Реферат: Преобразование химической энергии топлива
[sms]Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которою можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающий среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы ит. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г. водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г. бензина - только 47 Дж.
Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива - самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм. на расстояние свыше 80 км. обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км. трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с напряжением 40 кв., а на расстоянии свыше 900 км. - дешевле воздушной линии электропередачи переменного тока с напряжением 500 кв.
Водород - синтетическое топливо. Его можно получить из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т. водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное - на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежили энергетическим сырьем.
Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.
Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода путем электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.
Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т.д.
Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе) заключается вразложении воды на водород и кислород при температуре 2500°С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000° С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000° С.
В 1969 г. в итальянском отделении "Евратома" была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при температуре 730 °С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные циркулируют в повторных циклах. Другие сконструированные установки работали при температуре 700 - 800 °С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять к. п. д. Таких процессов до 80%.
Теоретики давно предположили, что при сверхвысоком давлении газообразный водород превращается в металл, - причем не в обычный электропроводящий металл, а в такой проводник, в котором отсутствуют тепловые потери. Следовательно, он должен обладать сверхпроводимостью, к тому же, сохраняющейся при относительно высоких температурах.
В Институте физики высоких давлений АН СССР для экспериментов использовали мощный пресс, развивающий давление до 300 ГПа. Первые же эксперименты показали, что при таких давлениях водород действительно становится металлом. Но этот эффект проявился пока лишь на поверхности металлических плит пресса. В дальнейшем предстоит получить металлический водород определенного объема. Необходимо также исследовать, возможно ли создать такие условия, чтобы водород сохранял свои металлические свойства даже после снятия сверхвысокого давления.
Будет ли металлический водород сверхпроводящим? Если бы удалось получить сверхпроводник, сохраняющий свои свойства при комнатной температуре, это означало бы подлинную революцию в электротехнике и во всех связанных с нею отраслях: энергетике, промышленном производстве, транспорте, сельском хозяйстве и т. д.
Но даже если оставить в стороне сверхпроводимость, то, научившись приготовлять стабильный металлический водород, мы получили бы в свое распоряжение чрезвычайно эффективное и легко транспортируемое топливо.
Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.
Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде. Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом
- он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономию строительных расходов, но и повышает к. п. д. отопления на 30 %.
Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.
Там, где непосредственно требуются электрическая энергия в ограниченных количествах, например для домашнего освещения, кондиционирования воздуха, отопления, для привода бытовых электрических аппаратов ит. п., достаточно было бы водородных топливных элементов, в которых выделяющаяся химическая энергия прямо преобразуется в электрическую.
По принципу действия топливный элемент противоположен электролизеру. Простейший топливный элемент, потребляя в качестве топлива водород и кислород, производит воду и электрический ток.
Сегодня существует 70 различных типов водородных топливных элементов. В Канаде из шести таких элементов составили батарею мощностью 75 кВт. Они пока еще очень дороги и поэтому применяются только там, где это настоятельно необходимо - например, на пилотируемых космических кораблях. Высокий к. п. д. топливных элементов позволяет уменьшить вес топлива, расходуемого на выработку электроэнергии. Водородными топливными элементами были снабжены, например, американские космические станции "Аполлон" и "Скайлеб". Во время полета они обеспечивали электропитанием бортовую аппаратуру, а вода, образующаяся как побочный продукт при сжигании водорода, служила космонавтам для гигиенических целей. Водородные топливные элементы применяли также на подводных лодках.
К. п. д. водородных топливных элементов превышает 80%. В будущем, если удастся удешевить технологию их производства, они могут найти применение в жилых домах, в промышленности и на крупных городских электростанциях.
Во всем мире специалисты изучают возможность использовать водород в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Американские исследователи Университета штата Оклахома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при таком впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажигания. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота содержатся лишь в незначительных количествах. Во Франции после весьма успешных испытаний одноцилиндрового двигателя теперь конструируют четырехцилиндровый водородный двигатель, предназначенный для серийного автомобиля "Рено".
Однако широкому применение водорода в качестве автомобильного топлива препятствует немало проблем, и самая трудная из них - топливные баки. На 10 кг. водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг. бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л., а что бы хранить его, требуется резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло конструкторов на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг. водорода помещаются в баллоне массой 80 кг. и емкостью 160 л.
Но чтобы иметь водород в жидком состоянии, нужно поддерживать в баке температуру - 253°С. Применять сосуды Дьюар а было бы слишком дорого. Возможно конструкторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери не превышают 1,5 %. Специалисты нашли и другое решение. Можно изготовить из гидридов металлов, сплавов, магния, марганца, титана или железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве снова выделяют его.
Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел дорожные испытания автомобиль "Жигули-1200" с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К. п. д. двигателя повысился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизился до минимума.
Сегодня мы еще не знаем, какой из вариантов водородного двигателя окажется оптимальным. По мнению многих специалистов, в легковых автомобилях водородный двигатель вряд ли найдет применение по соображениям безопасности, но он вполне реален в общественном транспорте, т. е. в автобусах.
Применение водорода связано с повышенным риском и следовательно, с необходимостью более строгого контроля.
Но по аналогии с давно существующими привычными способами и средствами для безопасной работы со взрывоопасными газами могут быть и будут разработаны соответствующие способы безопасного использования водорода.
Самая опасная особенность водорода заключается в том, что для воспламенения его смеси с воздухом достаточно лишь десятой доли той энергии, которая требуется для воспламенения смеси бензина с воздухом в автомобильном двигателе или смеси метана с воздухом в газовой печи. Поэтому водород требует надежных мер, предупреждающих его преждевременное воспламенение.
Другая опасность состоит в том, что наши органы чувств не в состоянии обнаружить присутствия водорода в воздухе, поэтому утечка водорода опаснее, чем иных горючих газов. Но, чтобы устранить эту опасность, достаточно добавлять в водород какие-то ароматические или светящиеся ( во время его горения ) присадки.
Водород несомненно опасен, но это вовсе не означает, что не найдется таких способов и устройств, которые открыли бы перед ним путь к самому широкому и разностороннему применению в технике и в быту. [/sms]
