химический каталог




Источники энергии

Автор неизвестен

С течением времени изменяется отношение к различным источникам энергии. Например, уголь в начале XX в. был основным источником энергии, а полвека спустя уступил свои позиции нефти и позднее газу. В настоящее время уголь вновь привлекает внимание и особенно в связи с возможностью получения из него синтетического жидкого топлива.

Однако с учетом растущих энергетических потребностей, если использовать уголь как единственный энергетический источник, то его пришлось бы добывать в 10 раз больше, чем сейчас. Для это го следовало бы вводить ежедневно новую угольную шахту, что реально. Поэтому все большее внимание обращают на альтернативные энергоисточники.

Важное место среди них занимают гидроэнергетические ресурсы. Общие потенциальные запасы гидроэнергии земного шара составляют 73 триллиона кВт-ч, из которых в настоящее время используется менее 3%.

В Советском Союзе создана обширная сеть гидроэлектростанций, среди которых всемирно известные: Днепрогэс, Горьковская, Чебоксарская, Куйбышевская, Саратовская и Волгоградская на Волге, Иркутская, Братская и Усть-Илимская на Ангаре, Красноярская и Саяно-Шушенская на Енисее, Нурекская в Таджикистане, Токтогульская на реке Нарын в Киргизии, Ингурская в Грузии и др.

На долю гидроэлектростанций приходится лишь 1,4% энергии от общего производства энергии в мире. Даже полное использование гидроресурсов не позволит покрыть значительную часть дефицита энергии, который ожидается в начале следующего века в связи с сокращением потребления нефти и природного газа.

Иногда в качестве альтернативы рассматривают солнечную энергетику. Количество энергии, поступающей на землю в виде солнечного излучения, таково, что всего 0,5% этой энергии было бы достаточно, чтобы покрыть все потребности. Однако чтобы собрать энергию, удовлетворяющую современные потребности человеческого общества в целом, требуется территория площадью не менее 130 тыс. км2. Только для изготовления солнечных коллекторов необходимо было бы потратить весь производимый алюминий. А ежегодный расход всех конструкционных материалов составил бы 20 млрд. т, что эквивалентно массе извлекаемых горных пород и руд. Автономные же солнечные генераторы широко применяют для опреснения воды, отопления жилищ и в системах кондиционирования. Солнечные лучи с успехом используются з технологии для генерации высоких температур (солнечные печи).

По мнению академика Капицы, лишь ядерная энергетика может удовлетворить все энергетические потребности человечества. В принципе существуют три пути получения ядерной энергии, первый из них, вызываемый делением ядер. Подвергаемый делению изотоп 235U составляет лишь 0,7% общей массы урана. И потому при сжигании урана в реакторах с использованием процессов деления ядерный материал расходуется крайне неэффективно. Второй путь, которым можно воспользоваться для получения атомной энергии, является воспроизводство ядерного топлива. Однако и здесь имеются существенные трудности. До сих пор не разработана технологическая схема процесса и не решена проблема удаления радиоактивных отходов.

Третий путь получения атомной энергии связан с осуществлением управляемого термоядерного синтеза. В основе термоядерного синтеза лежат процессы взаимодействия предварительно разогретой массы из ядер легких элементов. Так называемое условие зажигания требует, чтобы реагирующие массы порождали энергию, превышающую неизбежные ее потери. Оно обычно выражается через минимальные значения температуры, плотности и времени удержания плазмы. Для осуществления термоядерной реакции необходимо плазму нагреть до температуры около 100 млн. градусов. При нагревании молекулы и атомы полностью ионизируются в плазму, состоящую из заряженных ионов. Благодаря этому становится возможным «запереть» плазму в магнитном поле.

В принципе возможно большое число реакций термоядерного синтеза между ядрами пяти элементов таблицы Д. И. Менделеева, а именно: водорода, гелия, лития, бериллия и бора. Для ближайшего будущего имеет значение так называемая дейтериево-тритиевая реакция, в ходе которой дейтерий и тритий (тяжелый и сверхтяжелый изотопы водорода) превращаются в ядра гелия. В результате слияния двух ядер выделяется огромная энергия — 17,6 МэВ. Тритий для этой реакции получается при нейтронной бомбардировке природных изотопов лития. Таким образом, «первичное горючее» для этого цикла состоит из дейтерия и лития. Преимущество термоядерного синтеза по сравнению с реакциями расщепления урана заключается в Тим, что продукты синтеза нерадиоактивны. Радиоактивными становятся конструкции реактора, подвергающиеся нейтронному облучению. В связи с этим необходим соответствующий выбор материала для реактора.

Наибольший интерес в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу достигнут в рамках советской программы «Токамак», разработка которой началась в 50-х гг. И. В. Курчатовым и Л. А. Арцимовичем.

«Токамак» (сокращенное от «тороидальная камера с магнитной катушкой») — это замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора, предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы. Для дополнительного ее нагрева используются переменные электромагнитные поля и инжекция быстрых нейтральных атомов.

Одни только дейтериевые циклы представляют неисчерпаемые источники энергии. Действительно, энергия дейтерия, содержащегося в 1 л воды, эквивалентна 300 л бензина, а на Земле 14*1020 л воды. По современным оценкам содержащиеся в морской и океанической водах запасы дейтерия эквивалентны 1021 т нефти. Ученые считают, что дейтерий-тритиевый цикл, в котором тритий получается из лития, будет лежать в основе первых коммерческих реакторов. Он имеет самую низкую рабочую температуру и в 100 раз большую скорость реакции по сравнению с конкурирующими видами ядерных топлив. Тем не менее в перспективе тритиевое топливо может рассматриваться лишь как промежуточная ступень. Главная цель — создание реактора, работающего на чисто дейтериевом или протоновом топливе, источники которого в мире неисчерпаемы. Это позволит свести к минимуму радиоактивность и избежать сложного процесса получения трития. По мере того как исчерпываются наиболее доступные источники энергии, возникает потребность в передаче энергии к месту потребления на дальние и сверхдальние расстояния. Примером может служить сооружение гигантского газопровода, призванного транспортировать природный газ из Восточной Сибири в Западную Европу, и строительство высоковольтных линий электропередач, связывающих крупнейшие гидроэлектростанции нашей страны с промышленными регионами.

Но если передача природного газа требует главным образом капитальных затрат на сооружение трубопровода, то передача электроэнергии на дальние расстояния сопровождается ее значительными потерями, которые уменьшаются при высоком напряжении. Однако напряжение нельзя увеличивать безгранично, учитывая его возрастающее влияние на окружающие объекты.

Более полувека назад было показано, что энергетические затраты можно снизить, если электроэнергию использовать для разложения воды, а образующийся водород транспортировать по трубопроводу к потребителю. Так зародилась идея водородной энергетики, которая стала особенно популярной в связи с обострившейся потребностью в разработке «чистых» источников энергии.

Водород является экологически чистым идеальным топливом и химическим реагентом. При сгорании водорода в кислородсодержащей среде образуются только пары воды. Теплотворная способность водорода в 4 раза выше, чем у каменного угля.

Ресурсы для получения водорода практически неограниченны, ими могут быть воды Мирового океана. С учетом возможностей водородной энергетики может быть значительно повышен КПД превращения первичной энергии во вторичную (механическую, электрическую), а также увеличен КПД потребления вторичной энергии. Речь идет о том, что в традиционных схемах химическая энергия органического топлива сначала превращается в теплоту, а затем в механическую энергию, а последняя — в электрическую. Между тем существует прямой путь превращения химической энергии в электрическую, основанный на использовании топливных (электрохимических) элементов с КПД преобразования, близким к 100%. Высокоэффективные топливные элементы могут быть созданы на основе преобразования энергии взаимодействия водорода с кислородом.

Важным аспектом водородной энергетики является возможность использования ядерных реакторов для получения водорода. Если такие реакторы расположить на большом расстоянии от населенных пунктов (например, в океане), то проблема загрязнения уменьшилась бы, а передача энергии путем транспортировки водорода по газопроводу не сопровождалась бы значительными потерями. Прибывший к потребителю водород может быть использован как таковой или электрохимически преобразован в воду с получением эквивалентного количества электрической энергии. Например, водород может быть использован непосредственно в качестве топлива для самолетов и автомобилей. Но особенно перспективно его применение в металлургии и химической технологии. Уже сейчас работают заводы, на которых для восстановления оксидов железа до металла вместо углерода (кокса) применяется водород. Весьма перспективно применение водорода и в процессах переработки руд цветных металлов. Обычно сульфидные руды, содержащие медь, никель и другие металлы, вскрывают на воздухе. В результате образуются оксид серы (IV) и соответствующий оксид металла. Если руду обрабатывать водородом, то побочными продуктами процесса являются сера и вода. Сера может расходоваться для получения серной кислоты.

В химической технологии водород широко применяют для получения метанола и аммиака. В настоящее время исходным сырьем для тонких органических синтезов служат природный газ, нефть или уголь. Однако по мере истощения их запасов природный газ будет заменен водородом. Помимо водорода, для этих синтезов будет использован оксид углерода (IV), запасы которого, по-видимому, неисчерпаемы и непрерывно пополняются в результате сжигания природных топлив или термолиза карбонатных пород. При взаимодействии водорода с оксидом углерода (IV) образуется формальдегид или метанол.

Исключительно перспективно использование водорода в качестве топлива воздушного транспорта. Серьезным недостатком сверхзвуковых самолетов является огромный расход традиционного топлива, значительно снижающий дальность беспосадочных перелетов. Этот недостаток устраняется при использовании водорода, который имеет значительно большую теплотворную способность и к тому же может служить для охлаждения корпуса самолета. Последнее обстоятельство, в свою очередь, позволяет более широко использовать магний и алюминий в качестве конструкционных материалов и снизить массу конструкции в целом.

Водород как источники энергии

Для получения водорода в крупных масштабах предложено несколько альтернативных способов, из которых наиболее перспективными являются термоконверсионный, термохимический и электрохимический.

Наиболее перспективным является, по-видимому, электролиз воды. В отличие от химического метода он одностадиен. Особенно привлекателен высокотемпературный электролиз воды, а точнее, водяного пара. В этом случае полученное с помощью тепловой машины электричество составляет лишь часть энергии, расходуемой на разложение воды, что снижает непроизводительные потери энергии и удешевляет производство водорода. Высокотемпературный электролиз осуществляется в электрохимических элементах, которые состоят из твердого электролита с высокой кислородной (или водородной) проводимостью и металлических электродов, один из которых находится в атмосфере водяных паров, а другой — в стандартной газовой среде. В качестве электролита чаще всего используют оксидную керамику на основе оксида циркония (IV), легированного оксидом кальция или оксидами редких земель. Такая керамика из-за дефицита кислорода в кристаллической решетке имеет высокую концентрацию вакансий кислорода и характеризуется кислородной проводимостью.

Известный интерес представляет фотохимический способ получения водорода, основанный на процессах фотолиза воды, т. е. разложение ее светом. Представим себе, что в воду погружено два электрода, один из которых является полупроводником, а второй—металлом. Если полупроводник подвергать солнечному облучению, то кванты света генерируют в нем свободные электроны. Последние, покидая привычные места, оставляют дырки, т. е. частицы с положительным зарядом. Далее дырки мигрируют к границе электрода с раствором и, встречаясь там с гидроксид-ионами, образуют кислород. Что касается электронов, то они по внешней цепи переходят к металлическому электроду, на поверхности которого восстанавливается водород. Недостатком фотохимического способа получения водорода является крайне низкий КПД и исключительная дороговизна материалов, традиционно используемых в качестве полупроводникового анода (монокристаллы кремния, арсенида галлия и др.).

Коренное изменение возможно, если удастся использовать полупроводниковую керамику с оптимальной шириной запрещенной полосы: для фотоэлектролиза воды она должна лежать в пределах от 2,15 до 2,3 эВ. Идеальную для фотолиза воды ширину запрещенной зоны имеют, например, фотоаноды на основе оксидов железа.

Переход к водородной энергетике требует решения некоторых проблем, связанных с спецификой его химического поведения. Как известно, водород хорошо взаимодействует со многими металлами, вызывая их разрушение (водородная коррозия). Причем его реакционная способность возрастает по мере увеличения давления. Водородное разрушение сплавов можно устранить путем их легирования хромом или молибденом. Однако это увеличивает стоимость сплава.

Химикам предстоит изыскать и средства борьбы с разрушением металлов при ритмическом изменении давления водорода в трубопроводах (усталость металлов). В настоящее время срок службы водородопровода оценивают в 50—100 лет.

Как уже отмечалось ранее, водород, переданный по трубопроводу от источника к потребителю, не всегда используется как таковой, а преобразуется в электрическую энергию в устройствах, в значительной мере имитирующих аппаратуру для электролиза воды или непосредственно в этой аппаратуре.

Переход к водородной энергетике перспективен еще и потому, что водород может применяться в качестве чистого топлива для всех видов транспорта. Потребность в создании такого топлива исключительно актуальна, учитывая, что основным источником загрязнения воздуха в городах являются продукты неполного сгорания углеродсодержащего природного топлива.

Разумеется, что известный положительный эффект по очистке воздуха могут дать меры, позволяющие сократить выброс загрязняющих веществ автотранспортом. От химиков требуется создание гетерогенного катализатора, с помощью которого можно было бы в ограниченном объеме осуществлять окисление самых различных органических соединений при кратковременном контакте с ними. Необходимыми условиями являются значительные увеличения скорости гетерогенных каталитических реакций при ограничении температуры и области взаимодействия. При этом катализатор должен быть достаточно дешевым и длительное время сохранять работоспособность. Из изученных пока каталитических систем наиболее перспективными оказались многокомпонентные или многофазные композиции, содержащие оксиды редкоземельных металлов.

Более радикальным выходом из положения является переход к чистым источникам энергии, в качестве которых, помимо водорода, может быть использована электрическая энергия. Замена обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания электромобилями требует решение другой химической проблемы: создание батареи с высокой удельной энергоемкостью. Эффективные батареи для электрохимического транспорта были предложены более десяти лет назад. Однако до сих пор не удается преодолеть технологические трудности, для того чтобы наладить массовое производство и эксплуатацию этих батарей.

Один из наиболее удачных вариантов такой батареи основан на электрохимическом преобразовании энергии взаимодействия натрия с серой (или полисульфидами натрия). Важнейшей частью батареи является керамический электролит на основе полиалюмината натрия, который при температуре примерно 300°С обладает исключительно высокой натрий-ионной проводимостью и вместе с тем является электронным диэлектриком. В условиях эксплуатации (300 °С) анодный и катодный материалы находятся в расплавленном состоянии.

Широкое использование натрий-серных батарей, энергоемкость которых на порядок превышает свинцово-кислотные аккумуляторы, тормозится из-за отсутствия высокоэффективной технологии керамического электролита, способного многократно выдерживать без разрушения операции заряда и разряда.

Полезная информация:

Если вы родились в семидесятые, то ваше детство прошло, в то замечательное время, когда не было интернета и мобильной связи, а самой желанной девушкой была Алиса Селезнева. Замучила ностальгия, хотите вернуться в прошлое? Это возможно с помощью сайта СССР и наше детство. Этот сайт настоящий музей вещей из прошлого, из той страны, которой уже нет. Возвращайтесь в прошлое, ностальгируйте, вспоминайте те годы, которые уже никогда не вернутся.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
курсы по флеш анимации в москве
установить пламегаситель цена
шоу я расписание гастролей нижний новгород
купить мужской маникюрный набор

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(02.12.2016)