Энергетика сегодня и завтра
Шрифт:
Такой нагрев приводит к ионизации продуктов сгорания. Газовый поток превращается фактически в проводник, носитель электрического тока. Если поместить его в канал с электродами и создать магнитное поле, то между электродами возникает электродвижущая сила. Достаточно теперь замкнуть внешнюю цепь ме?п;у электродами, подключить нагрузку, и электрогенератор заработал.
При этом создается электромагнитная сила, направленная против движения газа. Поток низкотемпературной нлазмы, разогнанный в сопле до скорости около 1000 метров в секунду, тормозится и охлаждается до температуры 1500-1700°С. Другими словами, кинетическая энергия ионизированного газа преобразуется в энергию электрического
Она далее используется как в обычной теплоэлектростанции. Так, на Рязанской МГДЭС сам МГД-генератор сочленен с обычной ТЭС. В таком комплексе можно добиться повышения КПД до 50 - 55 процентов.
Каждый процент прироста такой КПД дается недешево. Нужны инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, сверхпроводящие магнитные системы. В камере сгорания - высокая температура, которую не выдерживают даже электроды из тугоплавких металлов. К тому же агрессивная плазма разъедает их.
Следовательно, нужны керамические электроды, обладающие при высокой температуре достаточной проводимостью. Кроме того, из-за ряда электрофизических эффектов на камере сгорания наводится электропотенциал до нескольких тысяч вольт, так что приходится применять высоковольтные электроизоляционные вставки на всех ведущих к ней трубопроводах и в точках ее соприкосновения с фундаментом. На опытно-промышленной Рязанской МГДЭС как раз и предстоит проверить методы преодоления подобных сложностей.
Интенсивная разработка МГД-генератора велась в те годы, когда уже обозначилось подорожание газожидкостного топлива, необходимость его экономии. Сейчас ясно, что на МГДЭС будет использоваться не нефть, а только, возможно, в небольшой степени, газ, в основном же уголь. Однако в местах добычи твердого топлива вряд ли целесообразно пристраивать к ТЭС дорогостоящие МГДустановки, чтобы экономить дешевый уголь. Но на МГДЭС, считают исследователи Института высоких температур АН СССР (ИВТАН), можно организовать эффективную систему очистки дымовых газов от двуокиси серы.
Предположим, в плазму добавляют ионизирующиеся соединения щелочных металлов - например карбонат калия. Тогда, во-первых, повышается ее удельная проводимость, а во-вторых, в интервале температур от 1600°С до 1200- 1300°С образуется соединение калия и серы - сульфат калия. Получившийся сульфат калия конденсируется по мере охлаждения газового потока, а при температуре 1100°С он затвердевает.
Сульфат калия улавливается электрофильтрами, а затем в специальной шахтной печи восстанавливается водородом или метаном до сероводорода. Товарная сера получается из сероводорода при окислении, хотя выгоднее использовать и знакомый нам плазмохимический процесс. Согласно экспериментальным данным из дымовых газов удаляется в результате до 99,8 процента серы.
Можно ли применить столь эффективный метод очистки на обычной ТЭС? Здесь важно, как и на МГДЭС, уменьшение потери калия, иначе очистка окажется дорогой. Ученые ИВТАНа продолжают исследования.
В Петрограде в самый разгар гражданской войны была издана книга английского химика У. Рамзая "Элементы и энергия". Наша страна испытывала тогда топливный голод, и мысли ученого о новых источниках энергии и об ее экономии звучали весьма своевременно.
Автор убедительно показывал важность энергии в жизни общества. Когда человек ею обеспечен, он может посвятить свое время искусству, развлечениям, образованию. "Каким путем, например, Афинская республика достигла таких успехов литературы и философской мысли?" - спрашивает У. Рамзай. Ответ гласит: "У каждого
Учитывая конечность запасов ископаемого топлива, английский ученый указывал также на необходимость бережно относиться к расходованию энергоносителей "Мы должны, - говорил он, - рассчитывать главным образом на наши запасы угля как на источник энергии и на средство к обеспечению существования нашего населения; и мы должны стремиться к возможно более экономному расходованию угля... Хотя действительная потеря тепловой энергии в форме дыма невелика - не более полупроцента всего потребленного топлива, однако дым является видимым знаком напрасной растраты топлива и небрежного отопления... Мы совершенно избавимся от дыма введением штрафа в 6 пенсов за каждое нарушение соответствующего постановления".
И далее У. Рамзай предсказывал, что "изобретение, которое позволило бы нам превращать энергию угля непосредственно в электрическую энергию, произвело бы переворот во всех наших понятиях и методах, а такое изобретение теперь уже не представляется немыслимым".
Основания для подобных надежд породило открытие английского электрохимика Уильяма Грова. Когда он в 1839 году погрузил в банку с серной кислотой два платиновых электрода и один из них стал обдувать водородом, а другой - кислородом, то между электродами, как показала отклонившаяся стрелка гальванометра, стал течь электрический ток. Значит, в этом топливном элементе, а теперь электрохимическом генераторе (ЭХГ)
при соединении водорода и кислорода энергия связи атомов превращается непосредственно в электрическую энергию.
Открытие не оценили тогда по достоинству, потому что примерно такие же электрохимические батареи, какие мы используем и сейчас, существовали и в те времена и в них тоже получали электрический ток. Источником энергии в батареях является окисление ценных металлов: никеля, свинца, цинка. Но для производства этих чистых металлов тратится энергии гораздо больше, чем затем удается высвободить в виде электроэнергии. С энергетической точки зрепия процесс оказывается невыгодным.
Над проблемой экономии энергии тогда особенно не задумывались. Да и величина мощности топливного элемента была ничтожной. В итоге опыт У. Грова не" произвел впечатления.
Однако к концу XIX века отношение к топливным элементам изменилось. По словам ученого Вильгельма Освальда, "если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию прямо из угля и кислорода воздуха, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины".
Действительно, в таком элементе энергия электронов, выделяющаяся при связывании атома топлива (водорода, угля) с кислородом, выделится не в виде тепла, а даст электрический ток. Поскольку отсутствует тепловая стадия, то коэффициент преобразования энергии может быть очень высоким, равным почти 100 процентам.
Первые топливные элементы, появившиеся в конце XIX века, представляли собой угольный и железный электроды, которые погружались в расплавленную щелочь. При температуре 400-500°С элемент вырабатывал электроэнергию.
Однако создать надежный и экономичный топливный элемент на угле не удается до сих пор. Возникает много технических проблем: коррозия электродов, большие потери энергии на подогрев электролита и т. д. Пока нет топливных элементов с использованием природного газа.
Вперед вышли водородные топливные элементы, которые и были открыты У. Гровом.