Водородная криомагнетика
Водородная криомагнетика — термин, используемый для обозначения использования криогенного жидкого водорода для охлаждения обмоток электромагнита . [1] Ключевым преимуществом водородной криомагнетики является то, что низкотемпературный жидкий водород можно использовать одновременно и в качестве криогена для охлаждения обмоток электромагнита, и в качестве носителя энергии . вероятно, возникнут мощные синергетические преимущества То есть, когда водород будет использоваться в качестве топлива и охлаждающей жидкости, . [2] Даже без синергии топлива и теплоносителя водородная криомагнетика является привлекательным вариантом для охлаждения сверхпроводящих электромагнитов, поскольку она устраняет зависимость от все более дефицитного и дорогого жидкого гелия. [3] [4] Для водородных криомагнитных применений специальные электромагниты с водородным охлаждением наматываются с использованием меди или сверхпроводников . Магниты с медной обмоткой, охлаждаемые жидким водородом, хорошо работают как магниты импульсного поля . [5] Сверхпроводники обладают тем свойством, что они могут работать непрерывно и очень эффективно, поскольку почти полностью исключаются электрические резистивные потери. [6] Чаще всего термин «водородная криомагнетика» используется для обозначения использования криогенного жидкого водорода прямо или косвенно для обеспечения высокотемпературной сверхпроводимости в обмотках электромагнитов. [1]
Водородная криомагнетика особенно полезна там, где требуются сильные магнитные поля, например, в электродвигателях с высоким крутящим моментом . При атмосферном давлении жидкий водород кипит примерно при 20,3 К. [7] (-259,3 °С). Жидкий водород при такой температуре значительно холоднее, чем температуры, при которых впервые может быть вызвана сверхпроводимость в ряде важных высокотемпературных сверхпроводников, включая оксид иттрия, бария, меди (YBCO), поскольку YBCO имеет температуру сверхпроводящего перехода (Tc) 93 К. [8] Работа сверхпроводящих магнитов на основе YBCO при температуре более чем на 70 К ниже Tc позволяет использовать очень высокие плотности тока и очень сильные магнитные поля без потери сверхпроводимости. [9] Свойства материала YBCO таковы, что из него невозможно сделать пластичные провода, хотя был достигнут большой прогресс в создании электромагнитов YBCO с сильным полем, основанных на использовании лент, а не проводов. [10] Другой сверхпроводник, пригодный для криомагнитного использования водорода, — это диборид магния . [11] [12] Диборид магния является обычным сверхпроводником, и из него можно изготавливать гибкие провода, что облегчает его потенциальное применение, например, в термоядерных реакторах токамаков. [11] Диборид магния имеет температуру перехода 39 К. [13] Хотя при атмосферном давлении жидкий водород достаточно холоден, чтобы охладить диборид магния до сверхпроводящего состояния, есть преимущества в накачивании водорода, позволяющем еще больше снизить его температуру при использовании такой магнитной обмотки (при этом используется та же физика, которая гласит, что температуру кипения воды можно снизить, уменьшив давление над жидкостью, см., например. [14] ). Обычно, чем больше разница между температурой проводника и температурой сверхпроводящего перехода, тем лучше. Жидкий водород — не единственный способ криогенного охлаждения магнита; действительно, традиционно сверхпроводники охлаждаются жидким гелием при температуре 4,2 К, а для обычных проводящих импульсных магнитов (включая медь) наибольшее внимание уделяется жидкому азоту при температуре 77 К. [15] Можно ожидать, что жидкий водород обеспечит лучшую производительность, чем жидкий азот, и, как обсуждается ниже, жидкий водород позволяет избежать некоторых проблем, связанных с доступностью гелия.
Любое использование водородных криомагнетиков требует тщательного рассмотрения вопросов безопасности водорода .
Водородная криомагнетика — это концепция, отличная от использования газообразного водорода с более высокой температурой в качестве теплоносителя в турбинах электростанций .
Происхождение
[ редактировать ]Термин «водородная криомагнетика» впервые был использован в текстовой панели, являющейся частью статьи профессора У. Дж. Наттолла и профессора Б. А. Гловацкого, опубликованной в июле 2008 года в журнале Nuclear Engineering International. [16] К этой концепции вернулись на конференции Института физики , состоявшейся в Манчестере, Англия, в апреле 2010 года. [17] Презентацию провел профессор У. Дж. Наттолл, в соавторстве с профессором Б. А. Гловацким и доктором Л. Бромбергом. Путь к этому термину также включал в себя размышления о водороде как о топливе и охлаждающей жидкости – с точки зрения сверхпроводимости. [2] . Более раннее рассмотрение жидкого водорода в качестве криогенного теплоносителя включает работу Гловацкого и соавторов 2005 года. [18] и 2006. [19] Концепция водородной криомагнетики получила дальнейшее развитие и обсуждение в 2012 году. [20] 2015 [1] и 2019. [21]
Атрибуты
[ редактировать ]Можно ожидать, что появление водородной криомагнетики выиграет от развития сильного промышленного интереса к жидкому водороду, который, как можно ожидать, произойдет по другим причинам, включая рост общей водородной экономики и необходимость транспортировки и хранения объемного водорода. [21] Глобальный интерес растет к появлению водородной экономики, в которой водород является низкоуглеродным энергоносителем, получаемым из возобновляемых источников энергии ( зеленый водород ) или, альтернативно, из природного газа с улавливанием и хранением углерода (иногда его называют « голубым водородом »). Когда трубопроводы недоступны. Было обнаружено, что использование сжиженного водорода для объемной транспортировки и распределения молекул водорода более эффективно, чем газовые баллоны высокого давления, при перемещении больших количеств на большие расстояния. [22] Водород (в жидком или газообразном виде) представляет собой систему хранения энергии, конкурирующую с технологией электрических батарей. [22] Водород выигрывает у батарей по наибольшему количеству энергии, сохраняемой в течение самого длительного периода. Водородные топливные элементы превосходят аккумуляторные электрические технологии для самых тяжелых видов транспорта, таких как поезда, грузовики и автобусы. [22] Водородная технология конкурирует с технологией аккумуляторов, а технология газообразного водорода конкурирует с технологией жидкого водорода. По мере того, как эти конкурентные силы окупятся, вполне возможно, что жидкий водород приобретет значительную роль в качестве стационарной, долгосрочной и крупномасштабной системы хранения энергии и системы заправки более тяжелых транспортных средств. В таких сценариях можно ожидать, что растущая экономическая роль производства и распределения жидкого водорода будет в значительной степени способствовать последующему использованию водорода в криомагнитных приложениях.
Как избежать проблем с гелием
[ редактировать ]Традиционный способ охлаждения сверхпроводящих магнитов — использование жидкого гелия (температура кипения при атмосферном давлении 4,2 К). Гелий является побочным продуктом современной газовой промышленности. [3] а его колеблющаяся цена и доступность в последние годы вызывали большое беспокойство. [23] Можно ожидать, что повышение эффективности использования и предотвращение отходов приведут к увеличению запасов гелия. Нельзя ожидать, что дальнейшее производство гелия из природного газа будет продолжаться, если природный газ будет постепенно отказываться от использования природного газа на пути к Net-Zero. Для этого необходимы сектора, использующие гелий, которые могут заменить гелий. [24] Те пользователи, которые смогут безопасно перейти на водородную криомагнетику, смогут увидеть значительное снижение эксплуатационных расходов и избежать рисков, связанных с нехваткой поставок гелия.
Лучшие электродвигатели
[ редактировать ]В двадцатом веке преобладающим типом электродвигателей был асинхронный двигатель, в котором использовались туго намотанные катушки из медной проволоки для создания необходимых внутренних магнитных полей. Совсем недавно, отчасти благодаря развитию аккумуляторных электромобилей, появилось много инноваций в двигателях с постоянными магнитами . Они основаны на постоянных магнитах с сильным полем, основанных на редкоземельных минералах. Водородная криомагнетика обеспечивает возможность создания сверхпроводящих асинхронных двигателей, охлаждаемых жидким водородом при температуре примерно 20К. Такая криогенная жидкость может быть доступна на транспортном средстве (например, самолете, поезде, грузовике, автобусе или даже автомобиле), если для производства электроэнергии на борту топливных элементов используется водород высокой чистоты .
Жидкий водород – источник водорода высокой чистоты
[ редактировать ]Можно ожидать, что отходящий газ из резервуара с жидким водородом будет чрезвычайно чистым и чистым. В каком-то смысле жидкий водород был перегнан. Например, длительная эксплуатация электромобилей на топливных элементах зависит от необходимости защищать мембраны и катализаторы топливных элементов от загрязнения. [25] Деградация топливных элементов при использовании может иметь множество причин: [26] тем не менее, можно ожидать, что чистота топлива (в нормальных условиях и в случае отказа заправочного оборудования) будет серьезной проблемой для любой системы, использующей газообразный водород под высоким давлением.
Возможные применения
[ редактировать ]Различные потенциальные применения водородной криомагнетики были рассмотрены Мохаррадом и его коллегами в 2022 году. [27] Некоторые потенциальные приложения перечислены ниже.
- Энергия термоядерного синтеза
Концепция прикладной водородной криомагнетики впервые возникла в связи с магнитоуправляемым ядерным синтезом . В 2004 году У. Дж. Наттолл предположил, что коммерциализация термоядерной энергии может осуществляться через международные нефтяные компании, а не через электричество. [28] По техническим и экономическим причинам термоядерная энергия может быть жизнеспособным средством производства жидкого водорода для водородной экономики способами, напоминающими сегодняшнюю экономику сжиженного природного газа . Традиционный термоядерный синтез в токамаке, вероятно, потребует очень большого количества дорогого и дефицитного жидкого гелия для охлаждения сверхпроводящих магнитов. Жидкий гелий является ключевым расходным материалом в традиционной парадигме. Учитывая потенциальное изобилие жидкого водорода на будущей термоядерной установке, принадлежащей одной из сегодняшних международных нефтяных компаний, казалось бы естественным использовать криогенный водород, чтобы помочь преодолеть зависимость от гелия. Водородная криомагнетика потенциально может способствовать развитию термоядерной энергии токамака. Эти идеи объединились в концепцию, известную как «Остров Фьюжн», разработанную У. Дж. Наттоллом, Б. А. Гловацким и Р. Х. Кларком. [29] Концепция Fusion Island получила дальнейшее развитие в 2008 году. [16] и 2021 год. [30] Компания Commonwealth Fusion Systems в Массачусетсе активно изучает технологии сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых до температур жидкого водорода. [31]
- Авиация
Еще одна значительная возможность для водородной криомагнетики заключается в авиации с низким уровнем выбросов CO 2 . [32] Airbus, Rolls-Royce и их коллеги стали пионерами в использовании жидкого водорода в авиационных двигателях. В статье для журнала Aviation Week в апреле 2021 года Тьерри Дюбуа заметил: [33] «Airbus запустил амбициозную демонстрационную программу по использованию сверхпроводниковой технологии. Она направлена на значительное повышение эффективности. Идея проистекает как из сложности разработки архитектуры электрической силовой установки с традиционной проводкой, так и из возможности использовать жидкий водород в качестве Холодный источник сверхпроводящих материалов требует криогенных температур». Водородная криомагнетика позволяет использовать на самолетах технологию водородных топливных элементов для выработки электроэнергии для привода электродвигателей на базе HTS с высоким крутящим моментом, способных приводить в движение пропеллеры или канальные вентиляторы с высокой эффективностью. Программа Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), финансируемая Европейским Союзом, работает над сверхпроводящим авиационным двигателем с КПД 99% и удельной мощностью 20 кВт/кг. [34] Исследователи МАИ предложили проект водородного криомагнитного авиационного двигателя мощностью 5 МВт. [35] Еще до того, как будут получены выгоды от использования водородных криомагнитных сверхпроводящих асинхронных двигателей, водород вызывает большой интерес как низкоэмиссионное авиационное топливо будущего. Airbus активно реализует водородную программу , как и другие крупные промышленные концерны мировой авиации, .
- Металлообрабатывающая промышленность
Водородная криомагнетика имеет потенциально выгодные синергетические связи с развивающейся сталелитейной промышленностью с низким уровнем выбросов, пионером которой стала компания SSAB в Швеции. [36] Водород разрабатывается как альтернатива коксующемуся углю для восстановления железных руд с целью производства чугуна (« плавка »). Использование водорода для таких целей значительно укрепит связи между водородом и производством стали. Имея это в виду, если бы кузница имела доступ к криогенному жидкому водороду, то крупномасштабная магнитная индукционная ковка на основе водородной криомагнитной технологии могла бы быть чрезвычайно экономически привлекательной, особенно для нагрева заготовок. [37]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Гловацкий, бакалавр; Наттолл, WJ; Хэнли, Э.; Кеннеди, Л.; О'Флинн, Д. (01 февраля 2015 г.). «Водородная криомагнетика для децентрализованного управления энергией и сверхпроводимости» . Журнал сверхпроводимости и нового магнетизма . 28 (2): 561–571. дои : 10.1007/s10948-014-2660-7 . hdl : 10344/7249 . ISSN 1557-1947 . S2CID 56241493 .
- ^ Jump up to: а б Б. А. Гловацкий и В. Дж. Наттолл, Водород как топливо и охлаждающая жидкость – с точки зрения сверхпроводимости, Journal of Energy Science, 1 (1) стр. 15–28, (2010), опубликовано Вроцлавским технологическим университетом, Польша, доступно по адресу: https://www.dbc.wroc.pl/dlibra/publication/5150/edition/4928/content, по состоянию на 11 февраля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Наттолл, Уильям; Кларк, Ричард; Гловацкий, Бартек, ред. (25 июня 2012 г.). Будущее гелия как природного ресурса . Рутледж. дои : 10.4324/9780203120675 . ISBN 978-1-136-32273-0 .
- ^ Гловацкий, бакалавр; Наттолл, WJ; Кларк, Р.Х. (2013). «За пределами гелиевой загадки» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 23 (3): 0500113. Бибкод : 2013ITAS...2300113G . дои : 10.1109/TASC.2013.2244633 . ISSN 1051-8223 . S2CID 42843070 .
- ^ Макдональд1, Коннектикут (19 сентября 2022 г.). «Использование газообразного гелия, охлажденного жидким водородом, с импульсным медным соленоидным магнитом 15-Т» (PDF) . Проверено 19 сентября 2022 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Сверхпроводимость - Arc.Ask3.Ru
- ^ «Водород | Н (Элемент) — ПабХим» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ Ву, МК; Эшберн, младший; Торнг, CJ; Хор, PH; Мэн, РЛ; Гао, Л.; Хуанг, ZJ; Ван, YQ; Чу, CW (2 марта 1987 г.). «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной фазовой системе соединений Y-Ba-Cu-O при атмосферном давлении» . Письма о физических отзывах . 58 (9): 908–910. Бибкод : 1987PhRvL..58..908W . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.908 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10035069 .
- ^ «ЮБКО» . www.ch.ic.ac.uk. Проверено 19 сентября 2022 г.
- ^ «Высокотемпературная сверхпроводящая лента, подходящая для магнитов силой 50 Тесла и выше — MagLab» . Nationalmaglab.org . Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Гловацкий, бакалавр; Наттолл, WJ (1 февраля 2008 г.). «Оценка проводников MgB2, охлаждаемых жидким водородом, для магнитоуправляемой сварки» . Физический журнал: серия конференций . 97 (1): 012333. Бибкод : 2008JPhCS..97a2333G . дои : 10.1088/1742-6596/97/1/012333 . ISSN 1742-6596 . S2CID 250680208 .
- ^ Стаутнер, В.; Сюй, М.; Мой, С.; Амм, К. (2014). «Возможности водородного охлаждения сверхпроводящих систем на основе MgB2» . Достижения криогенной техники: Труды конференции криогенной техники - Cec . Материалы конференции AIP. 1573 (1). Анкоридж, Аляска, США: 82–90. Бибкод : 2014AIPC.1573...82S . дои : 10.1063/1.4860686 . ПМК 9017651 . ПМИД 35444353 .
- ^ Нагамацу, Джун; Производитель Норимаса; Красивая, Счастливая; Зенитани, Юджи; Акимицу, Джун (март 2001 г.). «Сверхпроводимость при 39 К в дибориде магния» . Природа . 410 (6824): 63–64. Бибкод : 2001Natur.410...63N . дои : 10.1038/35065039 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 11242039 . S2CID 4388025 .
- ^ Кван, Тан Сенг (29 марта 2013 г.). «Кипячение при пониженном давлении» . Физическая линза . Проверено 19 сентября 2022 г.
- ^ Фриц Герлах, 1999 г., Rep. Prog. Физ. 62 859
- ^ Jump up to: а б WJ Nuttall и BA Glowacki , Точка зрения: Остров Фьюжн , Nuclear Engineering International, 53 , (648), июль 2008 г., стр. 38-41.
- ^ У. Дж. Наттолл, Б. А. Гловаки и Л. Бромберг, «Остров синтеза - последние соображения относительно магнитного синтеза, криомагнетизма водорода и термохимического производства водорода» , представленные на конференции «Новые аспекты поверхностей и материалов» (NASM 3), 11–15 апреля 2010 г., Манчестер, США. Королевство
- ^ Б. А. Гловацкий, А. П. Финлейсон, В. Дж. Натталл, Т. Яновский, Водород как топливо и как теплоноситель - с точки зрения сверхпроводимости, представлено на: Электромагнитные устройства и процессы в защите окружающей среды ELMECO-5: 5-я Международная конференция, Наленчув, Польша, Сентябрь 2005 г. Материалы: Люблин: Wydawnictwo Drukarnia Liber Duo, 2005.- с. стр.173-185.
- ^ Гловацкий, Бартек А. (2006). «Перспективы применения сверхпроводимости в подземных линиях электропередачи и левитирующих поездах» . Достижения науки и техники . Наука и разработка новых сверхпроводников. Т. 47 : 246–255. doi : 10.4028/www.scientific.net/AST.47.246 . ISBN 978-3-03813-095-6 . ISSN 1662-0356 . S2CID 108518698 .
- ^ Бартек А. Гловаки, Глава 16. Замена гелия водородом в криогенных приложениях, в книге У. Дж. Наттолла, Р. Х. Кларка и Б. А. Гловацки (редакторы), Будущее гелия как природного ресурса, Рутледж (2012)
- ^ Jump up to: а б Наттолл, Уильям Дж.; Бакенн, Адетокунбо Т. (2020), Наттолл, Уильям Дж.; Бакенн, Адетокунбо Т. (ред.), «Криомагнетизм водорода — инновация, основанная на физике» , Ископаемое топливо Водород: технический, экономический и экологический потенциал , Чам: Springer International Publishing, стр. 101–108, номер документа : 10.1007/978- 3-030-30908-4_9 , ISBN 978-3-030-30908-4 , S2CID 209920736 , получено 11 февраля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Наттолл, Уильям Дж.; Бакенн, Адетокунбо Т. (2020), Наттолл, Уильям Дж.; Бакенн, Адетокунбо Т. (ред.), «Водородная инфраструктура» , Ископаемое топливо «Водород: технический, экономический и экологический потенциал» , Чам: Springer International Publishing, стр. 69–77, doi : 10.1007/978-3-030-30908- 4_6 , ISBN 978-3-030-30908-4 , S2CID 241151242 , получено 11 февраля 2022 г.
- ^ ВыберитеНаука. «Дефицит гелия 2.0 и альтернативы газовой хроматографии | SelectScience» . www.selectscience.net . Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ Наттолл, Уильям Дж.; Кларк, Ричард Х.; Гловацкий, Бартек А. (2012). «Хватит растрачивать гелий» . Природа . 485 (7400): 573–575. дои : 10.1038/485573а . ISSN 1476-4687 . ПМИД 22660302 . S2CID 10351068 .
- ^ «Анализ чистоты водорода для автомобилей на топливных элементах | Vsl.nl» . www.vsl.nl. Проверено 19 сентября 2022 г.
- ^ Рен, Пэн; Пей, Пученг; Ли, Юэхуа; Ву, Зияо; Чен, Дунфан; Хуан, Шанвэй (01 сентября 2020 г.). «Механизмы деградации топливного элемента с протонообменной мембраной в типичных условиях эксплуатации автомобилей» . Прогресс в области энергетики и науки о горении . 80 : 100859. Бибкод : 2020PECS...8000859R . дои : 10.1016/j.pecs.2020.100859 . ISSN 0360-1285 . S2CID 219934610 .
- ^ Мохаррад, Масих; Фархудиан, Сана; Михеенко, Павел (январь 2022 г.). «Сверхпроводимость и водородная экономика: путь к синергии» . Энергии . 15 (17) (опубликовано 24 августа 2022 г.): 6138. doi : 10.3390/en15176138 . hdl : 10852/100845 . ISSN 1996-1073 .
- ^ Наттолл, Уильям (28 мая 2004 г.). «Термоядерный синтез должен вложить свою энергию в нефть» . Инженер . Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ Наттолл, Уильям; Гловацкий, Бартек; Кларк, Ричард (31 октября 2005 г.). «Путешествие на «Остров Фьюжн» » . Инженер . Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ Уильям Дж. Наттолл, Глава 11: Коммерческие возможности ядерного синтеза в Уильяме Дж. Наттолле, Дэвиде Уэббе-Вуде, Сатоши Кониши, Шутаро Такеда (редакторы). Коммерциализация термоядерной энергии - как малый бизнес преобразует большую науку, IOPP Publishing, Бристоль (2020 г.) )
- ^ «Удивительные магниты могут раскрыть огромную силу» . Новости Би-би-си . 10 мая 2021 г. Проверено 15 февраля 2022 г.
- ^ Дежин, Д; Дежина, Я; Ильясов Р (01.06.2020). «Сверхпроводящая двигательная установка с охлаждением LH2 для полностью электрических самолетов» . Физический журнал: серия конференций . 1559 (1): 012143. Бибкод : 2020JPhCS1559a2143D . дои : 10.1088/1742-6596/1559/1/012143 . ISSN 1742-6588 . S2CID 225821526 .
- ^ «Водородный двигатель Airbus воплотится в демонстрациях | Aviation Week Network» . Aviationweek.com . Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ «Полностью сверхпроводящий двигатель готовится к испытаниям Джоди_Мюланера» . Engineering.com . 20 августа 2019 г. Проверено 11 февраля 2022 г.
- ^ Дежин Дмитрий; Ильясов, Роман (10 января 2022 г.). «Разработка полностью сверхпроводящего авиационного генератора мощностью 5 МВт с жидководородным охлаждением» . ЭВРИКА: Физика и техника (1): 62–73. дои : 10.21303/2461-4262.2022.001771 . ISSN 2461-4262 . S2CID 245887329 .
- ^ «ГИБРИТ. Новая революционная технология производства стали» . ССАБ . Проверено 19 сентября 2022 г.
- ^ Ульфертс, А; Наке, Б (29 октября 2008 г.). «ALUHEAT — сверхпроводящий подход к нагревателю алюминиевых заготовок» (PDF) . Проверено 19 сентября 2022 г.