Страница:
Когда в тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа, никого такой выбор горючего не удивил -- бензина еще не было.
Впервые бензин в качестве горючего был использован лишь спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых "самодвижущихся колясках" -- автомобилях, создателями которых стали Карл Бенц и Готлиб Даймлер.
О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов нашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.
Октановое число 105?
Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина -- вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.
Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца.
В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) -- токсичное для человека вещество.
И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества -- этил и этилен, а газовый двигатель -- метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен (см. рис. p064).
Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра.
Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации (детонация [лат. detonare прогреметь] -распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе), тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа -- 105 -- недостижимо для любых марок бензина.
Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива, Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более "бедных" смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно "послушнее" бензина.
Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы -- в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях -- ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла,
Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.
Метан
В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так, например, плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20...25 МПа (200...250 атмосфер (1ат = 9,81х104 Па)). Для хранения в таком состоянии используются специальные баллоны.
Пропан-бутан
Пропан-бутан -- синтетическое топливо. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан-бутана несколько проще. Процесс заправки машин на газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку бензином.
По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан-бутана и преимущество перед метаном -- 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах -- на вдвое меньший. Сейчас на сжиженном газе работает вдвое меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутана получают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа.
Водородная энергетика сегодня
Возможность повсеместного использования водорода как топлива сегодня выглядит менее обнадеживающе, чем, скажем, 30 лет назад. Это направление энергетики предполагает получение водорода в крупных масштабах путем разложения воды, транспортировку "горючего" к пунктам потребления и использование его практически во всех случаях, где сейчас сжигают ископаемое топливо. Находятся горячие головы, которые предлагают уже сегодня полностью отказаться от централизованного энергоснабжения, чтобы производить электроэнергию с помощью водорода в топливных элементах у самих потребителей [5].
О водородной энергетике мечтают давно:
удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у нефти или бензина;
продуктом сгорания водорода является водяной пар;
ресурсы сырья для получения водорода безграничны.
Но водород как горючее имеет ряд недостатков:
он более взрывоопасен, чем метан;
объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа.
Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесь возможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаях применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.
К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, т.к. она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.
Водород -- аккумулятор энергии
Очевидным становится и то, что водород может ослабить некоторые напряженные проблемы атомной энергетики. Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали, что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС.
Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулирования водорода затраты на производство электроэнергии могут быть снижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом -АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде.
Аккумулировать водород можно не только в сжатом и жидком виде, а и в специально разработанных аккумуляторах водорода. Принцип работы таких аккумуляторов основан на свойстве полиметаллических композиций поглощать водород. Один из видов такого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющей стали заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплав обладает свойством выделять чистый водород, даже если он аккумулировался с примесью кислорода и влаги.
На АЭС за счет излишков электроэнергии можно производить водород и для нужд промышленности. Химическая промышленность -самый крупный потребитель водорода. Его используют в качестве сырья, например, для производства аммиака. Такой энерготехнологический комплекс может снизить на 10...17% расходы топлива по сравнению с существующей раздельной системой производства электроэнергии, водорода и аммиака.
Но в целом эффективность таких систем не очень высока из-за сравнительно низкого коэффициента полезного действия АЭС. КПД современных АЭС не превышает 33%, в то время как у теплоэлектростанций -- 39%.
Невысокий коэффициент полезного действия АЭС обусловлен сравнительно низкой температурой водяного пара (около 300oС), нагреваемого теплом атомного реактора. Условия безопасности не позволяют увеличить эту температуру, а она определяет КПД паровой турбины и, следовательно, всей АЭС.
Промышленные методы получения водорода
Есть два направления промышленного получения водорода -электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит, то есть в токопроводящую среду (классический вариант -- вода с небольшим количеством щелочи), помещают два электрода и подводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого -- производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле.
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.
Хорошо известные гальванические элементы и аккумуляторы содержат ограниченное количество реагентов и способны в одном цикле "произвести" лишь фиксированную порцию энергии. Однако, есть третий тип ХИТ, в котором окислитель и восстановитель непрерывно подаются, соответственно, к катоду и аноду, а материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ) (см. гл. 2.5).
Первое практическое применение "новый" химический источник тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150 лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными характеристиками и КПД. В нем нет перемещающихся деталей, он бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло. Топливный элемент -- обратимое устройство, с помощью которого можно вырабатывать топливо (разлагать воду на кислород и водород), т.о. он может выполнять роль аккумулятора.
Практическое использование топливных элементов началось в 60-х годах с их использования на борту космических кораблей. Американская корпорация United Technology затратила на разработку ТЭ по проекту "Аполло" около 100 млн. долларов (мощность созданной бортовой установки -- 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации преимуществ "нового" способа получения электроэнергии.
Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого использования ТЭ. От лабораторных исследований до широкого внедрения в энергетике проходит около полувека. Критерием широкого использования можно считать момент, когда новые энергоустановки достигнут 10-процентной доли в общей мощности отрасли. История развития энергетических установок в большой энергетике позволяет оценить прогнозируемые сроки внедрения ТЭ.
Топливный элемент -- сверстник паровой турбины. Лабораторные исследования паровых турбин начались в 70-х годах прошлого века, их экспериментальные образцы возникли в первой половине 80-х годов, демонстрационная модель создана в 1890 году, первая промышленная паротурбинная установка -- в 1895-м, а 10-процентную долю в общей мощности электростанций турбины обеспечили в 1910 году [2].
В атомной энергетике лабораторные исследования велись в 30-х годах, экспериментальная установка была создана в 1941 году, демонстрационная -- в 1953-м, первая промышленная атомная электростанция -- в 1955-м, и лишь в 1978 году доля атомных электростанций в энергетике СССР достигла 10%.
Примером современного маркетинга в энергетике служит деятельность корпораций по завоеванию десятипроцентной доли рынка. В настоящее время американская корпорация H Power Corp. исследует, проектирует, и производит ТЭ. Electro-Chem-Technic и Warsitz (США) производят и продают по низкой цене небольшие ТЭ, главным образом, для школ, колледжей и университетов. Цель состоит в том, чтобы сделать широко известными преимущества основных принципов ТЭ. Энергетическая компания Brooklyn Union (Канада) проводит испытания установочной партии ТЭ мощностью 200 кВт.
2.1. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Современная техника располагает целым рядом электронакопительных устройств. Это -- свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и другие типы аккумуляторов. Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы.
Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.
Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы.
Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят свое значение как одних из самых удобных источников электрической энергии.
Основным достоинством свинцовых аккумуляторов является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры. Напряжение аккумулятора -- это разность потенциалов между полюсами при фиксированной нагрузке. В зависимости от электрохимической системы напряжение на зажимах аккумулятора составляет от 1,2 до 2 В.
Бытует ошибочное мнение, что основной сферой использования свинца является производство боеприпасов. Ежегодно только на свинцовые аккумуляторы расходуется немногим меньше половины добываемого в мире свинца.
Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был создан французским исследователем Г. Планте (в 1859 г.). Электроды первого аккумулятора были изготовлены из листового свинца, а сепаратором служило полотно. Вся конструкция сворачивалась в спираль и вставлялась в емкость с 10% раствором серной кислоты.
Для увеличения емкости такого аккумулятора проводили многократные циклы заряда-разряда, чем формировали развитую поверхность пластин. Для такой тренировки требовалось от 1000 часов до двух лет. В последствии поверхностные пластины формировались гальваническим способом. Единственными источниками энергии в то время были первичные элементы. От них (в основном это были элементы Бунзена) осуществлялся заряд аккумуляторов.
Зарядом аккумулятора называется превращение электрической энергии в химическую, а разрядом -- химической в электрическую. Процесс разряда -- явление обратное заряду, когда сам аккумулятор отдает свой заряд во внешнюю электрическую цепь потребителю электроэнергии.
Значительно увеличить емкость электродов удалось в 1880 г. К. Фор стал изготавливать намазные электроды нанесением на поверхность пластин окислов свинца. Уже в 1881 году Э. Фолькмар предложил намазную решетку в качестве электродов. В том же году Селлону был выдан патент согласно которому решетки Фолькмара предлагалось изготавливать из сплава сурьмы и свинца.
Ускорению работ по совершенствованию свинцового аккумулятора способствовало изобретение Эдисоном лампы накаливания. В 1881 году по Сене ходила лодка с электрическим двигателем и батареей аккумуляторов Планте. В том же году создан электромобиль. Тогда же появились дешевые генераторы, позволившие начать коммерческое использование аккумуляторов.
Впервые бензин в качестве горючего был использован лишь спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых "самодвижущихся колясках" -- автомобилях, создателями которых стали Карл Бенц и Готлиб Даймлер.
О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов нашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.
Октановое число 105?
Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина -- вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.
Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца.
В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) -- токсичное для человека вещество.
И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества -- этил и этилен, а газовый двигатель -- метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен (см. рис. p064).
Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра.
Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации (детонация [лат. detonare прогреметь] -распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе), тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа -- 105 -- недостижимо для любых марок бензина.
Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива, Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более "бедных" смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно "послушнее" бензина.
Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы -- в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях -- ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла,
Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.
Метан
В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так, например, плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20...25 МПа (200...250 атмосфер (1ат = 9,81х104 Па)). Для хранения в таком состоянии используются специальные баллоны.
Пропан-бутан
Пропан-бутан -- синтетическое топливо. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан-бутана несколько проще. Процесс заправки машин на газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку бензином.
По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан-бутана и преимущество перед метаном -- 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах -- на вдвое меньший. Сейчас на сжиженном газе работает вдвое меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутана получают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа.
Водородная энергетика сегодня
Возможность повсеместного использования водорода как топлива сегодня выглядит менее обнадеживающе, чем, скажем, 30 лет назад. Это направление энергетики предполагает получение водорода в крупных масштабах путем разложения воды, транспортировку "горючего" к пунктам потребления и использование его практически во всех случаях, где сейчас сжигают ископаемое топливо. Находятся горячие головы, которые предлагают уже сегодня полностью отказаться от централизованного энергоснабжения, чтобы производить электроэнергию с помощью водорода в топливных элементах у самих потребителей [5].
О водородной энергетике мечтают давно:
удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у нефти или бензина;
продуктом сгорания водорода является водяной пар;
ресурсы сырья для получения водорода безграничны.
Но водород как горючее имеет ряд недостатков:
он более взрывоопасен, чем метан;
объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа.
Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесь возможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаях применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.
К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, т.к. она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.
Водород -- аккумулятор энергии
Очевидным становится и то, что водород может ослабить некоторые напряженные проблемы атомной энергетики. Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали, что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС.
Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулирования водорода затраты на производство электроэнергии могут быть снижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом -АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде.
Аккумулировать водород можно не только в сжатом и жидком виде, а и в специально разработанных аккумуляторах водорода. Принцип работы таких аккумуляторов основан на свойстве полиметаллических композиций поглощать водород. Один из видов такого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющей стали заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплав обладает свойством выделять чистый водород, даже если он аккумулировался с примесью кислорода и влаги.
На АЭС за счет излишков электроэнергии можно производить водород и для нужд промышленности. Химическая промышленность -самый крупный потребитель водорода. Его используют в качестве сырья, например, для производства аммиака. Такой энерготехнологический комплекс может снизить на 10...17% расходы топлива по сравнению с существующей раздельной системой производства электроэнергии, водорода и аммиака.
Но в целом эффективность таких систем не очень высока из-за сравнительно низкого коэффициента полезного действия АЭС. КПД современных АЭС не превышает 33%, в то время как у теплоэлектростанций -- 39%.
Невысокий коэффициент полезного действия АЭС обусловлен сравнительно низкой температурой водяного пара (около 300oС), нагреваемого теплом атомного реактора. Условия безопасности не позволяют увеличить эту температуру, а она определяет КПД паровой турбины и, следовательно, всей АЭС.
Промышленные методы получения водорода
Есть два направления промышленного получения водорода -электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит, то есть в токопроводящую среду (классический вариант -- вода с небольшим количеством щелочи), помещают два электрода и подводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого -- производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле.
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.
Хорошо известные гальванические элементы и аккумуляторы содержат ограниченное количество реагентов и способны в одном цикле "произвести" лишь фиксированную порцию энергии. Однако, есть третий тип ХИТ, в котором окислитель и восстановитель непрерывно подаются, соответственно, к катоду и аноду, а материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ) (см. гл. 2.5).
Первое практическое применение "новый" химический источник тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150 лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными характеристиками и КПД. В нем нет перемещающихся деталей, он бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло. Топливный элемент -- обратимое устройство, с помощью которого можно вырабатывать топливо (разлагать воду на кислород и водород), т.о. он может выполнять роль аккумулятора.
Практическое использование топливных элементов началось в 60-х годах с их использования на борту космических кораблей. Американская корпорация United Technology затратила на разработку ТЭ по проекту "Аполло" около 100 млн. долларов (мощность созданной бортовой установки -- 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации преимуществ "нового" способа получения электроэнергии.
Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого использования ТЭ. От лабораторных исследований до широкого внедрения в энергетике проходит около полувека. Критерием широкого использования можно считать момент, когда новые энергоустановки достигнут 10-процентной доли в общей мощности отрасли. История развития энергетических установок в большой энергетике позволяет оценить прогнозируемые сроки внедрения ТЭ.
Топливный элемент -- сверстник паровой турбины. Лабораторные исследования паровых турбин начались в 70-х годах прошлого века, их экспериментальные образцы возникли в первой половине 80-х годов, демонстрационная модель создана в 1890 году, первая промышленная паротурбинная установка -- в 1895-м, а 10-процентную долю в общей мощности электростанций турбины обеспечили в 1910 году [2].
В атомной энергетике лабораторные исследования велись в 30-х годах, экспериментальная установка была создана в 1941 году, демонстрационная -- в 1953-м, первая промышленная атомная электростанция -- в 1955-м, и лишь в 1978 году доля атомных электростанций в энергетике СССР достигла 10%.
Примером современного маркетинга в энергетике служит деятельность корпораций по завоеванию десятипроцентной доли рынка. В настоящее время американская корпорация H Power Corp. исследует, проектирует, и производит ТЭ. Electro-Chem-Technic и Warsitz (США) производят и продают по низкой цене небольшие ТЭ, главным образом, для школ, колледжей и университетов. Цель состоит в том, чтобы сделать широко известными преимущества основных принципов ТЭ. Энергетическая компания Brooklyn Union (Канада) проводит испытания установочной партии ТЭ мощностью 200 кВт.
2.1. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Современная техника располагает целым рядом электронакопительных устройств. Это -- свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и другие типы аккумуляторов. Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы.
Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.
Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы.
Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят свое значение как одних из самых удобных источников электрической энергии.
Основным достоинством свинцовых аккумуляторов является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры. Напряжение аккумулятора -- это разность потенциалов между полюсами при фиксированной нагрузке. В зависимости от электрохимической системы напряжение на зажимах аккумулятора составляет от 1,2 до 2 В.
Бытует ошибочное мнение, что основной сферой использования свинца является производство боеприпасов. Ежегодно только на свинцовые аккумуляторы расходуется немногим меньше половины добываемого в мире свинца.
Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был создан французским исследователем Г. Планте (в 1859 г.). Электроды первого аккумулятора были изготовлены из листового свинца, а сепаратором служило полотно. Вся конструкция сворачивалась в спираль и вставлялась в емкость с 10% раствором серной кислоты.
Для увеличения емкости такого аккумулятора проводили многократные циклы заряда-разряда, чем формировали развитую поверхность пластин. Для такой тренировки требовалось от 1000 часов до двух лет. В последствии поверхностные пластины формировались гальваническим способом. Единственными источниками энергии в то время были первичные элементы. От них (в основном это были элементы Бунзена) осуществлялся заряд аккумуляторов.
Зарядом аккумулятора называется превращение электрической энергии в химическую, а разрядом -- химической в электрическую. Процесс разряда -- явление обратное заряду, когда сам аккумулятор отдает свой заряд во внешнюю электрическую цепь потребителю электроэнергии.
Значительно увеличить емкость электродов удалось в 1880 г. К. Фор стал изготавливать намазные электроды нанесением на поверхность пластин окислов свинца. Уже в 1881 году Э. Фолькмар предложил намазную решетку в качестве электродов. В том же году Селлону был выдан патент согласно которому решетки Фолькмара предлагалось изготавливать из сплава сурьмы и свинца.
Ускорению работ по совершенствованию свинцового аккумулятора способствовало изобретение Эдисоном лампы накаливания. В 1881 году по Сене ходила лодка с электрическим двигателем и батареей аккумуляторов Планте. В том же году создан электромобиль. Тогда же появились дешевые генераторы, позволившие начать коммерческое использование аккумуляторов.