Hidrogn
2007.02.27. 17:22
Fogalma
Hidrogn: szntelen, szagtalan, nem mrgez gz, mely nagy energia felszabadulssal jr reakciban vzz g el. Felhasznlsnak krnyezeti haszna, hogy rtalmatlan, vzz g el (br az gs kzben nitrogn-oxidok is keletkeznek, s amennyiben vzbl, napenergia (ill. ebbl nyert ram) segtsgvel lltjk el, felhasznlsa alig terheli a krnyezetet. Htrnya, hogy krnyezetbart ellltsa s biztonsgos trolsa jelenleg drga, felhasznlshoz a szokvnyos berendezseket s a szllt-, ill. elosztrendszereket t kell alaktani.
Krnyezetvdelmi Lexikon
Trtnete
A hidrognt 1766-ban fedeztk fel. Neve a grg hydrognium szbl ered, ami vizalkott jelent. Ebbl szrmazik az elem kmiai jele is, a H. Elemi llapotban gyakorlatilag nem fordul el a Fldn, azonban a Nap s ms csillagok fleg hidrognbl llnak. A Vilgmindensg leggyakoribb s legsibb kmiai elemnek tekinthet, hiszen a fiatal Univerzumban elsknt jtt ltre.
Az Univerzum kezdeti llapotrl biztosat nem tudunk, elmletekben azonban nincs hiny. A ma leginkbb elfogadott modell, amelyet G. Gamov elmleti fizikus dolgozott ki az n. "Big-bang", a nagy robbans elmlete. Eszerint a jelenlegi Univerzum az sanyag gigantikus robbansa kvetkeztben jtt ltre kb.10 - 20 millird vvel ezeltt. Az sanyag srsge szerinte 1025 g/cm3, hmrsklete pedig 1016 K lehetett, ezen "tzgmb" robbansszer kiterjedsvel magyarzhat az Univerzum ma szlelt expanzija (bra). A �tzgolyban� vagy �tzgolykban� uralkod magas hmrsklet s srsg termikus egyenslyt hozott ltre a protonok, elektronok, neutronok s a sugrzsi kvantumok kztt. A robbansban hidrogn s hliumkpzdsi reakcik mentek vgbe:
11H + 01n -> 21D + g
21D +21D-> 32He +10n
21D +21D3->1T+11H
32He + 10n ->31T + 11H
31T+ 21D ->42He + 10n Ezeknek a folyamatoknak az eredmnyekppen az Univerzum anyagnak krlbell 10 %-a hliumm s 90-% hidrognn alakult. Az Univerzum anyagnak tgulsval a hmrsklet 3000 K al cskkent, a protonok s elektronok egyeslsvel tltssel nem rendelkez anyag jtt ltre. Az "sanyagban" vletlenszeren fellp srsdsek az anyag gravitcis tmrlshez vezettek, gy jttek ltre a 1014...1015 naptmegnyi anyagot tartalmaz -fleg hidrognbl ll- halmazok, s ezekbl alakultak ki ksbb a csillagok, csillaghalmazok a galaxisok, a gravitcis erk hatsra .
Az elemi hidrogn emberi felhasznlsa nem tekint hossz mltra vissza. A legfontosabbak a kvetkezk: szllts (rhaj, lghaj) energia felszabadtsa (bomba).
Tovbbi felhasznlsra vonatkoz ksrletek napjainkban is folynak mint pl.a kvetkezk: fzis erm , gpkocsi zemanyag, zemanyag cella szlesebb kr elterjesztse, amelyekre mrg visszatrnk.
Forrs: http://www.airships.net
http://www.nrel.gov/data/pix
http://w3.ouhsc.edu/rso/Image/HBombAnim.gif
Elmleti httr
A hidrogn ltalnos tulajdonsgai
1. A hidrogn Vilgegyetem leggyakoribb eleme. Megkzeltleg 100-szor gyakoribb, mint az sszes tbbi elem egyttvve(ha a hliumot nem vesszk figyelembe). 2. Alapeleme a kmiai elemek szintzisnek. 3. A fldi let szempontjbl flhasznlhat energia s a kozmikus energia ellltsa szempontjbl is a alapvet fontossg. 4. A hidrogn rszt vehet brmely kmiai reakciban. 5. Az sszes vegyletet - sznvegyletekkel egytt - figyelembe vve, a hidrogntartalm vegyletek szma a legnagyobb. Itt nem ismertetjk teljes egszben a hidrogn fizikai s kmiai tulajdonsgit csak tblzatban foglaljuk ssze azokak. Rszletezsre csak azok a tulajdonsgok kerlnek, amelyek az energiatermels szempontjbl fontosak.
A hidrogn tulajdonsgai
Tulajdonsg |
rtk |
Megjegyzs |
Mltmeg |
1,00797 g/Mol |
- |
Elektronszerkezet |
1 s1 |
- |
Kovalens sugr |
0,032 nm |
- |
Ionsugr H- |
0,15 nm |
- |
Ionsugr H+ |
0,0001 nm |
- |
Elektronegativits (Pauling) |
2,1 |
- |
gsi hmrsklet |
2600 C |
gz |
Fajh cp |
14,40 kJ/kg.K |
gz, 0-200 C, 0,1MPa |
Fajh cv |
10,29 kJ/kg.K |
gz, 0-200 C, 0,1MPa |
Srsg |
0,08989. kg/m3 |
gz, 0 C, 0,1 MPa |
Srsg |
70,8 kg/m3 |
folyadk, �253 C |
Srsg |
76 kg/m3 |
szilrd, � 262 C |
Olvadspont |
� 259,1 C (13,8 K) |
szilrd |
Forrspont |
� 252,7 C (20,4 K) |
folyadk |
A hidrogn s az energia
A kvetkez tblzat adataibl lthat, hogy ha 1-nek vesszk a mai ismereteink szerinti legnagyobb energiaforrst, akkor ez az rtk leginkbb a fzis ermvekben kzelthet meg. A fosszilis energiahordozkbl ellltott energia, az utbbinak mindssze kb. 10 milliomod rsze. Ezt mutatja az albbi plda.
Fzi: 4 g hidrogn -> 2,5 x 1012 J gs : 4 g petrleum -> 1,2 x 105 J
Lehetsges �energiaforrsok" sszehasonltsa
Relatv rtk |
Energia per nukleon |
Ers klcsnhatsok |
Elektromgneses klcsnhatsok |
Gyenge klcsnhatsok |
Gravitcis klcsnhatsok |
1
10-2
10-4 10-6 10-8
10-10
10-12 |
1 GeV
10 MeV
100 KeV 1 KeV 10 eV
0,1 eV
0,001 eV |
-annihilci
|
-magfzi -maghasads -a-bomls
-kmiai- biolgiai- s napenergia
-termikus energia |
-b-bomls
|
-fekete lyukak sszetkzse -anyagramls a fekete lyukba
-szabadess a Fldn. |
Napjainkban a hidrogn gsbl szrmaz energia felhasznlsnak van realitsa, ezrt gsvel rszletesebben is foglalkozunk. Az atommag fzi folyamatait csak vzlatosan mutatjuk be. A hidrogn gst ler albbi egyenletet mr ltalnos iskolbl ismerhetjk.
A hidrogn gse
Forrs: http://www.nrel.gov/data/pix/
H2 + 1/2 O2-> H2O
A hidrogn oxign jelenltben 550-600 C-os gyjtlng vagy szikra hatsra elg, s kzben energia szabadul fl. A energia mennyisge fgg attl, hogy az gstermk folyadk, vagy gz . 1 kg hidrognre vonatkoztatva, ha folyadk, 141,97 MJ ill.119,6 MJ, ha gz.A reakci ellenkez irnyban is vghezvihet. A vz bontsa lehetsges egyenram segtsgvel. 18C-on elmletileg 2,8 kWh elektromos energia felhasznlsval tudnnk ellltani 1 m3 (0,1 MPa) hidrogn gzt , azonban a gyakorlatban ez az rtk megkzelti a 4 kWh-t. Ezrt a hidrogn ilyen mdon trtn ellltsa csak akkor gazdasgos, ha olcs elektromos ram ll rendelkezsnkre, vagy gy akarunk energit trolni. Hidrogn ellltsra azonban vannak gazdasgosabb mdszerek is:
Vzgz reakci
C + H2O -> CO + H2 CO + H2O -> CO2 + H2
Parcilis oxidci
CH4 + 1/2O2 -> CO + 2H2 CH4 + H2O -> CO + 3H2
A hidrogn trolsa
Abban az esetben, ha a levegben atmoszfrikus nyomson 4,1-74 tf % H2 van jelen, robbanelegy jn ltre. Ezrt trolsa sorn ezt figyelembe kell venni. A hidrogn trolhat tartlyban nagy nyomson vagy cseppfolys llapotban alacsony hmrskleten, tovbb valamilyen anyagban elnyeletve. gy pldul a fmekben oldott hidrogn is felhasznlhat energiatrolsra. Klnbz hidrogn trolsi mdok jellemzit mutatja a tblzat. Forrs: http://www.nrel.gov/data/pix
Trolsi jellemzk
Anyag |
H2 trfogati srsg (g/cm3) |
H2tmeg srsg (tmeg%) |
Energiatartalom (MJ/kg) |
Energiasrsg (MJ/dm3) |
MgH2 |
0,101 |
7 |
9,9 |
14 |
FeTiH1.95 |
0,096 |
1,75 |
2,5 |
13,5 |
LaNi5H6.7 |
0,089 |
1,37 |
2,5 |
12,7 |
Folykony H2 (20K) |
0,070 |
100 |
141 |
10 |
H2 gz 10 MPa, 300K |
0,007 |
100 |
141 |
1 |
Krioadszorber (77K) |
0,015-0,030 |
3,8-5,2 |
|
|
Lthat, hogy bizonyos fm-hidridek esetben legalbb akkora energiasrsg rhet el, mint alacsony hmrskleten (20K) folykony llapotban. Szmos fm-hidrid teljesti a szksges mszaki kvetelmnyeket is, azonban mg sok problma vr megoldsra a mindennapi alkalmazsig.
Felhasznlsi lehetsgek
Fzis erm
Az ilyen tpus energia elllts nem soroland a " megjulk" kz, hiszen mg ksrleti stdiumban van, de nhny mondatban meg kell emlitennk, mert jelentsge a jvben nagy lehet. Mai ismereteink szerint a vilgegyetem leggyakoribb elemei a hidrogn s a hlium ( ~99%), azaz az elemszintzis �alapanyagai�. Teht a kozmosz azon rsze, melyet az emberisg eddig tanulmnyozott kimerthetetlennek tnik ezen energiahordoz szempontjbl. Az elemek nukleris fzival trtn keletkezse els lpsnek a hidrogn az �alapeleme", ezrt jelenleg a hidrogn lehet az n. fzis erm �tzelanyaga".
A megvalsts problmi
- Magas hmrskletet (5 - 10 x 106 K) kell biztostani a beindtshoz, ezrt j tecnolgira van szksg.
- Az felszabadult energia felhasznlhatv ttele nem megoldott.
Forrs s tovbbi informcik: http://pooh.chem.wm.edu/chemWWW/courses/chem105/projects/group3/page11.html
http://www.ipp.cas.cz/tokamak/tokamaks/tokamaks.htm
Elnyei
- Hossz tv felhasznlhatsg (az Univerzum csillagai legalbb 10 millird ve "mkdnek" hidrognnel).
- Felteheten kevesebb a krnyezeti problma, mint a fosszilis ill. atomenergia felhasznlsnl.
A fzis energia mellett, amely a csak jv alternatvja, ltezik nhny ma is felhasznlhat, de eddig kevss kihasznlt, krnyezetbart energiaforrs is: napenergia, vzenergia, szlenergia, s a hidrogn gse. Ez utbbit az energiafelhasznls jelents tnyezje a kzlekeds alapvet mszaki vltoztatsok nlkl kpes lenne felhasznlni.
Hidrognnel hajtott belsgs motorok
Napjainkban a gpjrmvek tbbsgt kiforrott technolgij belsgs motorok hajtjk. Ezen a tren mr vszzados mrnki s kutatmunka tapasztalataival rendelkeznk, s mr a gzzem belsgs motorok konstrukcis problmi is megoldottak. A hidrogn zemanyagra val ttrs nem ignyelne nagy vltoztatst a jelenleg hasznlt motorokban, mert a hidrogn is gs sorn szabadtja fel az energit mint, a ma hasznlt zemanyagok, azonban tmegegysgre vonatkoztatott ftrtke a benzinnek vagy a gzolajnak kzel hromszorosa ( l. tblzat). 1 kg H2 elgse sorn ~119,6 MJ, energia szabadul fel. A forr kipufoggzt felhasznlhatjuk a hidrogn trol tartly ftsre, gy gyorstva meg a hidrogntrol anyag hidrogn leadst.
Klnbz gpjrm hajtanyagok sszehasonltsa
Forrs: Garaguly Jzsef doktori rtekezse
|
Hidrogn |
Benzin |
Gzolaj |
gsh Hf [MJ/kg] |
141,974 |
45,217 |
44,715 |
Ftrtk Ha [MJ/kg] |
119,617 |
42,035 |
41,843 |
gstermk |
H2O |
H2O, CO2 (CO) |
H2O, CO2 (CO) |
A hidrogntartlyban trolhat, vezetken szllthat. 1000 km-es tvolsg fltt kevesebbe kerl a hidrognt szlltani, mint az elektromossgot. Ezrt az tllsi kltsgek nem magasak. A gazdasgi s hatkonysgi krdseken tl, egy hidrogn zemanyag motor teljesten a kztudottan legszigorbb kaliforniai emisszis normkat is. (Kalifornia llam Levegtisztasg Vdelmi Tancsa (CARB) 1997-tl ktelezv teszi a zrus emisszij kzti jrmvek (ZEV) forgalmazst az llam terletn. 1998-ban az eladott jrmvek 2 szzalknak, 2003-ra pedig mr 10 szzalknak kell zr krosanyag kibocstsnak lennie.)
Nagy elny, hogy a hidrogn gse sorn csak vzgz keletkezik, ami nem szennyezi a krnyezetet, st visszakerlve a fld termszetes vzkrforgsba jra felhasznlhat hidrogn ellltsra.
A Fld felsznnek 2/3-t vz bortja. Belle napenergia segtsgvel elektrolzis tjn hidrognt llthatunk el s a felhasznls vgn a vizet vissza is kapjuk. Ezrt a hossz tv felhasznlsnak nincs akadlya, mert a krfolyamat biztostja a "megjulst". Elmondhat teht, hogy olyan jrafelhasznlhat energiahordoz ll a rendelkezsnkre, melyet nem kell a felhasznls utn visszaszlltanunk s regenerlnunk, hiszen a visszaszlltsrl a termszet gondoskodik. A megfelel hatsfok vzbontsi, energiatalaktsi s trolsi technolgik kialaktsa, tovbbfejlesztse folyamatban van.
Mg nem teljesen megoldott viszont a hidrogn biztonsgos, elegenden nagy energiasrsg, gazdasgos trolsa, valamint a kimerlt trolegysgek jratltse. Mindkett fknt biztonsgi krdseket vet fel, de nem elhanyagolhat a nagynyoms rendszer jrulkos tmegeinek hatsa sem.
Egyebek, rdekessgek
zemanyag cella
Az zemanyagcellk a szrazelemekhez hasonlan kmiai reakcik tjn elektromos ramot lltanak el. Amg a ma szles krben hasznlt "elemeket" kimerlsk utn nem tudjuk jra felhasznlni -hulladkk vlnak-, az zemanyagcella mindaddig jra s jra hasznlhat, amg az zemanyagt biztostjuk. Ez a legtbbszr hidrogn, de lteznek metnnal s metanollal mkd cellk is. A reakci sorn a hidrognbl vz keletkezik, a sznvegyletekbl mg szn-dioxid is, amely kzismert veghz hats gz. Ezrt a hidrogn felhasznlsa krnyezeti szempontbl elnysebb. Az zemanyagcella lnyegben kataliztorok s specilis membrnok segtsgvel a hidrognbl s oxignbl vizet s elektromos ramot llt el. Az zemanyagcella nmagban nem jdonsg, hiszen a tmegkzlekedsben is hasznljk pl. az USA-ban s az rsikln is zemanyagcellk szolgltatjk az elektromossg egy rszt. Ezek a kszlkek azonban hatalmasak, s a kW-MW teljestmnytartomnyban zemelnek. gretes kutatsok folynak azonban a miniatrizls irnyban, gy a kzeljvben akr mobiltelefonra illeszked vltozat is kszlhet. Az zemanyagcellnak szmos elnye van az akkumultorokkal szemben. Taln a legfontosabb, hogy pillanatok alatt utntlthet, s hogy vrhatan lehetsges lesz a jelenlegi akkumultoroknl sokkal nagyobb kapacitst ellltani belle. Radsul gyakorlatilag korltlan a cella lettartama, ami krnyezetvdelmi szempontbl fontos.
Robotkt hidrognhez
BMW-nl mr tudjk, hogy a benzinen s a gzolajon kvl rvidesen ms energiahordozkra is szksg lesz, ezrt mr vek ta ksrleteznek a hidrogn hats autkkal. A mncheni repltren t is adtk az els nyilvnos hidrogntlt llomst. A tankolst robot vgzi. Az automatizlt folyamathoz elektronikus krtyt hasznlnak.
|