Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №7

Возможность использования возобновляемых химических источников энергии для нужд аэропорта

Лис Алексей  
Вифлянцев Руслан  

Основная цель данной статьи заключается в максимально объективном ознакомлении с проблемой применения наиболее рентабельных и эффективных видов возобновляемой химической энергии. Статья будет полезна людям, интересующимся данной проблемой, и профессионалам, специализирующимся в области нетрадиционной энергетики.

Водородная энергетика

Одна из новых перспектив, которая сейчас интенсивно обсуждается, это водородная энергетика. Предлагается использовать вместо бензина для автомобильных двигателей жидкий водород, в перспективе — применять его как авиационное топливо. Водород можно получать, разлагая воду электролитическим методом (кроме водорода получается еще и кислород). При сжигании водорода в двигателе он соединяется с кислородом атмосферного воздуха, и вновь образуется вода. Нигде не происходит никакого загрязнения среды, кроме узлов производства электроэнергии и ее передачи и преобразования.

Рис. 1. Схема турбогенератора на водородном топливе: 1 - горючее; 2 - окислитель; 3 - регулятор соотношения компонентов; 4 - регулятор расхода; 5 - камера сгорания; 6 - турбина; 7 - генератор
Рис. 1. Схема турбогенератора на водородном топливе: 1 — горючее; 2 — окислитель; 3 — регулятор соотношения компонентов; 4 — регулятор расхода; 5 — камера сгорания; 6 — турбина; 7 — генератор

Более подробное рассмотрение показывает, что при сжигании водорода в воздухе все же возникают токсичные окиси азота. Чтобы избежать загрязнения ими среды, вероятно, более правильным было бы заправлять автомобили также и кислородом. Тогда при сгорании в камерах, не доступных атмосферному воздуху, действительно возникла бы чистая вода. Конечно, автомобиль (самолет) с двумя баками, в одном из которых водород, а в другом — кислород, является взрывоопасным.

Особые свойства водорода (наилегчайший, имеющий наибольшую теплоту сгорания и др.) открывают заманчивые перспективы его применения для экологически чистого получения энергии. И только трудности его получения, хранения, эксплуатации сдерживают развитие водородной энергетики. Тем не менее, «водородная проблема» привлекает сейчас большое внимание специалистов во всем мире и по многим причинам: первая — водорода на Земле много, вторая — он как топливо эффективен и экологически безупречен, третья — водород позволяет аккумулировать большие запасы энергии, четвертая — перекачка водорода к месту сжигания и получения энергии в 10–15 раз дешевле, чем транспортировка электричества.

В малых масштабах использование водорода как источника энергии уже началось, например в автомобилестроении. Уже 10 лет проходят испытания автомобили РАФ и «Волга», снабженные двигателями, работающими и на водороде, и на бензине, и на бензоводородной смеси. Создан в нашей стране и первый в мире самолет на водородном топливе — ТУ–155. При одной и той же грузоподъемности с самолетами другого типа его дальность полета в 1,5–2 раза больше, что обусловлено значительной теплотой сгорания водорода.

Для торжества «водородной идеи» нужно большое количество водорода. Один из возможных путей его получения — электролиз за счет энергии ветра, морских волн и Солнца. Этот способ поможет избежать перегрева Земли, поскольку при сжигании водорода выделится энергия, которая все равно поступила бы на Землю, но была израсходована на получение водорода.

Легкодоступные большие количества дешевого водорода и кислорода способствовали бы поискам и внедрению новых эффективных технологических процессов, в том числе и в деятельности, направленной на восстановление и улучшение окружающей среды. Например, можно было бы локально и в нужное время регулировать содержание кислорода в воздухе и водоемах.

Одно из направлений развития водородной энергетики — это проблема получения дешевых топливных элементов.

Топливные элементы

Сейчас существует перспективный способ получения небольших мощностей тока, основанный на применении так называемого топливного элемента, который является непосредственным преобразователем химической энергии в электрическую. В этом отношении данный способ во многом напоминает действие аккумулятора. Устройство топливного элемента схематически показано на рис. 2. Через емкость, заполненную электролитом, например раствором едкого калия, проходят электроды — полые стержни из специального пористого материала, например графита.

Рис. 2. Схема топливного элемента: 1 - пористые графитовые трубки; 2 - электролит
Рис. 2. Схема топливного элемента: 1 — пористые графитовые трубки; 2 — электролит

Через внутренние полости электродов под давлением пропускаются газы — водород и кислород. Диффундируя через пористую поверхность, они вступают в контакт с электролитом. На водородном электроде в результате химической реакции освобождаются электроны, которые по внешней электрической цепи поступают на кислородный электрод. Движущиеся между электродами ионы замыкают цепь, причем, образующаяся в результате химической реакции вода уходит через полый электрод вместе со струей водорода.

Топливные элементы могут дать очень высокий КПД — до 80% (теоретически до 100%) при мощности в несколько киловатт. Удельная мощность и расходы газов через топливный элемент зависят от температуры электролита и давления газов. Расход газообразного водорода через один элемент с напряжением 0,8 В — около 1100 л/ч на каждый киловатт мощности. Удельный вес топливных элементов при мощности 1 кВт оценивается в 30–60 кг/кВт.

Как видим, в качестве основных рабочих компонентов для топливного элемента применяются водород и кислород. Транспортировать эти газы в жидком состоянии и хранить их — весьма сложная задача. Но в этом и нет необходимости. Существует целый ряд способов получения газообразных водорода и кислорода непосредственно на орбите из различных «полуфабрикатов», транспортировка и хранение которых не представляют трудности и не требуют очень больших емкостей. Водород, например, можно получать из воды разложением ее с помощью гидрида кальция или гидрида лития, а также разложением аммиака или углеводородов с помощью катализаторов. Очень выгодно получать сразу оба компонента — и кислород, и водород. Как известно, если воду подвергать фотоэлектролизу, то она будет разлагаться, выделяя газообразный водород и кислород. Этот способ очень удобен для применения на изолированных (островных) аэропортах, так как солнечных лучей, ультрафиолетовая часть спектра которых служит отличным средством электролиза, на острове вполне достаточно. При этом запасы воды практически не расходуются, так как в результате реакции в топливном элементе снова образуется вода. Чувствительность исходного продукта — воды — к ультрафиолетовым лучам Солнца может быть повышена более чем в 10 раз специальными светочувствительными добавками — сенсибилизаторами.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — это устройства непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую (рис. 3). Принцип действия термоэлектрического генератора основан на применении эффекта Зеебека, открытого в 1821 г. Он заключается в появлении ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов имеют разную температуру. Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов или «дырок» от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток.

Рис. 3. Принципиальная схема ТЭГ
Рис. 3. Принципиальная схема ТЭГ

При нагреве горячих спаев термоэлемента до температуры TГ, и рассеивании тепла с холодных спаев, поддерживаемых при температуре TX, между спаями, при разомкнутой цепи, стационарно устанавливается разность температур TГ–TX. Тепловой поток через термоэлемент, в этом случае, после некоторых упрощений, можно записать как:

QX = x(2S/l)(TГ–TX),
где x — среднеинтегральные значения теплопроводностей ветвей; S и l, соответственно, — площади поперечного сечения и длины p– и n–ветвей в интервале температур (TГ–TX).

Разность температур на спаях термоэлемента вызывает термодиффузию носителей, в результате чего горячие спаи ветвей обедняются соответственно электронами и «дырками», которые концентрируются на холодных спаях. Нарушение электрической нейтральности создает поле, направленное от холодных участков к горячим, которое препятствует дальнейшей термодиффузии носителей.

Это поле и есть термоэлектродвижущая сила E, возникающая на концах разомкнутой цепи термоэлемента и пропорциональная разности температур и разности коэффициентов термо–ЭДС каждой ветви:

E = (ap–an)(TГ–TХ).

В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку R в цепи потечет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека, определяемый как:

I = E/(R+r),
где r — внутреннее сопротивление термоэлемента.

Этот же ток вызовет выделение и поглощение тепла Пельтье на спаях p– и n–ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. При этом движение носителей будет происходить от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплоты Пельтье.

Вся электрическая мощность, вырабатываемая термоэлементом, есть разница тепла Пельтье его горячего и холодного спаев.

Термоэлектрические батареи обладают принципиальными преимуществами перед другими источниками электропитания:

  1. Имеют длительный срок службы, практически неограниченный срок хранения при полной готовности к работе в любое время, не требуют специального обслуживания.
  2. Термобатареи устойчивы в работе, дают стабильное напряжение, не боятся короткого замыкания и режима холостого хода.
  3. Ввиду отсутствия движущихся частей термоэлектрические генераторы полностью бесшумны в работе, что дает им преимущество перед машинными источниками постоянного напряжения.

Благодаря этим свойствам термоэлектрические генераторы находят применение в областях, где необходимы сверхнадежные источники электроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: автоматические метеостанции, морские маяки, автономные космические аппараты. В качестве источников тепла в них можно использовать радиоактивные изотопы или ядерные реакторы. Для катодной защиты магистральных газо– и нефтепроводов от коррозии, при отсутствии вдоль трассы линии электропередачи, используются ТЭГ, работающие на газообразном топливе.

Для работы автоматики газовых буровых скважин применяются ТЭГ, использующие перепад температур окружающей среды и газа из скважины.

Недостатком ТЭГ является низкий КПД преобразования энергии (3–5%).

Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А. И. Иоффе. Это был, ныне широко известный, «партизанский котелок» — термопреобразователь на основе термоэлементов из SbZn и константана. Разность температур спаев в 250…300 °С обеспечивалась огнем костра при стабилизации температуры холодных спаев кипящей водой. Такое устройство, несмотря на сравнительно невысокий КПД (1,5–2,0%), с успехом обеспечивало электропитанием ряд портативных партизанских радиостанций.

В настоящее время особенно широкие перспективы имеет сочетание термоэлектрических преобразователей с компактными, мощными и относительно дешевыми источниками тепла. Возможно использование ТЭГ в удаленных аэропортах, где отсутствуют постоянные источники электроэнергии.

Разогревные химические источники тока

Разогревный химический источник тока (РХИТ) — это автономный источник электроэнергии, работающий по принципу прямого преобразования химической энергии в электрическую. Мощность источника составляет от сотен ватт до десятков киловатт. Запуск двигателей с помощью РХИТ можно осуществлять в условиях низких температур. Возможно его использование для электропитания лифтов и подъемников шахт при прекращении энергоснабжения, резки и сварки металлов в аварийных ситуациях, при отсутствии электроэнергии и невозможности использования газовой резки и сварки, а также под водой, при энергоснабжении средств пожаротушения. И для потребителей, которым нужны мощные энергоустановки для экстренного энергоснабжения.

Основные преимущества РХИТ:

  • Длительный, практически неограниченный срок хранения до использования.
  • Работоспособность в широком температурном интервале окружающей среды, от –100 до +300 °С.
  • Высокая удельная мощность: от 2–3 кВт/кг веса при времени работы 1–2 минуты и до 0,5 кВт/кг при работе в течение 20–30 минут.
  • Удельная энергоемкость в 1,5–2 раза выше, чем у аналогичных источников тока.
  • Рассчитан на работу после больших механических и вращательных воздействий.
  • Масштабируется с улучшением удельных электрических характеристик.

Разработка представляет собой новый класс источников тока, применяемых для питания силовых установок в экстремальных условиях. РХИТ уже используются для питания переносного электроинструмента, в системах автономного пожаротушения. На данное время изготовлены и испытаны только опытные экземпляры РХИТ, ведется мелкосерийное производство.

Биотопливо, отходы, биоэтанол1

Объем используемого в настоящее время биотоплива достаточно велик — около 1,2 млрд т, или более 11% полного массового потребления первичных ресурсов. Это наиболее масштабный возобновляемый источник энергии, используемый человечеством. Главным образом биотопливо используется в развивающихся странах в качестве энергоисточника для обогрева и приготовления пищи и составляет около 25% от их полного потребления первичной энергии. В развитых странах масштаб использования биоресурсов существенно меньше — около 3% от общего потребления первичной энергии. Но с ходом времени увеличивается доля использования биотоплива. Для нужд аэропорта перспективно использование биотоплива в качестве топлива для дизельэлектростанций (уже около десятка аэропортов Аляски и северной Канады внедрили биодизель для получения электроэнергии) и авиационного топлива, тем более что уже имеется положительный опыт (полет самолета авиакомпании British Airways на топливе с содержанием биоэтанола от отходов переработки кокоса около 30%). Полет признали удачным, и это усилило слухи о скорейшем переходе к этому альтернативному источнику энергии. Перспективно использование биотоплива как резервного или основного источника энергоснабжения.

В условиях постоянного роста цен на ископаемое топливо это положение постепенно меняется, и в ряде европейских стран рынок биотоплива начинает расширяться.

В последние десятилетия появились технологии, позволяющие более эффективно использовать этот ценный источник энергии. Их можно расположить в порядке усложнения технологии извлечения энергии таким образом:

  1. Прямое сжигание биомассы.
  2. Термохимическая обработка и получение биотоплива (пиролиз, газификация, ожижение).
  3. Биологическая переработка (анаэробное сбраживание и ферментация, в результате чего образуются горючие газы и жидкости).

Большие перспективы у энергетического использования органических компонентов коммунальных и промышленных отходов, которые в мире пока используются непродуктивно. На большинстве мусорных свалок в ЕС в последние годы построили современные установки по улавливанию биогаза (рис. 4), всегда выделяющегося в подобных местах. Его сжигают на месте, вырабатывая при этом тепло– и электроэнергию, но опять же только для потребностей самого объекта, поскольку избыток энергии почти невозможно продать, передав его в сеть. Для схожих целей используют также твердую фракцию, которая остается после очистки жидких коммунальных отходов.

Рис. 4. Установка для улавливания и хранения биогаза
Рис. 4. Установка для улавливания и хранения биогаза

В России традиционный энергетический источник в некоторых регионах (север европейской части, Западная Сибирь, Урал) — это торф, ресурсы которого оцениваются в более 160 млрд т (более 30% от мировых). Частично возобновляющиеся запасы торфа позволяют только на уже разрабатываемых месторождениях довести объем его добычи до 7% энергетического эквивалента добываемого ежегодно угля. Однако в добыче торфа мы уступаем Финляндии, Ирландии и Канаде.

Лидером в использовании твердой биомассы для производства электроэнергии являются США ( 5% от их атомного электропроизводства). По данным DOE, американские инвестиции в биотопливную энергетику уже превысили $1 млрд. В лидирующей группе — Япония, Финляндия, Канада и Швеция.

В перспективе предполагается, что доля биотоплива и отходов, используемых в развитых странах в качестве первичных источников энергии, будет возрастать и к 2030 году сможет достигнуть примерно 7% в общем энергобалансе. При этом в мире в целом останется на уровне современных 11%. В абсолютных цифрах этот масштаб составляет около 5 млрд т биомассы. Принимая во внимание продуктивность естественного растительного покрова, то есть годовую производительность биомассы около 140 млрд т, можно предположить, что такой масштаб использования биомассы может оказаться уже значимым для глобальной экологической системы.

Под производство биотоплива сегодня отведено около 14 млн га, что равно примерно 1% всех имеющихся сейчас в мире пахотных земель. По оптимистичным прогнозам, эта доля увеличится до 3,5%. Количество пахотной земли, которое потребуется на эти цели к 2030 году, составит площадь всех тихоокеанских стран ОЭСР, включая Австралию.

Несмотря на весьма энергичные пропагандистские кампании, обещающие существенное ослабление энергетических проблем за счет использования биологических ресурсов, к сожалению, следует констатировать, что масштаб их современного потребления уже не так далек от своего насыщения, и, конечно, этот ресурс как энергоисточник, скорее всего, будет естественным путем ограничен величиной максимум 10% от общего энергопотребления.

Доля бытовых отходов в производстве «возобновляемой» энергии оценивается в 1,5%. Более 30% приходится на США, далее следуют Япония и Германия.

Главная мотивация расширенного производства биоэтанола и его использования для автотранспорта — это рост цен на традиционные виды топлива, которые производят из нефти, и опасение ее нарастающего дефицита. В настоящее время более 95% всех потребностей в топливе для транспортных нужд удовлетворяется за счет использования нефти.

В качестве сырья в настоящее время для производства этанола применяется продукция растениеводства (сахарный тростник, кукуруза, рапс и т. д.), обсуждаются возможности и отрабатываются технологии производства из других растительных форм. Например, из одной тонны кукурузы получается около 375 л этанола.

Уже делаются первые попытки выращивания водорослей для производства этанола.

Масштаб производства топливного этанола в мире нарастает. В настоящее время лидером в использовании топливного этанола является Бразилия, она производит около 7 млн тнэ в год, что составляет около 8% ее потребности в нефти. В 2006 году США обогнали Бразилию по производству этанола, для этого уже построено более 150 заводов. В Европе производство биоэтанола составляло около 4 млн т, или 0,7% от потребления нефти.

В России в 2006 году было произведено 750 тыс. т топливного этанола (1,6% от мирового производства), или в 22 раза меньше, чем в Бразилии. Перспективы развития производства этанола в качестве топлива связывают с использованием неделовой древесины и отходов целлюлозного производства. По оптимистичным прогнозам, российский этанол способен сократить внутреннее потребление нефти на 30%.

Всего в мире сегодня производится около 30 млн т этанола (при добыче нефти в 4 млрд тнэ), и это производство быстро растет.

Следует отметить, что современная конъюнктура рынка показывает экономическую целесообразность производства этанола, но ориентация на нее в долгосрочной перспективе не очевидна. Например, экономика производства товарной кукурузы в США обеспечивает достаточно низкие цены на сырье, но это в значительной степени определено сложившейся практикой налоговых преференций и дотациями сельскохозяйственной отрасли на всех этапах производства.

Перспективы производства биотоплива из естественного растительного сырья пока не очень изучены, но очевидно, что Россия имеет для этого большие потенциальные возможности.

В США поставлена цель к 2025 году заменить 20% бензина биотопливом. Украина надеется за счет посадок рапса довести долю использования биотоплива до 15% к 2015 году.

Наиболее оптимистичные мировые прогнозы в долгосрочной перспективе ограничивают долю моторного топлива на основе биоэтанола величиной порядка 5–7%. Но наряду со спорами о преимуществе идут дискуссии о вреде биотоплива для мировой экономики — его использование ведет к сокращению площади посевных земель для производства пищевых культур. Происходит повышение цен на сельскохозяйственную продукцию, что сильно сказывается на экономике и без того слабых развивающихся стран, поэтому на данный момент существует суждение о том, что 1000 л произведенного биотоплива ведет к голодной смерти 10 человек в Африке.

Немашинные электрогенераторы

На рис. 5 показана схема термоэлектрического генератора с ядерным реактором. Работа его основана на получении термической электродвижущей силы (или термо–ЭДС), то есть на том же принципе, на котором работает обычная термопара, применяемая при измерениях температур.

Рис. 5. Схема термоэлектрического генератора: 1 - горячий слой; 2 - холодный слой
Рис. 5. Схема термоэлектрического генератора: 1 — горячий слой; 2 — холодный слой

Чем выше температура горячего спая, тем совершеннее термоэлектрический генератор. Поэтому одна из основных проблем осуществления такой схемы — это подбор пар материалов, обладающих высокой жаропрочностью и высокими термоэлектрическими свойствами: малыми электрическим сопротивлением и теплопроводностью материалов. Рекомендуется применять материалы с большим атомным весом, например свинец, теллур, висмут, у которых наилучшим образом сочетаются высокая термо–ЭДС с минимальными электросопротивлением и теплопроводностью, что позволяет получить низкое рассеивание электрической мощности и небольшие потери тепла.

КПД термопар невелик. Так, по сообщениям иностранной печати, при максимальной температуре горячего спая 1100 °С и температуре холодного спая 550 °С КПД не превышает 2%. Экспериментальные термопары, например висмут плюс теллур, никель плюс серебро, дают КПД до 5–7%. В перспективе КПД термоэлектрических установок может быть доведен до 15%.

После выхода на основной режим ядерная термоэлектрическая система не нуждается в системе регулирования, так как соответствующее конструирование системы «реактор — термопара — излучатель» дает возможность получить автоматическое саморегулирование перепада температур в течение нескольких лет.

Термоэлектрический преобразователь может быть с успехом использован также в солнечной или в радиоизотопной энергетических установках. Теплоноситель горячего спая в такой установке вообще не нужен. Нагрев будет осуществляться непосредственно сфокусированным пучком солнечных лучей. КПД таких установок будет выше, а удельный вес — меньше.

Значительно лучшие характеристики дает другой немашинный способ генерирования электроэнергии — термоэлектронный. Принцип работы ядерной энергосистемы с таким генератором показан на рис. 6. Катод получает постоянный приток тепла от ядерного реактора, анод же отдает тепло во внешнюю среду с помощью радиационного излучателя. Нагретый до высокой температуры катод эмитирует, то есть излучает электроны, которые попадают на холодный анод. Таким образом, возникает ЭДС, то есть разность потенциалов. Пространство между анодом и катодом представляет собой глубокий вакуум. Подобное устройство напоминает простейшую электроннyю лампу — диод.

Рис. 6. Схема термоэлектронного генератора: 1 - горячий катод; 2 - холодный анод
Рис. 6. Схема термоэлектронного генератора: 1 — горячий катод; 2 — холодный анод

В таком генераторе параметры тока также зависят от максимальной температуры катода. КПД термоэлектронного устройства может достигать довольно больших величин. Так, при температуре катода 1250 °С и анода 550 °С был получен КПД преобразования, равный 13%. Считается, что КПД, равный 30%, — далеко не предел для термоэлектронных генераторов. Удельный вес таких преобразователей оценивается в 50–100 кг/кВт без защиты, но в будущем предполагается получить 10 кг/кВт, что позволит успешно применить термоэлектронные установки для энергоснабжения в аэропортах.

Хорошие весовые данные можно получить и от солнечной энергоустановки с термоэлектронным преобразователем, а также от установки, работающей на химическом топливе.

В настоящее время в зарубежной печати появляются сообщения о разработке принципиально новых, еще более эффективных бестурбинных электросистем с высоким КПД, например магнитогидродинамического генератора с КПД 60% и выше при относительно небольшом удельном весе.

Химические источники тока2

Химические источники тока (ХИТ) — это устройства, в которых химическая энергия непосредственно превращается в электрическую. Эти источники энергии можно назвать возобновляемыми, хотя их восстановление и перезаряжение до сих пор представляет некоторые затруднения для промышленности.

Обратимся к более подробному рассмотрению двух типов ХИТ: гальваническим элементам и аккумуляторам. Для этого воспользуемся классификационной схемой (рис. 7). Назначение резервных элементов состоит в том, чтобы в определенный момент включаться для выполнения поставленной задачи. Обычно период ожидания имеет длительный срок, поэтому необходимо избежать контакта электродов с электролитом, чтобы не допустить течения коррозионных процессов. Для этого электролит хранят в отдельной ампуле, которую разбивают в момент включения ХИТ в электрическую цепь. Если в качестве электролита используют расплавленную соль, то в твердом состоянии она не дает возможности развиться коррозионным процессам в контакте с электродами. Введение в действие элемента производится быстрым его разогреванием, когда соль плавится и начинает выполнять функции электролита. Такие ХИТ называют разогревными (тепловыми) — их описание приведено ранее.

Рис. 7. Классификация ХИТ
Рис. 7. Классификация ХИТ

В гальванических элементах (рис. 8) длительной эксплуатации главное внимание уделяется снижению внутреннего сопротивления и предотвращению паразитных электрохимических процессов активных масс, приводящих к саморазряду элемента. Наибольшее распространение получил элемент Лекланше, активными массами которого являются цинк и двуокись марганца, а электролитом — водный раствор хлористого аммония. Его токообразующая реакция его в упрощенном виде может быть записана:

  Zn+2MnO2+2H2O =
= Zn(OH)2+2MnOOH.
(1)

Рис. 8. Схема гальванического элемента: Е - электрод, L - внешняя нагрузка
Рис. 8. Схема гальванического элемента: Е — электрод, L — внешняя нагрузка

Позднее было показано, что при замене хлористого аммония на щелочь удается значительно снизить саморазряд элемента и повысить срок его годности. В последнее время разрабатываются высоконадежные литий–йодные элементы с твердым электролитом из йодистого лития, образующегося при контакте литиевого электрода с йодсодержащими веществами. Такие элементы используют в кардиостимуляторах, вживляемых в грудную клетку пациента. В качестве примера кислотного аккумулятора можно привести свинцовый, активными веществами которого являются свинец и двуокись свинца, а электролитом — раствор серной кислоты. Его токообразующая реакция может быть записана:

  PbO2+Pb+2H2SO4 = 2PbSO4+2H2O. (2)

В прямом направлении она протекает при разряде аккумулятора, а в обратном — при его заряде. Свинцовый аккумулятор — наиболее распространенный в настоящее время вторичный ХИТ. Мировое производство только одних стартерных батарей для транспортных средств превышает 100 млн шт. в год и требует для этих целей 2 млн т свинца, то есть более половины общего мирового его производства. На основе свинцовых аккумуляторов выпускаются стартерные (для запуска двигателей внутреннего сгорания), тяговые (для питания электромоторов передвижных средств) и стационарные батареи (для радиоэлектронных устройств и средств связи, а также для работы в аварийных ситуациях). Ограничение запасов свинцовых руд и возрастающая потребность транспортных средств в аккумуляторах поставили задачу сокращения расходов свинца в производстве кислотных аккумуляторов. В последнее время широко ведутся исследования по замене одного из электродов на органические окислительно–восстановительные системы. Эти работы одновременно преследуют цель снижения веса аккумулятора, что позволит приблизить решение задачи создания электромобиля. Однако успехи в этой области еще скромные.

К щелочным аккумулятором, которые выпускает промышленность в настоящее время, относятся железо–никелевые, кадмий–никелевые и цинк–серебряные, в качестве электролита для них используется водный раствор калиевой щелочи. Эти аккумуляторы просты в эксплуатации и имеют более высокие удельные электрические характеристики по сравнению со свинцовыми аналогами. Однако стоимость их более высокая. Это особенно относится к цинк–серебряным аккумуляторам, которые в качестве окислителя используют окись серебра. Реакция (1) является токообразующей для этого аккумулятора. Его удельные электрические характеристики в два раза более высокие, чем у других щелочных аккумуляторов, что обеспечивает их применение в авиационной и космической технике. Окислительный электрод железо–никелевого и кадмий–никелевого аккумуляторов — это оксид (гидроксид) никеля. В настоящее время технология его изготовления хорошо отработана, что обеспечивает надежную работу в течение тысяч циклов. Это обстоятельство послужило основой для создания некоторых типов комбинированных аккумуляторов, где в качестве отрицательного электрода используют металлический цинк или водород. В последнем случае для проведения электрохимической реакции с водородом применяют активированный платиной пористый никелевый электрод. Для накопления значительных количеств водорода в аккумуляторе создается высокое давление, которое должен выдерживать корпус аккумулятора. С недавнего времени для снижения давления стали использовать интерметаллические соединения никеля с редкоземельными элементами (типа GaNi5). Они способны поглощать большие количества водорода при сравнительно небольших давлениях (≈5 атм.), а при разряде аккумулятора легко выделяют водород.

Твердые электролиты, используемые для создания ХИТ, представляют собой кристаллические решетки, у которых катионная подрешетка подвижна, что позволяет ей осуществлять с высокой скоростью ионный транспорт. Примером аккумулятора с твердым электролитом служит серно–натриевая система. В качестве твердого электролита в нем используется высокопрочная керамика из полиалюминатов натрия Na2OnAl2O3. Когда значение n лежит в пределах 9–11, электропроводность этого материала при повышенной температуре очень высока. Повышенная рабочая температура (250…300 °C) аккумулятора в данном случае необходима, так как активные массы металлического натрия и серы должны находиться в расплавленном состоянии, чтобы осуществлять электродные реакции с большой скоростью. Высокая ЭДС данной пары и низкая их молекулярная масса обеспечивают высокие электрические характеристики рассматриваемого аккумулятора, а низкая стоимость активных масс делает перспективным использование его для электромобиля. В настоящее время стоит задача существенного увеличения ресурса их циклической работы. Только тогда они смогут в какой–то степени конкурировать с двигателями внутреннего сгорания.

В настоящее время многие типы ХИТ уже нашли применение в аэропортах, в основном для обслуживающего автомобильного транспорта. Перспективно направление, в котором малые и изолированные аэропорты будут снабжаться электро– и теплоэнергией с использованием ХИТ.


1По данным книги Е. П. Велихова, А. Ю. Гагаринского, С. А. Субботина, В. Ф. Цибульского «Эволюция энергетики в XXI веке» и журнала «Мировая энергетика» № 2, 2008 г.
2По данным статьи «Химические источники тока» в книге А. Л. Львова «Химия»,1998.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке