A HIDROGÉN

Kiss Ferenc


---

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:

²₁D +²₁D^Ž3->₁T+¹_1H

³₂He + ¹₀n Ž ->³₁T + ¹_1H

³₁T+ ²₁D Ž ->⁴₂He + ¹₀n

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 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.

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

  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
 
 

Anyag	H2 térfogati  sűrűség (g/cm3)	H2tömeg sűrűség (tömeg%)	Energiatartalom (MJ/kg)	Energiasűrűség (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
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

• Magas hőmérsékletet (5 - 10 x 10⁶ K) kell biztosítani a beindításhoz, ezért új tecnológiára van szükség.
• Az felszabadult energia felhasználhatóvá tétele nem megoldott.

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

Előnyei

• Hosszú távú felhasználhatóság (az Univerzum csillagai legalább 10 milliárd éve "működnek" hidrogénnel).
• Feltehetően kevesebb a környezeti probléma, mint a fosszilis ill. atomenergia felhasználásánál.

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

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/pix) a 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