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,
