На головну | Пишіть нам | Пошук по сайту тел (063) 620-06-88 (інші) Укр | Рус | Eng   
Патентний повірений на безоплатній основі надає консультації
  новини  ·  статті  ·  послуги  ·  інформація  ·  питання-відповіді  ·  про Ващука Я.П.  ·  контакти за сайт: 
×
Якщо ви помітили помилку чи похибку, позначте мишкою текст, що включає
помилку (все або частину речення/абзацу), і натисніть Ctrl+Enter, щоб повідомити нам.
×

Інноваційні ідеї використання водню в якості палива і проблеми на шляху реалізації цих ідей

2012-12-08
Андрій (Гаврієль) ЛІВШИЦЬ
винахідник, інженер-дослідник в компанії «АДЕМ». США, Каліфорнія

Сьогодні ніхто не стане заперечувати всім відомий факт про високу ефективність водню як палива.

Час від часу з'являються публікації, присвячені цьому напрямку в технології, в яких викладаються всі нові і нові версії отримання та застосування водню в якості палива і його еквівалентів.

Особливості горіння гримучого газу на базі водню також досить часто обговорюються і входять в паливну основу багатьох термодинамічних проектів
Розглянемо одну з версій застосування водневого палива в енергетичних установках.

В одній зі своїх минулих публікацій під назвою «Гібридна енергетика» автор цієї публікації спрогнозував появу так званих «гібридних» енергетичних установок, де будуть об'єднані в один технологічний ланцюжок дуже різні енергетичні джерела, наприклад, ядерний реактор і вугільний газогенератор.

Причиною появи подібних «гібридів» буде тенденція до подальшого підвищення ціни на вуглеводневі енергоносії. Багато в чому через цю ж причини з'являться і електростанції нових типів, які теж в певному сенсі можна буде назвати «гібридними». Оскільки ці нові електростанції будуть використовувати для своєї роботи технологічні принципи з деяких інших вже відомих типів електростанцій, які до сих не використовувалися в одній технологічному ланцюжку.

Наприклад, зараз Європейський Союз дуже енергійно намагається впровадити парогазові електростанції. Принцип роботи парогазових електростанцій полягає в тому, що природний або попутний газ спочатку спалюється в газовій турбіні, яка обертає електрогенератор. Відходять від газової турбіни вихлопні гази направляються в паровий котел, що постачає паром парову турбіну, що обертає електрогенератор. Відбувається як би подвійне використання тепла спалюваного газу. Кращі зразки парогазових електростанцій досягають 55% к. п. д. (коефіцієнт корисної дії) перетворення теплоти згорання газового палива в електричну енергію. Порівняйте з к. п. д. найкращих теплових електростанцій, що досягають тільки 35%.

Однак незабаром можуть з'явитися електростанції, теж працюють на газовому паливі, але які будуть досягати набагато більшого к. п. д., ніж парогазові електростанції.

Відомо, що найкращим к. п. д. перетворення теплової енергії в механічну володіє вибух так званої «гримучої суміші» (суміші горючого газу та атмосферного повітря в ідеальній пропорції). К. п. д. «гримучої суміші» дорівнює 80%. Але досі вчених і інженерам не вдавалося «приручити» «гримучу суміш».
Це вдасться зробити, об'єднавши разом гідротурбіну і «гримучу суміш». Ось зразкове опис електростанції, яка буде працювати на перетворенні теплової енергії «гримучої суміші» в електричну енергію за допомогою гідротурбіни.

У великому басейні, наповненому водою, будуть знаходитися в зануреному стані кілька великих сфер, виготовлених з дуже міцного матеріалу. У цих сферах теж буде знаходитися вода, і вони будуть з'єднані водопроводами, які будуть вести в спеціальний накопичувальний басейн, що знаходиться на висоті декількох десятків метрів над басейном, в якому будуть розташовані сфери.

У сфери через спеціальні клапани буде по черзі подаватися порція вже готової «гримучої суміші» з горючого газу і повітря. Спеціальним іскровим пристроєм, схожим на автомобільну свічку, «гримуча суміш» буде підривати. Вибух буде витісняти зі сфери певну кількість води, яке за згаданим вище водопроводу закидатиметься в розташований на висоті десятків метрів накопичувальний басейн. Водопровід буде забезпечений спеціальним клапаном, який не дозволить воді текти назад з накопичувального басейну в сферу.

Після вибуху «гримучої суміші» через спеціальний клапан вихлопні гази від вибуху будуть стравлювати за межі сфери, а одночасно через інший клапан в сферу з басейну буде надходити потрібно кількість води замість витисненою попереднім вибухом. Знову в сферу буде подана порція «гримучої суміші» і цикл повториться спочатку.

Сфери будуть працювати по черзі, закидаючи в накопичувальний басейн порції води. А з накопичувального басейну вода буде надходити з висоти декількох десятків метрів на гідротурбін, яка буде обертати електрогенератор. Гідротурбіна буде розташована на рівні басейну, де будуть розташовані сфери, і надходить після гідротурбіни вода буде постійно підживлювати рівень води в басейні, компенсуючи забираемую в сфери воду.

Одним словом, описувана нами електростанція нагадує двигун внутрішнього згоряння, але відрізняється використанням замість поршнів, шатунів, карданного валу і інших механічних частин звичайної води, циркулюючої в описаній вище гідросистемі.

При цьому вода, що циркулює по гідросистемі, буде служити і для відводу невикористаної теплової енергії або охолодження (в якості «холодильника» в класичній схемі теплової машини) шляхом випаровування води з дзеркала основного і накопичувального басейнів. Природно, збиток испаренной води буде компенсуватися шляхом підживлення ззовні.

Потенційний к. п. д. прогнозованої «гібридної» електростанції буде досить високим. К. п. д. «гримучої суміші» - 0,8 (80%) помножити на к. п. д. гідротурбіни - 0,95 (95%) = 0, 76 або 76%. Майже в півтора рази більше, ніж к. п. д. парогазової електростанції (55%).

Втім, існує проблема заміни невеликих електростанцій, що живлять віддалені або непідключеними до електромереж споживачів. Як правило, зараз ці електростанції працюють від двигунів внутрішнього згоряння, які використовують в якості палива рідкі або газоподібні вуглеводні. А рідкі та газоподібні вуглеводні стрімко дорожчають, і, найголовніше, будуть дорожчати все доступне для огляду майбутнє.

У прогнозованої мініелектростанції, яка повинна прийти на зміну сучасним Мініелектростанції, що використовують двигуни внутрішнього згоряння, теж буде використовуватися гідротурбіни. Плюс ще один досить відомий ефект, знайомий практично всім, хто пробує власноруч готувати їжу у себе на кухні.

Мається на увазі ефект піноутворення. Наприклад, у вас на плиті стоїть каструля, в якій вже неодноразово варилися пельмені - ви знову доводите воду в цій каструлі до кипіння, щоб кинути туди нову порцію пельменів. Але, хто виробляв цей процес, знають - треба стежити за водою в цій каструлі. У будь-який момент закипіла вода полізе з каструлі, особливо якщо вона накрита кришкою, рясної пінної «шапкою» і виявиться у вас на плиті.

Ось цей самий тільки що описаний «пінний ефект» буде використовуватися в прогнозованому типі «гібридної» мініелектростанції. Вона буде складатися з високою циліндричної ємності, в дні якої буде знаходитися нагрівач, що працює від будь-якого виду палива і навіть від відхідних нагрітих газів. Отака велика каструля.
Наповнена висока циліндрична ємність буде водою, в якій повинен бути розчинений якийсь реагент, різко підвищує піноутворення при нагріванні. Вода повинна безперервно перетворюватися в піну, яка буде підніматися вгору по високій циліндричної ємності, переливатися через край і накопичуватися в спеціальній ємності, типу невеликого накопичувального басейну. А з накопичувального басейну вода буде надходити на гідротурбін, розташовану на рівні нагреваемого дна циліндричної ємності. Після турбіни вода повинна повертатися в циліндричну ємність, щоб потім перетвориться на піну, і потрапити в накопичувальний басейн.

Тобто, процес дуже простий і дозволяє використовувати будь-який вид палива.

У застосуванні водню в якості палива насправді є безліч проблем.

Змішання водню з киснем є головною причиною горіння або вибуху, тому її виключення є першорядним завданням. Потрапляння повітря всередину водневих комунікацій, зокрема ожіжітеля, може бути викликано наявністю залишкового повітря перед заповненням системи воднем або ж підсосом повітря з атмосфери унаслідок пониження тиску на всмоктуванні в компресор. Заповнення системи повинна передувати її відкачка вакуум-насосом з наступним заповненням азотом; тільки після цього можливе заміщення азоту воднем.

Використання водню як палива може бути не тільки прямим, а може мати самі різні форми, що виключають просто процес спалювання водню, а застосовують виняткові властивості водню в більш складних і інтегрованих термодинамічних комплексних системах.

У зв'язку з цим безперечний інтерес викликає професійна публікація "Воднева технологія акумулювання електроенергії" автора Созанського Анатолія Григоровича. Пропозиція автора може мати велике майбутнє, при вирішенні основних проблемних моментів, пов'язаних із забезпеченням необхідного рівня безпеки енергетичної системи.

Розвиваючи думку і ідею, закладені в публікації, цікаво звернутися до новітніх розробок, спрямованим на формування промислових високоефективних елементів, що складають так звану інфраструктуру воднево-виробляють систем.

Почнемо з того, що Американські інженери створили прозорі й гнучкі іоністори, які можуть стати джерелами живлення для мобільних пристроїв наступного покоління. Робота опублікована в журналі Scientific Reports, а її короткий зміст можна прочитати на сайті Північно-Західного Університету.

В основі нового пристрою - тонкі вуглецеві плівки незвичайної форми. Вони мають глибоко текстуровану поверхню у формі так званих "вуглецевих наночашек". Завдяки такій текстурі збільшується поверхню дотику між плівкою, яка виступає в ролі електрода і "наповнювачем" - полімерним електролітом.

Щоб продемонструвати працездатність технології для створення джерел живлення нового класу, автори створили невеликий прототип. У приводимом відео інженери використовують його для живлення світлодіода, розташувавши пристрій поверх екрану смартфона. Видно, що іоністор дуже добре пропускає світло, хоча і не є абсолютно прозорим. Крім того, автори демонструють, що батарею можна сгінать і це ніяк не змінює її електричні показники.

Іоністори (або суперконденсатори) є електричними пристроями в деякому розумінні проміжними між класичними конденсаторами і хімічними акумуляторами. В якості обкладок в іоністор виступають прошарки іонів на кордоні елеткрода і електроліту. Чим площа цієї межі, тим більше місткість пристрою. До переваг іоністор відносяться висока швидкість зарядки і мала деградація навіть після тисяч циклів роботи.

Нова розробка інженерів може стане в нагоді для створення повністю прозорих електронних пристроїв. Технології виготовлення багатьох інших компонентів таких пристроїв, наприклад, сенсорних панелей і екранів вже існують.

Особливо цікаво застосування новітніх технологій в, запропонованої Анатолієм Григоровичем Созанським водневої технології акумулювання електроенергії.

Так Хіміки з Університету Рочестера створили рекордно довгоживучу систему для виробництва водню за допомогою енергії сонячного світла. Робота вчених опублікована в журналі Science, а її короткий зміст переказує ScienceNow.

Складність використання енергії сонця для безпосереднього синтезу газоподібного водню полягає в тому, що більшість органічних барвників, які для цього використовуються, швидко руйнуються. Тому, автори вирішили звернутися до нанокристалів напівпровідників, які теж здатні поглинати світло певної довжини хвилі (їх квантові властивості визначаються розміром), але при цьому набагато більш стійкі.

В основі отриманої системи лежать нанокристали селеніду кадмію (CdSe), і іони нікелю, які каталізують безпосередній синтез молекулярного водню. Іони нікелю знаходяться у водному розчині, тому для того, щоб туди ж помістити нанокристали, автори нанесли на них гідрофільні покриття з дигідроліпоєвої кислоти. Речовина підібрано таким чином, щоб забезпечувати розчинення твердих наночастинок, але при цьому не обволікати їх повністю, так як для роботи потрібно забезпечити контакт між кристалами і розчином.

В результаті, вчені отримали досить ефективну систему, в якій майже кожен третій поглинений квант використовувався для виробництва водню. Кожна наночастинок виробляла близько 7 тисяч молекул водню на годину, при цьому процес міг тривати протягом декількох тижнів.

Водень часто розглядають як перспективну заміну викопному паливу в якості акумулятора енергії. Його згоряння призводить до утворення тільки одного речовини - води. Однак, і виробництво водню шляхом гідролізу, і його зберігання на сьогоднішній день представляють дуже серйозні технічні труднощі.
Крім цього Група вчених з різних країн встановила механізм, який визначає властивість магнієвих наночастинок віддавати накопичений водень. Прес-реліз роботи, опублікованої в журналі Proceedings of the National Academy of Science, представлений на сайті Університету Уппсали.

Водень вважається перспективним паливом, яке зможе замінити традиційні вуглецеві джерела енергії. Основним завданням на сьогоднішній день є розробка матеріалу, який зможе накопичувати велику кількість водню і в той же час буде володіти здатністю легко його віддавати. Вчені створили кілька матеріалів, які в тій чи іншій мірі задовольняють цим вимогам: наприклад, органічні губки або "листковий пиріг" з кальцію з літієм. Одним з популярних варіантів є метали і їх гідриди.

У даному дослідженні вчені працювали з наночастинками гідриду магнію, які можуть "вбирати" до 7,7 відсотка водню у ваговому співвідношенні. Для поглинання або віддачі водню до наночасткам необхідно додавати каталізатори - речовини, "запускають" ці процеси.

Однією з теорій, що пояснюють механізм роботи каталізаторів, була теорія човників. Згідно з цим припущенням, молекули каталізатора - в даному випадку це титан, ванадій, залізо та нікель - переносять на собі водень від поверхні матеріалу всередину і навпаки. Вчені з Університету Уппсали і їхні колеги побудували комп'ютерну модель, яка пояснювала процес переносу на молекулярному рівні. Розуміння принципів роботи каталізаторів може виявитися корисним для розробки нових і вдосконалення вже створених способів зберігання водню.

Привабливість водню як джерела енергії визначається декількома причинами. По-перше, він є одним з найпоширеніших елементів на Землі, а по-друге, при його використанні утворюється вода, що не представляє небезпеки для екології планети. Енергія виділяється при реакції водню з киснем.

Останнім часом вуглець і композиції на його основі все більше починають завойовувати розуми дослідників.

Так Вуглецеві нанотрубки можуть наблизити використання водню в якості побутового палива. Дослідники з університету Північної Кароліни придумали спосіб розкласти з їх допомогою воду на прості речовини при набагато меншій температурі, ніж передбачали попередні технології, повідомляє WorldChanging.com.

Щоб каталізувати реакцію розпаду, учені використовували нанотрубки з дефектами. Вуглецеві циліндри діаметром у кілька нанометрів зазвичай складаються з мережі правильних шестикутників з атомами у вершинах, але справжня структура часто відхиляється від ідеальної. "Дірки" в решітці виявляються зручною пасткою для молекул води, які потім руйнуються. Комп'ютерний експеримент показав, як буде протікати така реакція. Теплові коливання решітки передаються прикріпленою до неї молекулі, після чого відбувається розрив хімічних зв'язків.

Нанотрубки відрізняються від інших каталізаторів тим, що реакція з їх участю протікає при температурах нижче тисячі градусів Цельсія. Вчені стверджують, що при цьому буде витрачатися вдвічі менше енергії. Поки, проте, не існує реактора, де водень міг би вироблятися за новою схемою в промислових кількостях.

корисний матеріал? Натисніть:




інші статті...
© Ярослав Ващук, 2003-2011
при використанні будь-яких матеріалів сайту посилання на джерело обов'язкове
[pageinfo]
сайты Хмельницкого bigmir)net TOP 100