|
| |
|
Главная -> Экология
Керамические топливные ячейки. Переработка и вывоз строительного мусораЯвление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Едиссоном в 1883 году. Работая над созданием электрической лампы, Едиссон размещал в колбе две нити. Если перегорала одна из них, он возвращал лампу и включал другую. Во время опытов ламп оказалось, что определенное количество электричества переходит к холодной нити, то есть электроны испаряются из горячей нити - катода - и двигаются к холодной нити - анода - и дальше во внешний электрический круг. При этом часть тепловой энергии, которая идет на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешнем электрическом круге при протекании электрического тока. Анод разогревается за счет теплоты, которая переносится электронами. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то теплота испарения электронов из катода точно равнялась бы теплоте конденсации электронов на аноде и не было бы преобразования теплоты в электрическую энергию. Чем меньше температура анода сравнительно с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в электрическую. Более простая схема термоэмиссионного преобразователя энергии показанная на рис.1 Рис.1 1- катод; 2 - анод В обычной диодной радиолампе мощность, которая расходуется на нагревание катода, приблизительно равняется 10 Вт, а исходная мощность, которая снимается с анода, составляет 1 мкВт. Т.о., на нагревание расходуется мощность в 107 раз большая. КПД преобразователя имеет ничтожно маленькую величину - 10-5%. Если бы КПД был даже в миллион раз больший, то это устройство все равно невозможно было бы рассматривать как преобразователь энергии для промышленных целей. Однако прогресс в развитии термоэмиссионных преобразователей оказался настолько значительным, что удалось довести КПД современных диодных преобразователей энергии до 20%. В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое количество свободных электронов - около 6·1021 в 1см3. Внутри металла силы притягивания электрона сбалансированные положительно заряженными ядрами (рисунок 2). Рис.2 Непосредственно вокруг поверхности на электроны действуют суммарные силы притягивания, для преодоления которых и выхода за границы металла электрон должен иметь достаточную кинетическую энергию. Увеличение кинетической энергии происходит при нагревании металла. В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, которую получают в результате ядерной реакции. Схема ядерного термоэмиссионного преобразователя приведена на рисунке 3. Рис.3 Ядерный термоэмиссионный преобразователь 1 - защита; 2 - охладитель; 3 - анод; 4 - вакуум; 5 - катод; 6 - ядерное топливо КПД первых таких преобразователей был на уровне 15%, по прогнозам его можно довести до 40%. Выпускания электронов в термоэмиссионных генераторах производится нагреванием катода. При радиоактивном распаде электроны (-лучи) выпускаются вследствие природных свойств элементов. Непосредственно используя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рисунок 3).
В мире приобрела широкое развитие и огласку и уже коммерциализуется технология генерации электрической энергии из органических видов топлива – технология топливных ячеек, в соответствии с которой энергия топлива непосредственно превращается в электрику. Эта технология широкой поступью идет на смену традиционным технологиям генерации электрической энергии и двигателям внутреннего сгорания, имея, при этом, и другие важные применения. Мировой опыт эксплуатации свыше 150 электрических станций убеждает в том, что топливным ячейкам хватает вдвое меньше количества газа для производства единицы электрической мощности чем наилучшим паро- и газотурбинным станциям. И вдобавок они имеют и на порядок меньше выбросов в воздух, в особенности при использовании угля. Срок бесперебойной работы станций на топливных ячейках также намного лучше, чем у существующих тепловых станций. У топливных ячеек он в десятки раз больше. В объединении с электрическими двигателями топливные ячейки являются идеальными двигателями для транспортных средств, прежде всего автомобилей, топливо которым нужно в 2-4 раза меньше, чем для самых наилучших автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Топливно-ячеечные двигатели уже устанавливаются на самолетах Стелс , “Сесна”, на подводных лодках, инвалидных тележках, мопедах, грузовиках, автобусах и т.п.. Они являются легкими и тихими. Альянс Даймлер - Крайслер – Форд – Дженерал Моторз работает, чтобы выставить на рынок 2004 года 400 тысяч автомобилей на топливных каморках. Хонда объявила, что выставит топливно-ячеечные автомобили на рынок в 2003 году. Началась новая мировая лихорадка – соревнование за новый автомобильный рынок мира... Есть еще много преград, которые стоят на пути вхождения топливных каморок в широкое потребление, но следует прислушиваться к обозревателю британского журнала “Автомобильный мир” Дж. Кросса, который в своем обзоре “Совсем новое дело” [1] высказывался буквально так – “... пока первопроходцы обсуждают преодоления проблем создания инфраструктуры и общественной мысли, те, кто считает денежную наличность, уже проявляют заинтересованность, так как становится теплее.” Что же стоит за этим странным названием – топливная ячейка? Топливная ячейка является устройством для получения электрической энергии из органического топлива и кислорода во время химической реакции образования воды и двуокиси углерода из кислорода, водорода и углерода [2, 3]. А положил начало этой, одной из великих во всей истории человечества, идеи получения электричества из окисления водорода англичанин Вильям Ґроув еще в 1839 году. Почти 170 лет тому назад он заявил, что простое погружение двух платиновых электродов в обогащенный водородом и кислородом раствор может стать коммерчески выгодным источником электрической энергии. А известный химик В. Оствальд уже в 1894 году напророчил, что это произойдет лишь в начале 21 век! Интенсивные исследовательские работы по получению электричества с помощью твердых электролитов проводились в конце 19 – начала 20 веков. Тогда же известный ученый Вальтер Нернст изобрел (1899г.), так называемую, массу Нернста – смеси на основе циркония, который и по сегодняшний день считается наилучшим соединением для генерации электричества. Тогда даже были изобретены и вырабатывались лампы с нитями разжаривания из циркониевых соединений, которые подогревались к появлению в них ионной проводимости металлическими нагревателями. Потом эти работы над составляющими топливно-ячеечных технологий как-то притихли и продвигались медленно практически до 80-х годов этого века. Им не отводилось достаточного внимания, скорее всего, через веру в безопасность атомной энергетики и неисчерпаемые возможности мирного атома . Промышленное применение испытали лишь циркониевые датчики кислорода систем контроля за полнотой сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания. Именно через требования национальных законодательств, которые обусловили их наличие в автомобилях, иномарки являются экологически более «чистыми», чем автомобили советских времен и их преемники. Краткий анализ имеющегося мирового опыта использования топливных ячеек показывает, что: На производство электрической энергии топливным ячейкам нужно почти вдвое меньше газа, чем существующим тепловым станциям. Эффективность использования топлива ячейками не зависит от их мощности и составляет 60 % вместо 30 % на тепловых станциях. В паре с газовыми турбинами эффективность использования газа составляет 72 %. С использованием попутного тепла эффективность использования топлива достигает 85 %! Топливные ячейки имеют в десятки раз больший срок бесперебойной работы (~7 000 часов вместо 250 часов на тепловых станциях). Топливно-ячеечные станции могут иметь широкий спектр мощности - от единиц Вт до 100 Мвт. Мощность топливных ячеек легко регулируется со скоростью до 1 Мвт/с. Топливные ячейки уменьшают производственные затраты на 25-40 %. Топливные ячейки являются идеальными автономными источниками электроснабжения, в которых стоимость энергии будет низшей от сейчас существующих на 10-20 %. Автомобили на топливных ячейках требуют в 2-4 раза меньше количества топлива, чем существующие автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Топливные ячейки являются экологически чистыми с близкими к нулю выбросами. Топливные ячейки работают тихо. Они шумят не громче бытового кондиционера. Таблица 1. Сравнение свойств топливных ячеек: циркониево-керамических и на протон-обменных мембранах Свойства ячеек на циркониевой керамике на протон-обменных мембранах Преобразование энергии,% сама по себе - 60 в паре с турбиной - 72 40 Полная эффективность,% (с использованием тепла) 85 80 Рабочая температура,оС 600 и выше 80-120 Преимущества более высокая температура большая эффективность работа в паре с газовой турбиной использует все виды топлива меньше выбросов вредных веществ электродами являются распространенные материалы низкая рабочая температура маленькие размеры маленький вес быстрый запуск Проблемы медленный запуск выход на максимальную мощность – через 5 минут. требует только чистого водорода требует только платиновых электродов Сейчас в мире известно пять типов топливных ячеек. Наиболее пригодными для удовлетворения земных потребностей в электричестве по современному состоянию развития топливно-ячеечных технологий являются, так называемые, циркониево- керамические топливные ячейки (ЦКТЯ) и пластмассовые протон-обменные мембраны (ПЕМ), свойства которых приведены в представленной Таблице 1 .В протон-обменных мембранах “перевозчиком” заряда является ионн водорода – протон, а электролитом-перегородкой между топливом и окислителем – специальная пластмасса. Как видно из перечня достоинств, именно топливные ячейки на циркониевой керамике являются наиболее привлекательными для использования в промышленности, быту и транспорте, где нужны сравнительно большие мощности и высокая эффективность. Хотя для переносных потребителей, например, радиотелефонов, радиоприемников и магнитофонов с небольшими мощностями в 1-3 Вт, более привлекательными являются ячейки на протон-обменных мембранах, которые перезаряжаются как газовые зажигалки. Но где же взять для них столько дорогой платины, которая нужна для их работы? Для сравнения приведем также “способности” традиционных ґенераторов электрической энергии. Так, эффективность использования топлива наилучшими газовыми турбинами очень большой мощности сейчас составляет 52 %, тепловыми станциями – 33-35 %, дизельными станциями – 36 %. Наиболее плохо используют топливо автомобили с двигателями внутреннего сгорания. В лучшем случае, если они едут по хорошей автодороге, цифра достигает 20 %. В городе же она не превышает 10 %. Главной составляющей циркониево-керамических топливных ячеек является, если выходить из их названия, циркониевая керамика, технология производства которой в Украине хорошо разработана. Топливные ячейки циркониевой керамики являются более надежными, чем другие, они могут потреблять разные виды органического топлива, такие как естественный газ, уголь, древесина, отходы сельскохозяйственного производства, этанол, метанол и т.п. Рис. 1. Принципиальная схема циркониево-керамической топливной ячейки. Топливная ячейка является электрохимическим устройством, которое прямо превращает топливо (водород, естественный или синтетический газ из угля, древесины и т.п., биогаз) и окислитель (воздух) в электричество. Это отстраняет обычные процессы горения и преобразования тепловой энергии сначала в механическую, а потом уже в электрическую. Как же работает топливная ячейка ЦКТЯ? На чудо просто, как видно из ее операционного принципа, изображенного на Рис. 1. ЦКТЯ работает при температуре выше 500о и применяет керамическую мембрану из циркониевой керамики, которая является высокотемпературным кислородно-ионным проводником. Керамика действует как твердый электролит между парой электродов в контакте с воздухом и топливом. Кислород поступает из воздуха и ионизируется на поверхности раздела керамика-электрод. Ионы кислорода диффундируют через толщу разогретой циркониевой керамики и реагируют с топливом на электроде со стороны топлива. Электроны генерируются на этом электроде и направляются дальше через внешнюю нагрузку до замыкания круга. Исходными продуктами топливных ячеек по определению являются вода и двуокись углерода. Вдобавок, из-за того, что рабочая температура современных керамических станций намного ниже чем 1000ос, они совсем не способны образовывать очень вредные оксиды азота.
Бюллетень. Угольные фантазии кинаха. Глава 2. Запорожье не газированное. Отопительный сезон по новым правилам. Главная -> Экология 
|