Использование теплоты низкого потенциала

Еще М.В. Ломоносов говорил, что даже в холодной воде теплоты предостаточно. Любое тело, температура которого отличается от абсолютного нуля, обладает запасом тепловой энергии. Проблема состоит в том, что теплота низкого потенциала (т.е. при низкой температуре) непригодна для прямого использования. Согласно законам термодинамики, для повышения энергетического потенциала необходимо затратить энергию.

В тепловых насосах теплота тела с низкой температурой (например, речной воды в зимнее время) используется для отопления. В этом устройстве температура теплоносителя (обычно фреона), отобравшего теплоту от наружного низкотемпературного теплоисточника, повышается за счет затраты механической энергии до такого уровня, который пригоден для отопительных целей.

Тепловая схема теплового насоса представлена на рис. 4.4.

Рисунок 4.4 – Схема теплового насоса:

1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – дроссель

В испарителе 1 жидкий фреон испаряется при температуре за счет подвода теплоты из низкотемпературной окружающей среды. В компрессоре 2 пар сжимается с повышением температуры до , причем затрачивается механическая энергия . Далее фреоновый пар поступает в конденсатор 3, в котором он, конденсируясь в жидкую фазу, отдает теплоту в отопительную систему. Образовавшийся конденсат дросселируется в дроссельном вентиле 4, и влажный пар фреона снова поступает в испаритель 1.

В отличие от холодильной установки, где теплота, отнятая от охлаждаемого тела, сбрасывается в окружающую среду, в тепловом насосе окружающая среда является источником теплоты, которая передается на более высокий температурный уровень отопительной системы.

Совершенство теплонасосной установки определяется количеством теплоты, передаваемой в отопительную систему за счет единицы затрачиваемой механической энергии, и характеризуется величиной отопительного коэффициента :

. (4.7)

Величина отопительного коэффициента зависит от температур теплоисточника (окружающей среды) и обогреваемого помещения. В реальных установках он имеет значение от 3 до 4. Соответственно он дает значительную экономию по сравнению с непосредственным электронагревом.

В Западной Европе теплонасосные установки получили широкое распространение. В Швеции более 50% домов обогреваются тепловыми насосами. В России в последние годы XX века работали всего 3000 тепловых насосов с мощностью от 10 кВт.

Водородная энергетика

Водород является идеальным топливом с высокой теплотой сгорания и безвредным продуктом горения – водяным паром. В мире ведется обширный объем исследований в области водородной энергетики – получения и использования водорода как энергоносителя. Потребление водорода в мире в конце XX века составляло около 200 млрд. нм³/год, из которых примерно 100 млрд. шло на производство аммиака и примерно 80 млрд. – на другие нужды химической и нефтехимической промышленности.

Водород является универсальным энергоносителем. Он может применяться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок, тепловых электростанций, в технологических установках промышленности, в быту. Высказываются опасения по поводу взрывоопасности «гремучего газа» – смеси водорода с воздухом. Однако так же взрывоопасна и смесь природного газа с воздухом, известны единичные случаи аварий при ее взрывах, что не мешает широкому применению природного газа. В г. Базель (Швейцария) по городской сети десятилетиями безаварийно подается газ, содержащий 80% водорода.

Водород можно получать термохимическим способом – нагревом водяного пара в присутствии различных катализаторов. Так, реакция:

приводит к образованию щелочи едкого калия. Затем добавляют калий и подводят теплоту при температуре 700°С, в итоге получают реакцию:

.

Прорабатываются проекты получения водорода термохимическим гидролизом с использованием высокотемпературных ядерных реакторов. Применяются также термохимические способы получения водорода из природного газа и нефти.

Самый распространенный в настоящее время метод электролиза воды основан на реакции:

.

Электролиз может осуществляться в жидкой фазе при низкой температуре. Работают установки низкотемпературного электролиза воды мощностью до 3 МВт. Электролитические ванны оборудованы никелевыми электродами, в воду добавляются соли калия. КПД процесса электролиза достигает 85%. Для широкого распространения производства водорода электролизом необходима дешевая электроэнергия, которую можно получать с ТЭС и АЭС в часы провала нагрузки.

Применение водородного топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания приводит к повышению их КПД и резкому улучшению экологической чистоты воздуха в городах. Газообразный водород имеет низкую плотность, поэтому его транспортировка в баллонах привела бы к увеличению массы и снижению дальности пробега автомобилей. Вопрос решается с применением связывающих водород гидридов металлов (например, гидрида титана ), которые при небольшой массе способны связывать очень значительные объемы водорода. «Кирпичик» из гидрида титана объемом 10 см³ способен хранить в себе 1,68 нм³ водорода. Водород извлекается из гидридов при их нагреве, например, отработавшими в двигателе газами.

Водородное топливо применялось в космической технике. В частности, на нем работали двигатели третьей ступени ракеты «Аполлон», на которой американские астронавты посещали Луну. Эта ступень массой 90,7 т несла в своих баках 242 м³ жидкого водорода.

Весьма перспективно применение водорода в металлургии. Железная руда станет восстанавливаться водородом с получением губчатого железа при температуре 800-1150°С. Сталь будет выплавляться из губчатого железа в дуговых электропечах. Таким образом, возможно исключить современные энергоемкие и экологически грязные металлургические производства – коксохимическое, доменное, кислородно-конвертерное. Такое производство осваивается в Японии. Его значение возрастает в связи с дефицитом коксующихся углей. Так, Россия вынуждена импортировать для своих домен коксующийся уголь из Карагандинского бассейна (Казахстан). Водород может также служить сырьем в ряде химических технологий. Водород является оптимальным сырьем для топливных элементов, в которых электрический ток генерируется из химической энергии потребляемых компонентов, минуя тепловую энергию.

Прямое преобразование химической энергии в электрическую происходит в топливных элементах без потерь, связанных с необходимостью отдавать часть подведенной теплоты в окружающую среду по второму закону термодинамики, поэтому топливные элементы имеют высокий КПД. При их работе практически не загрязняется окружающая среда. По принципу действия работа топливного элемента противоположна электролизу воды.

Водородно-кислородный топливный элемент (см. рис. 4.5) работает следующим образом. Сосуд заполнен электролитом – например, раствором серной кислоты слабой концентрации. В элемент встроены каталитически активные платиновые электроды, один из которых является анодом, другой – катодом. Они соединены внешней электрической цепью.

Рисунок 4.5 – Схема водородно-кислородного топливного элемента

Электроды разделены полупроницаемой мембраной. К одному электроду подается водород, к другому – в эквивалентных количествах кислород. На катоде молекулы водорода , благодаря каталитическому действию платины, распадаются на атомы, которые переходят в ионы . Освободившиеся электроны через внешнюю цепь устремляются к аноду, создавая в цепи электрический ток. Положительные водородные ионы проходят через полупроницаемую мембрану в другую половину сосуда. На аноде пришедшие по электрической цепи электроны, атомы кислорода и положительные ионы водорода образуют нейтральные молекулы воды , поступающие в раствор. Включенная в электрическую цепь нагрузка потребляет электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом.

В результате реакции химическая энергия пары реагентов водород-кислород превращается в электроэнергию. Напряжение в цепи одного топливного элемента составляет около 1 В, поэтому элементы объединяются в батареи. КПД современных водородно-кислородных топливных элементов составляет около 80%.

В качестве исходного энергоносителя для топливных элементов могут использоваться, кроме водорода, и другие горючие газы, более дешевые и доступные. В качестве электролита могут применяться растворы солей, что позволяет повысить температуру и скорость химического преобразования. Топливные элементы пока еще дороги, и поэтому применяются в основном там, где цена не играет решающей роли (например, в космической технике). Крупные транснациональные компании ведут работы по совершенствованию процессов получения и использования водорода и топливных элементов. Хотя водород и не относится к первичным энергоносителям, его использование дает возможность существенно повысить качество энергопотребления и энерготехнологий.