Использование альтернативных источников энергии

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.

| |

|Схема расположения топливных |

|элементов внутри автомобиля. |

| |

Nuvera — небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся

разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и

дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный

элемент" (Fuel Cell).

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4