Fogalma

Hidrogén:  színtelen,  szagtalan,  nem mérgező gáz, mely nagy energia felszabadulással járó reakcióban vízzé ég el.  Felhasználásának  környezeti haszna, hogy ártalmatlan, vízzé ég el (bár az égés közben  nitrogén-oxidok is keletkeznek, és amennyiben vízből, napenergia (ill. ebből nyert áram) segítségével állítják elő, felhasználása alig terheli a környezetet. Hátránya, hogy környezetbarát előállítása és biztonságos tárolása jelenleg drága, felhasználásához a szokványos berendezéseket és a szállító-, ill. elosztórendszereket át kell alakítani.

                                                                      Környezetvédelmi Lexikon
 

Története

A hidrogént 1766-ban fedezték fel.  Neve a görög hydrogénium szóból ered, ami vizalkotót jelent. Ebből származik az elem kémiai jele is, a H. Elemi állapotban gyakorlatilag nem fordul elő a Földön, azonban a Nap és más csillagok főleg hidrogénből állnak. A Világmindenség  leggyakoribb és legősibb kémiai elemének tekinthető, hiszen a fiatal Univerzumban elsőként jött létre.

Az Univerzum kezdeti állapotáról biztosat nem tudunk, elméletekben azonban  nincs  hiány. A ma leginkább elfogadott modell, amelyet G. Gamov  elméleti  fizikus  dolgozott  ki az ún. "Big-bang", a nagy robbanás elmélete. Eszerint a jelenlegi Univerzum az ősanyag gigantikus robbanása következtében jött létre kb.10 - 20 milliárd évvel ezelőtt. Az ősanyag sűrűsége szerinte 1025 g/cm3, hőmérséklete pedig 1016 K lehetett, ezen  "tűzgömb" robbanásszerű kiterjedésével magyarázható az Univerzum ma észlelt expanziója (ábra).  A „tűzgolyóban” vagy „tűzgolyókban” uralkodó magas hőmérséklet és sűrűség termikus egyensúlyt hozott létre a protonok, elektronok, neutronok és a sugárzási kvantumok között. A robbanásban hidrogén és héliumképződési reakciók mentek végbe:

11H + 01n ®-> 21D  + g

21D +21D®-> 32He +10n

21D +21D®3->1T+11H

32He + 10n ® ->31T + 11H

31T+ 21D ® ->42He + 10n

Ezeknek a folyamatoknak az eredményeképpen az Univerzum anyagának körülbelül 10 %-a héliummá és 90-% hidrogénné alakult. Az Univerzum anyagának tágulásával a hőmérséklet 3000 K alá csökkent, a protonok és elektronok egyesülésével töltéssel nem rendelkező anyag jött létre. Az "ősanyagban" véletlenszerűen fellépő sűrűsödések az anyag gravitációs tömörüléséhez vezettek, így jöttek létre a 1014...1015 naptömegnyi anyagot tartalmazó -főleg hidrogénből álló- halmazok, s ezekből alakultak ki később a csillagok, csillaghalmazok a galaxisok, a gravitációs erők hatására .

Az elemi hidrogén emberi felhasználása nem tekint hosszú múltra vissza. A legfontosabbak a következők: szállítás (űrhajó, léghajó)energia felszabadítása (bomba).

További felhasználására vonatkozó kísérletek napjainkban is folynak mint pl.a következők: fúziós erőmű , gépkocsi üzemanyag, üzemanyag cella szélesebb körű elterjesztése, amelyekre mérg visszatérünk.
 

Forrás: http://www.airships.net
 
 
 

http://www.nrel.gov/data/pix
 
 
 
 
 
 

http://w3.ouhsc.edu/rso/Image/HBombAnim.gif
 
 
 
 
 
 

Elméleti háttér

A hidrogén általános tulajdonságai

1.  A hidrogén Világegyetem leggyakoribb eleme. Megközelítőleg 100-szor gyakoribb, mint az összes többi elem együttvéve(ha a héliumot nem vesszük figyelembe).
2. Alapeleme a kémiai elemek szintézisének.
3. A földi élet szempontjából fölhasználható energia és a kozmikus energia előállítása szempontjából  is a alapvető fontosságú.
4. A hidrogén részt vehet bármely  kémiai reakcióban.
5. Az összes vegyületet - szénvegyületekkel együtt - figyelembe véve, a hidrogéntartalmú vegyületek száma a legnagyobb.
Itt nem ismertetjük teljes egészében a hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságit csak táblázatban foglaljuk össze azokak. Részletezésre csak azok a tulajdonságok kerülnek, amelyek az energiatermelés szempontjából fontosak.

  A hidrogén tulajdonságai


Tulajdonság Érték  Megjegyzés
Móltömeg  1,00797 g/Mol  -
Elektronszerkezet  1 s1 -
Kovalens sugár  0,032 nm  -
Ionsugár H 0,15 nm  -
Ionsugár H+  0,0001 nm -
Elektronegativitás (Pauling) 2,1  -
Égési hőmérséklet 2600 °C gáz
Fajhő cp  14,40 kJ/kg.K  gáz, 0-200 °C, 0,1MPa
Fajhő cv 10,29 kJ/kg.K gáz, 0-200 °C, 0,1MPa
Sűrűség 0,08989. kg/m3 gáz, 0 °C, 0,1 MPa
Sűrűség 70,8 kg/m3 folyadék, –253 °C
Sűrűség 76 kg/m3 szilárd, – 262 °C
Olvadáspont – 259,1 °C (13,8 K)  szilárd
Forráspont – 252,7 °C (20,4 K)  folyadék

  A hidrogén és az energia

A következő táblázat adataiból látható, hogy ha 1-nek vesszük a mai ismereteink szerinti legnagyobb energiaforrást, akkor ez az érték leginkább a fúziós erőművekben közelíthető meg. A fosszilis energiahordozókból előállított energia, az utóbbinak mindössze kb. 10 milliomod része. Ezt mutatja az alábbi példa.

Fúzió: 4 g hidrogén -> 2,5 x 1012 J
Égés : 4 g petróleum -> 1,2 x 105 J

  Lehetséges „energiaforrások" összehasonlítása


Relatív érték Energia per nukleon  Erős kölcsönhatások Elektromágneses 
kölcsönhatások
Gyenge kölcsönhatások Gravitációs kölcsönhatások

 
 

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

-annihiláció
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 


 
 

-magfúzió
-maghasadás
-a-bomlás
 
 
 
 
 

-kémiai-
biológiai- és
napenergia
 

-termikus 
 energia


 

-b-bomlás
 
 

 

 -fekete  lyukak
összeütközése
-anyagáramlás a fekete lyukba
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

-szabadesés
a Földön.

Napjainkban a hidrogén égéséből származó energia felhasználásának van realitása, ezért égésével részletesebben is foglalkozunk. Az atommag fúzió folyamatait csak vázlatosan mutatjuk be.
A hidrogén égését leíró alábbi egyenletet már általános iskolából ismerhetjük.

A hidrogén égése

Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix/

H2 + 1/2 O2®->« H2O

A hidrogén oxigén jelenlétében 550-600 °C-os gyújtóláng vagy szikra hatására elég, s közben energia szabadul föl. A energia mennyisége függ attól, hogy az égéstermék folyadék, vagy gőz . 1 kg hidrogénre vonatkoztatva, ha folyadék, 141,97 MJ ill.119,6 MJ, ha gőz.A reakció ellenkező irányban is véghezvihető. A víz bontása lehetséges egyenáram segítségével.  18°C-on elméletileg 2,8 kWh elektromos energia felhasználásával tudnánk előállítani 1 m3 (0,1 MPa) hidrogén gázt , azonban a gyakorlatban ez az érték megközelíti a 4 kWh-t. Ezért a hidrogén ilyen módon történő előállítása csak akkor gazdaságos, ha olcsó elektromos áram áll rendelkezésünkre, vagy így akarunk energiát tárolni. Hidrogén előállítására azonban vannak gazdaságosabb módszerek is:

   Vízgáz reakció

C + H2O ®®-> CO + H2
     CO + H2O ®®-> CO2 + H2

    Parciális oxidáció

        CH4 + 1/2O2 ®->® CO + 2H2
     CH4 + H2O ®->® CO + 3H2






  A hidrogén tárolása

Abban az esetben, ha a levegőben atmoszférikus nyomáson 4,1-74 tf %  H2 van jelen, robbanóelegy jön létre. Ezért tárolása során ezt figyelembe kell venni.
A hidrogén tárolható tartályban nagy nyomáson vagy cseppfolyós állapotban alacsony hőmérsékleten, továbbá valamilyen anyagban elnyeletve. Így például a fémekben oldott hidrogén is felhasználható energiatárolásra. Különböző hidrogén tárolási módok  jellemzőit mutatja a táblázat.
Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix
 
 

Tárolási jellemzők


Anyag  H2 térfogati  sűrűség (g/cm3)  H2tömeg sűrűség (tömeg%)  Energiatartalom (MJ/kg) Energiasűrűség (MJ/dm3)
MgH 0,101  9,9  14
FeTiH1.95 0,096  1,75 2,5  13,5
LaNi5H6.7 0,089 1,37  2,5    12,7
Folyékony H2 (20K) 0,070 100 141  10
H2 gáz 10 MPa, 300K 0,007  100 141  1
Krioadszorber (77K) 0,015-0,030 3,8-5,2    

Látható, hogy bizonyos fém-hidridek esetében legalább akkora energiasűrűség érhető el, mint alacsony hőmérsékleten (20K) folyékony állapotban. Számos fém-hidrid teljesíti a szükséges műszaki követelményeket  is, azonban még sok probléma vár megoldásra a mindennapi alkalmazásig.
 
 

Felhasználási lehetőségek
 

Fúziós erőmű

Az ilyen típusú energia előállítás nem sorolandó a " megújulók" közé, hiszen még kísérleti stádiumban van, de néhány mondatban meg kell emlitenünk, mert jelentősége a jövőben nagy lehet.
Mai ismereteink szerint a világegyetem leggyakoribb elemei a hidrogén és a hélium ( ~99%), azaz az elemszintézis „alapanyagai”. Tehát a kozmosz azon része, melyet az emberiség eddig tanulmányozott kimeríthetetlennek tűnik ezen energiahordozó szempontjából.
Az elemek nukleáris fúzióval történő keletkezése első lépésének a hidrogén az „alapeleme", ezért jelenleg a hidrogén lehet az ún. fúziós erőmű „tüzelőanyaga".

A megvalósítás problémái

Forrás és további információk: http://pooh.chem.wm.edu/chemWWW/courses/chem105/projects/group3/page11.html

http://www.ipp.cas.cz/tokamak/tokamaks/tokamaks.htm

Előnyei

A fúziós energia mellett, amely a csak jövő alternatívája, létezik néhány ma is felhasználható, de eddig kevéssé kihasznált, környezetbarát energiaforrás is: napenergia, vízenergia, szélenergia, és a hidrogén égése.
Ez utóbbit az energiafelhasználás jelentős tényezője a közlekedés alapvető műszaki változtatások nélkül képes lenne felhasználni.

Hidrogénnel hajtott belsőégésű motorok

Napjainkban a gépjárművek többségét  kiforrott technológiájú belsőégésű motorok hajtják. Ezen a téren már évszázados  mérnöki és kutatómunka tapasztalataival  rendelkezünk, és már a gázüzemű belsőégésű motorok konstrukciós problémái is megoldottak. A hidrogén üzemanyagra való áttérés  nem igényelne  nagy változtatást a jelenleg használt motorokban, mert a hidrogén is égés során szabadítja fel az energiát mint, a ma használt üzemanyagok, azonban tömegegységre vonatkoztatott fűtőértéke a benzinének vagy a gázolajénak közel háromszorosa ( l. táblázat).
1 kg H2 elégése során ~119,6 MJ, energia szabadul fel. A forró kipufogógázt felhasználhatjuk a hidrogén tároló tartály fűtésére, így gyorsítva meg a hidrogéntároló anyag hidrogén leadását.

Különböző gépjármű hajtóanyagok összehasonlítása

Forrás: Garaguly József doktori értekezése

  Hidrogén Benzin  Gázolaj
Égéshő Hf [MJ/kg]  141,974 45,217  44,715
Fűtóérték Ha [MJ/kg]  119,617 42,035 41,843
Égéstermék H2O  H2O, CO2 (CO) H2O, CO2 (CO)

A hidrogéntartályban tárolható, vezetéken szállítható. 1000 km-es távolság fölött kevesebbe kerül a hidrogént szállítani, mint az elektromosságot. Ezért az átállási költségek nem  magasak.
A gazdasági és hatékonysági kérdéseken túl, egy hidrogén üzemanyagú motor teljesítené a köztudottan legszigorúbb kaliforniai emissziós normákat is. (Kalifornia Állam Levegőtisztaság Védelmi Tanácsa (CARB) 1997-től kötelezővé teszi a zérus emissziójú közúti járművek (ZEV) forgalmazását az állam területén. 1998-ban az eladott járművek 2 százalékának, 2003-ra pedig már 10 százalékának kell zéró károsanyag kibocsátásúnak lennie.)

Nagy előny, hogy a hidrogén égése során csak vízgőz keletkezik, ami nem szennyezi a környezetet, sőt visszakerülve a föld természetes vízkörforgásába újra felhasználható hidrogén előállítására.

A  Föld felszínének 2/3-át  víz borítja. Belőle napenergia segítségével
elektrolízis útján  hidrogént állíthatunk elő és a felhasználás végén a vizet vissza is kapjuk. Ezért a hosszú távú felhasználásnak nincs akadálya, mert a körfolyamat biztosítja a "megújulást". Elmondható tehát, hogy olyan újrafelhasználható energiahordozó áll a rendelkezésünkre, melyet nem kell a felhasználás után visszaszállítanunk és  regenerálnunk, hiszen a visszaszállításról a természet gondoskodik. A megfelelő hatásfokú vízbontási, energiaátalakítási és tárolási technológiák kialakítása, továbbfejlesztése folyamatban van.

Még nem teljesen megoldott viszont a hidrogén  biztonságos, elegendően nagy energiasűrűségű, gazdaságos tárolása, valamint a kimerült tárolóegységek újratöltése. Mindkettő főként biztonsági kérdéseket vet fel, de nem elhanyagolható a nagynyomású rendszer járulékos tömegeinek hatása sem.

Egyebek, érdekességek

Üzemanyag cella
 

 Az üzemanyagcellák (Forrás: http://www.nrel.gov/data/pixa szárazelemekhez hasonlóan kémiai reakciók útján elektromos áramot állítanak elő. Amíg a ma széles körben használt "elemeket" kimerülésük után nem tudjuk újra felhasználni -hulladékká válnak-, az üzemanyagcella mindaddig újra és újra használható, amíg az üzemanyagát biztosítjuk. Ez a legtöbbször hidrogén, de léteznek metánnal és metanollal működő cellák is. A  reakció során a hidrogénből víz keletkezik, a szénvegyületekbôl még szén-dioxid is, amely közismert üvegház hatású gáz. Ezért a hidrogén felhasználása környezeti szempontból előnyösebb.
Az üzemanyagcella lényegében katalizátorok és speciális membránok segítségével a hidrogénből   és oxigénből vizet és elektromos áramot állít elő.(Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix)
Az üzemanyagcella önmagában nem újdonság, hiszen a tömegközlekedésben is használják pl. az USA-ban és az űrsiklón is üzemanyagcellák szolgáltatják az elektromosság egy részét. Ezek a készülékek azonban hatalmasak, és a kW-MW teljesítménytartományban üzemelnek. Ígéretes kutatások folynak azonban a miniatürizálás irányában, így a közeljövôben akár mobiltelefonra illeszkedô változat is készülhet. Az üzemanyagcellának számos elônye van az akkumulátorokkal szemben. Talán a legfontosabb, hogy pillanatok alatt utántölthetô, és hogy várhatóan lehetséges lesz a jelenlegi akkumulátoroknál sokkal nagyobb kapacitásút elôállítani belôle. Ráadásul gyakorlatilag korlátlan a cella élettartama, ami környezetvédelmi szempontból fontos.

Robotkút hidrogénhez

BMW-nél már tudják,  hogy a benzinen és a gázolajon kívül rövidesen más energiahordozókra is szükség lesz, ezért már évek óta kísérleteznek a hidrogén hatású autókkal. A müncheni repülőtéren át is adták az első nyilvános hidrogéntöltő állomást. A tankolást robot végzi. Az automatizált folyamathoz elektronikus kártyát használnak.
 
 
 
 

Felhasznált irodalom

H. Buchner: Energiespeicherung in metalhydriden, Springer-Verlag, Wien (1982)

P. Dantzer: Metal-hydride technology: a critical review, In Hydrogen in Metals III. Properties and Applications, Ed. H. Wimpf, Topics in Applied Physics Vol 73. Springer Verlag (1996)

Garaguly József: Hidrogén abszorpció-deszorpció vizsgálata amorf ötvözetekben, in-situ ellenállásmérésekkel, Doktori Értekezés, BME Közlekedésmérnöki Kar, MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutató Intézet, Budapest, 1998

C.A. Hampel (Ed.): The Encyclopedia of the Chemical Elements, Reinhold Book Corporation, New York (1968)

W. Hoagland: Solar energy, Scientific American, 150. (Sept. 1995) pp. 136-139

K. Raznjevi: Hőtechnikai táblázatok, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1965

J. Töpler, K. Feucht: Results of a test fleet with metal hydride motor cars, Proceedings of the MH88 (Stuttgart, Sept. 4-9, 1988) pp. 1451-1461, Zeitschrift für Physikalishe Chemie Neue Folge, Bd. 164 (1989) pp. 1451-1461

R. Wiswall: Hydrogen storage in metals, In Hydrogen in Metals II. Application oriented properties, Topics in Applied Physics, Vol. 29, Springer Verlag (1978)

J.D. Fast: Interaction of Metals and Gases Vol. 1. Thermodynamics and Phase Relations, Philips Technical Library, 1965.

F.H.M. Spit, J.W. Drijver, W. Turkenburg and S. Radelaar: Thermodynamics and kinetics of hydrogen absorption in amorphous NiZr-alloys, In Metal Hydrides (ed. G. Bambakidis), Plenum Press, New York (1981) pp. 345-360

Vissza