12. Методи прямого перетворення енергії

Розглянуті вище методи перетворення енергії пов’язані з використанням теплоти в процесі її одержання. Разом з тим існують пристрої, за допомогою яких можна здійснити пряме перетворення енергії безпосередньо в електричну оминаючи стадію одержання теплоти, яка пов’язана з досить низьким коефіцієнтом корисної дії. Установки, в яких перетворення теплоти в електроенергію відбувається без таких проміжкових стадій, як перетворення теплоти в кінетичну енергію потоку робочого тіла (гази, пара) з наступним обертанням ротора турбіни, називають установками прямого перетворення теплоти. Установки такого роду не знайшли поки що широкого практичного застосування, особливо в енергетиці. До таких відносяться електротехнічні, термоелектричні, магнітогідродинамічні та інші установки. На сьогоднішній день стала більша зацікавленість в установках такого роду в зв’язку із зменшенням запасів органічного палива в енергетиці. Розглянемо основні принципи прямого перетворення енергії.

12.1. Хімічні методи перетворення енергії

Розглянемо спочатку використання енергії зв’язку з ядрами в атомах, або енергію зв’язку атомів в молекулі. Таку форму енергії, яка має електричну природу назвемо хімічною. Пристрій, за допомогою якого можна перетворити цю енергію безпосередньо в електричну часто називають електричною батареєю. Електрохімічний метод прямого перетворення енергії з часом знайде широке застосування у виробництві електроенергії, якщо буде вирішена низка труднощів, що виникають на цьому шляху. Досить вказати на ідею використання електричного автомобіля з метою вирішення проблеми забруднення оточуючого середовища шкідливими викидами двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Розглянемо використання електричних батарей як джерела енергії.

Рис. 12.1. Принципова схема електрохімічного елемента

На рис. 12.1 показана принципова схема електрохімічного елемента. На одному з електродів (аноді) речовина, яка являється паливним елементом, віддає електрони (е^-), а на другому електроді (катоді) відбувається відновлення (поглинання) електронів речовиною, що відіграє роль окиснювача.

Між електродами знаходиться електроліт, який забезпечує рух йонів від одного електрода до іншого, а перенесення електронів між електродами здійснюється по зовнішньому колу. Електрична батарея являє собою комбінацію включених послідовно або паралельно декількох електрохімічних елементів. Батареї можна умовно розділити на первинні або вторинні в залежності від того, чи мають йонні реакції оборотний характер чи ні. Батареї є досить зручними нагромаджувачами енергії в тих випадках, коли на протязі короткого періоду часу можуть підтримувати порівняно досить великий струм при стабільній напрузі. Вони характеризується компактністю, прості в експлуатації і не забруднюють довкілля. Деякі типи батарей на сьогоднішній день знайшли широке застосування. Тип батарей для конкретних умов праці визначається за наступними показниками:

- кількістю енергії, яка припадає на одиницю маси;

- напругою;

- дефіцитом матеріалів, що використовуються для її споживання.

Ще в XIX ст. Фарадей доказав, що в процесі проходження електричного заряду, що дорівнює 9,648510⁴ Кл, через електрохімічний елемент на аноді виділяється 1 грам-молекула речовини для одновалентних речовин. Величину F називають числом Фарадея. Результати експериментів, виконаних Фарадеєм, описуються рівнянням:

, (12.1)

де G - кількість речовини, яка виділилась в процесі; I - сила струму; М - молекулярна маса речовини; t - час; n- валентність.

Важливим параметром при виборі матеріалу електродів являється різниця потенціалів між розімкненими електродами. Відмінність електрохімічного елементу від теплових двигунів полягає в його здатності створювати електричний струм. Ця властивість елемента повинна бути врахована при формулюванні першого закону термодинаміки. За умови, що струм відводиться від елемента оборотно, величина заряду, який переноситься між електродами, буде дорівнювати:

, (12.2)

де dN - еквівалентна маса речовини, яка переноситься (в грам-еквівалентах).

Робота, яку здійснює електричний струм, дорівнює добутку різниці потенціалів E на величину заряду, який переноситься

. (12.3)

З врахуванням рівняння (12.3) перший закон термодинаміки буде мати наступний вигляд:

. (12.4)

Якщо є можливість для даної системи розраховувати , то з рівняння (12.4) можна визначити Е за умови, що dV = 0.

Хімічні реакції в електрохімічному елементі протікають переважно при Т = const і р = const. Тому, використовуючи термодинамічне співвідношення, визначення E можна спростити, якщо ввести нову термодинамічну функцію (ізобарно-ізотермічний потенціал системи):

. (12.5)

З врахуванням ентальпії рівняння (12.4) і (12.5) можна записати у вигляді:

. (12.6)

При p=const і T=const одержимо

. (12.7)

де вираз n F характеризує заряд, який переноситься в системі.

Значення потенціалу Гіббса, який відраховується від стандартного стану, можна знайти в таблицях термодинамічних властивостей речовини. Таким чином можна розрахувати різницю потенціалів для різних реагуючих речовин. Найпоширенішим типом електрохімічної батареї є свинцевий (кислотний) акумулятор, який використовується в автомобілях. Анодом (джерелом електронів) служить пористий свинець, а катодом (поглиначем електронів) - набір сіток, заповнених перекисом свинцю (PbO₂). Електролітом служить слабкоконцентрована сірчана кислота. В процесі розряджання в акумуляторі протікають такі спрощені хімічні реакції:

на аноді

Pb + H₂SO₄  PbSO₄ + 2е^- + 2H⁺ ; (12.8)

на катоді

2PbO₂ + 2H₂SO₄ + 2е^-  2PbSO₄ + H₂O + O₂^2- . (12.9)

Акумулятор може працювати дуже довго, поки обидва електроди не покриються сульфатом свинцю (PbSO₄).

Для відновлення роботи акумулятора необхідне його перезаряджання, при якому вищенаведені реакції зміняюють свій напрямок на протилежний.

Джерелом електронів при заряджанні є зовнішня електромережа. Потрібно зазначити, що регенеровані в процесі заряджання свинець і перекис свинцю (Pb, PbO₂) не розподіляються в такому вигляді як на початку, що призводить до втрат його здатності виробляти електроенергію.

В процесі розряджання частина йонів Н⁺ і О^- рекомбінується на відповідних електродах з утворенням Н₂ і О₂, тому час від часу замість відпрацьованої води необхідно заливати свіжу. Для боротьби з цим явищем додають в невеликих кількостях добавки кальцію, що дає можливість перейти до виготовлення герметичних акумуляторних батарей. Разом з тим, свинцеві акумулятори мають низку суттєвих недоліків, до яких відносяться порівняно великі габарити, мала кількість акумульованої енергії на одиницю маси та інші. Перевага свинцевих акумуляторів над іншими - низька собівартість. Зазначимо, що застосування акумуляторних двигунів для автомобілів неможливе без належного вдосконалення технології виготовлення електрохімічних елементів. В цьому напрямку значних успіхів досягнуто в області розроблення паливних елементів для космічних кораблів.

Нові розробки спрямовані на створення батарей з великими питомими потужностями, малогабаритних та дешевих. За останні роки експерименти зосереджувалися навколо дослідження електрохімічних джерел, електродами яких є лужні метали і галогени (Na - S; Li - S; Li - Cl₂).

З іншого боку, для ефективного використання цих матеріалів необхідно вирішити низку проблем, до числа яких відносяться вибір електроліту, підзарядка елементів, попередження виникнення корозійної активності та інше.

На сьогодні досить глибоко досліджено другий тип електрохімічного пристрою для перетворення енергії - паливний елемент.

Паливний елемент - це звичайний електрохімічний елемент, який відрізняється тим, що активні речовини подаються до нього ззовні, а електроди в електрохімічних перетвореннях не приймають участі. Принципова схема паливного елемента показана на рис. 12.2.

Принцип роботи такого елемента полягає в тому, що електрони забираються від активної речовини на аноді А і переносяться йонами по електроліту, після чого здійснюється рекомбінація з окиснювачем на катоді К з утворенням стабільних продуктів реакції, які відтак необхідно видалити з елемента. В паливних елементах досліджено багато активних речовин, до яких відносяться передусім гази (киснево-водневий паливний елемент) оскільки їх подача до елемента з постійними витратами здійснюється найпростіше.

Рис. 12.2. Схема паливного елемента

Досягнення в області вдосконалення електрохімічного перетворення енергії дуже залежить від собівартості вироблення електроенергії цим методом порівняно з іншими.

Очевидно, що чим вищим буде ККД електрохімічного перетворення енергії, тим більшою є ймовірність економічності даного методу.

Теоретично можливий ККД електрохімічного перетворення енергії завжди менший від одиниці, хоча існувала думка, що за допомогою цього методу можна одержати ККД, що дорівнює одиниці.

Реальний ККД електрохімічного перетворення енергії дорівнює відношенню кількості виробленої енергії до спожитої хімічної енергії, тобто

де N - еквівалентна маса речовини, яка переноситься в процесі; U - реальна різниця потенціалів (вона завжди менша за визначену за рівнянням (12.7).

В технічній літературі часто використовуються поняття ККД елемента за напругою та струмом. Перший визначається за формулою:

, (12.11)

де Е для оборотного процесу розраховується за формулою (12.7).

Другий визначається за формулою:

, (12.12)

де М_р - швидкість електрохімічної реакції, моль/с.

ККД елемента за напруою переважно дорівнює 5060 %, а ККД за струмом значно вищий.

Створення дешевих паливних елементів з високим ККД (60 %), які працювали б на органічному паливі, дало б можливість зберегти паливні ресурси на багато сотень років. Цілу низку проблем, які виникають в зв’язку з розміщенням АЕС, можна було б ліквідувати, якщо передавати на велику відстань не електроенергію, а, наприклад, водень. Наприклад, АЕС, яка розташована на плавучій платформі, може виробляти водень проводячи електроліз морської води. Одержаний таким чином водень можна транспортувати трубами подібно до транспортування газу до споживачів, забезпечених паливними елементами. Втілення в життя таких проектів вимагає вирішення низки проблем, пов’язаних з розробленням необхідних матеріалів, надійних конструкцій електродів, вибором електролітів і т.п.