Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Металлоэнергетика

Нефть является самым потребляемым энергетическим ресурсом, на втором месте по потреблению стоит уголь, на третьем природный газ. Однако потребность в экологически безопасных энергоносителях стимулирует поиск новых источников энергии. Могут ли металлы служить топливом и каковы перспективы металлоэнергетики?Нефть как источник энергииБывший министр нефти Саудовской Аравии как-то сказал: Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас иссякнут запасы нефти. Нефть сегодня является самым потребляемым первичным источником энергии и составляет треть от всей энергии. Более 60% нефти идет на производство моторного топлива для транспорта, и она является основой нестационарной энергетики, то есть почти всего транспорта: автомобили, воздушный и морской транспорт. По последним данным крупнейших нефтяных компаний, мировые разведанные запасы нефти оцениваются в 1700 миллиардов баррелей. При текущем уровне потребления это означает, что нефти хватит еще на 50 лет а 50 лет назад были такие же прогнозы.Нефтяной век вряд ли может закончиться от нехватки этого ресурса. По данным Международного энергетического агентства, 70% всех антропогенных выбросов происходит от энергетического сектора скорее с человечеством что-то произойдет, нежели истощатся запасы нефти. Например, закончится кислород, в котором мы углеводородное топливо сжигаем. Вернее, концентрация кислорода в атмосфере будет уменьшаться, концентрация углерода увеличиваться, а парниковый эффект усиливаться. Поэтому у нас есть два сценария: пессимистичный, который был только что описан, и оптимистичный, о котором речь пойдет далее.В энергетике в целом и в транспортной энергетике в частности требуются такие решения, которые способны обеспечить устойчивое развитие человечества на многие десятилетия вперед. Одной из главных экологических проблем сегодня является загрязнение воздуха в городах основным источником загрязнения выступает транспорт. Для кардинального решения этой проблемы предлагаются либо электродвигатели на основе аккумуляторных батарей, либо двигатели на водородном топливе. Однако и в том и в другом случае мы сталкиваемся с определенными проблемами.Аккумуляторные батареи и водородное топливоЕсли говорить про электромобили, то увеличение числа аккумуляторных батарей неизбежно приведет к нагрузке на городские электросети. Рассмотрим аккумуляторную батарею емкостью в 75 киловатт-часов такая емкость используется в электрокарах. Чтобы зарядить подобную аккумуляторную батарею в течение часа, потребуется мощность 75 киловатт. Если мы заряжаем ее в течение пяти часов, нам нужна будет мощность 15 киловатт. По Москве сегодня ежедневно передвигаются около 3,5 миллионов автомобилей. Представим, что все они вдруг превратились в электромобили. Чтобы их зарядить в течение часа, потребуется мощность порядка 260 миллионов киловатт, или 260 гигаватт. Всей установленной мощности электростанций страны не хватит, чтобы это обеспечить, установленной мощности, а не той, которая реально используется: если все электростанции в стране зарядить по максимуму, этого не хватит для зарядки электромобилей в Москве.Что такое емкость в 75 киловатт-часов? Сравним ее с топливным баком, чтобы обычному автомобилисту было понятно, что это за емкость. Переведем киловатт-часы в мегаджоули: для этого умножаем на 3,6 получаем 270 мегаджоулей. Теперь с учетом КПД двигателя внутреннего сгорания в 25% посчитаем, какой запас энергии нам нужен, получается 1080 мегаджоулей. Делим это на удельную энергоемкость бензина, которая составляет 33 мегаджоуля на литр, и получаем 32 литра. То есть емкость аккумуляторной батареи в 75 киловатт-часов соответствует запасу бензина в 32 литра, и весить такая батарея будет почти полтонны (если это грузовик с аккумуляторной батареей, то ее вес будет сопоставим с весом самого грузовика). Это не самый большой запас энергии, и далеко на нем не уедешь.Допустим, мы выбрались на электромобиле за город, поехали на природу или в другой город. Вместо топливных заправок вдоль трассы должны быть электрозаправки. Чтобы заряжать автомобиль довольно быстро, хотя бы в течение часа, нужно подвести к этим заправкам соответствующую электрическую мощность. Получается примерно 100 киловатт на один автомобиль, а это мощность нескольких частных домов. Чтобы заряжать пять автомобилей одновременно, потребуется уже мощность 0,5 мегаватта. Такая электрификация заправок в масштабах нашей страны представляется с трудом. Для работы электрозаправок необходимы аккумуляторы электрической энергии большой емкости, а с ними у нас тоже проблемы. Такие аккумуляторы находятся на стадии разработки. Одним из эффективных способов аккумулирования электрической энергии является гидроаккумулирование. Но гидроаккумулирующую электростанцию не везде можно поставить, и удовольствие это тоже недешевое.Потенциальное увеличение аккумуляторных батарей также повлечет за собой дефицит тех редких металлов, которые в них используются. Содержание лития в земной коре в несколько раз ниже, чем содержание углерода, если говорить про литийионные батареи. Кроме того, есть проблема и с кобальтом, используемым в электродах, и его дефицит также может сдерживать развитие этого направления.До того как возрос интерес к электродвигателям, шло активное обсуждение двигателей на водородном топливе. Были разработаны экспериментальные образцы, которые работают и сейчас. Однако водород не имеет широкого распространения в энергетике по той причине, что до сих пор не решены проблемы его хранения и транспортировки: он является одним из самых взрывоопасных газов с низкой плотностью при стандартных условиях. Если взять газообразные углеводородные топлива, такие как метан, пропан или бутан, то они менее взрывоопасны, чем водород, и более экологичны и дешевы, чем бензин и дизель. Но они также не могут вытеснить традиционные жидкие углеводородные топлива по все той же причине: их сложно хранить и транспортировать. А водород в этом смысле еще более неудобный газ.Металлы в качестве энергоносителей и топливаСовременный транспорт сделан из металла, а потребляет в качестве топлива углеводороды. Не исключено, что в будущем он будет сделан из углеводородов, а потреблять металлы. В чем преимущества использования металлов в качестве топлива и энергоносителей? Когда мы используем металл, он сжигается в кислороде или другом окислителе, и вырабатывается энергия, которую мы затем преобразуем в полезную. Процесс примерно такой же, что и в случае с бензином или дизелем, но, в отличие от углеводородного топлива, когда в атмосферу выбрасываются вредные парниковые газы, при окислении металла образуется оксид металла. А для большинства металлов при стандартных условиях оксид металла это твердое вещество, он никуда не улетает. И нам его нужно собирать и возвращать в цикл производства металла.Какие металлы нужны? Если говорить про энергетический масштаб, то следует обращать внимание на те металлы, которые наиболее распространены в природе. Это кислород, кремний (хотя он и не является металлом, но тоже перспективное неорганическое энергоаккумулирующее вещество, которое может гореть с большим выделением тепла), алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и так далее.Щелочные и щелочноземельные металлы активно вступают в реакцию с кислородом, поэтому их нужно хранить в бескислородной среде. Железо и алюминий, наоборот, покрываются на воздухе плотной оксидной пленкой, которая препятствует их дальнейшему окислению. Ключевыми проблемами при создании энергоустановок на металлах являются окисление металлов и преобразование теплоты реакции окисления в полезную энергию.Возможны два принципиально разных способа преобразования химической энергии металла в полезную. Первый это прямое преобразование химический энергии в электроэнергию в металло-воздушных топливных элементах. В качестве анода выступает металл, а в качестве катода воздушный электрод, на котором идет реакция восстановления кислорода. В процессе окисления положительные ионы металла уходят в электролит, где они встречаются с отрицательными ионами электролита. А электроны от металла по внешней цепи идут к катоду, минуя нагрузку, тем самым вырабатывая полезную электрическую энергию. Максимальный теоретический КПД металло-воздушных топливных элементов составляет свыше 90%, а реальный КПД зависит от мощности устройства точнее, от плотности тока и может составлять 5060%.Второй способ преобразования химической энергии металлов в полезную или электроэнергию это их окисление в окислители с последующим преобразованием теплоты с помощью различных тепловых машин. Если говорить про металлы, то, в отличие от углеводородного топлива, использование двигателя внутреннего сгорания здесь затруднительно: при окислении металлов образуются твердые частички, которые быстро приведут в негодность двигатель внутреннего сгорания, если мы будем запускать их туда. Окислителем здесь может являться как кислород, так и вода. При окислении металла в воде металл вытесняет из воды водород, который потом можно направлять как в топливный элемент, так и в двигатель внутреннего сгорания. Преимущество заключается в том, что водород образуется на месте его потребления, то есть нам не нужно его с собой возить.Что касается энергоемкости металлов, то для некоторых из них она одна из самых высоких. Например, у алюминия энергоемкость составляет около 31 мегаджоуля на килограмм, у магния 25 мегаджоулей на килограмм, у железа почти 7,5 мегаджоулей на килограмм. Для сравнения: хороший уголь имеет теплоту сгорания примерно 25 мегаджоулей на килограмм, нефть и нефтепродукты от 40 до 45 мегаджоулей на килограмм. По массе жидкие углеводородные топлива несколько выше, чем металлы, но по объему выше все-таки некоторые металлы скажем, алюминий по плотности энергии почти в 2 раза выше, чем бензин.Когда металлы окисляются, мы получаем энергию и оксид. А чтобы получить металл из оксида, нужно затратить энергию. В зависимости от того или иного металла процесс его образования может отличаться. Алюминий получается методом электролиза. В промышленности используется метод Холла Эру, когда из оксида алюминия алюминий извлекается в присутствии угольных электродов. В этом процессе затрачивается 1415 киловатт-часов электроэнергии, выделяются и углекислый, и угарный газ. Но процесс получения алюминия можно сделать экологически чистым, если использовать вместо угольных электродов инертные аноды, тогда затраты электроэнергии возрастут в 1,4 раза, зато процесс будет экологически чистым. Если, например, у вас есть доступ к дешевой электроэнергии гидроэлектростанции или атомная электростанция, работающая в базисном режиме, то ничего страшного, если вы затратите больше электроэнергии.Железо получается путем восстановления углеродом. Для этого используются стандартные доменные печи. Но железо при этом можно получать и другим способом, скажем прямым восстановлением водородом. Допустим, у вас есть возобновляемый источник энергии либо атомная электростанция, и излишки электроэнергии вы направляете на производство водорода методом электролиза, а уже этот водород уходит на получение железа из его оксида. Смысл здесь в том, что водород сложно транспортировать, а металл легко, даже между континентами. Его намного легче транспортировать, чем сжиженный природный газ. Но процесс получения металла энергозатратен, поэтому стоимость энергии, которая получается от сжигания металла, сегодня выше, чем стоимость энергии, получаемой при сжигании углеводородного топлива. Несмотря на это, многие научные коллективы работают в этом направлении. Вряд ли разработки приведут к тому, что стоимость энергии будет все же ниже, чем стоимость энергии, полученной при сжигании углеводородного топлива, но это не означает, что металлы не смогут быть использованы в качестве энергоносителей.Здесь можно вспомнить слова Томаса Эдисона, который сказал, когда ему возразили, что освещать электричеством это дорогое удовольствие: Мы сделаем электричество таким дешевым, что жечь свечи будут только богачи. Не исключено, что рано или поздно вы приедете на заправку и вместо бензина или дизельного топлива заправитесь тем или иным металлом либо сплавом.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 04.08.2020 20:01:16
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2020, umnikizdes.ru