Использование альтернативных источников энергии
Введение
Во второй половине ХХ столетия перед человечеством восстала глобальное проблема – это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то картина будет складываться ужасная. К примеру, вот данные статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. И это данные на далекий 1993 год и если учесть, что каждый год с конвейеров автомобильных заводов сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства растут, то можно сказать, что уже через десять лет все крупные города мира увязнут в смоге. К этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива на тепловых электростанциях, затопление огромных территорий гидроэлектростанциями и постоянная опасность в районах АЭС. Но у этой проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть через столетие при таких темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в энергетическом кризисе.
Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены проблемы нахождения новых видов топлива, которые можно было бы назвать безотходными и неисчерпаемыми; также проблемы использования различных материалов для солнечной энергетики. Отдельно будут рассмотрены два самых перспективных источника энергии: водород и солнечная энергия.
Водород – топливо будущего
На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
Управляемый
термоядерный
синтез.
Управляемый
термоядерный
синтез использует
ядерную энергию
выделяющуюся
при слиянии
легких ядер,
таких как ядра
водорода или
его изотопов
дейтерия и
трития. Ядерные
реакции синтеза
широко распространены
в природе, будучи
источником
энергии звезд.
Ближайшая к
нам звезда -
Солнце - это
естественный
термоядерный
реактор, который
уже многие
миллиарды лет
снабжает энергией
жизнь на Земле.
Ядерный синтез
уже освоен
человеком в
земных условиях,
но пока не для
производства
мирной энергии,
а для производства
оружия он
используется
в водородных
бомбах. Начиная
с 50 годов, в нашей
стране и параллельно
во многих других
странах проводятся
исследования
по созданию
управляемого
термоядерного
реактора. С
самого начала
стало ясно, что
управляемый
термоядерный
синтез не имеет
военного применения.
В 1956 г. исследования
были рассекречены
и с тех пор
проводятся
в рамках широкого
международного
сотрудничества.
В то время казалось,
что цель близка,
и что первые
крупные экспериментальные
установки,
построенные
в конце 50 годов,
получат термоядерную
плазму. Однако
потребовалось
более 40 лет
исследований
для того, чтобы
создать условия,
при которых
выделение
термоядерной
мощности сравнимо
с мощностью
нагрева реагирующей
смеси. В 1997 г. самая
крупная термоядерная
установка -
Европейский
токамак, JET, получила
16 МВт термоядерной
мощности и
вплотную подошла
к этому порогу.
Что
же явилось
причиной такой
задержки? Оказалось,
что для достижения
цели физикам
и инженерам
пришлось решить
массу проблем,
о которых и не
догадывались
в начале пути.
В течении этих
40 лет была создана
наука - физика
плазмы, которая
позволила
понять и описать
сложные физические
процессы,
происходящие
в реагирующей
смеси. Инженерам
потребовалось
решить не менее
сложные проблемы,
в том числе
научиться
создавать
глубокий вакуум
в больших объемах,
разработать
большие сверхпроводящие
магниты, мощные
лазеры и источники
рентгеновского
излучения,
разработать
инжекторы
способные
создавать
мощные пучки
нейтральных
атомов, разработать
методы высокочастотного
нагрева смеси
и многое другое.
Первое
поколение
термоядерных
реакторов,
которые пока
находятся в
стадии разработки
и исследований,
по-видимому
будет использовать
реакцию синтеза
дейтерия с
тритием
D + T = He + n,
в результате
которой образуется
ядро гелия, Не,
и нейтрон.
Необходимое
условие для
того, чтобы
такая реакция
пошла - это
достижение
высокой температуры
смеси (сто миллионов
градусов). Только
в этом случае
реагирующие
частицы могут
преодолеть
электростатическое
отталкивание
и при столкновении,
хотя бы на короткое
время, приблизиться
друг к другу
на расстояние,
при котором
возможна ядерная
реакция. При
такой температуре
смесь изотопов
водорода полностью
ионизируется
и превращается
в плазму - смесь
электронов
и ионов. Кроме
высокой температуры,
для положительного
выхода энергии
нужно, чтобы
время жизни
плазмы, t, помноженное
на плотность
реагирующих
ионов, n, было
достаточно
велико nt > 5*1 000 000 000
000 000 c/см3. Последнее
условие называется
критерием
Лоусона. Основная
физическая
проблема, с
которой столкнулись
исследователи
на первых шагах
на пути к термоядерному
синтезу - это
многочисленные
плазменные
неустойчивости,
приводящие
к плазменной
турбулентности.
Именно они
сокращали время
жизни в первых
установках
до величины
на много порядков
меньше ожидаемой
и не позволяли
достигнуть
выполнения
критерия Лоусона.
За 40 лет исследований
удалось найти
способы борьбы
с плазменными
неустойчивостями
и построить
установки
способные
удерживать
турбулентную
плазму.
Существуют
два принципиально
различных
подхода к созданию
термоядерных
реакторов, и
пока не ясно,
какой подход
окажется наиболее
выгодным.
В
так называемом
инерционном
термоядерном
синтезе несколько
миллиграмм
дейтериево-тритиевой
смеси сжимаются
оболочкой,
ускоряемой
за счет реактивных
сил, возникающих
при испарении
оболочки с
помощью мощного
лазерного или
рентгеновского
излучения.
Энергия выделяется
в виде микровзрыва,
когда в процессе
сжатия в смеси
дейтерия с
тритием достигаются
необходимые
условия для
термоядерного
горения. Время
жизни такой
плазмы определяется
инерционным
разлетом смеси
и поэтому критерий
Лоусона для
инерционного
удержания
принято записывать
в терминах
произведения
rr, где r - плотность
реагирующей
смеси и r - радиус
сжатой мишени.
Для того, чтобы
за время разлета
смесь успела
выгореть, нужно,
чтобы rr Ё 3 Г/см2.
Отсюда сразу
следует, что
критическая
масса топлива,
М, будет уменьшаться
с ростом плотности
смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 , а
следовательно
и энергия микровзрыва
будет тем меньше,
чем большей
плотности смеси
удастся достичь
при сжатии.
Ограничения
на степень
сжатия связаны
с небольшой,
но всегда
существующей
неоднородностью
падающего на
оболочку излучения
и с несимметрией
самой мишени,
которая еще
и нарастает
в процессе
сжатия из-за
развития
неустойчивостей.
В результате
появляется
некая критическая
масса мишени
и, следовательно,
критическая
энергия, которую
нужно вложить
оболочку для
ее разгона и
получения
положительного
выхода энергии.
По современным
оценкам , в мишень
с массой топлива
около 5 миллиграмм
и радиусом 1-2
миллиметра
нужно вложить
около 2 МДж за
время 5-10Ч10-9 с. При
этом энергия
микровзрыва
будет на уровне
всего 5Ч108 Дж
(эквивалентно
около 100 кг обычной
взрывчатки)
и может быть
легко удержана
достаточно
прочной камерой.
Предполагается,
что будущий
термоядерный
реактор будет
работать в
режиме последовательных
микровзрывов
с частотой в
несколько герц,
а выделяемая
в камере энергия
будет сниматься
теплоносителем
и использоваться
для получения
электроэнергии.
За
прошедшие годы
достигнут
большой прогресс
в понимании
физических
процессов
происходящих
при сжатии
мишени и взаимодействии
лазерного и
рентгеновского
излучения с
мишенью. Более
того, современные
многослойные
мишени уже были
проверены с
помощью подземных
ядерных взрывов,
которые позволяют
обеспечить
требуемую
мощность излучения
. Было получены
зажигание и
большой положительный
выход термоядерной
энергии, и поэтому
нет сомнений,
что этот способ
в принципе
может привести
к успеху. Основная
техническая
проблема, с
которой сталкиваются
исследователи,
работающие
в этой области
- создание
эффективного
импульсного
драйвера для
ускорения
оболочки. Требуемые
мощности можно
получить, используя
лазеры (что и
делается в
современных
экспериментальных
установках
), но к.п.д лазеров
слишком мал
для того, чтобы
можно было
рассчитывать
на положительный
выход энергии.
В настоящее
время разрабатываются
и другие драйверы
для инерционного
синтеза основанные
на использовании
ионных и электронных
пучков, и на
создании
рентгеновского
излучения с
помощью Z пинчей.
За последнее
время здесь
также достигнут
существенный
прогресс . В
настоящее время
в США ведется
строительство
большой лазерной
установки, NIF,
рассчитанной
на получение
зажигания .
Другое направление
в управляемом
термоядерном
синтезе - это
термоядерные
реакторы, основанные
на магнитном
удержании.
Магнитное поле
используется
для изоляции
горячей
дейтериево-тритиевой
плазмы от контакта
со стенкой. В
отличие от
инерционных
реакторов
магнитные
термоядерные
реакторы - это
стационарные
устройства
с относительно
низким объемным
выделением
энергии и
относительно
большими размерами.
За 40 лет термоядерных
исследований
были предложены
различные
системы для
магнитного
удержания,
среди которых
токамак занимает
сейчас лидирующее
положение.
Другая система
для магнитного
удержания
плазмы - это
стелларатор.
Крупные стеллараторы
строятся в
настоящее время
в Японии и
Германии.
В
токамаке горячая
плазма имеет
форму тора и
удерживается
от контакта
со стенкой с
помощью магнитного
поля создаваемого
как внешними
магнитными
катушками, так
и током протекающим
по самой плазме.
Характерная
плотность
плазмы в токамаке
100 000 000 000 000 частиц в
см3 , температура
Т = 10-20 кеВ (1 еВ ¦
12000¦C) и давление
2-3 атм. Для того,
чтобы удержать
это давление
требуется
магнитное поле
с индукцией
В ¦ 1 Т. Однако
плазменные
неустойчивости
ограничивают
допустимое
давление плазмы
на уровне нескольких
процентов от
магнитного
давления и
поэтому требуемое
магнитное поле
оказывается
в несколько
раз выше, чем
то, которое
нужно для равновесия
плазмы. Для
избежания
энергетических
расходов на
поддержание
магнитного
поля, оно будет
создаваться
в реакторе
сверхпроводящими
магнитами.
Такая технология
уже имеется
в нашем распоряжении
- один из крупнейших
экспериментальных
токамаков,
Т-15, построенный
несколько лет
назад в России,
использует
сверхпроводящие
магниты для
создания магнитных
полей.
Токамак
реактор будет
работать в
режиме самоподдерживающегося
термоядерного
горения, при
котором высокая
температура
плазмы обеспечивается
за счет нагрева
плазмы заряженными
продуктами
реакции (3) -
альфа-частицами
(ионами Не). Для
этого, как видно
из условия
Лоусона, нужно
иметь время
удержания
энергии в плазме
не меньше 5 с.
Большое время
жизни плазмы
в токамаках
и других стационарных
системах достигается
за счет их размеров,
и поэтому существует
некий критический
размер реактора.
Оценки показывают,
что самоподдерживающаяся
реакция в токамаке
возможна в том
случае, если
большой радиус
плазменного
тора будет 7-9
м. Соответственно,
токамак-реактор
будет иметь
полную тепловую
мощность на
уровне 1 ГВт.
Удивительно,
что эта цифра
примерно совпадает
с мощностью
минимального
инерционного
термоядерного
реактора.
За
прошедшие годы
достигнут
впечатляющий
прогресс в
понимании
физических
явлений, ответственных
за удержание
и устойчивость
плазмы в токамаках.
Разработаны
эффективные
методы нагрева
и диагностики
плазмы, позволившие
изучить в нынешних
экспериментальных
токамаках те
плазменные
режимы, которые
будут использоваться
в реакторах.
Нынешние крупные
экспериментальные
машины - JET (Европа),
JT60-U (Япония), Т-15
(Россия) и TFTR (США)
- были построены
в начале 80 годов
для изучения
удержания
плазмы с термоядерными
параметрами
и получения
условий, при
которых нагрев
плазмы сравним
в полным выходом
термоядерной
мощности. Два
токамака, TFTR и
JET использовали
DT смесь и достигли
соответственно
10 и 16 МВт термоядерной
мощности. В
экспериментах
с DT смесью JET получил
режимы с отношением
термоядерной
мощности к
мощности нагрева
плазмы, Q=0.9, и токамак
JT60-U на модельной
DD смеси достиг
Q = 1.06. Это поколение
токамаков
практически
выполнило свои
задачи и создало
все необходимые
условия для
следующего
шага - строительство
установок
нацеленных
на исследование
зажигания, Q Ё
5, и уже обладающих
всеми чертами
будущего реактора.
В
настоящее время
ведется проектирование
такого первого
экспериментального
термоядерного
реактора - ИТЭР.
В проекте участвуют
Европа, Россия,
США и Япония.
Предполагается,
что этот первый
термоядерный
реактор токамак
будет построен
к 2010 г.
Существуют
огромные запасы
топлива для
термоядерной
энергетики.
Дейтерий - это
широко распространенный
в природе изотоп,
который может
добываться
из морской
воды. Тритий
будет производится
в самом реакторе
из лития. Запасы
дейтерия и
лития достаточны
для производства
энергии в течении
многих тысяч
лет и это топливо,
как и продукт
реакций синтеза
- гелий - не радиоактивны.
Радиоактивность
возникает в
термоядерном
реакторе из-за
активации
материалов
первой стенки
реактора нейтронами.
Известны
низкоактивирующиеся
конструкционные
материалы для
первой стенки
и других компонент
реактора, которые
за 30-50 лет теряют
свою активность
до полностью
безопасного
уровня. Можно
представить,
что реактор,
проработавший
30 лет и выработавший
свой ресурс,
будет законсервирован
на следующие
30-50 лет, а затем
конструкционные
материалы будут
переработаны
и вновь использованы
в новом термоядерном
реакторе. Кроме
дейтерий- тритиевой
реакции, которая
имеет высокое
сечение при
относительно
низкой температуре,
и следовательно
легче всего
осуществима,
можно использовать
и другие реакции
. Например, реакции
D с Не3 и p с В11 не
дают нейтронов
и не приводят
к нейтронной
активации
первой стенки.
Однако, условия
Лоусона для
таких реакций
более жесткие
и поэтому нынешняя
термоядерная
программа в
качестве первого
шага нацелена
на использование
DT смеси.
Несмотря
на большие
успехи достигнутые
в этом направлении,
термоядерным
реакторам
предстоит еще
пройти большой
путь прежде,
чем будет построен
первый коммерческий
термоядерный
реактор. Развитие
термоядерной
энергетики
требует больших
затрат на развитие
специальных
технологий
и материалов
и на физические
исследования.
При нынешнем
уровне финансирования
термоядерная
энергетика
не будет готова
раньше, чем
2020-2040 г.
Электроводордный генератор
В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ (международная заявка RU98/00190 от 07.10.97 г.) простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название “электроводородный генератор (ЭВГ)”. Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора, работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду произвести 3,5 м 3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт. Расчетный удельный расход энергии на производство газообразного водорода составляет 14,42 МДж?м-3. Стоимость его производства (0,0038 $/ м3) становится в 1,5-2 раза ниже суммарной стоимости добычи и транспортировки природного газа. Широкий диапазон регулирования и неординарные удельные показатели процесса позволяют с гарантированным успехом применить изобретение в большой и малой энергетике, на всех видах транспорта, в сельском и коммунальном хозяйствах, в химической, цементной, целюлозно-бумажной, холодильной, атомной и космической промышленности, цветной и черной металлургии, при опреснении морской воды, проведении сварочных работ и т. д..
Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста и является логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта, осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности . Энергия взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита, имеющего значительную разницу масс аниона и катиона, поместить в сильное искусственное гравитационное (инерционное) поле, например, вращать его в емкости ЭВГ (расчетная частота вращения для различных электролитов и параметров устройства 1500-25000 об/мин), то ионы будут отчасти сепарироваться/
Тяжелые ионы, воздействуя друг на друга своим электрическим полем, сместятся к периферии емкости. Крайние прижмутся к ее внутренней поверхности (на Рис.2 к аноду) и создадут пространственный концентрационный электрический потенциал. При этом результирующая центробежная сила, действующая на прижатые к аноду ионы (анионы) разрушит их гидратные оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы менее отзывчивы к гравитации и окружены более прочными оболочками, поэтому не могут отдать тяжелым ионам свои молекулы гидратной воды. В силу этих обстоятельств они сосредоточатся над тяжелыми ионами и в области оси вращения (у катода), образуя электрический потенциал противоположного знака. Свободные электроны в аноде под действием пространственного (объемного) заряда анионов переместятся на катод (свойство цилиндра Фарадея).
При достижении необходимой минимальной (пороговой) частоты вращения емкости с данным электролитом и принятыми конструктивными параметрами устройства (см. формулу для ее расчета на Рис.2), т.е. критической величины электрических потенциалов на электродах, равновесие зарядов нарушится. Электроны выйдут из катода и ионизируют молекулы гидратных оболочек, а те передадут заряды катионам . Иначе. говоря, как бы произойдет пробой своеобразного электролитического конденсатора и начнется разряд ионов с образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных газов (осадка). Напряжение электрического тока будет зависеть от разности скоростей химических реакций на катоде и аноде.
Таким образом, вследствие действия физического принципа обратимости энергии гравитационное поле породит энергетически адекватное ему электрическое поле, которое преодолеет энергию гидратации и осуществит электролиз. Этот процесс протекает с поглощением раствором через теплообменник теплоты и требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации. Его принципиальная энергетическая схема во многом схожа со схемой традиционного электролиза, но в ней не применяется внешний дорогостоящий электрический ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных источников.
Здесь следует отметить четыре весьма существенные особенности гравитационного электролиза.
Во-первых, работа механического инерционного поля, затрачиваемая им на осаждение молекул воды, легких и особенно тяжелых ионов, практически полностью восполняется кинетической энергией всплывающих к оси емкости водорода, кислорода и анодных газов, поскольку их плотность меньше, чем плотность раствора. В результате сумма моментов количества движения начальных и конечных продуктов электролиза становится близкой нулю, т.е. механическая работа в растворе почти не производится. Она в ЭВГ затрачивается в основном только на его приводе против сил трения. Анодный осадок и всплывшие газы вступают во вторичные химические реакции с водой и кислородом, образуя исходный состав раствора.
Во-вторых, интенсивное самоохлаждение раствора обеспечивает условия для поглощения им тепла из окружающей среды или от других источников на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды , т.е. работу в режиме высокоэффективного теплового насоса.
В-третьих, он способен вырабатывать постоянный электрический ток на внешней нагрузке в том случае, если частота вращения емкости будет больше минимально необходимой (пороговой). Тогда ЭВГ проявляет свойства электрогенератора с вольт-амперной характеристикой конденсаторного типа (напряжение на зажимах прямо пропорционально внешней нагрузке).
В-четвертых, ЭВГ одновременно в одном аппарате совмещает и выполняет функции сразу двух устройств - электрогенератора постоянного тока и электролизера.
Все эти особенности обеспечивают гравитационному электролизу несравненно более высокую эффективность преобразования теплоты в химическую энергию восстановленных из воды водорода и кислорода, а, следовательно, большую экономичность.
Электроводородный генератор конструктивно прост, органично вписывается в компоновку различных силовых двигательных установок транспортных средств, например, автомобиля, автобуса, сельхозмашины или трактора и хорошо с ними агрегатируется, особенно с тепловыми турбинами. При этом наряду с решением основной технико-экономической задачи, обусловленной двукратным повышением топливной экономичности за счет полезного использования теплопотерь ДВС, а в результате снижения его токсичности и увеличения общего КПД до 68-70 % , создается предпосылка для создания уже в ближайшем будущем принципиально нового, более совершенного транспортного средства - массового электромобиля с большим запасом хода, работающим на тепломеханическом источнике тока.
Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи без приращения добычи.
Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит применить элеваторный (газостати-ческий) принцип создания дополнительного избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды хозяйственных объектов, расположенных вдоль трассы газопровода. Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных условиях прокладки газопровода.
Оснащение приводов буровой и дорожно-строительной техники, различных самоходных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление дизельного или газообразного топлива, что повлечет за собой уменьшение себестоимости газодобычи.
Перевод железнодорожного транспорта на тепловозную тягу с применением ЭВГ сулит резкое снижение эксплуатационных издержек на техническом обслуживании электрических сетей и существенную экономию электроэнергии.
ЭВГ на морских и речных судах может использовать тепло забортной воды, что даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить запасы перевозимого углеводородного топлива, а тем самым повысить полезную грузоподъемность и экологическую безопасность эксплуатации судов при фактически неограниченной автономности плавания. Наряду с этим вместо традиционного винта может осуществляться непосредственное прямое преобразование химической энергии сжигаемых водорода и кислорода в механическую кинетическую энергию в прямоточных реактивных водометных движителях, что упростит конструкцию главного двигателя судна. Плавающие мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость производства МДж тепла в российских условиях при этом составит 0,027-0,04 цента США, а электроэнергии 0,08-0,11 цента.
Схема применения ЭВГ на воздушных судах вместе с теплообменниками, осуществляющими энергетическую связь между ними и турбинными двигателями, дополнительно должна содержать бортовой конденсатор водяного пара вспомогательных газовых турбовинтовых ДВС, работающих на чистой водородно-кислородной смеси, что даст возможность многократно использовать минимальный запас оборотной воды в замкнутом цикле, а также в достатке обеспечить транспортное средство электроэнергией. Такое конструктивное решение повлечет за собой снижение полетного веса за счет уменьшения запаса топлива, а, следовательно, увеличит грузоподъемность самолета в зависимости от его класса и дальности полета на несколько десятков тонн, что резко сократит себестоимость перевозок.
На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным, многократно более дешевым и безопасным топливом.
Утилизация избыточного тепла в угольных шахтах ликвидирует острую проблему безопасности угледобычи, а подземное выжигание остатков угля неперспективных шахт и использование полученного тепла на производство водородного топлива и электроэнергии решит социальные проблемы угледобывающих регионов.
Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в сфере энергообеспечения удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций, фермерских хозяйств, сушилок, тепличных комплексов и т.д. . В последнем случае станет возможным круглогодичное валовое производство дешевой растениеводческой продукции в районах с холодным климатом. Энергетическим источником для ЭВГ при этом может служить теплота любых водоемов, промышленных и бытовых стоков, от сжигания мусора и органических отходов, наружного или внутреннего воздуха (например, метрополитена, шахт, жилых и общественных зданий), различных промышленных паров и газов, в том числе в металлургии, химии и теплоэнергетике, компостных ям в сельском хозяйстве, а также солнечная, ветровая и геотермальная энергия.
Применение изобретения на действующих тепловых и атомных электростанциях существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования теплопотерь. Существует реальная возможность перевода тепловых станций на использование в качестве топлива водорода, полученного при преобразовании теплоты близлежащих водоемов. В этом случае себестоимость производства электроэнергии снизится в 1,5 раза.
В черной металлургии водород заменит дорогостоящий и дефицитный кокс, позволит вести более эффективный внедоменный процесс получения стали, отапливать печи и применять в конвекторах побочно выделяющийся при разложении воды кислород, а не производить его для этой цели специально. При этом трубы металлургических заводов прекратят выбрасывать в атмосферу сотни тысяч тонн углекислоты.
Особый интерес изобретение представляет для специалистов, занимающихся проблемами сепарации различных неорганических веществ, например, обогащением урана. Предлагаемый способ позволяет просто и эффективно непрерывно разделять изотопы U235 и U238 , одновременно выделяя их из водного раствора в виде металлического порошка, то есть объединить эти два различных процесса в одном высокопроизводительном малогабаритном аппарате.
Простота конструкции ЭВГ для промышленных предприятий дает возможность в течение нескольких месяцев освоить серийный выпуск некоторых наиболее простых модификаций генератора для нужд малой энергетики без особых организационно-технических усилий и значительных капиталовложений. Модернизация действующего грузового автомобильного и автобусного парков в стране может являться первым этапом широкомасштабного внедрения изобретения на транспорте. Несколько больших затрат средств и времени потребуется на разработку ЭВГ для других видов транспорта и мощных энергетических комплексов, но и конечные качественные результаты будут здесь несопоставимо выше. При серийном выпуске генератора в специфичных российских условиях себестоимость производства этого изделия оценивается порядка 15-25 $/кВт тепловой мощности. Расчетная рентабельность капиталовложений в освоение новации составляет более 60 % при сроке окупаемости менее 1,5 лет. Годовой экономический эффект применения генератора в среднем порядка 40-60 долл. на киловатт его тепловой мощности. Кроме того, промышленная продукция, включающая в себя ЭВГ, повышает экспортные возможности предприятий-производителей. Первоначальные затраты на изготовление действующего макета ЭВГ даже при накладных расходах предприятия 1200-1500 % не превышают 6000$.
«Водородный» автомобиль
Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве топлива водород, уже к 2010 г.
|
Топливный элемент — устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики утверждают, что их продукция — это по сути дела "вечная батарейка", имеющая весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи, "топливный элемент" не нуждается в подзарядке.
Подписав соглашение о партнёрстве с Renault, специалисты Nuvera планируют уже к 2004 году полностью завершить разработку системы, производящей из водорода специальное "топливо" для новых двигателей в промышенных масштабах. Renault, в свою очередь, сразу же возьмёт на вооружение новые технологии и будет использовать их в производстве своих автомобилей.
Вообще-то усилия Nuvera направлены на создание водородного двигателя, который бы был полноценной альтернативой традиционным бензиновым и дизельным моторам. А автомобили с такими двигателями по своим техническим характеристикам ни в чём не уступали обычным машинам. Но это — планы на будущее, хоть и не очень далёкое.
Пока же речь идёт только о гибридных двигателях, способных работать и на обычном топливе.
Toyota Highlander с гибридной силовой установкой FCHV-4.
Тем временем другой автогигант — японская Toyota — уже к концу 2002 года планирует выпустить в продажу небольшое количество внедорожников Highlander. Эти автомобили оборудованы гибридной силовой установкой FCHV-4, использующей в качестве топлива и бензин, и водород.
Впрочем, Toyota не ожидает бешеного спроса на экспериментальные модели. Отсутствие сегодня "водородных заправок" и сервисной инфраструктуры — основное препятствие для широкого распространения новинки.
Пока же специалисты сходятся во мнении, что массового "наступления" автомобилей на гибридных, а затем и чисто водородных двигателях, следует ожидать не раньше 2010 года.
В общем, поживём — увидим. Если к тому времени сквозь выхлопные газы хоть что-нибудь удастся разглядеть.
«Водородные батарейки»
Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель, который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.
Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный