Проблемы прямого преобразования энергии

Прямое преобразование химической энергии в механическую, происходит, например, при мышечной деятельности живых существ. Подобное превращение удалось испытать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленка может совершать полезную механическую работу. Для возбуждения процессов сжатия и расширения в лабораторных моделях применялись коллогенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.

Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в созданных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок. Приведенные способы прямого преобразования энергии не являются примером промышленного производства энергии.

Производство электроэнергии на тепловых станциях осуществляется по классической схеме: химическая энергия топлива –> тепловая энергия –> механическая энергия –> электроэнергия. При прямом преобразовании химической энергии в электрическую повышается КПД и экономятся материалы. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта, как одного из основных потребителей энергоресурсов вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие ресурсы энергии с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем столетии (рис.9.5).

Примеры широко применяемых устройств прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различного рода аккумуляторы. В предложенных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принцип их действия аналогичен принципу действия электрохимических элементов. Однако электроды топливных элементов служат катализаторами и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Например, в водородкислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны (рис. 9.6). В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготовли-вается из пористого никелькерамического сплава с включением никелевых частиц, а катод – из того же сплава с включениями частиц серебра. Из 1 кг водорода в водородкислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. В таком элементе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Почему же они широко не внедряются и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на данный вопрос включает пока нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Во-первых, водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать. Во-вторых, несмотря на оригинальные предложения по накоплению водорода в некоторых гидридах металлов, проблема его безопасного хранения и транспортировки требует дальнейших технических совершенствований.

И все же в последние годы автомобилю с электрическим двигателем, т. е. электромобилю уделяется все больше внимания. Не так давно германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он набирает за 20 с скорость 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая – около 350° С, что делает его взрыво- и пожароопасным.

Практический интерес представляют топливно-гальванические элементы, особенно воздушно-алюминиевые, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава, а электролитом, к примеру, – водный раствор поваренной соли. Электрический подзаряд такому элементу не нужен, энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. Идет такой процесс окисления с КПД около 80%, и сгоревший при комнатной температуре 1 кг алюминия способен выделить примерно столько энергии, сколько даст 1 кг каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре. Достоинств у таких источников энергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики. А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его процесса производства. Такой недостаток можно свести к минимуму при внедрении, например, новой технологии получения алюминия, (см. рис. 9.7). При промышленном освоении такой технологии алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. В обычных батареях, в которых преобразуется энергия химического процесса взаимодействия цинка и оксида ртути, используется водный электролит. Литий-йодные батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах батареи получить сравнительно большую емкость и увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах, обеспечивающих нормальный ритм работы сердца. Срок их службы в несколько раз больше, чем обычных батареек, и составляет до 10 лет, а это означает, что данные батареи позволяют сократить число хирургических операций для вживления электрокардиостимулятора.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии.