Пропан или водород что опаснее
Что взрывается сильнее – чистый водород, кислород или гремучий газ? (видеоэксперимент)
Взрыв водорода vs взрыва кислорода: какой газ выигрывает по силе взрыва?
В чем разница между взрывом водорода и взрывом кислорода, и есть ли она вообще? Давайте взглянем на последовательный поджиг трех шаров и посмотрим на разницу в мощности (при просмотре уменьшите звук):
Разница очевидна, не правда ли?
Кислород, принимая участие в процессе множества взрывов, приобрел репутацию «плохого парня». Некоторые люди даже думают, что кислород взрывоопасен. Как мы можем увидеть из представленного эксперимента, без кислорода хоть и не может произойти необходимый химический процесс для взрыва, сам по себе газ не несет в себе взрывоопасности. По сути, он не более чем дополнение, аксессуар для большого ба-бах!
Горение – суть удаление кислорода из области, окружающей горящий объект, и добавление его к тому материалу, который сжигается. Пожар не может начаться без кислорода. Но сам кислород совершенно безвреден в «химии» пожара. Когда джентльмен с горелкой на длинной ручке перемещается от одного шара к другому, он демонстрирует взрывную способность водорода, кислорода, а также смеси водорода и кислорода, так называемого «гремучего газа», если соблюдена пропорциональность.
Кислород с точки зрения взрыва является настоящим разочарованием (красный шарик). Без инициирующего вещества сам по себе газ под восьмым порядковым номером в таблице Менделеева не способен сделать ничего, кроме не очень громкого «БАХ!». Ну прям ничуть не больше, чем в том случае, если вы в шарик булавкой ткнете. Горения кислорода не происходит.
Поэтому, если поджечь спичку, кислород вокруг нее не воспламенится, он лишь будет поддерживать горение в непосредственном соприкосновении с горящим объектом.
Это легко объяснимо, просто в этом миксе газов необходимые элементы уже смешаны и ждут своего часа: водород, воспламеняемый при помощи кислорода.
Этот гремучий газ стал одной из самых больших головных болей инженеров проектирующих водородные автомобили. При аварии и разгерметизации баллона с водородом, газ может смешаться в необходимой пропорции, и будет достаточно небольшой искры для очень мощного взрыва. В связи с этим на водородных автомобилях ставятся специальные ячейки для хранения опасного газа.
Кстати, водород и кислород, соединяясь, образуют всем известную Н2О. Этот эксперимент использует огонь, чтобы создать воду. Потрясающе!
Российские ученые исследовали безопасность водорода в автомобиле
Взрыв пропана в исследовательской камере
Снежана Шабанова/Центр компетенции НТИ при ИПХФ РАН
Исследователи из ФГУП «НАМИ», Московского государственного строительного университета и Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН задались целью оценить, насколько безопасен водородный автомобильный транспорт по сравнению с традиционными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания на водороде. Статья с результатами изысканий опубликована в российском «Журнале прикладной химии». Новые эксперименты, которые провели сотрудники Института комплексной безопасности в строительстве НИУ МГСУ, подтверждают возможность сравнительно безопасного использования водорода на транспорте.
Одним из барьеров на пути развития водородного транспорта становится психологическое неприятие, основанное на страхе водорода как взрыво- и пожароопасного газа. Поэтому авторы в своем исследовании внимательно сравнили основные характеристики, определяющие процессы горения и потенциальную опасность водорода и используемых углеводородных топлив (жидких – бензина и дизеля, газообразных – природного газа и пропан-бутановой смеси) при их использовании на автомобиле.
Выводы, которые делают исследователи, таковы: при соблюдении технологических правил использования водорода (современные композитные баллоны высокого давления, не позволяющие взорваться с осколками, использование правильных материалов для водородной системы, которые не боятся водородного охрупчивания) водород – достаточно безопасный источник энергии для автомобиля.
«Мы хотели показать, что все виды топлива опасны по природе своей, поскольку содержат в себе энергию в химической форме, которая при неправильном использовании топлива может быть разрушительной. То или другое топливо может представлять бОльшую опасность в сравнении с другими в зависимости от условий. И мы показали, что с водородом можно также безопасно работать – использовать на автомобиле в качестве топлива, если учитывать его специфичные свойства и правильно с ним обращаться. Например, «правильные» композитные баллоны типа IV не дают поражающих осколков, как металлические», – говорит автор статьи, заведующий отделом каталитических систем ФГУП «НАМИ» Андрей Порсин.
«В основу обеспечения безопасности эксплуатации водородных автомобилей должны быть положены соответствующие стандарты и руководящие документы, базирующиеся на результатах научных исследований и конструкторских разработок. К ним можно отнести обеспечение пассивной безопасности не только для людей, но и для энергетического модуля в целом силовой установки, ее надежность и необходимый ресурс работоспособности в условиях эксплуатации, а также наличие средств ликвидации возможных аварийных ситуаций», – комментирует соавтор статьи, доктор технических наук Сергей Цариченко (МГСУ).
Авторы отмечают несколько свойств водорода, делающих его в определенных условиях более безопасным при использовании в автомобильном транспорте.
Во-первых, водород самый легкий газ, и в воздухе он поднимается вверх со средней скоростью в 20 метров в секунду.
Во-вторых, из-за своей текучести водород быстро и рассеивается, что не дает образовать взрывоопасную смесь с воздухом. Например, на открытом пространстве при разливе и возгорании бензина при пробитом бензобаке автомобиль сгорает за несколько минут, а при пробитом баллоне и возгорании струи водорода пожар самостоятельно затухает менее чем за две минуты.
В-третьих, в отличие от углеводородов, при горении водорода не образуется никаких токсичных веществ типа угарного газа – только вода.
В статье не рассматривался вопрос пожарной безопасности литий-ионных батарей, однако один из соавторов статьи отдельно прокомментировал этот вопрос.
«Водородный автомобиль и автомобиль на литий-ионных аккумуляторах объединяет наличие этих батарей. Учитывая то, что батареи на чисто электрических автомобилях должны иметь существенно больший объем, соответственно, их пожарная опасность пропорционально выше, чем водородных автомобилей. Естественно, присутствие водорода на борту автомобиля повышает потенциал опасности в случае развития пожара и нагрева баллона с водородом, однако при выполнении соответствующих мероприятий по безопасному дренированию водорода риск развития серьезных последствий, учитывая совокупность всех факторов окажется ниже», – говорит Цариченко.
Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования
Плюсы и минусы использования водорода в качестве автомобильного топлива
21 век в автомобильном мире будет веком распространения технологий будущего. Но не всем новым технологиям суждено выиграть в этом естественном отборе.
Экологичность такого вида топлива тоже не подвергается сомнениям. Последняя серийная разработка японской автомобилестроительной корпорации «Toyota» доказала, что «выхлоп» водородного автомобиля можно…по-просту пить. Это лмчно продемонстрировал один зарубежный автожурналист. Он сделал несколько глотков воды поступающей прямо из выхлопной трубы автомобиля Toyota Mirai, и тут-же сказал, что на вкус данная вода вполне себе даже ничего, настоящая дистиллированная, без примесей.
Следующий фактор о водородных двигателях (его косвенно можно считать таковым). Исторически так уж сложилось, что водородом заправляли еще «автопионеров» среди ДВС. Первый такой водородный двигатель был построен французским конструктором Франсуа Исаак де Ривазом аж в 1806 году.
Не забудем и те героические времена истории Нашей с вами страны. В блокадном Ленинграде на водород было переведено более 500 автомобилей. И они без особых проблем несли свою непростую но нужную службу.
Получается, что водород, как топливо для сжигания в ДВС, используют уже достаточно давно. Значит и особых проблем в создании современного автомобиля не должно просто быть.
Четвертый значительный фактор говорящий за целесообразность использования вещества с формулой H2- это его колоссальная распространенность на планете. H2 (водород) можно получать даже из отходов и сточных вод.
Часто встречающиеся в природе вещества достаточно дешево стоят. Значит и водородное топливо не должно быть дорогим.
Использование водорода может происходить в различных силовых установках, делая его таким образом более гибким к развитию технологий. Разрабатываемые современные водородные автомобили в основном используют эту данную схему, как наиболее безопасную и продуктивную.
Не мало плюсов, неправда ли друзья? И они все очень даже весомые. Но почему тогда до сих пор мы не видим миллионы водородных самодвижущихся экипажей вокруг нас по всей планете? На то есть свои определенные причины, и они также очень сегодня важны.
Давайте рассмотрим некоторые из причин, в том числе серьезные опасности, которые могут быть связаны с водородной энергетикой.
Поэтому получается, прежде чем водород может быть использован в качестве альтернативного топлива, он сначала должен быть извлечен из этих самых веществ, а затем уже переведен в особое состояние, то есть как правило, в тот самый сжиженный и необходимый нам вид.
Развитие сети водородных заправок дело будущих десятилетий. Именно столько должно пройти времени, чтобы стоимость их постройки была целесообразной.
Существуют ли опасности, которые связаны с наличием большого количества чистого водорода скопившегося в одном месте? Безусловно существует. Когда жидкий водород хранится в резервуарах, это безопасно, но стоит ему просочится в окружающую среду, как он моментально превращается в гремучую смесь (гремучий газ).
А пока все построенные объекты для заправки автомобилей водородом скорее всего используются в качестве рекламного хода и для демонстрации возможностей будущего.
Топливные ячейки стоят на третьей позиции в качестве минусов. Эти вроде безопасные элементы тоже не избежали тернистого пути метода проб и ошибок. Как и с теми же заправочными станциями и с теми же двигателями ДВС, все упирается именно в стоимость применяемых на данный момент технологий.
Приведем один пример. В качестве катализатора в этих топливных элементах используется на данный момент платина. А теперь представляете друзья стоимость такой детали?!
Некоторые технологии для ДВС настолько дороги, что проще купить жене платиновое кольцо с бриллиантом, чем заменить сломавшуюся деталь в водородном автомобиле.
Хорошая новость в этом достаточно дорогом деле заключается в том, что ученные непрерывно день-изо-дня ищут замену этому драгоценному металлу. Разрабатываются все новые технологии, проходят тестирования новые современные материалы. В конечном итоге ученые надеются, что «топливные элементы будущего» могут существенно снизить себестоимость сегодняшних элементов в 1000 раз и более.
Еще одна проблема кроется в том, что это пламя водорода почти невидимо. При возгорании водорода пламя настолько тускло, что с ним не так-то просто бороться (справиться).
И наконец последняя причина. Как и любой сжиженный газ водород имеет очень низкую температуру. При утечке из бака и непосредственным контактом с открытыми участками тела человека, он может привести к серьезному обморожению.
Действительно ли водород на столько опасен?
Наверное, после всего прочитанного Вы будете уважаемые читатели просто в шоке, что водород на столько опасен. И возможно никогда не захочете покупать себе водородный автомобиль, если в будущем у вас появится такая возможность(?).
На самом деле не все так уж и плохо. Поскольку газообразный водород чрезвычайно легок, то при утечке он быстро рассеется в самой атмосфере. Тогда ни какой гремучей смеси не получится и опасность взрыва будет сведена к минимуму.
Что касается опасности удушья, то мы ответим вам так: –такая проблема может случиться только в замкнутом пространстве, например в гараже. Если же утечка водорода произойдет на открытом воздухе, то его концентрация будет незначительной и небольшой, опасности для жизни она не представляет.
«Мы уже все взорвали заранее»
Кадр из замедленной съемки взрыва пропан-бутановой смеси
В жаркий июньский день в Мытищах гремят взрывы, заливаются сирены и пляшут языки огня. Идея «взрывать ради безопасности» звучит как оксюморон, вроде «воевать за мир» или «пить за трезвость». Но при самих испытаниях никто не пострадал, а в будущем их результаты помогут избежать новых жертв и сделать новый шаг к «зеленым» технологиям — водородным двигателям. Рассказываем об экспериментах, которые проводились в Институте комплексной безопасности в строительстве МГСУ совместно с Центром компетенции НТИ при ИПХФ РАН.
Дорога к водородному транспорту
Вначале сделаем небольшое отступление и расскажем, что это за зверь такой, водородный двигатель. Мало кто знает, но первый прототип автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, созданный в начале XIX века французом Франсуа де Ривазом, работал на смеси водорода с кислородом, которую надо было поджигать вручную. Но если концепты транспорта на водороде появились даже раньше, чем все остальные, почему они не прошли такую же эволюцию, как и привычные нам машины, ездящие на дизеле, пропане или бензине? Первые водородные автомобили были примитивны и ездили со скоростью три километра в час на очень маленькие расстояния, поэтому коммерческого успеха машины де Риваза и его последователей не добились.
Водородный автомобиль де Риваза
Массовый интерес к водородному транспорту появился только в середине прошлого века, когда человечество осознало, что запасы нефти не бесконечны, да и атмосфера от выбросов углерода страдает. А кроме того, со времен де Риваза появился принципиально новый способ использования водорода — не сжигать его в двигателе, а окислять в топливном элементе с выделением электричества. Но и в 1950-1960-х годах водород «не взлетел» — слишком большими и сложными в производстве оказались топливные элементы. Точнее — он только что и взлетел: вся американская космическая программа строилась на водородных топливных элементах.
Казалось бы, если со второй попытки эта технология не стала массовой, надежд у нее мало. Однако это неверное впечатление. Как рассказал руководитель Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН профессор Юрий Добровольский долгое время главным сдерживающим фактором была сложность хранения и безопасной перевозки этого вида топлива. Водород в газообразном состоянии, даже сжатый, обладает очень низкой плотностью (стандартный баллон весит примерно в тридцать раз больше, чем водород, который можно в него закачать), а в сжиженном виде он существует при узком диапазоне крайне низких температур.
К тому же при взрывах водорода металлические баллоны разлетаются на осколки, которые могут наносить тяжелые ранения. В последнее время технологии хранения водорода продвинулись вперед — к примеру, появились новые углепластиковые баллоны, легкие, более безопасные и относительно недорогие. Такой баллон показали и журналистам в МГСУ специалисты из Центра компетенций.
Слева: водородный композитный баллон
Пока водородный транспорт был в застое, росла популярность электромобилей. Транспорт в крупных развитых городах все чаще становится электрическим, чтобы уменьшить выбросы углерода и снизить нагрузку на окружающую среду. Европейские столицы соревнуются друг с другом в экологичности, да и Москва обзавелась электробусами, закупив более 500 единиц из 2000 запланированных. В Норвегии электромобили опередили аналоги по продажам. Но такой транспорт имеет и недостатки: у электромобилей очень маленький пробег после зарядки, которая может занимать больше десяти часов в обычном режиме «от розетки» и больше часа на специализированной заправке.
В большинстве регионов России с ее огромными расстояниями это неприемлемо, поскольку инфраструктуры для подзарядки можно не найти на протяжении сотен, а то и тысяч километров. Водородный автомобиль, благодаря большей удельной энергоемкости топливного элемента, может на одной заправке проехать 600–1000 километров реальных дорог, а заправляется он за 4–5 минут. Поэтому в области водородных технологий, которые переживают новый расцвет, наша страна может выйти в лидеры. Есть и еще одна проблема с электромобилями — возгорания огромных батарей. В среднем для того чтобы потушить один современный электромобиль, нужно до 11 пожарных расчетов, а поскольку в ячейках некоторых литий-ионных аккумуляторов выделяется кислород, их потушить в принципе невозможно.
«Это безопаснее других видов топлива, это наше завтра»
Почему же водородом и взрывами заинтересовались в строительном вузе? «Одно из важнейших направлений наших исследований — взрывобезопасность строительства, — поясняет ректор МГСУ Павел Акимов. — Мы изучаем безопасность в области строительства при всех возможных видах воздействий на здания. В нашем научно-техническом комплексе трудятся более 700 человек, 300 из них — инженерно-технические работники». В лабораториях с уникальным оборудованием инженеры изучают взрывобезопасность разных материалов и создают огнестойкие конструкции. «Транспорт в динамическом движении, инфраструктура, которая их питает, — это строительные конструкции, и при их неправильном проектировании возникают серьезные последствия», — предупреждает профессор МГСУ Сергей Цариченко.
Для понимания, почему так происходит, нужно учитывать свойства этих веществ. Поскольку водород легкий и текучий, он поднимается вверх со скоростью 20 м/с и быстро рассеивается в атмосфере (более подробно о сравнении безопасности разных видов топлива можно прочитать в научной статье).
В доказательство своих слов ученые из Центра компетенций НТИ и МГСУ продемонстрировали взрывы стехиометрической смеси водорода с кислородом, пропан-бутановой смеси и бензино-паровоздушной смеси. Для изучения последствий взрыва важна не только вероятность самого взрыва, но и его характеристики: скорость ударной волны, количество выделяемого тепла. Журналисты наблюдали за процессом с почтительного расстояния. «Мы за несколько дней до вас все уже взорвали, проверили», — приободряет Алексей Паевский.
Водородно-кислородная смесь при детонации издавала высокий звук из-за большой скорости ударной волны, но вспышка огня была слабой и практически сразу погасла. Пропан-бутановая смесь горела сильнее, но ярче, и дольше всего полыхал бензин.
«Любое горючее в узком пространстве опасно, хотя бензиновая заправка опаснее водородной. Безопасность водородных заправок выше, если строить их в автопарках, отдельно стоящим зданием, специально обучать персонал для обслуживания. Это безопаснее других видов топлива, это наше завтра», — подытожил Юрий Добровольский.
Другие лаборатории МГСУ, по которым провели журналистов, тоже занимаются разрушающими воздействиями: изучают истирание асфальтового покрытия на дорогах, проверяют прочность крупногабаритных конструкций при давлении, тряске, ударах с разных сторон. Отдельной гордостью университета оказался бассейн для моделирования волновых воздействий на берегу или на шельфе морей и одна из самых больших в стране климатических камер, используемых для строительства.
«В России водород примерно в десять раз дороже, чем в Европе»
Дорого ли обойдется переход на водородное топливо? На этот вопрос нашему корреспонденту ответил Юрий Добровольский. «Мы сравнили дизельный автобус, электробус и водородный автобус тех же размеров. Даже сейчас водородный автобус выгоднее электробуса — и это с учетом полного жизненного цикла, куда входят затраты на ремонт и заправку. Эксплуатационные расходы для водородных автобусов близки к нулю. Но, к сожалению, в России водород очень дорогой — примерно в десять раз дороже, чем в Европе. Если цена за водород будет приемлемая для автотранспорта (в районе 4–5 долларов килограмм), то он выиграет у дизеля».
Ученый признался, что не верит, что водородный автомобиль Toyota Mirai будет стоять в каждом дворе. Но в том, что водородные двигатели нужны в коммунальном хозяйстве, городском транспорте и в дальних перевозках, он не сомневается. В отличие от электробусов, заправка водородного автобуса проходит очень быстро, и требуется она всего раз в день.
Производство водорода сегодня — это многотоннажные промышленные масштабы. Что же мешает нам наладить инфраструктуру водородного транспорта? Самым старым и одним из самых дешевых методов считается пропускание паров воды над углем при высокой температуре. Самый чистый, «зеленый» способ — электролиз воды с использованием возобновляемых источников энергии, то есть ее разложение при помощи электричества, но из-за затрат этого самого электричества он пока считается самым дорогим. Компромиссом между величиной углеродного следа и себестоимостью стал «голубой» способ — конверсия метана с последующей утилизацией выделившегося углекислого газа. Чтобы все не закончилось на кучке энтузиастов, купивших водородные автомобили ради интереса, этот процесс в России нужно масштабировать, а для этого требуется поддержка государства.
По словам экспертов, сегодня водородная энергетика не развивается без участия государства ни в одной стране мира. И речь даже не только о финансовой помощи — в российских нормах регулирования, связанных с водородным транспортом, сейчас очень много пробелов, которые касаются и правил безопасности, и стандартов эксплуатации. Чтобы устранить их и объяснить населению, что водород — не самое опасное топливо, понадобится не один год. Будем считать, что публичные эксперименты в МГСУ — хорошее начало.
Водородное топливо
LH2 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны
Водородное топливо
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).
Водород
Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2).
Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O).
Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.
Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.
Есть другие технологии:
Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.
1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.
Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.
Получение водорода
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
Физические свойства
Химические свойства
Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
Реакция восстановления противоположна реакции окисления.
Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.
С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании: