Источники энергии - В Лаврус

При электролизе большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. Кроме того, удельная производительность современных установок -- не более 0,5 литра водорода в час с одного см2. Это количество определяется самим характером электрохимических реакций, протекающих только на поверхности электродов. Если электролиз будет широко использоваться, недостатки этого метода, по-видимому, останутся.

Гораздо производительнее метод плазмохимии, использующий химическую активность ионизованного газа -- плазмы. В специальные установки -- плазмотроны подводят газы или пары различных веществ. Интенсивным электромагнитным полем в этих газах или парах создают электрические разряды, образуется плазма. Энергия электрического поля передается ее электронам, а от них -- нейтральным молекулам. Последние переходят в возбужденное, химически активное состояние.

Перспективны неравновесные плазмохимические системы, где электроны, разогретые электромагнитным полем до температур 10...15 тысяч градусов, избирательно передают энергию молекулам, а последние, распадаясь, образуют нужные химические продукты. При этом газ в целом остается практически холодным (его температура 300...1000oС). Важное преимущество этих систем -- объемный характер протекающих в них процессов. Большие скорости химических реакций в газовой фазе позволяют добиваться гигантской удельной производительности плазмотронов.

Прямое плазмохимическое разложение паров воды на кислород и водород в настоящее время малоэффективно. А вот углекислый газ оказался идеальным плазмохимическим объектом. Неравновесное возбуждение его молекулярных колебаний до 4...6 тысяч градусов приводит к тому, что богатые энергией молекулы отбирают ее у более бедных. Это влечет за собой резкое повышение скорости химических реакций и энергетической эффективности процесса. Коэффициент полезного действия при разложении углекислого газа на окись углерода и кислород превышает 80 процентов. Практически всю вкладываемую в разряд энергию удается направить на осуществление полезной химической реакции.

С учетом этого можно организовать двухстадийный цикл производства водорода:

на первой стадии осуществить плазмохимическое разложение углекислого газа;

на второй -- выполнить давно освоенную промышленностью реакцию взаимодействия окиси углерода с водяным паром.

В результате образуется водород и исходное вещество -углекислый газ. Таким образом, углекислый газ будет выполнять роль физического катализатора для получения водорода из воды и, не расходуясь, разрешит трудности, возникающие при разложении водяного пара. В итоге формируется плазмохимический цикл, в котором тратится только вода, а углекислый газ постоянно возвращается в процесс.

Производительность такой плазмохимической системы в десятки тысяч раз превзойдет эффективность электролизеров, стоимость же водорода окажется примерно такой же, как и при электролизе. Это, конечно, еще дорого. Сегодня практически весь водород, потребляемый промышленностью, производится за счет переработки природного газа.

В таких установках вместо одного энергоносителя получаем другой и используем его не для нужд энергетики, а для технологии. Такая схема выглядит ущербно. Поэтому исследовали такой обнадеживающий источник водорода, как сероводород, сопутствующий, в частности, обычным, прежде всего, глубинным месторождениям природного газа.

Многие беды в районах газоносных месторождений связаны с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клаусса, разработанному еще в прошлом веке, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, весьма дорогостоящего процесса очевиден: из сероводорода извлекают только серу, а водород переходит в воду.

Поэтому проводились эксперименты по диссоциации сероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать два продукта: водород и конденсированную серу.

Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться с околозвуковой скоростью. Образующиеся в плазмотроне частицы серы выносятся при этом из объема реакции за время, недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежный эффект позволяет добиться значительного отклонения плазмохимической системы от термодинамического равновесия и снизить энергозатраты на получение кубометра водорода до десятков ватт. Такой водород оказывается дешевле электролизного примерно в 15 раз, и его уже можно широко использовать в энергетике и в промышленности.

Мы давно находимся на переломном рубеже. Всем ясно, что назрели изменения традиционной энергетической структуры в которой главенствовали нефть и уголь. Сегодня наиболее перспективным является природный газ, но его широкое использование связано с проблемами экологии. В обозримом будущем водород может придать энергетике безопасность и экологическую чистоту.

Глава 2

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОчНИКИ ТОКА

Первым источником тока, после изобретения электрофорной машины, был элемент Вольта названный в честь своего создателя. Итальянский физик А. Вольта объяснил причину гальванического эффекта, открытого его соотечественником Л. Гальвани. В марте 1800 г. он сообщил о создании устройства, названного в последствии "вольтов столб". Так началась эра электричества подарившая миру свет, тепло и опасность поражения электрическим током.

Именно гальванические (первичные) элементы позволили начать изучение электричества. В первой половине ХIХ века они являлись единственными источниками электрической энергии. До их появления были известны только законы электростатики, не существовало понятия электрического тока и его проявлений.

Уже в мае 1800 г. А. Карлейль и У. Николсон осуществили электролиз воды. В 1803 г. были открыты процессы электроосаждения металлов. В 1807 г. -- электролиз расплавов солей.

Дальнейшая хронология открытий:

1819 г. -- магнитное действие тока -- Х. Эрстед;

1820 г. -- взаимодействие проводников с током -- А. Ампер;

1827 г. -- закон Ома -- Г. Ом;

1831 г. -- закон электромагнитной индукции -- М. Фарадей;

1834 г. -- создание первого электродвигателя -- Б. Якоби;

1839 г. -- создание первого топливного элемента -- У. Гров;

1843 г. -- описано тепловое действие тока -- Дж. Джоуль;

1859 г. -- первый действующий кислотный свинцовый аккумулятор -- Г. Планте;

1860 г. -- первый эффективный генератор -- Ф. Хефнер-Альтенек [5].

В 1881 году на берегах Сены появился первый электромобиль. В нем использовались кислотные аккумуляторы. Только через 4 года появится первый автомобиль Даймлера и Бенца с двигателем внутреннего сгорания. Именно на электромобиле в 1899 году достигнут фантастический для того времени рекорд скорости -100 км/час.

После создания принципиально нового источника электрической энергии -- электромагнитного генератора -химические источники тока потеряли свое первостепенное значение. Генераторы превзошли своих предшественников по экономическим и техническим параметрам, но ХИТ продолжали совершенствоваться и развиваться как автономные источники для средств связи.

Химическими источниками тока называются устройства, в которых свободная энергия пространственно разделенного окислительно-восстановительного процесса, протекающего между активными веществами, превращается в электрическую энергию.

Новым толчком к совершенствованию ХИТ в начале ХХ века послужило развитие радиотехники и автомобильной промышленности. Первичные элементы и аккумуляторы являлись единственными источниками питания для средств связи, а для автомобилей потребовались стартерные аккумуляторы. Резкому улучшению характеристик ХИТ также способствовало развитие военной техники.

Появление новых разновидностей источников тока после второй мировой войны связано с работами в области авиационной и космической техники. Большое распространение ХИТ обусловлено неизменной эффективностью не зависящей от электрической мощности и условий эксплуатации. Ни один тип источников электрической энергии не обладает такой универсальностью.

Примечателен тот факт, что при одновременном включении всех ХИТ, находящихся в эксплуатации, можно получить мгновенную электрическую мощность соизмеримую с суммарной мощностью всех электростанций мира [6].

Современное производство ХИТ является самостоятельной отраслью электротехнической промышленности. Автоматизация изготовления источников тока явилась одной из причин их выпуска в огромных количествах с высокими удельными характеристиками.

Утилизация отработавших срок службы ХИТ вызвала определенные экологические проблемы. В производстве ХИТ используются ртуть, кадмий, сурьма и другие токсичные химические элементы. Сбор и переработка большого количества источников тока затруднительна. Это послужило причиной для поиска новых материалов и разработки источников тока свободных от токсичных элементов.