К 1980 году эти энергетические властелины так делили свою власть: нефть -45%, уголь-25%, газ-19%. Суммарно 89% - углеводороды доминируют над другими вторичными источниками энергии. Но уже сейчас, в начале 21 века, можно предсказать, что энергетический трон может вскоре  оказаться без владыки.

В 1860 году во всем мире добывали только 72 тыс. тонн нефти, а уже в 1980 году из земных недр выкачали 3064,4 миллиона тонн. В десятки тысяч раз больше. Однако, запасы нефти не безграничны. И засилье нефти в энергетике – дело временное.

Экология. Это слово ворвалось в жизнь людей стремительно, шумно, с обвинениями, попреками, мрачными прогнозами о будущем планеты. Наибольшую сумятицу экология внесла в мышление энергетиков. Многие энергетические технологии были поставлены под сомнение. Особенно досталось углю, а также нефти и другим углеводородам. На них было составлено досье, называющееся: «Индекс стресса и ранг опасности различных загрязнений для биосферы».

Экологи сделали смелый шаг – применили понятие стресса к воздействию человека на окружающую среду. Была составлена таблица, в которой отнюдь не почетные первые места заняли загрязнения, возникающие при сжигании угля.

К счастью для человечества, энергетическую эстафету подхватил атом.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель (1852-1908), французский физик, открыл радиоактивное излучение солей урана. А еще через два года Пьер Кюри и его жена Мария Кюри-Склодовская, продолжая начатое Беккерелем, открыли в урановой смолке (минерал уранинит) радий. Радий («лучистый») – естественный радиоактивный химический элемент. При распаде атомов в грамме радия за час выделяется около 550 джоулей теплоты.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

На виду у всех атом сделал быструю энергетическую карьеру. От атома ждали чудес. Только, кажется, что шаги его были до поры до времени неслышными. Лишь изредка раздавались пророческие голоса – и об опасности для человечества, которую таит в себе атом, и о его же благе для земной цивилизации (всего один грамм урана по запасам энергии эквивалентен полутора тоннам высококачественного донецкого антрацита).

К концу 1973 года в США ядерная энергетика давала только 5% электроэнергии, сейчас же около 50% общего производства электроэнергии.

Большую сложность в атомной энергетике вызывают радиоактивные отходы, которые при этом будут накапливаться. Плутоний является одним из наиболее токсичных элементов, период полураспада радиоактивного  изотопа 239Pu составляет 24 400 лет. Такие материалы должны храниться в течение многих тысяч лет под практически постоянным наблюдением.

Как видим, и атомная энергетика не является окончательным решением энергетических проблем. Реальность оказалась несколько иной, чем ожидания.

ТОПЛИВНЫЙ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЭКОНА


В 1939 году английскому инженеру экону удалось создать водородно-кислородный топливный элемент с плотностью тока в 13 миллиампер с квадратного сантиметра, работавший при температуре 100оС и давлении 200 атмосфер. Этот элемент проработал всего 48 минут.

Десять лет усилий дали уже неплохой результат: при давлении 27 атмосфер и температуре 200оС элемент Бэкона давал токи до 230 миллиампер и мог работать непрерывно много тысяч часов. В 1959 году Бэкон сконструировал и построил целую батарею из 40 топливных элементов общей мощностью в 6 киловатт, КПД – 80%.

Наконец-то (через 120 лет после открытия Грова) был создан работающий топливный элемент. Батарея Бэкона могла приводить в действие электрокар, циркулярную пилу, сварочный аппарат.

Все говорило о том, что топливные элементы вышли из стадии лабораторных исследований.

СЕКРЕТ УСПЕХА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ


Если в водородно-кислородном топливном элементе водородный электрод сделать из свинца, то для сжигания 1 см 3 Н 2 потребовалось бы ни много, ни мало десятки тысяч лет. В тех же условиях на платиновом электроде 1 см 3  Н2 расходуется всего за 1 час.

Практика показала, что не каждое сочетание двух электродов и электролита дает обильный ток. Используя платину, с 1 см3 электрода при сжигании водорода  удается снять токи порядка миллиампера. Техника же требует токи в тысячи раз большие.

Технике нужны амперы? Значит, электроды должны быть огромных размеров. Но платина дорога. Если взять более дешевый никель, в рублях выигрыш будет, но в скорости электрохимических превращений нет. Теперь уже, чтобы получить тот же ампер, надо соорудить никелевые электроды в сотни и даже тысячи квадратных метров.

Проблему удалось решить с помощью пористых  электродов.  Идея пористых электродов проста – чем мельче в электродах поры, чем этих пор больше, тем больше и внутренняя поверхность электрода. Особенно показателен уголь: в одном его грамме заключены сотни и даже тысячи квадратных метров (гектары) поверхности.

Откуда набегают такие цифры? Для ответа проще всего взять кубик (1 см3) любого вещества, его площадь поверхности составляет - 600 мм 2, и раздробить его.

Разделим кубик на 1 000 более мелких кубиков (ребро длиной 1 мм) и рассчитаем их суммарную поверхность. Легко видеть, что вместо начальных 600 мм 2 поверхности мы уже имеем 6 000 мм 2 поверхности суммарной площадью. Если продолжать дробление  кубика, на кубики с ребром миллимикронных размеров (1 ммк=10-9 м), то суммарная площадь уже будет составлять – 6 000 000 000 мм 2 или 6 000 м 2 суммарной поверхности. И вся эта уйма площади заключена в 1 см 3 объема.

Таким образом, 1 г платины, раздробленный до частичек размером  0,01 мк, мог бы обеспечить токи в несколько тысяч ампер. Казалось бы для таких токов и драгоценной платины не жалко. Однако трудности еще не закончились.

В электрохимических процессах, идущих на любом из электродов топливного элемента, обязательны три главных действующих лица.1)  Газ - например, водород, являющийся топливом. 2) Электролит - поставщик ионов. 3)Катализатор - например, платина, которая не только катализирует процесс, но и служит проводником для образующихся электронов. И все эти действующие лица должны действовать совместно.  Вот тут и начинаются трудности.

Чтобы получить большие токи, надо нашпиговать поры электрода одновременно и газом и электролитом, хотя они взаимно вытесняют друг друга.

Свести несовместимое – эту задачу надо было решить. Над ней ломали голову и столетие спустя после открытия Грова.

Вопрос оптимального обеспечения пор электрода и электролитом, и газом был решен. Сработала идея – сделать поровое пространство частично гидрофильным (свойство материалов удерживать воду), частично гидрофобным (свойство материалов не смачиваться водой). Ясно, что в гидрофильно-гидрофобной пористой среде раствор электролита будет проникать в электрод лишь по гидрофильным порам, по порам с гидрофобными стенками пойдет газ. Поверхность встречи «газ – электролит – металл», а вместе с ней и ток станут большими.

Только в последние десятилетия химики сумели синтезировать химически стойкие гидрофобизаторы. Особую известность среди них получил фторопласт - 4.

При смешении порошка фторопласта с мелкими зернами катализатора получается материал, в котором как бы «встроены» в пористый электрод каналы для подачи  газа.

Фторопласт круто изменил судьбу топливных элементов. Эти меры и обусловили успех дела: топливные элементы стали конкурентоспособными.

ОСОБАЯ РОЛЬ ПЛАТИНЫ


Платина и ее сородичи (благородные металлы платиновой группы: палладий, родий, иридий, рутений, осмий) обладают совокупностью противоречивых свойств. С одной стороны они не образуют прочных химических связей с реагентами и продуктами химических реакций, ведут себя по отношению к ним инертно, сами не изменяются в химических превращениях и в то же время  ускоряют эти превращения. А с другой стороны, платина хорошо адсорбирует, хорошо удерживает на своей поверхности всевозможные химические вещества, что облегчает сближение, вступающих в химическую реакцию веществ. Таким образом, платина и члены ее подгруппы одновременно и активны и пассивны.

Кроме этих свойств, платина не боится ни кислот, ни щелочей, не растворяется в любом электролите. Обладает она и ярко выраженными металлическими  свойствами: легко подводит и отводит электроны от границы электрод-раствор, где протекает реакция.

Вот эта гамма свойств и обусловила уникальное положение платины среди электрокатализаторов.

Ученые всего мира работают над проблемой замены дорогих катализаторов на более дешевые, но с такими же свойствами как у платины.

Перебирая всевозможные вещества и их комбинации, электрохимики случайно обнаружили замечательные свойства  карбида вольфрама. Это соединение прекрасно адсорбирует водород и не страшится кислотных электролитов (до карбида вольфрама с этим справлялась только платина).

Успешны были и исследования немецких ученых по замене платины в водородно-кислородном топливном элементе на особые «скелетные катализаторы». Их получают, сплавляя металл-катализаеор с алюминием. Затем алюминий удаляют растворением сплава в щелочи: остается  высокопористый, с развитой удельной внутренней поверхностью порошок катализатора, имеющий высокую каталитическую активность.


ЧТО ГОРИТ В ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ


Топливо (дрова в костре, уголь, нефть) состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны; атомы кислорода (окислитель) наоборот, приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа: 

С + О2 = СО2 + Q  (I)

Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующие в горении, приобретают большие скорости, а это означает весьма значительное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, появляется видимое нами пламя.

Передача электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в тепловую энергию.

Горение – обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток – тоже движение электронов, только упорядоченное. Нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получить электрический ток? Возможно ли «холодное» горение, организованное и упорядоченное? Вспомним опыт Грова. Он сжигал в кислороде водород. Напишем химическую реакцию обычного горения водорода:

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6