

Masa de substan depus n unitatea de timp la unul din electrozii unei bi electrolitice parcurs de curent de conducie, este egal cu produsul dintre intensitatea curentului electric i si raportul dintre echivalentul electrochimic A/nv , prin constanta universala F a lui Faraday, dm/dt=i A/nvFn care m este cantitatea de metal depus la catod (n grame), A este masa atomic a metalului, nv este valena metalului, F reprezint 96500 de coulombi, t este timpul de electroliz. Raportul A/nvF se numete echivalent electrochimic

De aici rezulta direct ca: dq/dm=nvF/A

adica ca raportul dintre sarcina electrica totala necesara pentru depunere si masa de substanta

depusa este ntotdeauna constanta pentru un ion de o valenta data, indiferent de elementul

respectiv. Aceasta constanta este aceea care permite sa se sustina ca exista atomi de "electricitate". Daca pentru a depune un atom-gram de substanta (A grame) este necesara ntotdeauna aceeasi sarcina electrica, daca aceasta sarcina este repartizata n mod egal ntre purtatorii de sarcini si daca un atom-gram de substanta are ntotdeauna acelasi numar de atomi sau molecule (Avogadro) atunci sarcina raportata la numarul lui Avogadro va da valoarea unitatii de sarcina, adica valoarea sarcinii purtate de atomul de "electricitate":e=F/NA=96500/6,023 1023=1.6 10-19 C

Cunoscnd aceasta valoare putem utiliza relatia dq/dm=nvF/A pentru a determina masa purtatorului de sarcina electrica

e/m=F/A

Exemplificnd pentru cazul moleculei de hidrogen H2 (A=2) rezulta: masa atomului de hidrogen m=1,6 10-24 grame

Se observa utilitatea raportului q/m pentru caracterizarea particulelor.

Din legea lui Faraday rezulta ca la trecerea aceleiasi cantitati de electricitate (Q) prin diferiti electroliti masa de substanta depusa este proportionala cu masa atomica a ionilor respectivi si cu valenta acelui ion. Prin urmare un atom gram de ioni monovalenti transporta ntotdeauna aceeasi cantitate de electricitate independent de natura ionului. Aceasta cantitate de electricitate este denumita numarul lui Faraday si este egal cu F = 96491 C.

Sarcina "elementara" care se transporta va fi atunci:

e=F/N.

Ioni de valente diferite vor transporta atunci o sarcina electrica egala cu 2e, 3e, etc.Electroliza apeiPrin ea nsi, apa este un conductor foarte slab de electricitate. Trebuie adugat, prin urmare, un electrolit n ap pentru a oferi fluxul de ioni, care pot circula prin soluie, completand astfel circuitul electric. Electrolitul trebuie s fie solubil n ap. Ar trebui s fie, de asemenea, relativ ieftin. Cel mai important, aceasta trebuie s conin ioni, care sunt mai greu de a oxida sau de a reduce dect apa. Cationii utilizati sunt Li+, , K+, Cs+, Ba2+, Sr2+, Ca2+, Na+, and Mg2+.

Reactii chimiceCathode (-): 2 H2O + 2 e- se reduc in H2 + 2 OH- Ured = -0.83 VAnode (+): 2 H2O trec in O2 + 4 H+ + 4 e- Uox = -1.23 V6.2 Livrarea hidrogenului

Un element esenial infrastructurii globale de energie pe baz de hidrogen este un sistem de livrare care se mic pe baz de hidrogen din punctul su de producie dispozitivul de utilizare final Hidrogenul poate fi transportat prin conducte similare cu cele utilizate pentru transportul gazelor naturale. n 2004 exista o reea de conducte 879 km pe baz de hidrogen n Belgia, Frana, rile de Jos i operate de Air Liquide. De asemenea in Germania exita o conducta de 240 km pe baz de hidrogen a aceluiasi operator comercial. In USA n statele Indiana, California, Texas, i Louisiana conductele de la 100-200 mile sunt deinute i exploatate de productori de hidrogen. Pentru distane lungi de pn la 1.000 de kilometri, pe hidrogenul este de obicei transportat ca hidrogen lichid cu vagoane sau masini criogenice, i este apoi vaporizat pentru utilizarea la site-ul clientului. Viziunea pentru viitor al Directoratului General pentru energie si transport al UE este redata in figura

Sistemele de energie pe baz de hidrogen pot construi o cale spre un viitor mai durabil iar explorarea acestora este abia in faza incipienta. n SUA i Japonia hidrogenul si pilele de combustie sunt considerate a fi tehnologii de baz pentru secolul 21, tehnologii importante pentru prosperitatea economic. Exist investiii puternice i activitatea industrial de obtinere a hidrogenului si de dezvoltarea a celulelor de combustibil n aceste ri. Dac Europa dorete s concureze i s devin un juctor pe plan mondial, trebuie s-i intensifice eforturile sale i a crea un mediu favorabil dezvoltrii afacerilor prin productia de hidrogen si a pilelor de combustie 6.3 Stocarea hidrogenului

Stocare hidrogenului este o practic comun n industrie, n cazul n care aceasta funcioneaz n condiii de siguran i ofer servicii necesare. De asemenea, hidrogenul poate fi uor stocat la scar larg n nave sau n caverne subterane. Cu toate acestea, pentru aplicatii mobile, pentru a obine o gam de conducere comparabil cu diesel moderne sau vehiculelor pe benzin, stocarea hidrogenului pentru vehicule inca nu exista ca tehnologie sigura . In prezent hidrogenul se stocheaza in butelii de gaz comprimat i rezervoare de lichid, Metode noi, inclusiv de absorbie pe baz de hidrogen care utilizeaz hidruri metalice, hidruri chimice si nanotuburi de carbon, necesit dezvoltarea n continuare i evaluareTehnologia de stocare a H2BeneficiiBariere

Comprimare in buteliiEste utilizata pn la presiuni de 200 bar; tehnologie disponibila la pret scazut .Densiti de stocare a energiei la nalt presiune (700bar) sunt comparabile cu hidrogen lichid,dar aceste densitati de energie sunt n continuare mai mici dect cele pentru benzin i motorin

Rezervoare pentru hidrogen lichidDensitate mare de stocare Temperaturi foarte sczute necesit izolare foarte mare ; costuri , O parte din H2 se pierde prin evaporare; intensitii energetice mari de producere a hidrogenului lichid; energie stocat nc nu-i comparabila cu a combustibililor fosili lichizi

Hidruri metalice Unele tehnologii disponibile; rezervoarele pot fi fcute n forme diferite; Grele, se poate degrada n timp; n prezent costisitoare;umplere necesit circuite de rcire

Hidruri chimiceReacii reversibile in formarea hidrurii de exemplu, NaBH; compacteProvocri n logistica de manipulare a deseurilor i n cerinele privind infrastructura

Structuri de carbon Pot permite densitate mare de stocare; uoar; pot fi ieftineNu-i pe deplin neleas este in curs de dezvoltate;

6.4 Conversia hidrogenului6.4.1 Combustie

NASA a folosit pe baz de hidrogen lichid din anii 1970, motoare speciale pentru a propulsa naveta spatiala si alte rachete pe orbita. Atunci cnd este ars hidrogenul n aer produsului principal este apa. In timpul arderii unii compui ai azotului pot fi, de asemenea, produsi Avantajul-cheie al arderii hidrogenului este faptul c bioxidul de carbon (CO2) nu este produs de arderea hidrogenului Arderea hidrogenului pur nu produce poluare motiv pentru care el este utilizat n domeniul energiei . Alte aplicaii de ardere sunt n curs de dezvoltare, inclusiv echipamente de ardere noi, concepute special pentru hidrogen n turbinele i motoarele. Vehiculele cu motoare cu combustie interna pe hidrogen sunt acum n faza de demonstraie, i arderea de amestecuri pe baz de hidrogen sunt testate

6.4.2 Pile de combustie

Pila de combustie combina hidrogen i oxigen pentru a produce electricitate, cldur, i ap. Ele sunt alcatuite din celule de combustie. Celulele de combustie sunt de multe ori comparate cu bateriile . Ambele convertesc energia produs de o reacie chimic n energie electric utilizabil. Cu toate acestea, celula de combustibil va produce energie electric, att timp ct este furnizat combustibil (hidrogen), niciodat nu pierde sarcina sa.Pilele sau celulele de combustie transform energia electrochimic prin coversia hidrogenului i oxigenului n electricitate i cldur ,n prezena unui catalizator . Toate pilele de combustie au o structura asemanatoare acestea contin doi electrozi separati de un electrolit si care sunt conectati intr-un circuit extern. Anodul este alimentat cu combustibili gazosi, aici avand loc oxidarea lor directa iar catodul este alimentat cu un oxidant (de exemplu oxigenul din aer). Electrozii trebuie sa fie permeabili, asadar au o structura poroasa. Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat mai scazuta.

Figura Celula de combustie

Hidrogenul de la anod printr-o reactie catalitica produce ioni de hidrogen H+ i electroni.Ionii pot trece prin electrolit i ajung la catod iar electronii ajung la catod prin circuitul extern electric Reactia de la catod (figura) conduce la generarea de caldura i apa. O celula individuala ce functioneaza pe acest principiu produce 0,5-0,9 V

Pilele de combustie sunt clasificate dupa tipul electrolitului folosit. O exceptie este DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) care este o pila de combustie in care metanolul este introdus direct in anod. Electrolitul acestei pile de combustie nu determina clasa din care face parte aceasta. O alta clasificare poate fi facuta in functie de temperatura de functionare. Exista astfel pile de combustie de joasa temperatura si de inalta temperatura. Pilele de combustie de joasa temperatura sunt AFC (Alkaline Fuel Cell), PEMFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) si PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). Pilele de combustie de inalta temperatura functioneaza la 600-1000C. Aceste sunt de doua tipuri: MCFC (Molten Carbnate Fuel Cell) si SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

O scurta descriere a tuturor tipurilor de pile de combustie este data in tabelul urmator

AFCPEMFCDMFCPAFCMCFCSOFC

Temperatura de functionare (C)