Накопичувачі та джерела енергії

З багатьох можливих типів енергетичних накопичувачів ми використовуємо головним чином МОЛЕКУЛЯРНІ НАКОПИЧУВАЧІ ЕНЕРГІЇ до числа яких відносяться всі види хімічного палива (нафта, газ, деревина та ін.).

«Акумулятор» - поняття широке, у всякому разі, його можна віднести не тільки до важкого чорного ящика, установленому під капотом автомобіля. Акумулятор або краще сказати «накопичувач» енергії – це нагріта праска, стисла пружина, піднятий молоток, розкручений маховик, заряджений електричний конденсатор, котушка, по якій іде струм і створює магнітне поле.

Найпоширеніші електричні акумулятори (кислотні та лужні) накопичують хімічну енергію (внаслідок зворотних хімічних реакцій між речовиною електродів та електролітом), а віддають електричну енергію, являючи собою гальванічні елементи. Крім того, розрізняють акумулятори гідравлічні, пневматичні, теплові та інерційні (гіровози).

 

Рисунок 1.1 – Види накопичувачів енергії

 

Акумулятор енергії – це бензин, нафта, газ, вугілля, деревина та ін: їх молекули накопичували енергію у своїх електронних оболонках, у внутрішньоатомних зв'язках, у своїй структурі.

Серед багатьох важливих характеристик пального одна з найважливіших – його теплотворна здатність, або інакше калорійність. Вона свідчить про те скільки тепла виділиться при повному згорянні одного кілограма цієї речовини.

Теплотворна здатність деревини – 2…3 тис. ккал (кілокалорій), вугілля – 3…8 тис. ккал, бензину – біля 11 тис. ккал. (1 ккал = 4,1868× 10³ Дж = 4,19 кДж) Остання цифра означає, що при повнім спалюванні 1 кг бензину він визволить стільки запасеної у свій час сонячної енергії, що її вистачить (уважаємо, що процес ідеальний, без втрат тепла) на те, щоб скип'ятити 150 літрів води!

Енергію, що запасає будь-який акумулятор, іноді оцінюють у калоріях, а іноді в джоулях (Дж), Ват-годинах (Вт. год), Ватт-секундах (Вт. с) та інших одиницях

Як приклад оберемо одну з можливих одиниць, а саме кіловат-годину (кВт*год), в який прийнято вимірювати витрату електроенергії. Нагадаємо, що кіловат (кВт це одиниця потужності, яка говорить про те яка робота виконується або, яка енергія виробляється чи споживається за одну секунду. Ви розів'єте потужність 1 кВт, якщо за 1 секунду піднімете на висоту 1 м масу в 102 кг (вага 1000 ньютонів), а запасу енергії в 1 кВт*год вистачить на те, щоб протягом години працювати з потужністю 1 кВт. І весь виконаний обсяг роботи теж складе 1 кВт*год – робота виміряється в тих же одиницях, що й запаси енергії. І останнє нагадування - улюблена автомобілістами кінська сила, так само як і кіловат – одиниця потужності, і між ними існує таке співвідношення – 1 кВт = 1,33 к.с; 1 к.с. = 0,75 кВт.

А тепер з відомих співвідношень 1 ккал ≈ 1,2 Вт*год та 1 Вт*год ≈ 0,86 ккал, підрахуємо, що теплотворна здатність бензину дорівнює приблизно 13 000 Вт*год/кг = 13 кВт*год/кг; позначення «кг» під рисою дробу нагадує, що зазначений запас енергії відноситься до одного кілограма пального.

Сьогодні причина непопулярності електромобіля – в основному одна: у кожному кілограмі бензину акумулюється 13 000 Вт*год енергії, у той час як найпоширеніші свинцеві акумулятори на кожен кілограм своєї маси можуть накопичити лише до 40 Вт*год енергії, тобто приблизно в 300 разів менше, ніж бензин. А звідси безжалісна арифметика робить такі, наприклад, сумні виводи – щоб мати в електромобілі запас енергії такий же, як, скажемо, у бензобаку звичайного автомобіля для пробігу 500 км, потрібна акумуляторна батарея масою в 15 т, у той час як маса самого цього автомобіля ледве більше тонни.

Саме з малої електроємності акумуляторів починаються всі недоліки нинішнього електромобіля – невеликий пробіг між «заправленнями»; велика вага акумуляторів, необхідних навіть для такого невеликого пробігу; відносно невелика потужність електромотору (доводиться обмежувати витрата енергії); не дуже висока швидкість.

Цей перелік, щоправда, вимагає зауважень, точніше, декількох зауважень.

По-перше, електромотор витрачає енергію а 2…3 рази більш економічно ніж бензиновий двигун й, виходить, міг би обійтися в 2…3 рази меншими запасами енергії. І характеристики в електромотора набагато кращі: при меншій потужності він забезпечує досить високі ходові якості, зокрема при розгоні. Що ж стосується порівняно малого «радіуса дії», то статистика показує, що в багатьох автомобілів добовий пробіг не перевищує декількох десятків кілометрів, і якась їхня частина, видимо, уже зараз могла б працювати на електричному паливі.

Якщо врахувати всі переваги електричної тяги, то виявиться, що свинцевий акумулятор повинен важити вже не в 300 разів більше, ніж еквівалентний йому запас бензину, а тільки в 30…40 разів. Тобто акумулятор, здатний замінити бензобак автомобіля, буде мати масу приблизно 2 т. А якщо обмежитись із пробігом до 100 км, трохи поступитися динамікою, обмежити максимальну швидкість, тоді досить акумулятора масою 600…800 кг. Це, звичайно, краще, ніж 15 т, але однаково занадто багато. Доля електромобілів сьогодні вирішується головним чином у лабораторіях, де створюються акумулятори з більше високою енергоємністю, чим у нинішніх хімічних джерел струму, тобто з більшою кількістю кіловат-годин, запасених у кожному кілограмі маси.

Коли це завдання буде вирішене, електромобіль виявиться поза конкуренцією й наші бензинові екіпажі, видимо, досить швидко підуть зі сцени, як пішли у свій час диліжанси або вагонні конки. Коли це завдання буде вирішене, люди забудуть, що таке запах бензину, причому навіть у тому випадку, якщо раптом відкриються нові надпотужні родовища нафти.

Робота акумулятора або гальванічного елементу – це свого роду ГОРІННЯ В ЕЛЕКТРИЧНОЇ МАШИНІ, яке, не викликає неприємних наслідків і відбувається досить організовано.

Якщо розібратися по суті то між хімічним паливом, наприклад, тим самим бензином, і хімічним джерелом струму, наприклад, батарейкою, дуже багато спільного. В обох випадках енергія схована в електронних оболонках атомів, енергія виділяється в результаті окислювально-відновних реакцій, у яких беруть участь дві головних речовини – окислювач та відновник. Відновник – це та речовина, атоми якого з легкістю віддають електрони із зовнішніх орбіт. А окислювач прагне ці електрони забрати й прибудувати на своїх зовнішніх орбітах.

Відновником, тобто джерелом електронів, можуть бути самі різні речовини, як приклад в бензині це вуглеводи, в автомобільному акумуляторі – з'єднання свинцю, у звичайній батарейці – з'єднання цинку.

Найбільш популярний окислювач – це кисень. В атомі кисню на зовнішній орбіті 6 електронів, за законами атомного світу повний комплект для зовнішньої орбіти – 8 електронів. От і намагається атом кисню створити не своїй зовнішній орбіті цей повний електронний комплект і затягує до себе не орбіту електрони, часто разом з їхніми атомами; так з'являються окиси, закиси, перекиси.

У процесі окислювально-відновної реакції потенційна енергія переходить у кінетичну – енергія, що зберігалася в електронних оболонках, переходить в енергію електронів, що рухаються. Саме цю кінетичну енергію ми використовуємо при спалюванні бензину й при роботі батарейки.

Горіння – процес бурхливий і хаотичний. Окислювач і відновник, скажемо, кисень повітря й пари бензину, вступають у безпосередній контакт, електрони переходять безпосередньо з рук у руки, з атома в атом, і енергія виділяється швидко, лавиноподібно, головним чином у вигляді тепла.

У хімічному джерелі струму, в батарейці або акумуляторі окислювач і відновник безпосередньо не контактують, вони знаходяться у двох різних електродах і перехід електронів від відновника до окислювача може відбуватися тільки за спеціально побудованому зовнішньому електричному ланцюгу, по дротах, що з'єднують електроди. Рух електронів за зовнішнім ланцюгом – електричний струм проходить порівняно спокійно, на нього можна впливати самими різними способами, змушуючи електрони, що рухаються, виконувати саму різну роботу. Зокрема, створювати магнітні поля, які, певним чином взаємодіючи, у підсумку нададуть руху електромотору. Звичайно, горіння й тим більше вибух теж можуть працювати, теж можуть рухати, штовхати, обертати. Але коли використання хімічної енергії йде через теплові процеси, то більша частина енергії губиться, у той час як спокійний плин і чітка організованість електричних процесів дозволяють знизити втрати енергії до декількох відсотків.

 

Всі хімічні джерела струму ділять на дві групи – гальванічні елементи й акумулятори. У перших накопичення енергії, відбувається тільки один раз – при виготовленні гальванічного елемента. Певним чином підбираються речовини електродів, електроліт, цей елемент працює доти, поки вистачає активних речовин, поки йдуть окислювально-відновні реакції, А потім його можна викидати.

Акумулятор – елемент оборотний. Пропускаючи через нього струм зворотного напрямку, ми, по суті справи, відбираємо в окислювача захоплені їм чужі електрони й повертаємо їхньому колишньому власнику відновлювачу. Цей процес називається зарядкою акумулятора й віддалено нагадує фотосинтез, у результаті якого накопичується енергія в органічних молекулах. Разом з електронами зарядка повертає енергію в атоми відновлювача, і акумулятор знову готовий до роботи. Хімічні джерела струму мають майже двохсотлітню історію, їхнім створенням займалися багато великих фізиків й електротехніки минулих століть, починаючи з Вольти. Сучасна електрохімія достеменно вивчила процеси в хімічних джерелах струму, створила їх строгу теорію, досліджувала самі різні сполучення окислювачів, відновлювачів, електролітів. І якийсь час здавався, що в цій області вже зроблене все, що устояні типи гальванічних елементів й акумуляторів, зокрема кислотний (свинцевий) акумулятор з енергоємністю 20…40 Вт*год/кг і лужний (кадмієво-нікелевий або залізо-нікелевий) з енергоємністю 25-35 Вт*год/кг – це в основному все, на що може розраховувати практика.

Але у середині п’ятдесятих років починається масовий випуск срібно-цинкових акумуляторів, які до того існували лише в працях теоретиків. Енергоємність цих джерел струму вже 100…120 Вт*год/кг, тобто в 3 рази вище, ніж у кислотних акумуляторів, і якби не два серйозних недоліки цих нових джерел струму, вони могли б помітно просунути справу електромобілізації. Перший недолік встановлювати на кожну машину агрегат, у якому втримуються десятки кілограмів срібла, досить дорого. Другий порівняно невеликий термін служби срібно-цинкових акумуляторів. Термін служби акумулятора оцінюють не годинниками й не роками, а числом циклів заряд-розряд, які він може витримати. Так, лужні акумулятори можна заряджати-розряджати 2000 разів, кислотні – 300 разів, срібно - цинкові – 100 разів. Стосовно до електромобіля це значить, що якщо зарядку робити після кожного денного пробігу, те лужний акумулятор прослужить 6 років, кислотний – біля року, срібно-цинковий – 3 місяці.

Поряд з енергоємністю й терміном служби є ще одна характеристика, що визначає перспективність хімічного джерела для транспортних машин, – питома потужність. Вона, по суті, говорить про те, наскільки швидко джерело може віддавати накопичену енергію. Мати великий запас енергії – це ще не все. Найбільша потужність, що може віддати акумулятор, обмежена, як правило, тим, що не можна безмежно збільшувати споживаний від нього струм. Хімічне джерело струму – машина тендітна, у ній хоч і не видно ламких деталей, але все складається тільки з таких. Хімічне джерело струму – молекулярна машина. У свинцевих і лужних акумуляторів максимальна питома потужність 100 Вт/кг (двохсот кілограмовий акумулятор може видати до 20 кВт), у срібно-цинкових вона ще в кілька разів більша. І досить високим цей показник вийшов у деяких зовсім нових джерел струму, зокрема натрій-серчаних акумуляторів.

Роботи зі створення нових хімічних джерел струму ще раз підтвердили: НОВІ МОЖЛИВОСТІ ПОЧИНАЮТЬСЯ З НОВИХ ІДЕЙ.

Класичний акумулятор, або гальванічний елемент, – це тверді електроди й рідкий електроліт. В електроліті знаходяться молекули, що переносять до електродів речовини, необхідні для хімічних реакцій, для накопичення або виділення енергії. Перебравши, видимо, всі можливі сполучення й тверді електроди й рідкі електроліти, електрохіміки знайшли зовсім несподівані можливості, нові сполучення окислювачів і відновників – електрохіміки навчилися створювати джерела струму з рідкими або газоподібними електродами й з електролітами на основі неводних органічних розчинників і навіть із твердими електролітами.

Так, зокрема, у сірчано-натрієвому акумуляторі, зв'язані серйозні надії електромобілістов, окислювачем (позитивний електрод) служить розплавлена сірка, відновником (негативний електрод) — розплавлений натрій, електролітом — тверде з'єднання окислів натрію з окислами алюмінію, так званий бета-глинозем натрію. Транспортування речовини в електроліті здійснюють рухливі іони натрію, що входять в його кристалічні ґрати. Вони настільки рухливі, що бета-глинозем натрію проводить електричний струм, майже як і класичні рідкі електроліти. Звичайно, розплавлені електроди – чималий недолік, хоча б тому, що перед запуском акумулятор потрібно розігріти до 300ºС. Але навіть і цей розігрів не може остудити ентузіастів. І їх легко зрозуміти: енергоємність сірко-натрієвого акумулятору 200-220 Вт. год/кг, максимальна припустима потужність - 200 Вт/кг, термін служби - до 1000 циклів «заряд - розряд». Це вже серйозна конкуренція бензину.

Щоб сірчаний акумулятор вийшов зі стін лабораторії в практику, треба буде розв'язати чимало завдань, зокрема забезпечити корозійний захист його деталей від Дуже агресивних розплавів сірки й натрію, а також запобігти розтріскуванню електроліту при заряді-розряді й нагріванні-охолодженні. Важко сказати, коли будуть вирішені цей завдання, однак, як пишуть фахівці, «значне збільшення питомих параметрів, що у принципі може бути досягнуто, змушує вчених і технологів багатьох країн наполегливо займатися цією проблемою».

Коли мова заходить про електричних конкурентів бензину, те обов'язково повинні бути названі паливні елементи, але з нагадуванням, що випереджає, - паливний елемент не є якийсь замінник хімічного палива, а лише свого роду приставка для кращого його використання. У паливному елементі є риси й палахкотливого полум'я й безмовного електричного акумулятора. Так само, як у полум'ї, тут взаємодіють, згоряють пальне й окислювач, які вводяться в пористі електроди ззовні, скажемо*, з паливних баків. Але так само, як в акумуляторі, окислювач і відновник у безпосередній контакт не вступають - кожний працює у своєму електроді, а необхідне транспортування речовин відбувається через електроліт. Як й у полум'ї, електрони переходять від відновника до окислювача, але не так, як а полум'я «з рук у руки, з атома в атом», а тільки через зовнішній електричний ланцюг, як при роботі акумулятора.

У зовнішній ланцюг паливного елемента можна включити електродвигун й, образно говорячи, в електричному виді відібрати енергію, що виникає при такому холодному горінні без полум’я. І вже не теплова машина, не теплові процеси з більшими втратами, а електромотор з високим ККД буде користуватися енергією пального. Користуватися дуже дбайливо, ощадливо. Грубий розрахунок показує, що якби ми спалювали бензин за допомогою паливних елементів, то волговського бензобаку вистачило б не на 350-400 км пробігу, як зараз, а на 1000-1500 км.

Із приводу перспектив паливних елементів можна почути самі різні думки, різні по питомій вазі «за» й «проти». З одного боку, ці пристрої ще громіздкі, дороги, і ще не ясно, чим завершаться роботи з їх вдосконалення; з іншого боку, паливні елементи дають величезний ефект і вже добре зарекомендували себе в космічній техніці. Крім того, вони дозволяють легко використати в якості горючого водень, і, до речі, у цьому випадку замість вихлопних газів машина викидає найчистішу воду, водяна пара.

Але тут ми вже, мабуть, від електрохімічних накопичувачів і перетворювачів енергії переходимо до значно більше широкої області, що прийнято називати «водневою енергетикою» і навіть «водневою економікою» [[1]], [[2]].

АЛЬТЕРНАТИВНІ ВИДИ ПАЛИВА

Визначення термінів

Нижченаведені терміни вживаються у такому значенні, відповідно до Закону України «Про альтернативні види палива» [[3]]:

альтернативні види палива – тверде, рідке та газове паливо, яке є альтернативою відповідним традиційним видам палива і яке виробляється (видобувається) з нетрадиційних джерел та видів енергетичної сировини;

відходи – шлаки та відходи промисловості, сільського господарства, комунально-побутових та інших підприємств, які можуть бути джерелом або сировиною для видобутку чи виробництва альтернативних видів палива;

нетрадиційні джерела та види енергетичної сировини – сировина рослинного походження, відходи, тверді горючі речовини, інші природні і штучні джерела та види енергетичної сировини, у тому числі нафтові, газові, газоконденсатні і нафтогазоконденсатні вичерпані, непромислового значення та техногенні родовища, важкі сорти нафти, природні бітуми, газонасичені води, газогідрати тощо, виробництво (видобуток) і переробка яких потребує застосування новітніх технологій і які не використовуються для виробництва (видобутку) традиційних видів палива;

біологічні види палива (біопаливо) – тверде, рідке та газове паливо, виготовлене з біологічно відновлювальної сировини (біомаси), яке може використовуватися як паливо або компонент інших видів палива;

біокомпонент – біопаливо, що використовується як компонент інших видів палива;

біомаса – біологічно відновлювальна речовина органічного походження, що зазнає біологічного розкладу (відходи сільського господарства (рослинництва і тваринництва), лісового господарства та технологічно пов'язаних з ним галузей промисловості, а також органічна частина промислових та побутових відходів;

біоетанол – спирт етиловий зневоджений, виготовлений з біомаси або спирту етилового-сирцю для використання як біопалива;

біобутанол – спирт бутиловий, виготовлений з біомаси, що використовується як біопаливо або біокомпонент;

біодизельне паливо (біодизель) – метилові та/або етилові етери вищих органічних кислот, отриманих з рослинних олій або тваринних жирів, що використовуються як біопаливо або біокомпонент;

біогаз – газ, отриманий з біомаси, що використовується як паливо;

біоводень – водень, отриманий з біомаси і є одним з видів біогазу;

добавки на основі біоетанолу – біокомпоненти моторного палива, отримані шляхом синтезу із застосуванням біоетанолу або змішуванням біоетанолу з органічними сполуками та паливом, одержаними з вуглеводневої сировини, в яких вміст біоетанолу відповідає вимогам нормативних документів та які належать до біопалива;

рідке паливо з біомаси – біопаливо дизельне, біоетанол, біобутанол, чиста олія та інші синтетичні палива, виготовлені з біомаси;

синтетичні біопалива – синтетичні вуглеводні та суміші синтетичних вуглеводнів, виготовлені з біомаси;

тверде біопаливо – тверда біомаса, що використовується як котельно-пічне паливо, у тому числі дрова, торф, тирса, тріска, солома, інші сільськогосподарські відходи, гранули та брикети, вироблені з біомаси, деревне вугілля та вуглиста речовина.

Паливо визначається альтернативним, якщо воно:

· повністю виготовлене (видобуте) з нетрадиційних та поновлювальних джерел і видів енергетичної сировини (включаючи біомасу) або є сумішшю традиційного палива з альтернативним, вміст якого має відповідати технічним нормативам моторного палива;

· виготовлене (видобуте) з нафтових, газових, нафтогазоконденсатних родовищ непромислового значення, вичерпаних родовищ, з важких сортів нафти тощо і за своїми ознаками відрізняється від вимог до традиційного виду палива;

· нормативи екологічної безпеки і наслідки застосування альтернативних видів палива для довкілля і здоров'я людини відповідають вимогам, встановленим законодавством України для традиційних видів палива.

До альтернативних видів рідкого палива належать:

· горючі рідини, одержані під час переробки твердих видів палива (вугілля, торфу, сланців);

· спирти (біоетанол, біобутанол) та отримані на їх основі синтетичні продукти, що можуть використовуватись як паливо або компоненти палива (добавки на основі біоетанолу та біобутанолу), олії, інші види рідкого палива з біомаси (у тому числі біодизель);

· горючі рідини, одержані з промислових відходів, у тому числі газових викидів, стічних вод, виливів та інших відходів промислового виробництва;

· паливо, одержане з нафти і газового конденсату нафтових, газових та газоконденсатних родовищ непромислового значення та вичерпаних родовищ, з важких сортів нафти та природних бітумів, якщо це паливо не належить до традиційного виду.

До альтернативних видів газового палива належать:

· газ (метан) вугільних родовищ, а також газ, одержаний у процесі підземної газифікації та підземного спалювання вугільних пластів;

· газ, одержаний під час переробки твердого палива (кам'яне та буре вугілля, горючі сланці, торф), природних бітумів, важкої нафти;

· газ, що міститься у водоносних пластах нафтогазових басейнів з аномально високим пластовим тиском, в інших підземних газонасичених водах, а також у газонасичених водоймищах і болотах;

· газ, одержаний з природних газових гідратів, та підгідратний газ;

· біогаз, звалищний, генераторний газ у будь-якому стані, біоводень, інше газове паливо, одержане з біомаси; газ у будь-якому стані, одержаний під час переробки твердого палива (кам'яне та буре вугілля, горючі сланці, торф), природних бітумів, важкої нафти, нафтової сировини;

· газ, одержаний з промислових відходів (газових викидів, стічних вод промислової каналізації, вентиляційних викидів, відходів вугільних збагачувальних фабрик тощо);

· стиснений та зріджений природний газ, зріджений нафтовий газ, супутній нафтовий газ, вільний газ метан, якщо вони одержані з газових, газоконденсатних та нафтових родовищ непромислового значення та вичерпаних родовищ і не належать до традиційних видів палива.

До альтернативних видів твердого палива належать:

· продукція та відходи сільського господарства (рослинництва і тваринництва), лісового господарства та технологічно пов'язаних з ним галузей промисловості, а також гранули, брикети, деревне вугілля та вуглиста речовина, вироблені з цієї продукції та відходів, що використовуються як паливо;

· органічна частина промислових та побутових відходів, а також гранули та брикети, вироблені з них;

· торф, а також гранули та брикети, вироблені з нього.