Eden od nujnih problemov je onesnaževanje okolja in omejeni energetski viri organskega izvora. Obetaven način za reševanje teh problemov je uporaba vodika kot vira energije. V članku bomo obravnavali vprašanje zgorevanja vodika, temperature in kemije tega procesa.
Kaj je vodik?
Preden se lotimo vprašanja, kakšna je temperatura zgorevanja vodika, se je treba spomniti, kaj je ta snov.
Vodik je najlažji kemični element, ki ga sestavljata samo en proton in en elektron. V normalnih pogojih (tlak 1 atm., temperatura 0 oC) je prisoten v plinastem stanju. Njegovo molekulo (H2) tvorita 2 atoma tega kemičnega elementa. Vodik je 3. najbolj razširjen element na našem planetu in prvi v vesolju (približno 90 % vse snovi).
Plin vodik (H2)brez vonja, okusa in barve. Ni strupen, če pa je njegova vsebnost v atmosferskem zraku nekaj odstotkov, potem se lahko človek zaduši zaradi pomanjkanja kisika.
Zanimivo je omeniti, da čeprav so s kemičnega vidika vse molekule H2 identične, so njihove fizikalne lastnosti nekoliko drugačne. Gre za orientacijo elektronov (odgovorni so za pojav magnetnega momenta), ki so lahko vzporedni in antiparalelni, takšna molekula se imenuje orto- oziroma paravodik.
Kemična reakcija zgorevanja
Glede na vprašanje temperature zgorevanja vodika s kisikom, predstavljamo kemično reakcijo, ki opisuje ta proces: 2H2 + O2=> 2H2O. To pomeni, da v reakciji sodelujejo 3 molekule (dve vodik in en kisik), produkt pa sta dve molekuli vode. Ta reakcija opisuje zgorevanje s kemičnega vidika in lahko sodimo, da po njenem prehodu ostane le čista voda, ki ne onesnažuje okolja, kot se dogaja pri zgorevanju fosilnih goriv (bencin, alkohol).
Po drugi strani je ta reakcija eksotermna, to pomeni, da poleg vode sprosti nekaj toplote, ki jo lahko uporabimo za pogon avtomobilov in raket, pa tudi za prenos na druge vire energije, kot je npr. kot elektrika.
Mehanizem procesa zgorevanja vodika
Opisano v prejšnjemodstavek kemijska reakcija je znana vsakemu srednješolcem, vendar je zelo približen opis procesa, ki se dogaja v resnici. Upoštevajte, da do sredine prejšnjega stoletja človeštvo ni vedelo, kako vodik gori v zraku, in leta 1956 je bila za njegovo študijo podeljena Nobelova nagrada za kemijo.
Pravzaprav, če trčita molekule O2 in H2, ne bo prišlo do reakcije. Obe molekuli sta precej stabilni. Da bi prišlo do izgorevanja in tvorbe vode, morajo obstajati prosti radikali. Zlasti atomi H, O in OH skupine. Naslednje je zaporedje reakcij, ki se dejansko pojavijo, ko vodik zgoreva:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Kaj vidite iz teh reakcij? Ko vodik gori, nastane voda, ja, tako je, vendar se to zgodi le, ko se skupina dveh atomov OH sreča z molekulo H2. Poleg tega se vse reakcije pojavljajo s tvorbo prostih radikalov, kar pomeni, da se začne proces samovzdrževalnega izgorevanja.
Ključ za začetek te reakcije je torej nastanek radikalov. Pojavijo se, če v mešanico kisika in vodika prinesete gorečo vžigalico ali če to mešanico segrejete nad določeno temperaturo.
Začetek reakcije
Kot že omenjeno, obstajata dva načina za to:
- S pomočjo iskre, ki bi morala zagotoviti samo 0,02 mJ toplote. To je zelo majhna energijska vrednost, za primerjavo recimo, da je podobna vrednost za mešanico bencina 0,24 mJ, za metan pa 0,29 mJ. Ko se tlak zmanjša, se energija iniciacije reakcije poveča. Torej je pri 2 kPa že 0,56 mJ. Vsekakor gre za zelo majhne vrednosti, zato se mešanica vodika in kisika šteje za zelo vnetljivo.
- S pomočjo temperature. To pomeni, da se mešanica kisika in vodika lahko preprosto segreje in nad določeno temperaturo se bo sama vžgala. Kdaj se to zgodi, je odvisno od tlaka in odstotka plinov. V širokem razponu koncentracij pri atmosferskem tlaku se reakcija spontanega zgorevanja pojavi pri temperaturah nad 773-850 K, torej nad 500-577 oC. To so precej visoke vrednosti v primerjavi z bencinsko mešanico, ki se začne spontano vžgati že pri temperaturah pod 300 oC.
Odstotek plinov v gorljivi mešanici
Ko že govorimo o temperaturi zgorevanja vodika v zraku, je treba opozoriti, da ne bo vsaka mešanica teh plinov vstopila v obravnavani proces. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da če je količina kisika manjša od 6 vol. % ali če je količina vodika manjša od 4 volumskih %, potem do reakcije ne pride. Vendar so meje obstoja gorljive mešanice precej široke. Za zrak se lahko odstotek vodika giblje od 4,1% do 74,8%. Upoštevajte, da zgornja vrednost ustreza le zahtevanemu minimumu za kisik.
Čeupoštevajte čisto mešanico kisika in vodika, potem so meje tukaj še širše: 4, 1-94%.
Zmanjšanje tlaka plinov vodi do znižanja določenih mej (spodnja meja se dvigne, zgornja pade).
Pomembno je tudi razumeti, da med zgorevanjem vodika v zraku (kisik) nastali reakcijski produkti (voda) vodijo do zmanjšanja koncentracije reagentov, kar lahko privede do zaključka kemičnega procesa.
Varnost zgorevanja
To je pomembna lastnost vnetljive zmesi, saj omogoča presojo, ali je reakcija mirna in jo je mogoče nadzorovati, ali je proces eksploziven. Kaj določa hitrost gorenja? Seveda na koncentracijo reagentov, na pritisk in tudi na količino energije "semena".
Na žalost je vodik v širokem razponu koncentracij sposoben eksplozivnega zgorevanja. V literaturi so podane naslednje številke: 18,5-59 % vodika v zračni mešanici. Poleg tega se na robovih te meje zaradi detonacije sprosti največja količina energije na enoto prostornine.
Označena narava izgorevanja predstavlja velik problem pri uporabi te reakcije kot nadzorovanega vira energije.
Reakcijska temperatura zgorevanja
Sedaj pridemo neposredno do odgovora na vprašanje, kakšna je najnižja temperatura zgorevanja vodika. To je 2321 K ali 2048 oC za mešanico z 19,6% H2. To pomeni, da je temperatura zgorevanja vodika v zraku višja2000 oC (za druge koncentracije lahko doseže 2500 oC) in v primerjavi z bencinsko mešanico je to ogromna številka (za bencin približno 800 oC). Če kuriš vodik v čistem kisiku, bo temperatura plamena še višja (do 2800 oC).
Tako visoka temperatura plamena predstavlja še en problem pri uporabi te reakcije kot vira energije, saj trenutno ni zlitin, ki bi lahko delovale dlje časa v tako ekstremnih pogojih.
Seveda je ta problem rešen z uporabo dobro zasnovanega hladilnega sistema za komoro, kjer poteka zgorevanje vodika.
Količina sproščene toplote
V okviru vprašanja temperature zgorevanja vodika je zanimivo podati tudi podatke o količini energije, ki se pri tej reakciji sprosti. Za različne pogoje in sestave gorljive zmesi so bile pridobljene vrednosti od 119 MJ/kg do 141 MJ/kg. Da bi razumeli, koliko je to, ugotavljamo, da je podobna vrednost za mešanico bencina približno 40 MJ / kg.
Energijski izkoristek zmesi vodika je veliko večji kot pri bencinu, kar je velik plus za njegovo uporabo kot gorivo za motorje z notranjim zgorevanjem. Vendar tudi tukaj ni vse tako preprosto. Vse je odvisno od gostote vodika, pri atmosferskem tlaku je prenizka. Torej, 1 m3 tega plina tehta le 90 gramov. Če zažgete ta 1 m3 H2, se bo sprostilo približno 10-11 MJ toplote, kar je že 4-krat manj kot pri kurjenje 1 kg bencina (nekaj več kot 1 liter).
Navedene številke kažejo, da se je za uporabo reakcije zgorevanja vodika treba naučiti shranjevanja tega plina v visokotlačnih jeklenkah, kar že povzroča dodatne težave, tako tehnološko kot varnostno.
Uporaba gorljive mešanice vodika v tehnologiji: težave
Takoj je treba povedati, da se trenutno gorljiva zmes vodika že uporablja na nekaterih področjih človeške dejavnosti. Na primer, kot dodatno gorivo za vesoljske rakete, kot viri za proizvodnjo električne energije, pa tudi v eksperimentalnih modelih sodobnih avtomobilov. Vendar pa je obseg te aplikacije majhen v primerjavi s fosilnimi gorivi in je na splošno eksperimentalne narave. Razlog za to ni le v težavah pri nadzoru same reakcije zgorevanja, temveč tudi pri shranjevanju, transportu in ekstrakciji H2.
Vodik na Zemlji praktično ne obstaja v svoji čisti obliki, zato ga je treba pridobivati iz različnih spojin. Na primer iz vode. To je trenutno precej priljubljena metoda, ki se izvaja s prehodom električnega toka skozi H2O. Celoten problem je v tem, da to porabi več energije, kot jo je mogoče pridobiti s sežiganjem H2.
Druga pomembna težava je transport in shranjevanje vodika. Dejstvo je, da lahko ta plin zaradi majhnosti svojih molekul "izleti" iz katerega koliposode. Poleg tega, ko pride v kovinsko mrežo zlitin, povzroči njihovo krhkost. Zato je najučinkovitejši način za shranjevanje H2 uporaba ogljikovih atomov, ki lahko trdno vežejo "izmukljiv" plin.
Tako je uporaba vodika kot goriva v bolj ali manj velikem obsegu možna le, če se uporablja kot "skladiščenje" električne energije (na primer pretvarjanje vetrne in sončne energije v vodik z vodno elektrolizo), ali če se naučite dostaviti H2 iz vesolja (kjer ga je veliko) na Zemljo.
