ENERGETIKA-NET, Obnovljivi izvori energije

Vodik

Vodik (H 2 , eng. hydrogen, njem. Wasserstoff) najčešći je element u Svemiru i jedan od najčešćih na Zemlji. Ipak, na Zemlji se gotovo isključivo nalazi u vezanom obliku, odnosno u raznim kemijskim spojevima. U zraku atmosfere u čistom ga stanju pri normalnim uvjetima ima vrlo malo - između 0,0001 i 0,0002% (volumnih).

Kao tvar, vodik je otkriven u 18. stoljeću (Henry Cavendish, 1766. godine). Najlakši je element u prirodi i čak je 14 puta lakši od zraka. Na sobnoj je temperaturi (21 °C) i pri atmosferskom tlaku u plinovitom stanju, bez boje, okusa i mirisa, zapaljiv, ali neotrovan.

Osnovna svojstva vodika pri atmosferskom tlaku

kemijska formula	H 2
molarna masa M , kg/kmol	2,016
vrelište t vr , °C	-252,78
gustoća pri normalnom vrelištu r vr , kg/m 3	70,8
toplina isparavanja pri normalnom vrelištu Q isp,vr , kJ/kg	460,55
talište t tal , °C	-259,2
toplina taljenja Q tal , kJ/kg	58,62
kritična temperatura t kr , °C	-239,9
kritični tlak p kr , bar	12,94
kritična gustoća r kr , kg/m 3	31,0
specifični toplinski kapacitet pri konstantnom tlaku (0 °C) c p0 , kJ/(kg K)	14,235
adijabatski eksponent (0 °C) k	1,41

Kemijska i fizikalna svojstva vodika po mnogočemu su razlčita od drugih elemenata. Toplinska mu je vodljivost sedam puta veća nego kod zraka, a kroz čvrste stijenke difundira pet puta brže od zraka. Mogućnost njegovog istjecanja kroz spojeve i pukotine stijenki posuda i cijevi mnogo je veća nego bilo kojeg drugog plina, ali se u slučaju istjecanja značajno brže raspršuje u okolicu čime zapaljiva smjesa nastaje samo u neposrednoj blizini mjesta istjecanja. U slučaju duljeg doticaja s vodikom, osobito pri povišenim temperaturama, neki čelici postaju kruti, što se može spriječiti odgovarajućim odabirom materijala.

Usporedba svojstava vodika, metana (prirodni plin) i propana (ukapljeni naftni plin)

svojstva	vodik	metan	propan
gustoća plina, kg/m 3	0,0084	0,65	2,01
gustoća para, kg/m 3	1,34	1,82	2,42
toplina isparavanja, kJ/dm 3	31,8	215	248
difuzijski koeficijent na zraku, cm 2 /s	0,61	0,16	0,12
koeficijent toplinske vodljivosti u plinovitom stanju, mW/(cm K)	1,897	0,33	0,18
područje zapaljivosti na zraku, % (vol)	4 - 75	5 - 15	2,1 - 9,5
temperatura zapaljenja, °C	585	540	487
najmanja energija zapaljenja, mJ	0,02	0,3	0,26
najveća brzina izgaranja na zraku, m/s	3,46	0,43	0,47
područje detonacije na zraku, % (vol)	18 - 59	6,3-14	-
stehiometrijski udio na zraku, % (vol)	29,5	9,5	4,0

Na zraku vodik gori blijedoplavim, gotovo nevidljivim plamenom temperature oko 2045 °C (na čistom kisiku gotovo 2800 °C) pri čemu ne nastaje čađa, a zračenje plamena je oko 10 puta manje nego kod drugih gorivih plinova. Zbog toga je i smanjena opasnost od zagrijavanja neposredne okolice i mogućih ozljeđivanja ljudi. Njegovim izgaranjem nastaje samo vodena para, posve neškodljiva za okoliš. Područje zapaljivosti vodika u zraku iznosi od 4 do 75% njegovog volumnog udjela. Donja mu je granica zapaljivosti na zraku četiri je puta viša nego za benzin i dva puta viša nego za propan. Područje zapaljivosti vodika u čistom kisiku kreće se između 4 i 95% volumnog udjela. Ipak, energija potrebna za zapaljenje na zraku je 12 puta manja nego kod benzina, ali je brzina izgaranja 8 puta veća.

Dok se pri uobičajenim temperaturama i tlakovima najveći broj drugih plinova zbog ekspanzije prigušivanjem hlade, taj je proces kod vodika neznatno inverzan. Pri normalnim se uvjetima vodik ukapljuje na temperaturi oko -253 °C (20 K). Kako niže vrelište ima samo helij, na toj temperaturi svi plinovi osim njega prelaze u čvrsto agregatno stanje. Ukapljeni je vodik proziran, bez boje i mirisa, nekorozivan i nereaktivan, a gustoća mu iznosi samo 1/40 gustoće vode.

U kemijskom je smislu vodik redukcijsko sredstvo (reducens) i spaja se s brojnim drugim elementima. Najčešća mu je uporaba kao reaktivni sudionik reakcija, zaštitni plin, važna sirovina u brojnim industrijama, za oplemenjivanje u kemijskoj, farmaceutskoj ili prehrambenoj industriji itd.

Postupci pohrane vodika u spremnike smanjivanjem volumena (stlačivanjem) poznati su već stotinjak godina. Osnovni je nedostatak takvih spremnika njihova prilično velika masa u odnosu na masu pohranjenog vodika. Ipak, to se u posljednje vrijeme riješava primjenom kompozitnih materijala što također omogućava više tlakove. Hlađenjem stlačenog vodika do niskih temperatura (npr. -193 °C) može se povećati količina pohranjenog plina. Za svemirske se letove koristi tzv. kašasti vodik, odnosno smjesa koju čini 50% krutog i 50% ukapljenog vodika pri uvjetima trojne točke. Vodik se također može pohranjivati u krutom obliku, vezan u raznim spojevima. Odgovarajuća smjesa željeza i titana tada na sebe veže vodik koji se pri tome skrućuje, odnosno tvori hidride. Kako je to egzoterman proces, spremnik pri punjenju valja hladiti, a pri pražnjenju zagrijavati.

Želim znati više: