В безвоздушной среде: российские учёные разработали новый метод получения электроэнергии из водорода
Российские учёные разработали метод получения электроэнергии за счёт окисления водорода в безвоздушной среде. Обычно водородные установки используют кислород из воздуха. Вместо него химики использовали кислородсодержащие соединения хлора. Для запуска реакции нужен небольшой импульс тока, а затем она начинает развиваться самостоятельно. По словам учёных, технология расширяет возможности применения экологически чистого водородного топлива. Методика может найти применение на космических и подводных аппаратах, а также в шахтах.
Фотография разработанных, изготовленных и испытанных разрядных блоков водородно-хлоратной батареи мощностями 2 Вт и 20 Вт (размеры: 2×2 и 9×4,5 см2). Источник: Дмитрий Конев
Учёные из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН разработали методику получения электроэнергии за счёт окисления водорода в безвоздушной среде. Об этом RT сообщили в пресс-службе РНФ. Исследование поддержано грантом РНФ. Результаты опубликованы в журнале Molecules.
Вместо кислорода, который обычно водородные установки берут из воздуха, химики применили кислородсодержащие соединения хлора. Новая технология позволяет генерировать электричество из водорода даже там, где нет воздуха: в космосе, под водой, в шахтах. Это серьёзно расширяет возможности применения экологически чистого водородного топлива.
Авторы работы напоминают, что во время сгорания топлива происходит реакция окисления с участием атомов кислорода. Как правило, он поступает из воздуха. Однако человек давно освоил и безвоздушные среды, такие как космос или подводный мир. Используемая в таких условиях аппаратура тоже нуждается в энергии.
Чтобы решить эту задачу, учёные предложили использовать вместо атмосферного кислорода соединения хлора — хлорат-анионы, которые можно хранить на космическом корабле или подводном аппарате в виде концентрированного раствора. Вещество и молекулярный водород вступают в окислительно-восстановительные реакции на электродах электрохимической ячейки, что позволяет получать электроэнергию.
Единственный побочный продукт такой реакции — обычная поваренная соль.
Как отмечают авторы работы, главной трудностью было заставить соединения хлора вступить в реакцию восстановления. Обычно это вещество не реагирует даже в присутствии специальных катализаторов.
Учёные нашли решение проблемы. Оказалось, что для запуска реакции достаточно небольшого импульса тока. Далее она способна поддерживать себя самостоятельно. Выделяющийся во время взаимодействия диоксид хлора дополнительно подстёгивает интенсивность реакции. В результате генерация тока нарастает уже без внешних стимулов. Учёным удалось подобрать такие условия, в которых этот самоподдерживающийся процесс идёт интенсивнее всего.
По словам специалистов, в большинстве экспериментов химическая энергия преобразовывалась в электричество с эффективностью от 40 до 50%. В дальнейшем авторы работы рассчитывают найти способы повысить эффективность нового способа получения электроэнергии.
«Мы продемонстрировали возможность использования химической энергии газообразного водорода для генерации электричества без участия атмосферного кислорода. Вместо него окислителем выступают достаточно дешёвые и доступные вещества (хлораты металлов в виде водного раствора), ранее считавшиеся непригодными для химических источников тока по причине низкой электрохимической активности», — подытожил руководитель проекта РНФ — доктор физико-математических наук заведующий лабораторией ИФХЭ РАН Михаил Воротынцев.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ.
«Гиредмет» разработает технологию прямого получения электричества из водорода
В «Гиредмете» приступили к разработке технологии прямого получения электричества из водорода, без сжигания газа. Топливный элемент проектируемых установок — «сэндвич» из редкоземельных элементов. Эти «сэндвичи», утверждают ученые, будут обладать одним из самых высоких КПД — до 60 %.
В октябре 2020 года правительство утвердило план «Развитие водородной энергетики в РФ до 2024 года», 5 августа 2021 года — концепцию ее развития, в соответствии с которой компания «Русатом Оверсиз» (интегратор «Росатома» по развитию коммерческих водородных проектов) приступила к пилотному проекту организации на Сахалине производства водорода. А значит, в России появится собственное производство низкоуглеродного топлива для внутреннего рынка и для экспорта в Азию.
Эффективное преобразование
Но получить водород в необходимых объемах — это полдела. Для преобразования его в энергию, главным образом электрическую, требуются эффективные и доступные потребителям технологии. В «Росатоме» эту задачу поручили Государственному научно-исследовательскому и проектному институту редкометаллической промышленности («Гиредмет»).
В 2022 году институт выиграл субсидию Минпромторга РФ для реализации проекта технологии производства энергетических установок на базе собственных среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые позволят извлекать энергию из водорода напрямую, минуя тепломеханическое преобразование: сжигание газа, получение пара с последующей подачей на турбину. Проект реализуется при финансовой поддержке «Росатома» в сотрудничестве с частным учреждением «Наука и инновации», Институтом химии твердого тела Уральского отделения РАН, Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии им. Бардина и Российским химико-технологическим университетом им. Менделеева.
«Классический подход к выработке энергии из сгорания топлива осуществляется через преобразование механической энергии в электрическую, что происходит, например, в дизельных генераторах. В нашем подходе речь идет о прямом преобразовании энергии. Механизм схож с работой обычной батарейки: в системе присутствует катод, анод и электролит, разница в том, что в качестве топлива или реагентов с одной стороны электролита подается водородное или углеводородное топливо, с другой — воздух или другой окислитель. При протекании реакции вырабатывается электричество, а ее продуктом является вода. Одна из главных задач проекта энергетических установок на среднетемпературных ТОТЭ — локализация технологической базы в России. Среднетемпературные топливные элементы мы выбрали потому, что на данный момент эта технология позволяет снимать максимальные плотности мощности, а снижение температуры до 600–700 °C по сравнению с высокотемпературными ТОТЭ позволит увеличить срок службы устройств», — поясняет начальник управления материалов и технологий четвертого энергетического перехода «Гиредмета» доктор химических наук Максим Ананьев.
Устройство, разрабатываемое учеными, рассматривается как основной узел стационарных энергетических установок. Помимо очевидной экологичности, они будут обладать одним из самых высоких КПД — до 60 % (КПД паровой турбины не превышает 45 %). Топливный элемент — это своего рода сэндвич, в каждом слое которого присутствуют те или иные редкоземельные элементы.
Партнерский подход
«Мы активно взаимодействуем с департаментом металлургии и материалов Минпромторга для разработки сплавов, которые будут служить основой топливного элемента. С нашими партнерами уже создан ряд функциональных материалов. Сейчас мы находимся на этапе отработки технологии изготовления первой ячейки топливного элемента», — рассказывает руководитель проекта лаборатории технологий и материалов «Гиредмета» Илья Волков.
К созданию производства энергетических установок на среднетемпературных ТОТЭ в промышленных масштабах планируется привлечь внеотраслевых индустриальных партнеров, что, среди прочего, позволит нивелировать риски при выводе решения на рынок и минимизировать использование инвестиционных ресурсов «Росатома». После получения опытных образцов топливных элементов потребуется промышленная база для перехода к производственной фазе, который смогут обеспечить компании-партнеры.
«Ряд крупных компаний уже проявил заинтересованность в проекте, с некоторыми подписаны договоры о сотрудничестве и разработаны дорожные карты. Поскольку топливный элемент является хоть и критически важной, но все-таки частью такой комплексной и сложной системы, как энергетическая установка, ее создание начнется только в сотрудничестве с одним или несколькими партнерами», — уточняет руководитель направления частного учреждения «Наука и инновации» Азат Норов.
На данный момент проект проходит стадию научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. По завершении их и полного цикла опытно-промышленных испытаний предполагается организовать мелкосерийное производство водородных станций для оценки эффективности в реальных условиях. План-график создания технологии и вывода продукта на рынок составлен до 2028 года, но по условиям получения субсидии Минпромторга «Гиредмет» уже в 2025 году должен начать продавать водородные среднетемпературные твердооксидные топливные элементы собственной разработки.
СПРАВКА
Водород — наиболее распространенный элемент на поверхности Земли и в космосе. Одноатомная форма водорода — самое распространенное химическое вещество во Вселенной: примерно 75 % всей барионной массы. Теплота его сгорания на единицу массы в 2,5 раза превосходит калорийность природного газа, а продуктом сгорания являются пары воды. Водородная энергетика может рассматриваться как безуглеродная, если для производства водорода использована атомная генерация или энергия возобновляемых источников.
Больше чем просто источник энергии
Производство водорода c помощью ядерной энергии во имя низкоуглеродного будущего
Matthew Fisher
Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной, но его производство в чистом виде для целого ряда промышленных процессов является энергоемким и сопровождается созданием значительного «углеродного следа».
«Почти 95% текущего спроса на водород удовлетворяется за счет использования углеродоемких производственных процессов, таких как паровая конверсия метана. Это неприемлемо в свете глобального перехода к экологически чистой энергии, особенно учитывая, что спрос уже достаточно высок и продолжает расти», — говорит Ибрагим Хамис, старший инженер-атомщик МАГАТЭ. По данным Международного энергетического агентства, с 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза.
Производство водорода с помощью ядерной энергии дает возможность существенно сократить выбросы углерода и одновременно повысить рентабельность ядерной энергетики. Антон Москвин, вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса «Русатом Оверсиз», Россия
Водород используется в различных промышленных процессах, начиная от производства синтетического топлива и нефтехимии до изготовления полупроводников и электромобилей на водородных топливных элементах. Чтобы уменьшить вредное воздействие на окружающую среду в связи с производством 70 млн тонн водорода в год, некоторые страны обращаются к ядерной энергетике.
«Например, перевод всего лишь 4% текущего производства водорода на электроэнергию, вырабатываемую АЭС, позволил бы уменьшить выбросы углекислого газа на 60 млн тонн в год, — объясняет Хамис. — А если бы весь водород производился с использованием ядерной энергии, то можно было бы говорить о сокращении выбросов углекислого газа на более чем 500 млн тонн в год».
Ядерные энергетические реакторы могут быть соединены с установкой по производству водорода в единую систему когенерации для экономически эффективного производства одновременно электроэнергии и водорода. При производстве водорода когенерационная система оснащается компонентами либо для электролиза, либо для термохимических процессов. Электролиз — это процесс выделения водорода и кислорода из молекул воды с помощью постоянного электрического тока. Электролиз воды проходит при относительно низких температурах от 80°C до 120°C, в то время как электролиз водяного пара проводится при гораздо более высоких температурах и поэтому является более эффективным. Электролиз пара может идеально подходить для интеграции с усовершенствованными высокотемпературными АЭС, поскольку для этого процесса требуется подвод теплоносителя с температурой от 700°C до 950°C.
Термохимические процессы позволяют производить водород с помощью химических реакций с определенными соединениями при высоких температурах для расщепления молекул воды. Усовершенствованные ядерные реакторы, способные работать при очень высоких температурах, также могут использоваться в целях производства тепла для этих процессов.
«Производство водорода с использованием серно-йодного цикла, в частности, имеет большой потенциал в плане расширения масштабов применения для обеспечения устойчивой и долгосрочной эксплуатации, — рассказывает Хамис. — Разработка этого метода с использованием конструкций японского реактора HTTR и китайских конструкций HTR‑PM 600 и HTR‑10 является весьма многообещающей, в рамках других исследовательских инициатив также продолжает наблюдаться отличный прогресс».
В настоящее время несколько стран внедряют производство водорода с использованием АЭС или изучают такую возможность в целях содействия декарбонизации своего энергетического, промышленного и транспортного секторов. Это позволяет также увеличить отдачу от АЭС, что может способствовать повышению ее рентабельности.
МАГАТЭ оказывает поддержку странам, заинтересованным в производстве водорода, посредством различных инициатив, в том числе проектов координированных исследований и технических совещаний. Оно разработало также Программу экономической оценки водорода (HEEP) — инструмент для проведения экономической оценки крупномасштабного производства водорода с помощью ядерной энергии. В начале 2020 года МАГАТЭ запустило также электронный учебный курс, посвященный производству водорода с помощью ядерной когенерации.
«Производство водорода с использованием АЭС имеет большой потенциал в плане содействия усилиям по декарбонизации, но сначала необходимо решить ряд вопросов, таких как определение экономической целесообразности включения производства водорода в более широкую энергетическую стратегию, — говорит Хамис. — Для производства водорода с помощью термохимических процессов расщепления воды требуются инновационные реакторы, работающие при очень высоких температурах, однако в ближайшие годы ввод таких реакторов в эксплуатацию не ожидается. Аналогичным образом, чтобы серно-йодный процесс окончательно оформился и мог использоваться в коммерческих масштабах, нужно еще несколько лет НИОКР». Он добавляет, что с лицензированием ядерно-энергетических систем, включающих не связанные с производством электроэнергии применения, также могут возникать сложности.
Изучение и оценка целесообразности
В рамках запущенной в начале 2020 года Министерством энергетики Соединенных Штатов инициативы «H2@Scale» проводится исследование целесообразности разработки ядерно-энергетических систем, производящих одновременно водород и низкоуглеродную электроэнергию. Среди десятков проектов, финансируемых посредством этой инициативы, один будет реализован тремя коммерческими электроэнергетическими компаниями США в сотрудничестве с Айдахской национальной лабораторией Министерства энергетики. В проект войдут технические и экономические оценки, а также экспериментальные демонстрации производства водорода на нескольких АЭС на территории США.
Одна из участвующих в проекте электроэнергетических компаний «Exelon», которая является крупнейшим производителем низкоуглеродной электроэнергии в США, в настоящее время предпринимает шаги по установке на одной из своих АЭС электролизера с полимерной электролитической мембраной мощностью один мегаватт и соответствующей инфраструктуры. С помощью этой системы, которая может быть введена в эксплуатацию к 2023 году, можно будет наглядно увидеть экономическую целесообразность производства водорода с помощью электролиза для удовлетворения потребностей систем, связанных с производством электроэнергии, на месте, а также возможности масштабирования в будущем.
«Этот проект поможет нам понять перспективы производства водорода с помощью ядерной энергии, в частности то, как финансовые соображения могут повлиять на любое долгосрочное крупномасштабное производство водорода, — рассказывает старший вице-президент по инженерным и техническим услугам компании «Exelon Generation» Скотт Гринли. — Внедрение производства водорода с помощью ядерной энергии может в значительной степени повысить устойчивость ядерной энергетики в связи с нашими планами построения низкоуглеродного будущего».
В Соединенном Королевстве также идут работы по проведению оценок. В рамках некоммерческой инициативы «Energy Systems Catapult» в Соединенном Королевстве создана модель целой энергетической системы, и теперь в нее включена возможность использования передовых ядерных технологий для производства водорода. Таким образом можно посмотреть на потенциально наиболее экономичную структуру энергопроизводства, которая к 2050 году сможет обеспечить нулевые выбросы парниковых газов в чистом выражении, а результаты показывают, что усовершенствованные ядерные реакторы могут быть задействованы в производстве водорода наряду с другими технологиями.
«Хотя Соединенное Королевство еще окончательно не определило роль для водорода, согласно проведенному Комитетом по изменению климата и Министерством по делам бизнеса, энергетики и промышленной стратегии анализу, предполагается, что до 2050 года нам, возможно, потребуется обеспечить около 270 тераватт-часов низкоуглеродной электроэнергии для производства водорода, хотя эта цифра может существенно вырасти в зависимости от того, для каких применений в тепловом, энергетическом и транспортном секторах будет использоваться водород в конечном итоге», — говорит Филип Роджерс, старший стратегический и экономический советник Консультативного совета по ядерным инновациям и исследованиям Соединенного Королевства.
Новые программы
В 2019 году Россия запустила свою первую инициативу по производству водорода с помощью ядерной энергии. Реализуемая Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом» программа предусматривает использование электролиза на основе вырабатываемой АЭС электроэнергии, а также термохимическое производство с использованием высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Ее цель состоит в том, чтобы обеспечивать производство большого количества водорода каждый год и при этом уходить от таких углеродоемких методов, как паровая конверсия метана.
Произведенный по программе водород пойдет на внутреннее потребление и экспорт. В настоящее время проводится технико-экономическая оценка экспорта части водорода в Японию.
«Учитывая продолжение роста спроса на водород, отчасти благодаря расширению таких отраслей, как металлообработка, производство водорода с помощью ядерной энергии дает возможность существенно сократить выбросы углерода и одновременно повысить рентабельность ядерной энергетики», — говорит Антон Москвин, вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса «Русатом Оверсиз».
Больше чем водород
Ядерная энергия имеет множество неэлектрических применений помимо производства водорода. Это, например, централизованное теплоснабжение для домов и предприятий, отопление и охлаждение для промышленных целей, а также опреснение морской воды в целях расширения доступности питьевой воды.
Возможности потенциального внедрения этих приложений расширяются также по мере создания новых ядерно-энергетических систем для оптимизации комбинированного использования энергии в электрических и неэлектрических целях, а также интеграции с возобновляемыми источниками. Кроме того, для обеспечения более гибкой эксплуатации разрабатываются новые конструкции реакторов, такие как малые модульные реакторы, которые позволяют регулировать выходную мощность в зависимости от спроса. Это качество делает их особенно подходящими для таких применений, поскольку энергия, которая обычно используется для производства электроэнергии, может быть перенаправлена на использование в неэлектрических применениях.
RU2596605C2 — Водородный генератор электрической энергии — Google Patents
Publication number RU2596605C2 RU2596605C2 RU2014154467/07A RU2014154467A RU2596605C2 RU 2596605 C2 RU2596605 C2 RU 2596605C2 RU 2014154467/07 A RU2014154467/07 A RU 2014154467/07A RU 2014154467 A RU2014154467 A RU 2014154467A RU 2596605 C2 RU2596605 C2 RU 2596605C2 Authority RU Russia Prior art keywords hydrogen converter water energy burner Prior art date 2014-12-30 Application number RU2014154467/07A Other languages English ( en ) Other versions RU2014154467A ( ru Inventor Павел Владимирович Семенов Александр Александрович Звонов Original Assignee Буравков Алексей Вячеславович Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2014-12-30 Filing date 2014-12-30 Publication date 2016-09-10 2014-12-30 Application filed by Буравков Алексей Вячеславович filed Critical Буравков Алексей Вячеславович 2014-12-30 Priority to RU2014154467/07A priority Critical patent/RU2596605C2/ru 2016-07-20 Publication of RU2014154467A publication Critical patent/RU2014154467A/ru 2016-09-10 Application granted granted Critical 2016-09-10 Publication of RU2596605C2 publication Critical patent/RU2596605C2/ru
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к альтернативной энергетике. Технический результат — повышение производительности выработки водорода, повышение КПД и уменьшение габаритов. Водородный генератор электрической энергии содержит последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию. Согласно изобретению камера сжигания водорода выполнена в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями. Преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию выполнен в виде магнитного преобразователя, содержащего диэлектрическую трубу прямоугольного сечения, внутри которой с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду пластины электрического конденсатора. На внешней стороне трубы с двух других противоположных сторон установлены магниты, которые ориентированы друг к другу разноименными полюсами. Плазменная горелка соединена соосно и встык с диэлектрической трубой магнитного преобразователя, электрический конденсатор которого по потенциальным выходам соединен с электрическими выходами водородного генератора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к альтернативной энергетике, конкретно к водородным источникам электрической энергии, использующим воду в качестве рабочего вещества.
В последние годы в мире резко возрос интерес к альтернативным источникам /1-2/ тепловой и электрической энергии, использующим воду (H2O) в качестве рабочего вещества взамен или в дополнение к углеводородным источникам энергии.
Это связано не только с истощением в природе углеводородных источников сырья и ростом стоимости их добычи, но и с тем, что вода является высококонцентрированным широко распространенным и доступным в природе источником горючих веществ — водорода и кислорода. Согласно /3/ один литр воды H2O содержит около 1800 литров водорода с удельной теплотой сгорания Q=10,78 кДж/л (1.21·10 8 Дж/кг) /3/. Для сравнения /4/ удельная теплота сгорания торфа составляет 8.1·10 6 Дж/кг, бытового газа — 13.25·10 6 Дж/кг, бензина — 44·10 6 Дж/кг, ядерного топлива 824·10 11 Дж/кг.
Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива, меньше габариты камеры сгорания источника электрической энергии и его габариты в целом при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) источника энергии.
Разрыв молекулярных связей водорода и кислорода в воде, разложение (катализ) ее на горючие составляющие и выделение водорода требуют существенных энергетических затрат. Однако применение химических, твердотельных, электролитических, электродуговых, электромагнитных катализаторов и их комбинаций позволяет снизить /5-11/ затраты на катализ воды до приемлемых значений и, следовательно, синтезировать из воды водородное топливо, существенно превышающее по теплотворной способности существующие виды углеводородного топлива. Это в свою очередь позволяет обеспечить местным электропитанием объекты сельскохозяйственного и промышленного назначения удаленных территорий, а также исключить необходимость доставки и хранения на этих территориях огромных запасов топлива.
Известны источники электрической энергии /12÷21/, использующие воду в качестве рабочего вещества и основанные на катализе (разложении) рабочего вещества на горючие составляющие с последующим преобразованием их энергии в химической реакции горения в тепловую энергию и затем — тепловой энергии в электрическую энергию через электродинамическое или электромеханическое преобразование.
Наиболее близким из известных по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относится водородный генератор электрической энергии /21/, включающий последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию.
При этом преобразователь воды в водород выполнен в виде электролитического катализатора, камера сжигания водорода — в виде парогенераторной горелки, а тепловой преобразователь энергии плазмы в электрическую энергию — в виде термоэлектронного генератора, соединенного через турбогенератор с парогенераторной горелкой.
Недостатками известного водородного генератора электрической энергии являются увеличенные массогабаритные характеристики и низкий КПД, препятствующие его использованию на автономных объектах и объектах сельскохозяйственного назначения, удаленных от энергетических центров и центральных линий электропередач.
Задачей изобретения является устранение недостатков известного источника электрической энергии.
Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик водородного генератора электрической энергии и повышение его КПД.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что водородный генератор электрической энергии содержит последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию. Согласно изобретению камера сжигания водорода выполнена в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями, а преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию выполнен в виде магнитного преобразователя, содержащего диэлектрическую трубу прямоугольного сечения, внутри которой с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду пластины электрического конденсатора, а на внешней стороне трубы с двух других противоположных сторон — магниты, которые ориентированы друг к другу разноименными полюсами, причем плазменная горелка соединена соосно и встык с диэлектрической трубой магнитного преобразователя, электрический конденсатор которого по потенциальным выходам соединен с электрическими выходами водородного генератора.
Преобразователь воды в водород выполнен в виде электролитического, или химического, или твердотельного, или электромагнитного, или электродугового катализатора.
Преобразователь воды в водород в виде химического катализатора выполнен в виде сменного одноразового генератора водорода, содержащего баллон с водой, внутри которого установлена капсула с термохимическим катализатором, соединенная через электромагнитный клапан и дозатор с полостью баллона.
Преобразователь воды в водород в виде твердотельного катализатора выполнен в виде твердотельного фильтра с микроканалами из материалов, связывающих кислород воды и пропускающих водород, причем в качестве связывающих материалов использованы редкоземельные материалы, например губчатый неодим, или углеродные материалы с замещениями в их «нанотрубках» атомов углерода на атомы азота.
Преобразователь воды в водород в виде электродугового катализатора установлен в газовой горелке и содержит катод, выполненный в виде стержня, подвижно расположенного в полости горелки на ее оси с возможностью электрического замыкания с анодом — соплом горелки, выполненным в виде конфузора с диафрагмой, при этом полость горелки соединена через испаритель с емкостью с водой.
Выполнение преобразователя воды в водород в виде электролитического, химического, твердотельного, электромагнитного и/или электродугового катализатора позволяет использовать многовариантность исполнения, обеспечивающую доступность для конкретного производителя элементной базы в интересах ускоренной реализации генератора водорода с требуемой производительностью водорода в единицу времени.
Выполнение камеры сжигания водорода в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями и соединенной встык и соосно с преобразователем тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию, позволяет использовать атмосферный кислород воздуха в качестве окислителя водорода в реакции его горения и одновременно получить добавочную электрическую составляющую в выходной энергии горелки. Это связано с тем, что в факеле горения плазменной горелки и внутри ограниченного пространства последующего преобразователя температура достигает от 6000 до 10000°С. Для сравнения температура на поверхности Солнца 6000°С. Указанная температура в свою очередь позволяет разложить на электроны и ионы подаваемый через воздухозаборники горелки атмосферный воздух в последующем магнитном преобразователе. Учитывая, что плотность ne нейтральных частиц атмосферного воздуха в приземных слоях атмосферы составляет ne ≈ 2.54·10 19 см -3 /22/ и существенно (на несколько порядков) превышает плотность частиц исходного водорода в горелке, то определяющим вкладом в электрическую составляющую выходной энергии последующего преобразователя тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию будет не водородная, а атмосферная плазма с указанной выше плотностью.
Выполнение преобразователя тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию в виде магнитного преобразователя позволяет использовать эффект Лоренца для разделения электрических зарядов текущей атмосферной плазмы в зоне горения водорода и обеспечить непосредственное преобразование энергии разделенных зарядов в электрическую энергию. Этим исключаются дополнительные ступени преобразования энергии плазмы, свойственные прототипу /21/.
Следствием указанных технических преимуществ изобретения является повышение КПД водородного генератора электрической энергии. Одновременно уменьшаются и массогабаритные характеристики заявленного генератора.
Указанные технические преимущества изобретения позволяют создать малогабаритные и мобильные водородные генераторы электрической энергии и решить указанные выше проблемы энергообеспечения объектов сельскохозяйственного и промышленного назначения.
На фиг. 1 представлена конструкция водородного генератора электрической энергии с электромагнитным катализатором; на фиг. 2 — рисунок, поясняющий принцип разложения воды на водород и кислород с использованием электромагнитного излучения (ЭМИ); на фиг. 3 — вид конструкции магнитного преобразователя в поперечном сечении А-А.
Водородный генератор электрической энергии для выработки электроэнергии на основе катализа воды в общем случае содержит последовательно соединенные преобразователь 1 воды в водород, плазменную горелку 2 и магнитный преобразователь 3 энергии плазмы в электрическую энергию.
При этом преобразователь 1 воды в водород выполнен в виде электролитического /6/, химического, твердотельного /2/, электродугового /23/ и/или электромагнитного /17, 18/ катализатора с электропитанием от автомобильного аккумулятора (типа Tesla Motors или Power Japan Plus), от блока солнечных батарей или от ветрового электрогенератора.
Ввиду высокой химической активности водорода по отношению к металлам и атмосферному воздуху время его химической чистоты, жизни и энергетической ценности ограничено. В связи с этим существует проблема хранения и использования водорода.
Для исключения этой проблемы все указанные выше виды преобразователей 1 предполагают в изобретении использование полученного водорода сразу после его генерации и вывода во внешнюю среду.
Наиболее просто в настоящем изобретении для преобразования воды в водород могут найти применение широко распространенные электролитические катализаторы /6, 23/, используемые в тепловых котлах, а также в автомобильных водородных приставках для экономии бензина и дизельного топлива.
Недостатком указанных электролитических преобразователей 1 является относительно низкая производительность по производству водорода.
Поэтому в изобретении, как и в /3/, для увеличения выхода водорода из воды электролитическим методом катализируемая вода может содержать жидкие химические катализаторы типа щелочь, спирт, бензин в процентном отношении 10-40% от объема воды. Кроме того, получение при этом достаточного для заявленного изобретения текущего по объему выхода водорода обеспечивается дублированием электролитических каналов генерации водорода.
Химический катализатор преобразователя 1 воды в водород согласно изобретению выполнен в виде сменного одноразового генератора водорода. Он содержит баллон с водой объемом от 1 до 3 л. Внутри баллона установлена капсула с химически активным веществом, соединенная через дозатор с полостью баллона. Химически активное вещество капсулы выполнено на основе щелочных металлов (натрий, литий, рубидий, цезий), вступающих в реакцию с водой с выделением водорода.
Твердотельный катализатор преобразователя 1 согласно изобретению выполнен в виде твердотельного фильтра с микроканалами (нанотрубками) из материалов, связывающих кислород воды и пропускающих водород. В качестве связывающих материалов использованы редкоземельные материалы, например губчатый неодим. Для уменьшения стоимости фильтра вместо редкоземельных материалов могут быть использованы углеродные материалы с замещениями в их «нанотрубках» атомов углерода на атомы азота. За счет наличия дефектов углеродные нанотрубки обладают химической активностью, благодаря которой они могут выступать в роли катализатора воды и ее паров. Эффективность такого катализатора близка к эффективности платинового катализатора. Кроме этого нанотрубочный углеродный катализатор одинаково хорошо работает в нейтральной, кислотной и щелочной окружающей среде, что позволяет использовать эти катализаторы в паре с другими катализаторами, связывающими кислород, например с электролитическими катализаторами.
Электродуговой катализатор преобразователя 1 согласно изобретению, как и в /24/, конструктивно совмещен с плазменной горелкой 2 с электропитанием от электронного преобразователя первичного электричества в постоянное напряжение U с возможностью его регулировки в диапазоне U=(36…70) В и током нагрузки I=6÷12 А. Плазменная горелка 2 содержит ствол (диэлектрическую трубу), на выходном конце которой установлено токопроводящее сопло — анодный электрод, соединенный с анодом (положительным полюсом) электронного преобразователя. Внутри ствола горелки подвижно установлен токопроводящий стержень — катодный электрод. Одним концом стержень электрически соединен с катодом электронного преобразователя. Другой свободный конец стержня снабжен тугоплавким наконечником, например из вольфрама, для зажигания и управления горением электрической дуги в стволе горелки. На внешней стороне ствола горелки в районе горения дуги соосно установлен цилиндрический испаритель воды, соединенный с емкостью — аккумулятором воды и с полостью ствола горелки сообщающимися каналами.
Принцип работы этого катализатора основан на зажигании в стволе горелки электрической дуги, которая разлагает пары воды, поступающие из испарителя, на горючие составляющие — водород и кислород — и поджигает их. В результате горения водорода, обладающего повышенной теплотворной способностью, в сопле горелки за счет экзотермической реакции окисления водорода выделенным из воды и атмосферным кислородом автоматически выделяется огромное количество тепла, создающее плазменное образование с температурой (6000÷10000)°С в его центре. При этом под естественно образованным давлением расширяющейся плазмы последняя выходит из сопла горелки 2 в виде плазменной струи и далее используется в магнитном преобразователе 3 для получения электричества, как это будет показано ниже.
В отличие от электродугового катализатора электромагнитный катализатор преобразователя 1 (фиг. 1), как и в /17÷18/, содержит генератор 1.1 электромагнитного излучения (ЭМИ) сантиметрового /18/, оптического или ультрафиолетового /17/ диапазона электромагнитных волн, попадающих в зону резонансного поглощения ЭМИ молекулами и атомами воды и ее примесей. Выход генератора 1.1 ЭМИ через соответствующий радио- или оптический волновод 1.2 и фокусирующую линзу 1.3 соединен по электромагнитному излучению с внутренней полостью нижней части камеры 1.4. Камера 1.4 (фиг. 2) снабжена патрубком 1.5 для дозированной подачи в нее воды (рабочего тела). Верхняя часть камеры 1.4 разделена вертикальной перегородкой 1.6 на две полусферы 1.7 и 1.8 для сбора газов водорода и кислорода соответственно. В полусферах 1.7 и 1.8 камеры 1.4 установлены электроды 1.9 и 1.10, а также патрубки 1.11 и 1.12 для вывода водорода и кислорода соответственно. Патрубок 1.11 для исключения возврата водорода в камеру 1.4 и образования в ней «гремучей смеси» оснащен вытяжным вентилятором или водяным затвором 1.13. Для исключения случайных выбросов воды в патрубки 1.11 и 1.12 в камере 1.4 установлены отсекающие фильтры в виде решетки 1.14 с микроотверстиями для газовых составляющих. Для раздельного вывода газовых составляющих (ионов водорода и кислорода) решетки 1.14 полусфер 1.7 и 1.8 соединены с соответствующими электродами 1.9 и 1.10. Водородный выход 1.15 камеры 1.4 соединен с плазменной горелкой 2.
Горелка 2 всех видов преобразователей 1 снабжена воздухозаборными прорезями и соосно соединена с магнитным преобразователем 3 тепловой энергии плазмы в электрическую энергию.
Магнитный преобразователь 3 содержит диэлектрическую трубу 3.1, соединенную соосно и в стык с магнитной горелкой 2. Внутри трубы 3.1 с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду металлические пластины 3.2 и 3.3 из немагнитного материала (медь, алюминий, нержавеющая сталь), образующие электрический конденсатор, выполняющий в изобретении роль магнитокаталитического аккумулятора — емкостного накопителя электрических зарядов под действием магнитной силы Лоренца. Для этого (разделения и удержания разноименных зарядов на пластинах 3.2 и 3.3) на других противоположных сторонах трубы 3.1 с внешней стороны установлены магниты 3.4 и 3.5, ориентированные друг к другу разноименными полюсами.
В простейшем случае водородный генератор электрической энергии может быть выполнен на базе указанного выше промышленного /24/ малогабаритного плазменного сварочного аппарата «Горыныч» с электродуговым катализатором воды путем установки на выходе его сварочной горелки 2 магнитного преобразователя 3 объемом камеры 3.1 единицы ÷ десятки см 3 .
Водородный генератор электрической энергии с электродуговым катализатором /24/ воды работает следующим образом.
Аккумулятор горелки 2 заполняют водой в объеме 100÷200 мл. Далее на электроды горелки, ее анод и катод подается первоначальная минимальная разность потенциалов Uo=36 В. Затем оператор нажимает на привод подвижного катодного электрода и подводит последний к аноду сопла на расстояние do=Uo/Eпр, где Eпр=32 кВ/см — напряженность электрического поля, приводящая к пробою атмосферного воздуха. При do ≈ 1 мм между электродами горелки возникает электрическая дуга с малым омическим сопротивлением. После этого для поддержания электрической дуги в горящем состоянии согласно /25/ требуется пониженная напряженность электрического поля Ec=20 В/см. Поэтому для поддержания стабильного горения дуги и экономии электричества катод отодвигают назад от горелки на расстояние d1=Uo/Ec=1.3 см. Под действием электрической дуги постоянного тока, горящей в пространстве между катодом и соплом-анодом, теплопроводящие элементы электродного узла горелки нагреваются до температуры, достаточной для испарения и закипания воды в испарителе, связанном с внутренней полостью аккумулятора — емкостью с водой. Пары воды, проходя от испарителя под давлением до сопла-анода, охлаждают катод и сопло-анод, перегреваются до температуры сухого пара. Сжатая под действием магнитодинамических сил дуга, в межэлектродном пространстве нагревает пар до температуры ионизации и формирует плазму. В результате этих процессов в горелке создается избыточное давление, под действием которых плазменная струя с начальной температурой Т=6000°С выходит через отверстие сопла-анода и поступает в камеру 3.1 магнитного преобразователя 3. Для эффективного преобразования энергии плазмы в электрическую энергию в магнитном преобразователе 3 важное значение имеет электронная плотность плазмы.
Потому для лучшего понимания сущности преобразования энергии плазмы в электрическую энергию остановимся на физике плазмохимических процессов, протекающих в плазменной струе.
При температуре Т=6000°С, соответствующей температуре плазмы на поверхности Солнца, в плазменной струе горелки 2 происходят плазмохимические процессы /26/, вызывающие полную ионизацию атмосферного воздуха в центре этой струи. При этом концентрация зарядов ne в центре плазменной струи становится равной ее предельному значению ne=nпр≈2.54·10 19 см -3 , где nпр — максимальная плотность нейтральных частиц в приземных слоях атмосферы. На периферийных сторонах плазменной струи численное значение ne≈0. Это связано с тем, что в плазменной струе горелки 2 одновременно идут два процесса: процесс ионизации атмосферного воздуха за счет тепла, выделяющегося при экзотермической реакции горения водорода, и процесс релаксации (преобразования в нейтральные частицы) плазмы за счет электронного захвата заряженных частиц воздухом, окружающим плазменную струю. Для эффективного преобразования энергии плазменной струи в электрическую энергию желательно иметь по боковым сторонам струи плотность зарядов такую же, как и в ее центре.
Увеличение количества сжигаемого водорода в горелке 2 путем увеличения его производства с помощью поднятия напряжения на электродах горелки 2 и увеличения тока ее электрической дуги в свободном пространстве (вне камеры 3.1) к существенному увеличению объема высоко концентрированной плазмы не приводит. Это связано с тем, что увеличение объема сжигаемого водорода приводит к увеличению преимущественно геометрических характеристик плазменной струи. Увеличение при этом ее поверхности приводит к резкому ускорению процессов релаксации зарядов плазмы за счет расширения площади взаимодействия последних с окружающим воздухом.
Более перспективным направлением увеличения плотности зарядов в плазменной струе является ограничения доступа нейтральных частиц с боковых сторон плазменной струи с одновременным незначительным увеличением расхода водорода и энергетики на его получение.
В изобретении это достигается путем сосной состыковки газовой горелки с камерой 3.1 магнитного преобразователя 3 и подачей в камеру 3.1 воздуха (окислителя водорода) со стороны горелки 2 через воздухозаборные вырезы в горелке 2.
Благодаря этому струя плазмы, проходящая вдоль оси камеры 3.1, не встречает с боковых сторон сильного релаксационного противодействия. Процесс тепловой ионизации превалирует над процессом релаксации и плотность плазмы в перечном сечении камеры 3.1 устанавливается равномерной и достигает своего предельного значения ne=nпр≈2.54·10 19 см -3 . Поток заряженных частиц плазменной струи проходит через поперечное магнитное поле магнитов 3.4 и 3.5, под действием силы Лоренца разделяется на потоки отрицательных и положительных зарядов и через токосъемные пластины 3.2 и 3.3 передается конечному потребителю энергии в виде разности потенциалов накопленных зарядов указанных пластин.
При других исполнениях водородный генератор электрической энергии работает следующим образом.
Преобразователь 1 с электролитическим катализатором при пропускании через воду однополярных импульсов преобразует воду (H2O) в парогазовую смесь, содержащую отрицательные ионы водорода (Н — ) и положительные ионы кислорода (O + ). Разноименно горючие составляющие пространственно разделяют (электролитический и электромагнитный катализаторы) постоянным электрическим полем за счет использования разности (по знаку) зарядов водорода и кислорода. Затем кислород удаляют в атмосферу, улучшая экологию окружающей среды. В химическом преобразователе 1 — генераторе водорода — используется химическая реакция с преимущественным выделением чистого водорода, например лития (Li) с водой (H2O) в реакции 2Li+H2O→LiOH+Н2.
В твердотельном преобразователе воды в водород использовано свойство повышенной активности водорода в присутствии редкоземельных металлов, а также малые размеры молекул водорода и повышенная их проницаемость через поры (нанотрубки) фильтрующего материала по сравнению с кислородом.
Указанные частные варианты исполнения катализаторов 1 являются альтернативными и могут использоваться для экономии первичного электричества для получения водорода из воды в предложенном водородном генераторе электрической энергии.
Изобретение разработано на уровне физической модели и ниже приведенных теоретических расчетов.
Согласно /10, с. 355/ численное значение электрической энергии WЭ1 на выходе преобразователя 3, полученное на основе прямого магнитного преобразования энергии плазмы горелки 2 в электрическую энергию, в первом приближении определится из условия
Q — удельное количество электричества, создаваемое на пластинах 3.2 и 3.3 емкостного накопителя в единицу времени (кулон/сек);
C — емкость накопителя магнитного преобразователя 3;
ε — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха;
ε0 — электрическая постоянная вакуума;
S — площадь пластин 3.2 и 3.3;
d — расстояние между разноименно заряженными пластинами 3.2 и 3.3;
N=1 — количество пар разноименно заряженных пластин 3.2 и 3.3 в емкостном накопителе.
Проведем экспресс-оценку удельного значения электрической энергии W Э У Д = W Э / с м 3
, снимаемой с единичного объема (ΔV=1 см 3 ) камеры 3.1 преобразователя 3.
В этом случае, учитывая вытянутую структуру факела горелки 2, минимальные размеры емкостного конденсатора — накопителя электрической энергии, вмонтированного в камеру 3.1 с единичным объемом (ΔV=1 см 3 ), могут составлять S≈2 см 2 , d≈0.5 см. При таких параметрах минимальное значение емкости накопительного конденсатора зарядов согласно выражению (2) может составлять
Текущее значение электричества Q, указанное в выражении (1) и получаемое конденсатором с емкостью C=1.8·10 -13 Ф при переработке порции плазмы единичным объемом ΔV=1 см 3 /с = 10 -6 м 3 /с может быть найдено из условия
ne≈2.54·10 19 см -3 — плотность элементарных зарядов в плазме камеры 3.1 при температуре свыше 6000°С;
ΔV=1 см 3 /с — объем тепловых газов, перерабатываемых в единицу времени;
qe=1.602·10 -19 — численное значение элементарного заряда.
Подставляя эти численные значения в выражение (3) находим
При 100% переработке плазмы (КПД=1) все частицы ne≈2.54·10 19 см 3 оседают на пластинах 3.1, 3.2 под действием силы Лоренца в поле магнитов 3.4, 3.5 и максимально возможное значение выходной электрической энергии W Э У Д
, найденное из формулы (1), составляет
Такое оптимистичное значение потенциально возможной выходной энергии предложенного генератора, превышающее энергетику атомных и тепловых энергоблоков, свидетельствует о перспективности магнитного преобразования плазмы в электрическую энергию.
Пессимистические оценки выходной энергетики W Э У Д ( m i n )
(перехватывается магнитным полем только 0, 0001% текущих зарядов ne≈2.54·10 19 см -3 ) по формулам (1÷3) дают величину W Э У Д ( m i n ) = 1 к Д ж в с е к
, (3.6 Мвт-час). При этом текущие затраты водорода на создание факела горения с температурой 6000÷10000°С, обеспечивающей инициирование в камере 3.1 реакцию лавинной ионизации атмосферного воздуха при этой температуре, составляют от 180 до 360 л/час, а воды — соответственно от 100 до 200 г/час.
Из приведенных расчетов видно, что, несмотря на малые габариты, предложенный водородный генератор электрической энергии обладает (за счет экзотермических плазменных процессов /26/, протекающих при температуре свыше 6000°С в камере 3.1, и за счет магнитного преобразования плазмы в электричество) повышенной удельной энергетикой, существенно превышающей удельную (электричество/масса) энергетику существующих тепловых и атомных электростанций.
В данном примере расчета не учтены тепловые (резистивные) потери и потери на излучение и охлаждение плазмы магнитным полем преобразователя 3.
При 99% указанных потерь (КПД=0.1%) выходная энергия W Э У Д
предложенного водородного генератора электрической энергии будет составлять W Э У Д = 1 6 ⋅ 1 0 4 Г В т − ч а с .
Вывод такой энергии технически реализуем путем соответствующего увеличения сечения токовыводящих проводов, пластин 3.2 и 3.3, камеры 3.1 и применения средств охлаждения последней.
Предложенная конструкция водородного генератора электрической энергии обладает повышенным КПД и уменьшенными габаритами. Это позволяет создавать малогабаритные источники электрической энергии с мощностью, достаточной для применения на объектах сельскохозяйственного и промышленного назначения.
Другим преимуществом устройства является возможность его работы без углеводородного топлива. Преимущественное применение водородного генератора электрической энергии может найти в районах Севера для электропитания объектов техники, удаленных от магистральных линий электропередач.
Источники информации:
1. Источники энергии на воде. http://www.bing.com/images/
2. Chemists develop technology to produce clean-burning hydrogen fuel // [http://phys.org/news/2014-07-chemists-technology-clean-burning-hydrogen-fuel.html], July 14, 2014.
3. Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова, т. 5, М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. с. 81.
4. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М. «Высшая школа», 1969, с. 74-75.
5. Основные результаты научных исследований института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН за 2011, г. Новосибирск. Каталитический бюллетень. №1 (67), 2012.
6. Ostwald W. Elektrochtmie. Ihre Geschichte und Lere, Lpz., 1898.
7. В.Д. Русанов, А.И. Бабарицкий, М.Б. Бибиков, Е.Н. Герасимов, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Р.В. Смирнов. Свойства каталитически активного импульсного микроволнового разряда атмосферного давления», ДАН, 2001, т. 377, №6.
8. А.И. Бабарицкий, Е.Н. Герасимов, С.А. Демкин, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, В.Д. Русанов, Е.И. Рязанцев, Р.В. Смирнов, Г.В. Шолин Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 36-41.
9. Стратегия развития фотокатализаторов в диапазоне видимого света для разложения воды. Akihiko Kudo, Hideki Katol and Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004), No. 12 p. 1534.
10. CHUKANOV KIRIL B, Methods and systems for generating high energy photons or quantum energy. US 6936971, 2003-05-22.
11. CHUKANOV KIRIL B. Transition of a substance to a new state through use ofenergizer such as RF energy. US 5537009, 1996-07-16.