ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА БИОХИМИЧЕСКИМ РАЗЛОЖЕНИЕМ ВОДЫ

Большая часть живых организмов дышит, т. е. потребляет кис - род и выделяет углекислый газ цля того, чтобы питать процессы анаболизма

• организме. В наибольшей степени это справедливо для растений. В растениях, анако, под действием света протекает и другой процесс, обратный дыханию, —

фотосинтез. В этом процессе из атмосферного воздуха поглощается углекислый газ. а выделяется кислород. Таким образом, на свету растения являются развет­вленной сетью по производству кислорода, а в темноте — сетью по его потреб - ению. В некоторых видах растений процесс фотосинтеза прекращается, если зетовой поток слишком мощный. В этом случае происходит только дыхание Цсм. параграф «Фотосинтез» в гл. 11).

В принципе некоторые виды растений могут производить кислород, необхо - 1мый для их дыхания, извлекая его из воды, в результате чего высвобождается олород. Например, такой способностью обладают некоторые водоросли. Так как

• темноте активность процессов, протекающих в растениях, сильно заторможена,

• оличество высвобождаемого водорода мало. За высвобождение водорода отвеча - г фермент гидрогеназа. Активность этого фермента подавляется в присутствии

: слорода, поэтому он не работает, когда идет процесс фотосинтеза.

Недостаток серы, наоборот, подавляет процесс фотосинтеза, что позволяет олучать водород в больших количествах при воздействии света.

Мелтис с сотрудниками продемонстрировал возможность фотобиологическш получения водорода с помошью водоросли Chlamydomonas Reinhardtii. Данн процесс протекает в две стадии:

1) нормальный рост водорослей и формирование запаса соединений т. рода;

2) удаление серы из системы и из водорослей, которые продолжают оставь ся на свету и выделяют водород, расходуя часть запасенного углерода

После того как на второй стадии израсходована большая часть углерода, п ■ цесс повторяется сначала.

Очевидно, что в настоящее время нужны более детальные исследования, лью которых было бы не только улучшение параметров биохимических си получения водорода, но и разработка более продуктивных видов водорослей і штаммов микроорганизмов.

Общая эффективность биохимического процесса получения водорода невыс так как КПД процесса фотосинтеза составляет менее 8 % (см. гл. 11), а солне излучение необходимо не только для самого фотосинтеза, но и для процесса свобождения водорода. Тем не менее с практической точки зрения наиболее » ным фактором является не столько эффективность системы, сколько стоим производимого с ее помощью газа. Остается только посмотреть, насколько систе предложенная Мелисом, будет экономически привлекательна.

ЗАДАЧИ

8.1. Пусть Св — стоимость электролизной установки, выраженная в доллар на один киловатт тепловой мощности, которую можно получить, сжигая пол; ченный в электролизере водород в номинальном режиме работы при плотн тока, равной /0 . Однако какие-либо серьезные аргументы в пользу эксплуата: электролизера строго при номинальном значении плотности тока J0 отсутств' поэтому он может работать при любом значении плотности тока J лежачъ в допустимых пределах.

Стоимость водорода, получаемого в электролизере (долл. Дкг Н2)

Г = Г + Г + г

^ИНВ '“'ОП ^ЭЛ ’

где Синв — часть стоимости, обусловленная капитальными вложениями в л. тролизную установку; Соп — операционные расходы, связанные с техничес обслуживанием и эксплуатацией электролизера (примем, что эти расходы ра нулю); Сэл — расходы на электроэнергию, которые являются функцией н сэл на нее

Предположим, что КПД электролизера зависит от плотности электрическ тока линейно:

r| = a + bJ.

Пусть 0 — коэффициент использования оборудования, т. е. отношение времени фактической работы оборудования к плановому фонду времени. Пусть R — еже­годные капитальные затраты, т. е. расходы на налоги, страхование, капиталов­ложения и пр., отнесенные к размеру привлеченного капитала.

Предложите соотношение для расчета плотности тока /, при которой стоимость производства водорода будет минимальной. Искомое значение плотности тока должно быть представлено в виде функции параметров Сп, /0 , R, 0, , а и Ь.

'‘ассчитайте оптимальную плотность тока J для следующих значений параметров:

CD = 100 долл./кВт,

/0 = 10 кА/м2,

R = 0,2 (в год)

0 = 1,

cw = 10 долл./МВт, а = 0,74,

Ь = - 6-Ю-6 м2/А.

2. Электролитическая ячейка, напряжение которой равно 1,9 В при силе тока 20 кА, имеет выход по току, равный 100 %. Рабочая температура ячейки равна? Ячейка полностью теплоизолирована: тепло отводится только с потоком агентов и продуктов реакции, а также с помощью воды, циркулирующей ■ системе охлаждения, встроенной в ячейку.

• питающая, и охлаждающая вода поступает в ячейку при температуре 25 °С. Температура охлаждающей воды на выходе равна 80 °С. Температура выходящих из ячейки газов равна 85 °С. Предположим, что изменение энтальпии системы • результате протекающей химической реакции не зависит от температуры и вно 285,9 МДж/кмоль воды.

! Рассчитайте скорость производства водорода (кг/ч).

Г Рассчитайте расход потребляемой воды.

Чему равен расход охлаждающей воды?

После замены катализатора на более эффективный рабочее напряжение на ячейке при силе тока 20 кА снизилось до 1,475 В. Таким образом, необходи­мость в использовании системы охлаждения исчезла, и система была отклю­чена. Определите новое значение рабочей температуры ячейки

.3. Рассмотрим идеальный электролизер воды и идеальный водородно-кисло - дный топливный элемент, причем топливный элемент установлен на высоте 0 м относительно электролизера. Кислород и водород образуются в элект­

ролизере и по трубам поднимаются к топливному элементу. В ТЭ образуется вода, которая спускается вниз по другой трубе и вращает турбину, приводящую в действие электрогенератор. Будем считать, что система турбина-генератор имеет КПД 100 %.

Так как и электролизер, и топливный элемент являются идеальными (обратимы­ми), количество электроэнергии, генерируемой топливным элементом должно быть строго равно количеству энергии, потребляемой электролизером. Однако, если система электролизер — топливный элемент будет работать по описанном схеме, турбогенератор, приводимый в действие падающим потоком воды, произ­водит дополнительное количество энергии W, которое составляет разницу межл> произведенной и потребленной электроэнергией. Очевидно следующее:

1) либо данная схема представляет собой описание вечного двигателя первого рода;

2) либо в описанной системе реализуется некий скрытый механизм получени энергии из некоторого источника;

3) либо в представленных рассуждениях имеется ошибка и такая система ра тать не будет.

Если Вы склонны считать, что верен первый вариант, то Вам нужно серьези пополнить свои знания в области термодинамики. Правильный ответ соде жится либо во втором, либо в третьем варианте. Если Вы считаете, что вері второе высказывание, укажите, какие скрытые источники позволяют получі дополнительное количество энергии W. Если вы согласны с третьим варианте найдите ошибку в рассуждениях и покажите, что сумма W и элекгрическо мощности, генерируемой ТЭ, строго равна мощности, потребляемой эле] лизером. Можно принять, что значения температуры электролизера и топли ного элемента равны.

8.4. Перед инженерами, проектирующими электролизную установку, стоит дача обеспечить следующие параметры получения водорода: давление 40 МП температура 25 °С. Для решения этой задачи разработчики рассматривают возможности:

1) получать водород при давлении 0,1 МПа, а затем повышать давление в ханическом компрессоре до 40 МПа;

2) повысить давление в электролизере до 37 МПа, а водород отводить при : лении 40 МПа. Предполагается, что разность давлений между кислородн и водородной частями электролизера равна 3 МПа, так как кислород о зуется при внутреннем давлении в электролизере.

Если электролизер работает при давлении 0,1 МПа, его КПД равен 85 %. Од при повышении давления КПД уменьшается до 80 %. Коэффициент полез действия компрессора равен 65 %.

Определите, какое количество энергии нужно затратить для получения 1 тонны в элорода в каждом из предложенных вариантов. Рассчитайте количество энергии, необходимое для подачи воды в электролизер (учесть только затраты энергии, зязанные с подачей воды в сосуд под давлением).

Кислород под высоким давлением может быть отправлен на турбину, где он рас­ширится до давления 0,1 МПа. Какое количество энергии можно регенерировать таким образом, если считать, что КПД турбогенератора равен 100 %? Чему будет "авна температура кислорода на выходе из турбины, если процесс расширения ; ідиабатньїй? Конденсацию кислорода в расчетах не учитывать.

.5. Электролизер состоит из 100 ячеек, каждая из которых имеет площадь ак­тивной поверхности электродов, равную 1 м2. КПД каждой ячейки может быть ссчитан по следующему соотношению:

г) = 1,205 + Ы,

(tie J — плотность электрического тока, А/м2.

|При J = 1000 А/м2 рабочее напряжение на каждой ячейке равно 1,310 В. юктролизер установлен в комнате, имеющей форму куба с гранью 3 м. Коэф- циент теплоотдачи через пол. стены и потолок комнаты равен 50 Вт/(м2-К). гугих источников теплоты в комнате нет. Температура снаружи комнаты равна С

ія режима, когда сила тока в электролизере равна 1000 А, определите:

Какую массу водорода производит электролизная установка в сутки?

Какую массу кислорода производит электролизная установка в сутки?

Какая масса воды потребляется электролизной установкой в сутки?

Чему равна равновесная температура, установившаяся в комнате?

При какой силе тока в комнате установится минимально возможная темпе­ратура?

Для производства 1 т водорода в сутки в непрерывном режиме рабочее на - жение водяного электролизера, работающего при нормальных условиях, іжно быть равно 1,83 В.

Определите, чему равна сила тока в электролизере при этих условиях.

Какой объем воды потребляет электролизер в сутки?

Какое количество теплоты выделяет (или поглощает) электролизная установ­ка в сутки?

Г. Требуется оценить эффективность работы системы для получения аммиа - при использовании на рассредоточенной территории. Система работает на ктрической энергии.

Каждая установка для получения аммиака должна обеспечивать продуктом се. скохозяйственный участок размером 20x20 км.

Необходимо обеспечить интенсивное использование азотных удобрений: 40 аммиака на 1 га (10 000 м2) в год.

Реальный КПД электролизных установок, работающих в штатном режиме (п нормальных условиях), равен 85 %. Выход по току равен 100 %.

1. Полагая, что установки работают круглосуточно, определите, какую ма водорода в сутки должна производить каждая из них.

2. Какую мощность потребляет каждая установка?

3. Чему равно напряжение на одной электролитической ячейке?

4. Чему равна сила тока на одной электролитической ячейке?

5. Предположим, что давление продуктов электролиза на выходе должно б равно 400 атм. Очевидно, что это потребует дополнительных затрат элек энергии. Пусть эта дополнительная мощность строго равна мощности, обходимой для изотермического сжатия газов до требуемого давления. Ч_ равна эта мощность?

6. В традиционном процессе производства аммиака затраты на электроэне! составляют 80 % стоимости продукта. На международном рынке цена амм- равна 200 долл./т. Таким образом, доля в цене, равная 40 долл./т, опрел ется всеми другими расходы, не связанными с энергозатратами. Рассчит стоимость 1 кВт ч электроэнергии, при которой доход от реализации ака составит 10 %. Обратите внимание, что доля, равная 40 долл./т, оста неизменной.

8.8. Установка для производства водорода имеет в своем составе электролиз батарею, состоящую из 100 последовательно соединенных ячеек. Тесты показа, что при силе тока в каждой ячейке 35,6 А разность потенциалов равна 1,482 При уменьшении силы тока напряжение также уменьшается, и при нуле значении силы тока напряжение равно 1,376 В.

Необходимо обеспечить производительность установки 1 л/с водорода при ра электролизера в нормальных условиях. Какое напряжение необходимо под к электролизной батарее?

Можно принять, что каждая ячейка представляет собой идеальный элек зер, соединенный последовательно с генератором напряжения и резист имеющим постоянное сопротивление.

8.9. Рассмотрим идеальный электролизер, последовательно соединенный с зистором, сопротивление которого равно 0,01 Ом. Выходные газовые пат] электролизера присоединены к небольшим закрытым сосудам одинако объема, поэтому во время работы устройства давление в этих сосудах ра

В начальный момент времени давление и кислорода, и водорода равно 1 атм. Рабочая температура электролизера равна 298 К. К электролизеру и резистору последовательно подключен источник питания напряжением 1,333 В. Произво­дятся измерения силы тока в цепи.

Определите, чему равна сила тока в начальный момент времени?

2. В процессе работы устройства давление газов в сосудах повышается. Полагая, что сосуды имеют большой запас прочности и не повредятся при высоком давлении, определите максимальное давление водорода, которое может быть достигнуто в описанной системе.

8.10. Сферический шар наполняется водородом до тех пор, пока давление внутри шара не сравняется с атмосферным. Оболочка шара изготовлена из материала, который может растягиваться и сжиматься, но при этом практически не изме­няет давление газа. Температура водорода равна температуре окружающего воз­духа. Масса пустого шара равна 32 кг. При давлении I атм и температуре 0 °С диаметр шара равен 10 м.

1. Определите подъемную силу. Каким образом подъемная сила зависит от вне­шнего давления и температуры окружающей среды?

2 Для наполнения шара водородом используется электролизная установка, ко­торая содержит 100 электролитических ячеек. Каждая ячейка работает при напряжении 1,92 В и силе тока 2000 А. Как долго должна проработать уста­новка, чтобы произвести необходимое количество водорода?

? Определите объемный расход питательной воды.

- Определите мощность тепловыделения электролизной установки.

8.11. Батарея из 12 электролизеров, соединенных последовательно, работает при комнатной температуре (298 К). Газы, получаемые в электролизере, отводятся при атмосферном давлении. Батарея работает при напряжении 17,784 В и силе

ока 1200 А.

' Рассчитайте производительность установки, т. е. массу водорода, полученного за сутки.

' Рассчитайте объемный расход потребляемой воды.

3 Рассчитайте рабочую температуру электролизной батареи.

*.12. Рассчитайте, какую мощность потребляет идеальный электролизер при рабо - чсй температуре 298,2 К, если он производит 1 кг водорода в час при давлении 400 .тм. При расчете учесть, что кислород производится при давлении 370 атм.

* 13. Вас наняли управлять фабрикой по производству водорода. Фиксированные траты, связанные с амортизацией оборудования, выплатой заработной платы,

уплатой налогов и т. д., составляют 2000 долл. в день независимо от кол и чес: произведенного водорода.

Электролизная установка состоит из N последовательно соединенных ячеек, к из которых имеет вольт-амперную характеристику, описываемую уравнением

V = V0 + Явнутр/ .

Цена потребляемой установкой электрической энергии с (долл./(кВт-ч)) ме ется ежедневно в зависимости от графика нагрузок. Каждый день необходи корректировать производительность электролизной установки Нпрош (кг/сут таким образом, чтобы минимизировать стоимость получаемого газа. Требуе разработать формулу, которая позволит рассчитать оптимальную производите, ность установки как функцию стоимости электроэнергии с.

Рассчитайте производительность установки, при которой стоимость газа будет нимальной, если N = 250, V0 = 1,420В, /?|шутр = 20 ■ КГ6 Ом, с = 2 цента/кВт ■ ч

8.14. Для электролизной установки, описанной в задаче 8.13, которая рабо при силе тока 20 кА, рассчитайте:

1. Полное рабочее напряжение на установке.

2. Производительность установки (кг водорода/сут).

3. Объемный расход потребляемой воды (м3/сут).

4. Мощность тепловыделения в электролизере.

8.15. Предполагается, что система получения водорода методом прямого ра: жения будет работать при температуре 1500 К. Для обеспечения требуемого р хода водорода через палладиевый фильтр, используемый для очистки водо от кислорода и водяного пара, необходимо, чтобы перепад давления на ме ране фильтра был равен 5 атм. Предположим, что со стороны чистого водо - давление газа равно 1 атм. Какое давление должно поддерживаться со сторо водяного пара? Расчет произвести также для температуры 3000 К.

8.16. Мембрана электролизера изготовлена из моноэтаноламина, который им удельное сопротивление р = 65 мкОм-м2. Каждая ячейка электролизера дола производить 100 г водорода в час. Выход по току равен 100 %.

1. Определите силу тока в ячейке.

2. Вольт-амперная характеристика электролизера описывается соотношение»

V = V^p + VKia + RI,

где ¥СДВ — постоянное напряжение сдвига уровня, равное 0,1 В.

Стоимость электроэнергии составляет 0,05 долл./(кВт-ч). Стоимость элек лизера пропорциональна площади активной поверхности ячеек и составі 10 000 долл./м2 активной поверхности. Процентная ставка по кредиту состав

12 % годовых. При расчете учитывать только стоимость инвестиций и стоимость электрической энергии. Рабочая температура электролизера 298 К. Установка работает в непрерывном режиме в течение года. При создании установки можно выбрать площадь активной поверхности электролитической ячейки. При какой плотности тока можно реализовать наиболее экономичный режим производства водорода?

8.17. Создание емкостей, с которыми можно работать при очень высоких тем­пературах, необходимых для термического разложения воды, является сложной технической задачей. Предположим тем не менее, что мы имеем емкость, с ко­торой можно работать при 2800 К. В емкости находится 100 г жидкой воды при низкой температуре. Затем сосуд нагревают до температуры 2800 К, при этом часть воды разлагается и выделяется водород.

1. Определите, какая масса водорода выделилась.

2. Количество свободного водорода оказывается достаточно малым. Как изме­нится результат, если использовать не 100 г, а 10 кг воды?

8.18. Аммиак, возможно, является одним из самых важных сельскохозяйственных лобрений. В нем содержится азот, необходимый растениям для роста. В 2000 г. мировое производство аммиака превысило 120 млн т/год.

Основным процессом при производстве аммиака является процесс Харбера - боша:

ЗН2 + N2 2NH3.

Энтальпия образования аммиака: Дhf, =-46,19 МДж/кмоль.

/мн3

Определите, смещение равновесия реакции в сторону продукта (аммиака) можно осуществить повышая или снижая давление в реакторе?

2 Определите, смещение равновесия реакции в сторону продукта (аммиака) можно осуществить повышая или снижая температуру в реакторе? Очевидно, что одновременно довести условия по давлению и температуре до экстремаль­ных, чтобы максимально сместить равновесие реакции, не удастся. Назовите одну важную причину, ограничивающую максимальные значения давления и температуры в реакторе.

*.19. Оксид азота NO имеет большое значение в биологии млекопитающих, так ак он играет важную роль в обеспечении жизнедеятельности клеток. Однако эт газ является также и сильным загрязняющим атмосферу веществом, так как н легко реагирует с кислородом и образует токсичный диоксид азота N02. Азот, содержащийся в воздухе, может вступать в реакцию с кислородом:

-N2 + -02 NO 2 2 2 2

Это приводит к нежелательному образованию оксида азота NO, который, всту. в реакцию с кислородом и водяным паром, содержащимися в воздухе, образ азотную кислоту, что приводит к выпадению кислотных дождей. Оксид азо N0 также уничтожает озоновый слой Земли и является источником фотохими-j ческого смога.

Ниже приведены некоторые термодинамические данные, необходимые д • дальнейшего анализа.

Энтальпия образования, МДж/кмоль

Температура, К

298,15

298,87

Энтропия, кДжДК-кмоль)

Температура, К

298,15

146,3

v г л™ f 90,58-ю6

Константа равновесия К = 4,522 ехр------------

RT

1. Будет ли реакция образования NO из 02 и N2 самопроизвольно протек при комнатной температуре? При положительном ответе объясните, поч в таком случае атмосферный воздух содержит лишь небольшое количес оксида азота. При отрицательном ответе объясните, чем вызвана пробл загрязнения воздуха оксидом азота?

2. Что произойдет, если температура газов повысится до 6000 К? Если в рез; тате реакции из азота и кислорода образуется азотная кислота, чему б равна массовая доля оксида азота в газовой смеси в условиях равновесия?

3. Как вы выяснили при ответе на предыдущий вопрос, при температуре 600 ■ (этот уровень температур легко достигается при вспышке молнии) образу е" существенное количество оксида азота. Однако воздух быстро остывает, а низких температурах, как вы узнали из ответа на первый вопрос, равнове смещается в сторону полного разложения оксида азота. Таким образом, оо ясните, почему оксид азота все же считается веществом, серьезно загряз ющим атмосферу.