На главную | Пишите нам | Поиск по сайту тел (063) 620-06-88 (другие) Укр | Рус | Eng   
Карманный персональный компьютер (КПК) – обязательный атрибут беспрерывного творческого процесса и незаменимая вещь для творческого человека
  новости  ·  статьи  ·  услуги  ·  информация  ·  вопросы-ответы  ·  о Ващуке Я.П.  ·  контакты за сайт: 
×
Если вы заметили ошибку или опечатку, выделите мышкой текст, включающий
ошибку (всё или часть предложения/абзаца), и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.
×

Инновационные идеи использования водорода в качестве топлива и проблемы на пути реализации этих идей

2012-12-08
Андрей (Гавриэль) ЛИВШИЦ
изобретатель, инженер-исследователь в компании «АДЕМ». США, Калифорния

Сегодня никто не станет оспаривать всем известный факт о высокой эффективности водорода как топлива.

Время от времени появляются публикации , посвящённые этому направлению в технологии , в которых излагаются всё новые и новые версии получения и применения водорода в качестве топлива и его эквивалентов.

Особенности горения гремучего газа на базе водорода также довольно часто обсуждаются и входят в топливную основу многих термодинамических проектов.

Рассмотрим одну из версий применения водородного топлива в энергетических установках.

В одной из своих прошлых публикаций под названием «Гибридная энергетика» - автор этой публикации спрогнозировал появление так называемых «гибридных» энергетических установок, где будут объединены в одну технологическую цепочку очень разные энергетические источники – например, ядерный реактор и угольный газогенератор.

Причиной появления подобных «гибридов» будет являться тенденция к дальнейшему повышению цены на углеводородные энергоносители. Во многом из-за этой же причины появятся и электростанции новых типов, которые тоже в определенном смысле можно будет назвать «гибридными». Поскольку эти новые электростанции будут использовать для своей работы технологические принципы из некоторых других уже известных типов электростанций, которые до сих не использовались в одной технологической цепочке.

Например, сейчас Европейский союз очень энергично пытается внедрить парогазовые электростанции. Принцип работы парогазовых электростанций заключается в том, что природный или попутный газ сначала сжигается в газовой турбине, вращающей электрогенератор. Отходящие от газовой турбины выхлопные газы направляются в паровой котел, снабжающий паром паровую турбину, вращающую электрогенератор. Происходит как бы двойное использование тепла сжигаемого газа. Лучшие образцы парогазовых электростанций достигают 55% к. п. д. (коэффициент полезного действия) превращения теплоты сгорания газового топлива в электрическую энергию. Сравните с к. п. д. самых лучших тепловых электростанций, достигающих только 35%.

Однако вскоре могут появиться электростанции, тоже работающие на газовом топливе, но которые будут достигать гораздо большего к. п. д., чем парогазовые электростанции.

Известно, что самым лучшим к. п. д. преобразования тепловой энергии в механическую обладает взрыв так называемой «гремучей смеси» (смеси горючего газа и атмосферного воздуха в идеальной пропорции). К. п. д. «гремучей смеси» равняется 80%. Но до сих пор ученых и инженерам не удавалось «приручить» «гремучую смесь».

Это удастся сделать, объединив вместе гидротурбину и «гремучую смесь». Вот примерное описание электростанции, которая будет работать на превращении тепловой энергии «гремучей смеси» в электрическую энергию при помощи гидротурбины.

В большом бассейне, наполненном водой, будут находиться в погруженном состоянии несколько больших сфер, изготовленных из очень прочного материала. В этих сферах тоже будет находиться вода, и они будут соединены водопроводами, которые будут вести в специальный накопительный бассейн, находящийся на высоте нескольких десятков метров над бассейном, в котором будут расположены сферы.

В сферы через специальные клапаны будет поочередно подаваться порция уже готовой «гремучей смеси» из горючего газа и воздуха. Специальным искровым устройством, похожим на автомобильную свечу, «гремучая смесь» будет подрываться. Взрыв будет вытеснять из сферы определенное количество воды, которое по упомянутому выше водопроводу будет забрасываться в расположенный на высоте десятков метров накопительный бассейн. Водопровод будет снабжен специальным клапаном, который не позволит воде течь обратно из накопительного бассейна в сферу.

После взрыва «гремучей смеси» через специальный клапан выхлопные газы от взрыва будут стравливаться за пределы сферы, а одновременно через другой клапан в сферу из бассейна будет поступать нужно количество воды взамен вытесненной предыдущим взрывом. Вновь в сферу будет подана порция «гремучей смеси» и цикл повторится сначала.

Сферы будут работать по очереди, забрасывая в накопительный бассейн порции воды. А из накопительного бассейна вода будет поступать с высоты нескольких десятков метров на гидротурбину, которая будет вращать электрогенератор. Гидротурбина будет расположена на уровне бассейна, где будут расположены сферы, и поступающая после гидротурбины вода будет постоянно подпитывать уровень воды в бассейне, компенсируя забираемую в сферы воду.

Одним словом, описываемая нами электростанция напоминает двигатель внутреннего сгорания, но отличается использованием вместо поршней, шатунов, карданного вала и прочих механических частей обыкновенной воды, циркулирующей в описанной выше гидросистеме.

При этом вода, циркулирующая по гидросистеме, будет служить и для отвода неиспользованной тепловой энергии или охлаждения (в качестве «холодильника» в классической схеме тепловой машины) путем испарения воды с зеркала основного и накопительного бассейнов. Естественно, убыток испаренной воды будет компенсироваться путем подпитки извне.

Потенциальный к. п. д. прогнозируемой «гибридной» электростанции будет весьма высоким. К. п. д. «гремучей смеси» - 0,8 (80%) умножить на к. п. д. гидротурбины – 0,95 (95%) = 0, 76 или 76%. Почти в полтора раза больше, чем к. п. д. парогазовой электростанции (55%).

Впрочем, существует проблема замены небольших электростанций, питающих отдаленные или неподключенные к электросетям потребителей. Как правило, сейчас эти электростанции работают от двигателей внутреннего сгорания, которые используют в качестве топлива жидкие или газообразные углеводороды. А жидкие и газообразные углеводороды стремительно дорожают, и, самое главное, будут дорожать все обозримое будущее.

В прогнозируемой миниэлектростанции, которая должна придти на смену современным миниэлектростанциям, использующим двигатели внутреннего сгорания, тоже будет использоваться гидротурбины. Плюс еще один достаточно известный эффект, знакомый практически всем, кто пробует собственноручно готовить пищу у себя на кухне.

Имеется в виду эффект пенообразования. К примеру, у вас на плите стоит кастрюля, в которой уже неоднократно варились пельмени – вы опять доводите воду в этой кастрюле до кипения, дабы бросить туда новую порцию пельменей. Но, кто производил этот процесс, знают – надо следить за водой в этой кастрюле. В любой момент закипевшая вода полезет из кастрюли, особенно если она накрыта крышкой, обильной пенной «шапкой» и окажется у вас на плите.

Вот этот самый только что описанный «пенный эффект» будет использоваться в прогнозируемом типе «гибридной» миниэлектростанции. Она будет состоять из высокой цилиндрической емкости, в дне которой будет находиться нагреватель, работающий от любого вида топлива и даже от отходящих нагретых газов. Этакая большая кастрюля.

Наполнена высокая цилиндрическая емкость будет водой, в которой должен быть растворен некий реагент, резко повышающий пенообразование при нагревании. Вода должна непрерывно превращаться в пену, которая будет подниматься вверх по высокой цилиндрической емкости, переливаться через край и накапливаться в специальной емкости, типа небольшого накопительного бассейна. А из накопительного бассейна вода будет поступать на гидротурбину, расположенную на уровне нагреваемого дна цилиндрической емкости. После турбины вода должна возвращаться в цилиндрическую емкость, дабы потом превратится в пену, и попасть в накопительный бассейн.

То есть, процесс очень прост и позволяет использовать любой вид топлива.

В применении водорода в качестве топлива на самом деле имеется множество проблем.

Смешение водорода с кислородом является главной причиной горения или взрыва, поэтому ее исключение является первостепенной задачей. Попадание воздуха внутрь водородных коммуникаций, в частности ожижителя, может быть вызвано наличием остаточного воздуха перед заполнением системы водородом или же подсосом воздуха из атмосферы вследствие понижения давления на всасывании в компрессор. Заполнению системы должна предшествовать ее откачка вакуум-насосом с последующим заполнением азотом; только после этого возможно замещение азота водородом.

Использование водорода в качестве топлива может быть не только прямым , а может иметь самые разные формы, исключающие просто процесс сжигания водорода , а применяющие исключительные свойства водорода в более сложных и интегрированных термодинамических комплексных системах.

В этой связи несомненный интерес вызывает профессиональная публикация "Водородная технология аккумулирования электроэнергии" автора Созанского Анатолия Григорьевича.

Предложение автора может иметь большое будущее , при решении основных проблемных моментов , связанных с обеспечением необходимого уровня безопасности энергетической системы.

Развивая мысль и идею, заложенные в публикации , интересно обратиться к новейшим разработкам , направленным на формирование промышленных высокоэффективных элементов , составляющих так называемую инфраструктуру водородо- производящих систем.

Начнём с того , что Американские инженеры создали прозрачные и гибкие ионисторы, которые могут стать источниками питания для мобильных устройств следующего поколения. Работа опубликована в журнале Scientific Reports, а ее краткое содержание можно прочитать на сайте Северо-Западного Университета.

В основе нового устройства - тонкие углеродные пленки необычной формы. Они имеют глубоко текстурированную поверхность в форме так называемых "углеродных наночашек". Благодаря такой текстуре увеличивается поверхность соприкосновения между пленкой, которая выступает в роли электрода и "наполнителем" - полимерным электролитом.

Чтобы продемонстрировать работоспособность технологии для создания источников питания нового класса, авторы создали небольшой прототип. В приводимом видео инженеры используют его для питания светодиода, расположив устройство поверх экрана смартфона. Видно, что ионистор очень хорошо пропускает свет, хотя и не является совершенно прозрачным. Кроме того, авторы демонстрируют, что батарею можно сгинать и это никак не изменяет ее электрические показатели.

Ионисторы (или суперконденсаторы) являются электрическими устройствами в некотором смысле промежуточными между классическими конденсаторами и химическими аккумуляторами. В качестве обкладок в ионисторах выступают слои ионов на границе элеткрода и электролита. Чем площадь этой границы, тем больше емкость устройства. К преимуществам ионисторам относятся высокая скорость зарядки и малая деградация даже после тысяч циклов работы.

Новая разработка инженеров может пригодится для создания полностью прозрачных электронных устройств. Технологии изготовления многих других компонентов таких устройств, например, сенсорных панелей и экранов уже существуют.

Особенно интересно применение новейших технологий в предложенной Анатолием Григорьевичем Созанским водородной технологии аккумулированя электроэнергии.

Так Химики из Университета Рочестера создали рекордно долгоживущую систему для производства водорода при помощи энергии солнечного света. Работа ученых опубликована в журнале Science, а ее краткое содержание пересказывает ScienceNow.

Сложность использования энергии солнца для непосредственного синтеза газообразного водорода заключается в том, что большинство органических красителей, которые для этого используются, быстро разрушаются. Поэтому, авторы решили обратиться к нанокристаллам полупроводников, которые тоже способны поглощать свет определенной длины волны (их квантовые свойства определяются размером), но при этом гораздо более устойчивы.

В основе полученной системы лежат нанокристаллы селенида кадмия (CdSe), и ионы никеля, которые катализируют непосредственный синтез молекулярного водорода. Ионы никеля находятся в водном растворе, поэтому для того, чтобы туда же поместить нанокристаллы, авторы нанесли на них гидрофильное покрытие из дигидролипоевой кислоты. Вещество подобрано таким образом, чтобы обеспечивать растворение твердых наночастиц, но при этом не обволакивать их полностью, так как для работы требуется обеспечить контакт между кристаллами и раствором.

В результате, ученые получили довольно эффективную систему, в которой почти каждый третий поглощенный квант использовался для производства водорода. Каждая наночастица производила около 7 тысяч молекул водорода в час, при этом процесс мог продолжаться в течение нескольких недель.

Водород часто рассматривают как перспективную замену ископаемому топливу в качестве аккумулятора энергии. Его сгорание приводит к образованию только одного вещества - воды. Однако, и производство водорода путем гидролиза, и его хранение на сегодняшний день представляют очень серьезные технические трудности.

Кроме этого Группа ученых из разных стран установила механизм, который определяет свойство магниевых наночастиц отдавать накопленный водород. Пресс-релиз работы, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Science, представлен на сайте Университета Уппсалы.

Водород считается перспективным топливом, которое сможет заменить традиционные углеродные источники энергии. Основной задачей на сегодняшний день является разработка материала, который сможет накапливать большое количество водорода и в то же время будет обладать способностью легко его отдавать. Ученые создали несколько материалов, которые в той или иной степени удовлетворяют этим требованиям: например, органические губки или "слоеный пирог" из кальция с литием. Одним из популярных вариантов являются металлы и их гидриды.

В данном исследовании ученые работали с наночастицами гидрида магния, которые могут "впитывать" до 7,7 процента водорода в весовом соотношении. Для поглощения или отдачи водорода к наночастицам необходимо добавлять катализаторы - вещества, "запускающие" эти процессы.

Одной из теорий, объясняющих механизм работы катализаторов, была теория челноков. Согласно этому предположению, молекулы катализатора - в данном случае это титан, ванадий, железо и никель - переносят на себе водород от поверхности материала внутрь и наоборот. Ученые из Университета Уппсалы и их коллеги построили компьютерную модель, которая объясняла процесс переноса на молекулярном уровне. Понимание принципов работы катализаторов может оказаться полезным для разработки новых и усовершенствования уже созданных способов хранения водорода.

Притягательность водорода как источника энергии определяется несколькими причинами. Во-первых, он является одним из самых распространенных элементов на Земле, а во-вторых, при его использовании образуется вода, не представляющая опасности для экологии планеты. Энергия выделяется при реакции водорода с кислородом.

В последнее время углерод и композиции на его основе всё больше начинают завоёвывать умы исследователей.

Так Углеродные нанотрубки могут приблизить использование водорода в качестве бытового топлива. Исследователи из университета Северной Каролины придумали способ разложить с их помощью воду на простые вещества при намного меньшей температуре, чем предусматривали прежние технологии, сообщает WorldChanging.com.

Чтобы катализировать реакцию распада, ученые использовали нанотрубки с дефектами. Углеродные цилиндры диаметром в несколько нанометров обычно состоят из сети правильных шестиугольников с атомами в вершинах, но истинная структура часто отклоняется от идеальной. "Дыры" в решетке оказываются удобной ловушкой для молекул воды, которые затем разрушаются. Компьютерный эксперимент показал, как будет протекать такая реакция. Тепловые колебания решетки передаются прикрепленной к ней молекуле, после чего происходит разрыв химических связей.

Нанотрубки отличаются от остальных катализаторов тем, что реакция с их участием протекает при температурах ниже тысячи градусов Цельсия. Ученые утверждают, что при этом будет расходоваться вдвое меньше энергии. Пока, однако, не существует реактора, где водород мог бы производиться по новой схеме в промышленных количествах.

полезный материал? Нажмите:




другие статьи...
© Ярослав Ващук, 2003-2011
при использовании любых материалов сайта ссылка на источник обязательна
[pageinfo]
сайты Хмельницкого bigmir)net TOP 100