БИЛЕТ № 9 (Материала набрала много, берите самое необходимое)
Электрохимические энергоустановки: принцип действия, химические реакции, экологические преимущества и недостатки
Укажите параметры, которые используются для количественной оценки опасности вещества.
Экологическая паспортизация объектов и технологий. Задачи, порядок паспортизации, типовой состав информации экологического паспорта.
Хроматографические методы анализа параметров окружающей среды. Структурная схема газового хроматографа.
Вопрос 1. Электрохимические энергоустановки
Для увеличения тока и напряжения ТЭ соединяют в батареи. Последние могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся продукты реакции и тепло. Устройство, состоящее из батарей ТЭ, систем подвода реагентов, автоматики, отвода продуктов реакции и тепла, получило название электрохимического генератора (ЭХГ). В свою очередь, ЭХГ входит в электрохимическую энергоустановку (ЭЭУ), которая, кроме ЭХГ, включает блок подготовки топлива, преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор) и блок использования тепла.
Выбор исходного топлива, используемого в ЭЭУ, определяется в первую очередь его стоимостью, доступностью, экологическими характеристиками, химической активностью и удельной энергией на единицу массы. Поэтому в качестве исходного топлива применяют природный газ, уголь и некоторые недорогие синтетические виды топлива, например метанол. Однако с приемлемой скоростью в ТЭ могут окисляться лишь водород и в специальных видах ТЭ – монооксид углерода и метанол. Поэтому природные виды топлива и метанол предварительно конвертируются в блоке подготовки топлива в водород и другие газы, например по реакциям
СН4+Н2О ↔ СО + ЗН2, (8)
СО + Н2О ↔ СО2 + Н2, (9)
СН3ОН + Н2О ↔ СО2 + ЗН2, (10)
С + Н2О ↔ СО + Н2 (11)
Продукты конверсии затем подаются в ТЭ. Так как реальный КПД ТЭ (40-65%) ниже 100%, то при их работе выделяется тепло, которое может быть использовано либо для теплофикации, либо для генерации дополнительной электрической энергии с помощью паровых или газовых турбин. Кроме того, эти установки достаточно дорогие. Энергоустановки на основе ТЭ имеют многие преимущества по сравнению с традиционными энергоустановками: более высокий КПД (в 1,5–2 раза выше), экологическая чистота, практическая бесшумность, широкий диапазон мощностей и применяемого топлива, возможности когенерации тепла [3]. Эти ЭЭУ не потребляют воду, при необходимости можно даже использовать воду, которая является продуктом реакции. Пока основным тормозом для их широкого применения являются относительно высокая стоимость (в 2–3 раза) по сравнению с традиционными установками, а также недостаточный срок службы. После преодоления этих недостатков системы на основе ТЭ найдут широкое применение как автономные маломощные и транспортные энергоустановки, так и стационарные мощные станции. Можно ожидать, что в начале следующего века энергоустановки на основе ТЭ будут вносить весомый вклад в генерацию энергии и решение экологических проблем транспорта и энергетики
Электрохимические энергоустановки обеспечивают прямое преобразование химической энергии в электрическую и имеют более высокий КПД ( примерно в 1 5 - 2 0 раза) по сравнению с тепловыми машинами. Кроме того, они существенно меньше загрязняют окружающую среду. Наиболее разработаны кислородно-водородные энергоустановки, которые уже применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе. Построены и испытаны электрохимические энергоустановки и электростанции мощностью от 40 кВт до 11 МВт, работающие на природном топливе.
Электрохимические энергоустановки имеют высокий КПД, который относительно мало зависит от установленной мощности и нагрузки. Модульный характер энергоустановок, их экологическая чистота, высокий КПД и высокая маневренность позволяют устанавливать энергоустановки недалеко от потребителя энергии для аккумулирования энергии или слежения за нагрузкой, что обеспечивает уменьшение потерь энергии при ее передаче и распределении, снижает расход материалов, в том числе металлов, и капитальные затраты. Появляется возможность создания наряду с централизованными энергосистемами систем с большим числом относительно маломощных локальных энергогенерирующих и аккумулирующих устройств. Применение электрохимических энергоустановок обеспечивает экономию дефицитного жидкого и газообразного топлива, улучшение экологической обстановки в регионах, и особенно в городах, а в некоторых случаях и экономию приведенных затрат уже при современном уровне цен.
Реальный КПД электрохимической энергоустановки ниже КПД топливного элемента из-за потерь энергии на токи утечки в батарее ТЭ ( если они существуют), из-за расходов на собственные нужды ЭХГ и на переработку и подготовку топлива и окислителя. Электрохимические энергоустановки наряду с электроэнергией генерируют теплоту, которую можно использовать для теплофикации зданий и теплоснабжения предприятий.
Для широкого применения электрохимических энергоустановок предстоят серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, указанные в книге, а также принятие ряда организационных, экономических и административных мер, способствующих развитию нового направления в науке и технике.
Для широкого применения электрохимических энергоустановок необходимо снизить их стоимость и увеличить срок службы.
ЭХГ входит в электрохимическую энергоустановку, которая кроме ЭХГ содержит системы хранения и обработки окислителя и восстановителя, а иногда систему преобразования напряжения и тока.
Электрохимический генератор входит в состав электрохимической энергоустановки ( ЭЭУ), которая включает систему хранения и обработки топлива и окислителя, устройства для преобразования ( например, инвертор) и регулирования тока и напряжения, а иногда и общую систему терморегулирования и автоматики.
В другом типе разрабатываемых электромобилей применяются электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов, работающих на водороде и метаноле. Основная задача, стоящая перед разработчиками, - это снижение стоимости и увеличение срока службы энергоустановок.
При генерации высокотемпературной теплоты в состав электрохимических энергоустановок могут дополнительно включаться паро - или газотурбинные электрогенераторы.
В последнее время активизируются работы по созданию электрохимических энергоустановок на основе топливных элементов. Считаю, что им принадлежит будущее.
В свою очередь ЭХГ входит в состав электрохимической энергоустановки ( ЭЭУ), которая кроме ЭХГ включает системы: хранения и подготовки топлива, хранения и подготовки восстановителя, хранения и переработки продуктов реакции и примесей, использования тепла, регулирования электрических параметров ЭЭУ. В зависимости от типа ЭХГ и видов исходного топлива и окислителя, назначения ЭЭУ, устройство ЭЭУ может меняться в широких пределах. Так, при использовании кислорода воздуха отпадает необходимость в системе хранения окислителя. В некоторых ЭЭУ могут отсутствовать системы хранения и переработки продуктов реакции и примесей, системы использования тепла ЭЭУ.