- Введение
История развития человечества
теснейшим образом связана с
получением и использованием энергии.
Издавна в качестве основных источников
энергии, использовались дрова (и сейчас
тоже), торф, древесный уголь, вода, ветер.
Также с древнейших времен известны
уголь и нефть.
История нефти насчитывает
тысячи лет. Различные памятники
древности свидетельствуют о
том, что Она применялась задолго
до нашей эры. Так, обнаружены (раскопками)
следы нефтяного промысла, существовавшего
за 6-4 тысячи лет до нашей эры на
берегу Ефрата. Нефтяная смола здесь
применялась в качестве цемента
при постройке города УР и как
гидроизоляция при возведении тоннеля
под рекой Евфрат.
Практическая ценность топлива
определяется количеством теплоты,
выделяющимся при его полном сгорании.
(Так при сгорании 1 кг
древесины выделяется теплота,
равная 10,2 мДж/кг, каменного угля -22
мДж/кг, бензина - 44 мДж/кг.)
Основной недостаток природного
топлива - его крайне медленная восполняемость.
Существующие ныне запасы образовывались
десятки и сотни миллионов
лет назад. В тоже время добыча
топлива непрерывно увеличивается.
Шведские ученые полагают,
что бытующее представление об общемировых
природных запасах нефти в
размере 18 трлн барр., из которых до
настоящего времени был израсходован
только 1 трлн, является "совершенно
нереалистичным". Согласно их данным,
в настоящий момент мировые запасы
нефти составляют всего 3,5 трлн барр.
Если учесть, что ежегодно человечество
потребляет около 25 млрд. барр. нефти
и эта цифра имеет тенденцию
к росту, предположение, что кризис
ресурсов возможен уже в ближайшие
2-3 десятилетия, видится вполне обоснованным.
По самым пессимистичным подсчетам
Межправительственной группы по климатическим
изменениям, мировые ресурсы нефти
на данный момент составляют 5 трлн барр.
(03.10.2003)
Истощение не грозит гидроэнергетическим
ресурсам - в отличие от органического
топлива они непрерывно возобновляются.
Но гидроэнергетические ресурсы
неспособны, дать необходимое количество
энергии.
Вот почему важнейшей проблемой
энергетики стала проблема изыскания
новых источников энергии, в частности
ядерной энергии, энергии солнечного излучения,
внутреннего тепла Земли.
Одним из перспективных источников
энергии является водород. Его выделяют
из обыкновенной воды, и это не единственный
способ его получения, он хорошо хранится
и транспортируется в газообразном,
жидком и твердом виде. Газ удобно
хранить в подземных хранилищах,
жидкость - в резервуарах. Одного резервуара
объемом 3500м в кубе хватало бы
для снабжения энергией в течение
целого года небольшого городка с 20-ти
тысячным населением.
Для того чтобы получать
водород в больших количествах
необходимо в дали от населенных пунктов
на берегу моря можно поставить мощные
атомные, а в будущем термоядерные
реакторы. При этом энергия атома
пойдет не только для производства
электроэнергии, но и на разложение
воды. По одному трубопроводу диаметром
900 мм можно передать энергопоток
мощностью свыше 12000 мВт.
Учёные Научно-исследовательского
института энергетики США работают
над проектом сверхпроводящей энергосети
для доставки электричества и
водородного топлива по всей стране.
Способность к передаче больших
объёмов энергии и доставка альтернативного
топлива - водорода – делает новую
сеть очень перспективной сетью.
Её внедрение значительно ускорило
бы отказ от традиционного сжигания
углеводородов.
Переход на водородное топливо
имеет и еще одну привлекательную
сторону. Если каменный уголь, нефть, газ
расходуется безвозвратно, то водород
может участвовать в круговороте
энергии сколько угодно: сгорая,
он, превращается в водяной пар, затем
в воду.
Все идет к тому, что основным
топливом в автомобильных двигателях
станет электричество. Вот только как
его получить? По всей видимости, самым
эффективным, компактным и безвредным
способом является использование водорода
в так называемых топливных элементах.
Топливный элемент - это электрохимическое
устройство, которое превращает топливо
в электричество без горения.
В качестве топлива можно использовать
природный газ, метанол, бензин или
нефть. При работе топливный элемент
выделяет только тепло и водяной
пар.
Идея их использования
не так уж и нова. Еще в 1839 году
англичанин сэр Уильям Гроув разработал
принципы их функционирования. Начиная
с 60-х NASA стала использовать щелочные
топливные элементы в космосе. И уже сейчас
серийно выпускаются электростанции на
топливных элементах с мощностью до 200
кВт.
У топливных элементов
есть несколько больших преимуществ.
Во-первых, они намного более эффективны
по сравнению с любыми другими
способами генерации электрической
энергии, особенно - с двигателями
внутреннего сгорания. Электроэнергия
в элементах вырабатывается непосредственно
из химических реакций. В этом случае
не требуется промежуточных механических
звеньев, использующихся в большинстве
электростанций и снижающих эффективность.
Кроме того, следует отметить экологическую
чистоту и удобство топливных
элементов. Они не выделяют токсичных
веществ и работают практически
бесшумно.
Пока что получение
водорода современными методами (из природного
газа или электролизом воды) требует
больше энергии, чем полученный водород
может дать. Тем не менее, после
исчерпания месторождений источников
нефти и газа он может стать
единственным доступным видом автомобильного
топлива. Именно по этой причине, практически
все крупные автомобильные компании
вкладывают в разработку двигателей
на водороде огромные средства.
Наиболее близка к серийному
производству таких систем компания
Ford. Совместно с канадской компанией
Ballard Power Systems ею разработан образец
водородной генераторной установки Ballard
Ecostar. Она способна заменить небольшие
турбины или двигатели внутреннего
сгорания, в которых применяются
другие виды топлива. Установка способна
развивать мощность до 114 киловатт.
Надо сказать, что и
Россия не отстает от конкурентов. На
ОАО "АВТОВАЗ" в 1999 году была принята
программа по разработке автомобиля
на топливных элементах. В 2001 году был
разработан ходовой макет АНТЭЛ
1 на базе автомобиля ЛАДА НИВА 2131.
Кстати говоря, процесс
соединения водорода с кислородом составляет
основу биоэнергетики организма
человека. Благодаря химическим реакциям,
протекающим в каждой живой клетке,
энергия с высоким КПД преобразуется
в тепловую и механическую. Так
что человек лишь повторяет созданное
природой устройство получения энергии
(и не без пользы для самого себя,
естественно; так что работа по дальнейшему
усовершенствованию технологии топливных
элементов вселяет надежду на счастливое
энергетическое будущее).
Безусловно, на пути к нему
возникает и еще возникнет
достаточно проблем. И до появления
на дорогах автомобилей на водороде
пройдет еще не мало времени.
Но уже сейчас Исландия
планирует перевести весь транспорт
на топливные элементы. Исландия готовится
стать первой страной в мире, которая
сведет выбросы углекислого газа
в атмосферу к нулю. Это северное
островное государство станет испытательной
лабораторией новой экономики, в
которой роль ведущего энергоносителя
будет играть водород.
В течение 20 ближайших лет
правительство намерено перевести
автобусы, автомобили и рыболовный
флот на топливные элементы (fuel cells)
и создать новую инфраструктуру.
А в России, непосредственно
в Москве Юрий Михалычь уже собирается
перевести технику на эфир.
Еще одним альтернативным
видом топлива сегодня является
ДМЭ (диметиловый эфир). Это, так сказать,
следующая ступень по внедрению
использования газа в двигателях
внутреннего сгорания. В Москве состоялась
презентация совершенно нового вида
дизельного двигателя. Отныне ЗИЛы смогут
ездить на диметиловом эфире. По большому
счету это аналог газа. Главный
плюс нового топлива - экологическая
безопасность. Выбросы оксида азота
сокращаются минимум в 2,5, а то
и в 3 раза.
"Мы хотим запустить
следующую опытную партию примерно
из 50 автомобилей. Но эта работа
только начинается. При этом первые
три образца автомобилей показывают,
что принципиальных трудностей
с ними не будет, - отметил заместитель
начальника Управления транспорта
и связи Москвы Валерий Антюфеев.
По его словам, "все автомобили
подтвердили те экологические
характеристики, на которые мы
рассчитывали. В будущем мы планируем
изменить инфраструктуру заправочных
станций". "Пропанобутановые станции,
которые сейчас строятся в
городе по этой же программе,
в будущем подвергнутся глубокой
модернизации и станут двухтопливными".
Еще в начале 2002 года столичная
мэрия приняла программу перевода
части городского автопарка на альтернативные
виды топлива. Одним из главных "козырей"
программы считалось внедрение
вместо дизельного топлива диметилового
эфира (ДМЭ, химическая формула СНз-0-СНз,
получают несколькими способами из органических
соединений, наиболее экономичный "
- синтез из природного газа метана). Отмечалось,
что применение этого топлива не потребует
серьезных доработок серийных автомобилей,
зато выхлопы вполне будут соответствовать
строгим европейским стандартам.
Мэр сообщил, что химические
заводы уже готовы поставлять новое
топливо и его можно производить
миллионами тонн. А тульские химики
пообещали сделать ДМЭ в массовом
производстве в два раза дешевле
солярки. То есть даже при расходе
альтернативного топлива в 1,7 раза
больше дизельного, машины будут экономичнее
в эксплуатации.
Также на сегодняшний день
в науке уже много лет разрабатывается
проблема использования для целей
энергетики термоядерных реакций как
гигантских источников энергии. Ученые
стремятся научиться контролировать
ход термоядерной реакции. О величине
термоядерной энергии можно судить
по такому сравнению: вступление в синтез
1 г. изотопов водорода эквивалентно сгоранию
10 тонн бензина.
Но и здесь есть свои
подводные камни, для того чтобы
осуществить термоядерную реакцию
нужно построить огромный завод,
оснастить его надежным оборудованием
и высоко квалифицированной рабочей
силой, что, как нам известно, не очень
дешево, и это все, если не брать
проблемы бюрократического и экологического
характера.
2.Место и роль
новых источников энергии
Чтобы понять
роль и место этих новых
источников энергии в будущем,
полезно обратить взгляд в
недавнее прошлое. В 60-е годы
основой энергетики многих стран,
в том числе экономически наиболее
развитых, являлась нефть (в значительной
мере - достаточно дешевая ближневосточная).
В то время исследования в
области использования НВИЭ многим
казались чем-то экзотическим, эдакой
причудой высоколобых интеллектуалов.
Все переменилось в 1973 г. во время ближневосточного
нефтяного кризиса. Вдруг стало ясно, что
ориентация на импортную нефть представляет
угрозу энергетической безопасности многих
государств. Большинству экономически
развитых стран пришлось срочно разрабатывать
новую энергетическую стратегию, направленную
на диверсификацию источников энергии,
всемерное энергосбережение, а также среди
прочих мер - на основательное изучение
возможностей применения НВИЭ.
То, что ситуация
на мировом нефтяном рынке
вскоре стабилизировалась, не
остановило указанные страны
в реализации новой энергетической
стратегии, и на этом пути
были достигнуты впечатляющие
результаты. Энергосберегающие меры
были предприняты практически
во всех сферах жизнедеятельности.
Однако главным средством энергосбережения
стала структурная перестройка
экономики, направленная на уменьшение
доли энергоемких производств
(которые, как правило, являются
к тому же экологически неблагополучными)
и увеличение доли наукоемких.
Достаточно сказать, что, например,
в 1970 г. энергоемкость единицы
валового национального продукта
в США была несколько выше,
чем в бывшем СССР, а в настоящее
время в России этот показатель
в два с лишним раза выше,
чем в Штатах. Россия в большом
количестве экспортирует алюминий,
являющийся высокоэнергоемким продуктом,
а импортирует, например, компьютеры,
то есть наукоемкую и малоэнергоемкую
продукцию.
Одним из положений
новой энергетической стратегии
стало всемерное развитие нетрадиционных
направлений. Во многих странах
оно превратилось в предмет
государственной технической политики.
Появились солидно финансируемые
государственные программы в
данной области. В ряде стран
были приняты нормативно-законодательные
акты в сфере использования
НВИЭ, которые составили правовую,
экономическую и организационную
основу этого направления технического
развития. Правовая база состоит
в установлении права производителей
электроэнергии на нетрадиционных источниках
на подключение к сетям энергоснабжающих
компаний, которые обязаны принимать эту
энергию. Экономическая основа сводится
к мерам по стимулированию применения
НВИЭ, необходимому на этапе продвижения,
становления и адаптации на энергетическом
рынке. В различных странах применяются
разные способы (и их сочетания) экономической
поддержки: налоговые и кредитные льготы,
благоприятные тарифы, дотации и т.п. Наконец,
организационная основа решения проблемы
состоит в определении государственного
(федерального) органа (ведомства), ответственного
в целом за данное направление. В функции
такого органа входят разработка государственных
программ развития НВИЭ, в том числе программы
научно-исследовательских и опытно-конструкторских
работ (НИОКР), создание демонстрационных
объектов, проведение маркетинга на внутреннем
и внешнем рынках, пропаганда и популяризация
и т.п. Особо следует сказать о развитии
НИОКР. Вообще говоря, технический прогресс
в любой сфере деятельности немыслим без
опережающего развития научной базы. Тем
более это справедливо для таких новых
областей, как использование НВИЭ. Ежегодные
расходы на НИОКР в сфере нетрадиционной
энергетики составляют в мире не менее
1 млрд. долларов.
Созданная во
многих странах нормативно-законодательная
база по использованию НВИЭ
является мощным инструментом
государственной технической политики
в этой области. Особенно развито
это законодательство в США,
где в последние 25 лет принято
более дюжины законов в указанной
сфере.
Плюсы и минусы
Каковы же эти
нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии? К ним обычно
относят солнечную, ветровую и
геотермальную энергию, энергию
морских приливов и волн, биомассы
(растения, различные виды органических
отходов), низкопотенциальную энергию
окружающей среды. К НВИЭ также принято
относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт
при мощности единичного агрегата не более
10 МВт), которые отличаются от традиционных
- более крупных - ГЭС только масштабом.
Указанные источники
энергии имеют как положительные,
так и отрицательные свойства.
К положительным относятся повсеместная
распространенность большинства их видов,
экологическая чистота. Эксплуатационные
затраты по использованию нетрадиционных
источников не содержат топливной составляющей,
так как энергия этих источников как бы
бесплатная.
Отрицательные
качества - это малая плотность
потока (удельная мощность) и изменчивость
во времени большинства НВИЭ.
Первое обстоятельство заставляет
создавать большие площади энергоустановок,
перехватывающие поток используемой
энергии (приемные поверхности
солнечных установок, площадь
ветроколеса, протяженные плотины
приливных электростанций и т.п.).
Это приводит к большой материалоемкости
подобных устройств, а, следовательно,
к увеличению удельных капиталовложений
по сравнению с традиционными
энергоустановками. Правда, повышенные
капиталовложения впоследствии
окупаются за счет низких эксплуатационных
затрат, но на начальной стадии
они чувствительно бьют по
карману тех, кто хочет использовать
НВИЭ.
Больше неприятностей
доставляет изменчивость во времени
таких источников энергии, как
солнечное излучение, ветер, приливы,
сток малых рек, тепло окружающей
среды. Если, например, изменение
энергии приливов строго циклично,
то процесс поступления солнечной
энергии, хотя в целом и закономерен,
содержит, тем не менее, значительный
элемент случайности, связанный
с погодными условиями. Еще
более изменчива и непредсказуема
энергия ветра. Зато геотермальные
установки при неизменном дебите
геотермального флюида в скважинах
гарантируют постоянную выработку
энергии (электрической или тепловой).
Кроме того, стабильное производство
энергии могут обеспечить установки,
использующие биомассу, если они
снабжаются требуемым количеством
этого энергетического сырья.
Говоря о производстве
электроэнергии, следует заметить,
что она представляет собой
весьма специфический вид продукции,
который должен быть потреблен
в тот же момент, что и произведен.
Ее нельзя отправить на склад,
как уголь, нефть или любой
другой продукт или товар, поскольку
фундаментальная научно-техническая
проблема аккумулирования электроэнергии
в больших количествах пока
не решена, и нет оснований
полагать, что она будет решена
в обозримом будущем.
Для малых автономных
ветровых и солнечных энергоустановок
возможно и целесообразно применение
электрохимических аккумуляторов,
но при производстве электроэнергии
за счет этих нерегулируемых
источников в промышленных масштабах
возникают трудности, связанные с невозможностью
постоянного сопряжения производства
электроэнергии с ее потреблением (с графиком
нагрузки). Достаточно мощная энергосистема,
включающая также ветроэлектрические
установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции
(ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС),
может компенсировать изменения мощности
этих станций. Однако при этом, во избежание
изменений параметров энергосистемы (прежде
всего частоты), доля нерегулируемых электростанций
не должна превышать, по предварительной
оценке, 10-15% (по мощности).
Что же касается
бесплатности большинства видов
НВИЭ, то этот фактор нивелируется
значительными расходами на приобретение
соответствующего оборудования. В
результате возникает некоторый
парадокс, состоящий в том, что
бесплатную энергию способны
использовать, главным образом, богатые
страны. В то же время наиболее
заинтересованы в эксплуатации
НВИЭ развивающиеся государства,
не имеющие современной энергетической
инфраструктуры, то есть развитой
сети централизованного энергоснабжения.
Для них создание автономного
энергообеспечения путем применения
нетрадиционных источников могло
бы стать решением проблемы, но
в силу своей бедности они
не имеют средств на закупку
в достаточном количестве соответствующего
оборудования. Богатые же страны
энергетического голода не испытывают
и проявляют интерес к альтернативной
энергетике в основном по соображениям
экологии, энергосбережения и диверсификации
источников энергии.
Мы намеренно
столь подробно останавливаемся
на технических и экономических
трудностях при использовании
НВИЭ, чтобы показать, насколько
сложно организовать их крупномасштабное
применение. Эта проблема требует
системного подхода, который и
проявляется во многих странах,
и в значительной мере - через
уже упомянутую законодательную
базу.
Пожинатели ветра
В целом использование
НВИЭ в мире приобрело ощутимые
масштабы и устойчивую тенденцию
к росту. В некоторых странах
доля нетрадиционных источников
в энергобалансе составляет единицы
процентов. По различным прогнозным
оценкам, в которых в настоящее
время нет недостатка, эта доля
к 2010-2015 гг. во многих государствах
достигнет или превзойдет 10%. Здесь
можно дискутировать только о
темпах роста данного показателя,
но сам факт роста не подвергается
сомнению.
Различные виды
НВИЭ находятся на разных стадиях
освоения. Как это ни парадоксально,
наибольшее применение получил
самый изменчивый и непостоянный
вид энергии - ветер. Суммарная
мировая установленная мощность
крупных ВЭУ и ВЭС, по разным
оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт.
Кажущийся парадокс объясняется
тем, что удельные капиталовложения
в ВЭУ ниже, чем при использовании
большинства других видов НВИЭ.
Растет не только суммарная
мощность ветряных установок,
но и их единичная мощность,
превысившая 1 МВт.
Во многих странах возникла
новая отрасль - ветроэнергетическое
машиностроение. По-видимому, и в
ближайшей перспективе ветроэнергетика
сохранит свои передовые позиции. Мировыми
лидерами по применению энергии ветра
являются США, Германия, Нидерланды, Дания,
Индия.
Второе место
по объему применения занимает
геотермальная энергетика. Суммарная
мировая мощность ГеоТЭС составляет
не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны
по сравнению с традиционными топливными
электростанциями. Однако ГеоТЭС географически
привязаны к месторождениям парогидротерм
или к термоаномалиям, которые распространены
отнюдь не повсеместно, что ограничивает
область применения геотермальных установок.
Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение
получили системы геотермального теплоснабжения.
Далее следует
солнечная энергия. Она используется
в основном для производства
низкопотенциального тепла для коммунально-бытового
горячего водоснабжения и теплоснабжения.
Преобладающим видом оборудования здесь
являются так называемые плоские солнечные
коллекторы. Их общемировое производство
составляет, по нашим оценкам, не менее
2 млн. м2 в год, а выработка низкопотенциального
тепла за счет солнечной энергии достигает
5 106 Гкал.
Все активнее идет преобразование
солнечной энергии в электроэнергию.
Здесь используются два метода -
термодинамический и фотоэлектрический,
причем последний лидирует с большим
отрывом. Так, суммарная мировая
мощность автономных фотоэлектрических
установок достигла 500 МВт. Здесь
следует упомянуть проект "Тысяча
крыш", реализованный в Германии,
где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими
установками. При этом роль резервного
источника играет электросеть, из которой
возмещается нехватка энергии. В случае
же избытка энергии она, в свою очередь,
передается в сеть. Любопытно, что при
реализации этого проекта до 70% стоимости
установок оплачивалось из федерального
и земельного бюджетов. В США принята еще
более масштабная программа "Миллион
солнечных крыш", рассчитанная до 2010
г. Расходы федерального бюджета на ее
реализацию составят 6,3 млрд. долларов.
Однако пока основное количество автономных
фотоэлектрических установок поступает
за счет международной финансовой поддержки
в развивающиеся страны, где они наиболее
необходимы.
Значительное
развитие получило направление,
связанное с использованием низкопотенциального
тепла окружающей среды (воды, грунта,
воздуха) с помощью теплонасосных установок
(ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической
энергии производится 3-4 эквивалентные
единицы тепловой энергии, следовательно,
их применение в несколько раз выгоднее,
чем прямой электрический нагрев. Они
успешно конкурируют и с топливными установками.
Не менее интенсивно
развивается использование энергии
биомассы. Последняя может конвертироваться
в технически удобные виды
топлива или использоваться для
получения энергии путем термохимической
(сжигание, пиролиз, газификация)
и (или) биологической конверсии.
При этом используются древесные
и другие растительные, а также
органические отходы, в том числе
городской мусор, отходы животноводства
и птицеводства. При биологической
конверсии конечными продуктами
являются биогаз и высококачественные
экологически чистые удобрения. Это направление
имеет значение не только с точки зрения
производства энергии. Пожалуй, еще большую
ценность оно представляет с позиций экологии,
так как решает проблему утилизации вредных
отходов.
В последние
годы наблюдается возрождение
интереса к созданию и использованию
малых ГЭС. Они получают во
многих странах все большее
распространение на новой, более
высокой технической основе, связанной,
в частности, с полной автоматизацией
их работы при дистанционном
управлении.
Гораздо меньше
развито практическое применение
приливной энергии. В мире существует
только одна крупная приливная
электростанция (ПЭС) мощностью 240
МВт (Ранс, Франция). Еще менее развито
использование энергии морских волн. Этот
способ использования НВИЭ находится
на стадии начального экспериментирования.
Таково в настоящее
время положение с использованием
НВИЭ в мире. В России же
практическое их применение значительно
отстает от масштабов, достигнутых
в других странах. И это несмотря
на такие благоприятные предпосылки,
как практически неограниченные
ресурсы НВИЭ, достаточно высокий
научно-технический и промышленный
потенциал в данной области.
3. Топливные элементы.
Топливные элементы
как часть аккумулирующих систем.
Топливные элементы
осуществляют прямое превращение
энергии топлива ( напр.водород +
кислород) в электричество, минуя малоэффективные,
идущие с большими потерями, процессы
горения. Это электрохимическое устройство
в результате высокоэффективного "холодного"
горения топлива непосредственно вырабатывает
электроэнергию с КПД до 70 % [17].
Биохимики установили,
что биологический водородно-кислородный
топливный элемент "вмонтирован"
в каждую живую клетку [13]. Источником
водорода в организме служит
пища -- жиры, белки и углеводы. В желудке,
кишечнике, в клетках она раскладывается
до мономеров, которые, в свою очередь,
после ряда химических превращений дают
водород, присоединенный к молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь
через легкие, соединяется с гемоглобином
и разносится по всем тканям. Процесс соединения
водорода с кислородом составляет основу
биоэнергетики организма. То есть, в мягких
условиях (комнатная температура, нормальное
давление, водная среда), химическая энергия
с высоким КПД преобразуется в тепловую,
механическую (движение мышц), электричество
(электрический скат), свет (насекомые
излучающие свет). Человек в который раз
повторил созданное природой устройство
получения энергии. В то же время этот
факт говорит о перспективности направления.
Все процессы в природе очень рациональны,
поэтому шаги по реальному использованию
ТЭ вселяют надежду на энергетическое
будущее.
Открытие в
1838 году водородно-кислородного
топливного элемента принадлежит
английскому ученому У. Грову.
Исследуя разложение воды на водород и
кислород, он обнаружил побочный эффект
-- электролизер вырабатывал электрический
ток. Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть)
состоит в основном из углерода. При сжигании
атомы топлива теряют электроны, а атомы
кислорода воздуха приобретают их. Так
в процессе окисления атомы углерода и
кислорода соединяются в продукты горения
-- молекулы углекислого газа. Этот процесс
идет энергично: атомы и молекулы веществ,
участвующих в горении, приобретают большие
скорости, а это приводит к повышению их
температуры. Они начинают испускать свет
-- появляется пламя. Химическая реакция
сжигания углерода имеет вид: C + O2 = CO2 +
тепло. В процессе горения химическая
энергия переходит в тепловую энергию
благодаря обмену электронами между атомами
топлива и окислителя. Этот обмен происходит
хаотически. Горение -- обмен электронов
между атомами, а электрический ток -- направленное
движение электронов. Если в процессе
химической реакции заставить электроны
совершать работу, то температура процесса
горения будет понижаться. В ТЭ электроны
отбираются у реагирующих веществ на одном
электроде, отдают свою энергию в виде
электрического тока и присоединяются
к реагирующим веществам на другом. Основа
любого ХИТ -- два электрода, соединенные
электролитом. ТЭ состоит из анода, катода
и электролита. На аноде окисляется, т.е.
отдает электроны, восстановитель (топливо
CO или H2), свободные электроны с анода поступают
во внешнюю цепь, а положительные ионы
удерживаются на границе анод-электролит
(CO+, H+). С другого конца цепи электроны
подходят к катоду, на котором идет реакция
восстановления (присоединение электронов
окислителем O2--). Затем ионы переносятся
электролитом к катоду. В ТЭ вместе сведены
вместе три фазы физико-химической системы:
газ (топливо, окислитель); электролит
(проводник ионов); металлический электрод
(проводник электронов). В ТЭ происходит
преобразование энергии окислительно-восстановительной
реакции в электрическую, причем, процессы
окисления и восстановления пространственно
разделены электролитом. Электроды и электролит
в реакции не участвуют, но в реальных
конструкциях со временем загрязняются
примесями топлива. Электрохимическое
горение может идти при невысоких температурах
и практически без потерь. В ТЭ поступает
смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать
газообразное топливо. Таким образом,
ТЭ оказывается "всеядным". Усложняет
использование ТЭ то, что для них топливо
необходимо "готовить". Для некоторых
ТЭ водород получают путем конверсии органического
топлива или газификации угля. Поэтому
структурная схема электростанции на
ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя
постоянного тока в переменный и вспомогательного
оборудования включает блок получения
водорода (для солнечной энергетики - это
гидролизёр).
