Химический способ производства энергии

 

Разработка высокоэффективных способов преобразования химической

энергии в другие виды энергии и создание химических способов запасения

энергии в электроемких веществах – два активно развивающихся в последнее

время направления современной химии, которые можно объединить одним

названием – химическая энергетика. В современном энергетическом балансеей пока принадлежит довольно скромное место, но по прогнозам химическойэнергетике в будущем в энергетической структуре мировой экономики предсказывают одно из ведущих мест.

Разработка способов превращения химической энергии в другие виды

энергии – проблема наиболее древняя. Многие тысячелетия она имела единственное решение – сжигание энергоемких веществ – топлив (уголь, нефть,газ, древесина, торф, сланцы и т.д.).Несмотря на огромный технический прогресс в организации процессов сжигания с целью повышения их эффективности (ядерная энергия 0,003 $/М B.T.U.; для угля – 0,2 $/ B.T.U.; нефть – 0,4 $ /М B.T.U.), этот способ остается наименее экономичным. Значительно болееэкономично прямое преобразование химической энергии в электрическую,т.е. сжигание топлив в электрохимических топливных элементах, созданиеэлектрокаталитических способов сжигания и повышения коэффициента преобразования энергии в электрохимических топливных элементах. В этом направлении имеется ряд достижений, достаточных для практического использования электрохимической энергетики в малых масштабах, но не достаточных еще для того, чтобы организовать на электрохимическом принципе«большую энергетику».

Если электрохимический процесс станет важной частью превращенияэнергии в будущем, можно утверждать, что классический носитель энергии –углерод – больше не будет самым подходящим. Это можно пояснить следующими положениями:

1) ряд элементов в верхнем левом углу периодической таблицы может

дать больше, чем углерод, количество энергии на единицу массы, способноевысвобождаться при электрохимическом окислении;

2) выделение газообразных продуктов реакции окисления углерода может

оказаться серьезной проблемой при резком возрастании потребления энергии;

3) электрохимические реакции веществ, содержащих углерод, оказыва-

лись до сих пор термодинамически необратимыми. Следовательно, большая

часть содержащихся в них энергий не может быть получена в виде электро

энергии. В связи с этим привлекают внимание другие переносчики энергии,

особенно, водород.

Все это привело к развитию водородной энергетики. К многообещающим элементам относится, например, литий, магний, алюминий.Вышесказанное подводит к выбору проблемы, заслуживающей дальнейшего внимания, и на основании анализа позволяет сделать выводы, способные помочь в оценке возможностей этого источника энергии для удовлетворения нужд будущего. К таким проблемам относятся следующие:

Химические источники тока, которые успешно удовлетворяли потребностямпрошлого, настоящего и охватывают ограниченную область превращенияэнергии, относящуюся к электрохимическим процессам;

 2) вещества, являющиеся потенциальными переносчиками энергии, но до сих пор практическине используемые для этой цели;

Прогресс в понимании основ процессовэлектрорадиохимического превращения энергии, которые позволят решатьмногие серьезные проблемы, связанные с широким применением электрохимических систем.

Обратимся к более подробному рассмотрению двух типов химических

источников тока (ХИТ): гальваническим элементам и аккумуляторам. Для

этого воспользуемся классификационной схемой.

Назначение резервных элементов состоит в том, чтобы в определенный

момент включаться для выполнения поставленной задачи. Обычно период

ожидания имеет длительный срок, поэтому необходимо избегать контакта

электродов с электролитом, чтобы не допустить течения коррозионных про-

цессов. Для этого электролит хранят в отдельной ампуле, которую включают

в момент начала использования ХИТ. Если в качестве электролита использу-

ют расплавленную соль, то в твердом состоянии она не дает возможности

развиваться коррозионным процессам в контакте с электродами. Введение в

действие элемента производится быстрым его разогреванием, когда соль пла-

вится и начинает выполнять функции электролита. Такие ХИТ называют ра-

зогревными.В гальванических элементах длительной эксплуатации главное внимание уделяется снижению внутреннего сопротивления и предотвращенияпаразитных электрохимических процессов активных масс, приводящих к саморазряду элемента. Наибольшее распространение получил элемент Лекланше, активными массами которого являются цинк и двуокись марганца, аэлектролитом – водный раствор хлористого аммония. Его токообразующаяреакция в упрощенном виде может быть записана:

Zn + MnO ₂ + 2 H ₂ O = Zn (OH)₂ + 2 MnOOH

 

Позднее было показано, что при замене хлористого аммония на щелочь

удается значительно снизить саморазряд элемента и повысить срок его годности. В последнее время разрабатываются высоконадежные литий-иодные элементы с твердым электролитом из йодистого лития, образующегося при контакте литиевого электрода с йодсодержащими веществами. Такие элементыиспользуются в кардиостимуляторах, вживляемых в грудную клетку пациента.

В качестве примера кислотного аккумулятора можно привести свинцо-

вый аккумулятор, активными веществами которого являются свинец и дву-

окись свинца, а электролитом – раствор серной кислоты. Его токообразую-

щей реакцией является:

PbO ₂ + Pb + 2 H ₂ SO ₄ = 2 PbSO ₄ + 2 H ₂ O

 

В прямом направлении она протекает при разряде аккумулятора, а в

обратном – при его заряде.Свинцовый аккумулятор – наиболее распростра-

ненный в настоящее время вторичный ХИТ. Мировое производство только

одних стартерных батарей для транспортных средствпревышает 100 млн. шт.в год,для чего требуется 2 млн. тонн свинца. На основе стартерных аккумуляторов осуществляется запуск двигателей внутреннего сгорания, питаниеэлектромоторов, и работа стационарных батареи (для радиоэлектронных устройств и средств связи, а также для работы в аварийных ситуациях).

 

К щелочным аккумуляторам, выпускаемым промышленностью в на-

стоящее время, относятся железо-никелевые, кадмий-никелевые и цинк-

серебряные, в качестве электролита в которых используется водный раствор

щелочи (КОН). Эти аккумуляторы просты в эксплуатации и имеют высокие

удельные характеристики по сравнению со свинцовыми аналогами. Однако

стоимость их более высокая. Это особенно относится к цинк-серебряным ак-

кумуляторам, которым в качестве окислителя используют окись серебра.

 

Реакция Ag₂O + Zn = 2Ag + ZnO является токообразующей для этого аккумулятора. Его удельные характеристики в два раза более высокие, чем у другихщелочных аккумуляторов, что обеспечивает их применение в авиационной икосмической технике.