Александр Пак

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА КАК АЛЬТЕРНАТИВА НЕФТЕГАЗОВОЙ

Современная энергетика – это нефть
Есть нефть – есть свет и тепло. Нет нефти – нет света и тепла.
Можно, конечно, признать, что где-то по мелочи можно и ветряк использовать, и солнцем воду разогреть в бассейне. Но если речь идёт о серьёзных энергопотребителях, таких как мегаполисы с производственными предприятиями, то конкуренцию нефти может составить, разве что, атом. Если даже человечество и преодолеет страх перед новыми чернобылями и фукусимами, то и тогда трудно пока найти альтернативу нефтепродуктам для автомобильного, а тем более самолётного топлива. Примерно так думает современный образованный человек, особенно если он считает себя холодным прагматиком, признающим абсолютный императив рынка, основой которого является современная энергетика.
Но вот что удивительно: впервые о водороде как о потенциальном топливе и носителе энергии обмолвился Жюль Верн ещё в 1857 году в романе «Таинственный остров».
«Какое топливо заменит уголь?
– Вода, – ответил инженер.
– Вода? – переспросил Пенкрофт...
– Да, но вода, разложенная на составные части, – пояснил Сайрес Смит. – Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества... Наступит день, и вода заменит топливо. Водород и кислород, из которых она состоит, окажутся таким мощным неисчерпаемым источником тепла и света, что углю до них далеко!»
Эти воистину пророческие высказывания писателя фантаста тех времён трудно переоценить, вероятней всего, Жюль Верн знал к тому времени уже открытый закон Гесса, в другое просто трудно поверить. Парадокс состоит в том, что сегодня грамотных людей на планете гораздо больше и, тем более, узких специалистов в области физической химии, но никто даже и не помышляет о возможности получения мощного неисчерпаемого источника тепла и света из воды, как об этом сказал герой романа. Дело в том, что запатентованный в России ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ГДВС) – это и есть то, о чём сказал фантаст в далёком 1857 году.
Чтобы остаться в рамках жанра, необходимо в популярной форме разобрать, прежде всего, термодинамический процесс в камере сгорания двигателя. Сегодня, реально, в промышленных масштабах, водород производится из воды путём электролиза. Затраты на производство одного кубического метра водорода составляют максимально 5 кВт электроэнергии. Полученный водород и кислород стехиометрического состава будут подаваться непосредственно в камеру сгорания ГДВС под давлением в 4 атмосферы, такое давление выдают промышленные электролизёры. Как известно, смесь водорода с кислородом от 5 и до 95% горит с взрывом, но ГДВС имеет три возможных варианта исключить детонацию. Приведу самый простой пример. Если смешать газ пропан с воздухом и подать искру, то произойдёт взрыв, это знают все. Но также все знают, что тот же газ спокойно горит в газовой плите, и я думаю, всем понятно почему? Потому что он смешивается с воздухом уже только в процессе горения, а в чистом виде пропан, как и водород, не горит. Ровно то же самое можно организовать и в камере сгорания ГДВС, а дальше произойдёт то, что происходит в камере сгорания поршневого двигателя (изохорный процесс горения), ниже мы разберём подробно, что такое изохорный и изобарный процессы.
Из описания изобретения известно, что ГДВС не имеет выхлопа (замкнутый термодинамический цикл), а это означает, что если есть камера сгорания, то она должна быть чем-то заполнена, она не может оставаться пустой до подачи топлива. На первый взгляд это выглядит, как удачное совпадение полезного с вынужденным. Но это только на первый взгляд. Сама природа горения, по закону действующих масс, предусматривает рациональность неэквивалентного состава горючей смеси (в природе не бывает стехиометрических соотношений горючей смеси), а это означает, что если камеру сгорания заполнить одним из компонентов реакции, то это и будет то, о чём сказано в романе: «источник неисчерпаемой энергии».
Любой собеседник обязательно скажет: «Ещё раз с этого места и подробней». Согласен. Итак, напоминаю: двигатель не имеет выхлопа, значит то, чем заполнена камера сгорания, не будет выброшено из двигателя по окончании цикла. В камеру сгорания подаётся строго эквивалентная пропорция водорода и кислорода. Эквивалентный состав (стехиометрический состав) – это значит, что по окончании химической реакции мы получим только воду в виде пара без какого-либо остатка. Но тот газ, который постоянно будет присутствовать в камере сгорания, в данном случае мы рассматриваем чистый кислород, тоже обязательно вступит в реакцию, однако по окончании процесса останется в камере сгорания в чистом виде. Это называется смещением химического равновесия по закону действующих масс, или сдвигом константы. Что это даёт? Допустим, если в камеру сгорания мы подали один литр объёма горючей смеси стехиометрического состава, а в камере сгорания уже присутствует два литра чистого кислорода, то в сумме получится три литра горючей смеси. А по закону действующих масс три литра неэквивалентного состава горючей смеси и три литра стехиометрического состава имеют одинаковое числовое значение константы равновесия. В результате мы получим суммарную энергию такую же, как из трех литров горючей смеси стехиометрического состава. Теперь не трудно подсчитать, что если, к примеру, в горючей смеси водорода будет меньше в десять раз по отношению к кислороду, то из одного кубометра водорода, на выработку которого было затрачено 5 кВт электроэнергии, на ГДВС мы получим примерно 20 кВт электроэнергии с учётом энтропии и общего КПД двигателя. ГДВС – это то, о чём говорил герой романа «Таинственный остров».
Сегодня, в начале двадцать первого века, всё мировое сообщество всерьёз озабочено энергоэкологической ситуацией на нашей планете. В ряде случаев эта озабоченность перерастает в панику, главным образом, такое проявляется в олигархической среде старого света. Достаточно привести пример высказывания лорда Уильяма Рис-Мог, бывшего главного редактора лондонской газеты «Таймс», относительно будущего мира. По его словам, мир станет совершенно новым, иным миром, в котором 95 процентов людей не получат вообще никакого образования, а всё богатство будет создаваться не более чем пятью процентами населения, сидящим на островах и распределяющим информацию «золотым миллиардом». Вот то, к чему привела та ложная «прописная истина»: «Есть нефть – есть свет и тепло. Нет нефти – нет света и тепла».
Не лучшим образом обстоят дела и в мировом научном сообществе. Если олигархов можно как-то понять, то с учёных будет особый спрос будущих поколений землян за такие глупые проекты, как управляемый термоядерный синтез, который будет давать тепло для того же парового котла, или проект по доставке на землю «чудо-топлива» из недр Луны, или проект переселения землян на другие планеты. И это притом, что на земле налицо неисчерпаемые запасы воды как сырья для получения водорода для водородной энергетики.
Парадокс состоит в том, что мировая наука не имеет системного подхода к научным законам и открытиям, ошибка мировой науки состоит в том, что любой открытый и прописанный научный закон требует осознания внутренней, прикладной сущности прописанных законов. Приведу лишь один пример. Основной закон термохимии установлен Г.И. Гессом в 1840 году, и одна из основных формулировок закона гласит: «для двух практически важных процессов – изохорного и изобарного – теплота процесса (тепловой эффект химической реакции) приобретает свойства функции состояния». (Выделено мной – Авт.) Это следствие первого начала термодинамики составляет теоретическую основу термохимии. Вы понимаете, о чём говорит этот закон?!! Тепловой эффект химической реакции есть функция состояния процесса. Но ведь реакция взаимодействия водорода с кислородом обратимая, т. е., одновременно идут и прямая и обратная реакции, а процесс прекращается только тогда, когда скорости прямой и обратной реакции уравняются. Тогда возникает второй вопрос. Что произойдет, если химическое равновесие не наступает? На этот вопрос даёт полный ответ закон действующих масс.
А теперь подробней о законах.
Химическая реакция как процесс заключается в разрыве одних и образовании других связей, поэтому она сопровождается выделением или поглощением энергии, и если эта реакция обратимая, то очень важно, что же из этого следует? А из этого следует другой важнейший закон химической термодинамики, закон действующих масс: «скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ». Закон действующих масс, установленный норвежскими учёными К. Гульдбергом и П. Вааге в 1864–67 гг., в химической кинетике позволяет составлять кинетические уравнения, а в химической термодинамике – определять положение химического равновесия. Этот важнейший закон химической термодинамики трудно понять неспециалисту. Его современная формулировка складывалась постепенно, и поэтому он вошёл в науку сравнительно поздно. Близкие к закону действия масс идеи содержались уже в работах К.Л. Бертолле в начале 19 века, но для окончательной формулировки этого закона понадобилось ещё полвека напряжённых дискуссий.
Для понимания этого закона совершенно необходимо уточнить, что такое скорость химической реакции. Скорость химической реакции характеризуется изменением концентрации реагирующих веществ (или продуктов реакции) за единицу времени. На скорость химической реакции воздействуют три основных внешних фактора: температура, давление и концентрация реагирующих веществ, которые и определяют результат процесса (тепловой эффект). Все эти сложные термохимические процессы протекают по закону действующих масс. Приведу самый наглядный пример: для газообразной системы 2H2 + O2 = 2H2O имеем в левой части уравнения 3 молекулы, в правой – 2 молекулы. В случае если в термохимической системе весь водяной пар разложился на водород и кислород, то система занимала бы 3 объёма, а если бы распада совсем не было, то 2 объёма. Таким образом, при повышении давления равновесие будет смещаться в сторону образования водяного пара, т.е., его относительная концентрация возрастает (выделяется большое количество тепла). Но по закону действия масс соответственно ускоряется идущее с увеличением объёма разложение водяного пара на элементы, и так до тех пор, пока создаваемое самой системой давление станет равно производимому на неё извне.
Далее, основная формулировка закона Гесса: тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении или постоянном объёме, не зависит от пути реакции, а определяется только состоянием исходных веществ и продуктов реакции.
Тепловой эффект изохорной реакции равен приращению внутренней энергии системы: Qv = ΔU.
Тепловой эффект изобарной реакции равен приращению энтальпии системы: Qv = ΔH.
Изохорный процесс – горение при постоянном объёме V = const.
Изобарный процесс – горение при постоянном давлении p = const.
Осмысление этих законов позволяет понять, что обратимая химическая реакция взаимодействия чистого водорода и кислорода есть природный источник неисчерпаемой энергии. При условии обуздания смещения химического равновесия по закону действующих масс, мы получим искусственный источник неисчерпаемой энергии.
На практике процесс горения обязательно происходит со смещением химического равновесия по закону действующих масс: горят ли в топке дрова или каменный уголь, горит ли топливо в реактивном двигателе, стреляет ли огнестрельное оружие – во всех этих случаях равновесие смещается вправо. Если рассматривать горение дров в топке печи, то увеличение температуры горения происходит за счёт интенсивности тяги воздуха через поддувало, а повышение температуры, в свою очередь, увеличивает скорость химической реакции – это изобарный процесс. Так на практике можно видеть эти законы в действии. Что касается реактивного двигателя, то тут на лицо изохорный процесс, который даёт значительно больше энергии, и обусловлено это большим смещением химического равновесия от продолжительности изохорного процесса.
Говоря о смещении химического равновесия, необходимо отдельно уделить внимание двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Двадцатый век был веком ДВС. Первый ДВС был сконструирован Э. Ленуаром в 1860 году, и с тех пор этот двигатель полностью завладел умами сильной половины человечества, оттеснив на второе место даже оружие. Такая популярность автомобиля вполне оправданна: прежде всего, это большая мощность и сочетание высокой скорости с комфортом. Что может быть приятней того, как от лёгкого нажатия на педаль акселератора ты органически ощущаешь мощь множества лошадиных сил, подвластных твоей воле?
Но мало кто знает, откуда реально берётся эта мощность, разве что, только конструкторы этих двигателей. В ДВС используется химическая энергия топлива, сгорающего непосредственно в рабочей полости со значительным смещением химического равновесия, часть этой энергии преобразуется в механическую энергию. Достаточно сравнить температуру горения бензина на открытом воздухе, что составляет примерно 1300оС (изобарный процесс), и температуру пламени в камере сгорания двигателя, которая составляет 2500оС. Это результат смещения химического равновесия (изохорный процесс) в камере сгорания двигателя. Но все эти яркие практические доказательства работающих законов термохимии и термодинамики не побудили учёных в этой области к созданию водородного двигателя, типа предложенного изобретения ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Почему? Скорее всего, вопрос этот риторический.
В 2003 году страны – участницы «Большой восьмёрки» (G8) поставили вопрос о необходимости налаживания международного сотрудничества для изучения проблем водородной энергетики. Переход к реальной водородной энергетической системе в наиболее развитых странах мира начался в начале двадцать первого века. Так, Япония выделила четыре миллиарда долларов на приобретение всех водородных энергетических технологий до 2020 года. В Европе на научные исследования и разработки в области водородной энергетики планируется потратить пять миллиардов долларов.
Правительство США выделило 1,7 миллиарда долларов на коммерциализацию транспортных средств на водородных топливных элементах, а также 1,2 миллиарда долларов на производство водорода из угля без эмиссии СО2.
К сожалению, почти все научные разработки по водородной энергетике связаны с разработкой водородных топливных элементов. Но это примерно то же самое, что и солнечные батареи, поэтому они не могут составить конкуренцию даже поршневому двигателю. Привожу пример официальной оценки российских учёных, озвученной в научном кафе по проблемам водородной энергетики 15 мая 2007 г. в Санкт-Петербурге в рамках проводимого фондом Дмитрия Зимина «Династия» фестиваля «Дни науки».
«Через полтора года, - говорит С.А. Гуревич, - мы планируем сделать маленький источник энергии мощностью 2 Вт (это столько, сколько потребляет мобильный телефон). Он будет размером с аккумулятор мобильного телефона. И надеемся, что энергетическая емкость у него будет больше, чем у современных аккумуляторов».
«Каждой энергетике – свое время, – подытожил В.Л.Туманов. – Водородная энергетика придет на смену углеводородной где-то через 40-50 лет. Тогда она сможет решить проблемы удаленных регионов, куда не дотягиваются линии электропередач.
«Водородная программа», ее стратегия и тактика, расписана до 2015 года. На 2007-2008 г. запланирован бюджет в размере 80 млн. долларов, до 2015 года будет потрачено еще 500 млн. долларов, на следующем этапе - на период 2009-2012 г.г., а в дальнейшем на перспективу до 2020 г.– уже несколько миллиардов долларов. Всё определится рыночной ситуацией и правильностью построения бизнес-стратегии НИК НЭП. А что касается оригинальных технологий, то в базе НИК НЭП их сегодня 130.
Предлагаю один из примеров оценки учёными проекта ГДВС:
Комната: 14(М), вн. телефон: 5784.
Телефон: 3330554.
Сибирское отделение РАН - Институт неорганической химии.
Во время первого контакта он пообещал перенаправить вопрос другим экспертам, если сам не сможет разобраться.
Заключение его следующее:
«Это изобретение носит фундаментальный теоретический характер. Если и есть предмет изобретения, то до практической реализации, хотя бы, эскизного проекта для двигателя принципиальной новой конструкции нужны десятилетия.»
Узкопрофильные эксперты в данной области в институте, где Игуменов работает, отказываются даже рассматривать, потому что считают, что он неэффективно тратит на него время.
Слов нет, такое можно было сказать относительно поршневого двигателя ещё в конце 19 века, но сегодня!!! Как говорится, «у страха глаза велики». Проект ГДВС настолько прост, что никто в это поверить не может. В этом проекте нет ничего нового, только сама конструкция, а всё остальное науке известно.
В то же время, проект ТОКАМАК (управляемый термоядерный синтез) никого не пугает и не возмущает. Приведу только два фактора, над которыми можно было бы задуматься учёным: а) невероятная сложность проекта, б) стоимость проекта. Между тем, истина гласит: «всё гениальное просто».
Почему ГДВС можно считать идеальным двигателем:
• максимальный КПД 80-85%;
• искусственный источник неисчерпаемой энергии;
• экологически совершенно чистый;
• технологичен.
Основные практические преимущества от перехода мировой энергетики к реальной водородной энергетике с внедрением ГДВС:
• возобновляемый источник энергии;
• минимальная себестоимость электроэнергии;
• отпадет необходимость глобальных энергосетей и теплосетей;
• воздушный, железнодорожный, водный и подводный транспорт перейдёт на автономную электротягу с неограниченным запасом хода.
Легковой и грузовой автотранспорт должен полностью перейти на электротягу (возможны варианты).
Проекту ГДВС нет альтернативы!
ИСКУССТВЕННЫЙ ИСТОЧНИК НЕИСЧЕРПАЕМОЙ ЭНЕРГИИ
С момента открытия закона сохранения энергии прошло почти два столетия. Сегодня в его справедливости, естественно, нет никаких сомнений: по существу, его доказала вся техническая практика человечества, подтвердившая, что самая совершенная паровая машина, двигатель внутреннего сгорания или турбина способны работать только тогда, когда к ним подводится энергия от внешнего источника.
Как известно, закон сохранения энергии можно сформулировать в следующей несколько видоизменённой форме: при всех процессах преобразования энергии сумма всех видов энергии, участвующих в данном процессе, должна оставаться неизменной. Такая формулировка, хотя и не допускает возможности создания энергии из ничего, однако оставляет открытым другой путь реализации вечного двигателя, принцип работы которого основывался бы на преобразовании одной формы энергии в другую.
Давно известно, что для двух практически важных процессов – изохорного и изобарного – теплота процесса имеет свойство функции состояния. Это следствие первого начала термодинамики составляет теоретическую основу термохимии и называется законом Гесса.
Действительно, первое начало утверждает эквивалентность тепловой и механической энергии, однако в нём ничего не говорится о том, в каком направлении должны протекать процессы преобразования энергии. Бросаем ли мы камень со сколы в пропасть, превращаем ли при взрыве химическую энергию в механическую энергию, сжигаем ли топливо для обогрева наших домов – всё это суть закономерные изменения форм энергии. Основной смысл в идеи создания вечного двигателя всех времён и народов, состоит в том, что некая воображаемая машина должна вырабатывать энергию больше, чем потребляет. Само по себе, вечное движение это и есть то, что заложено в формулировке первого начала термодинамики «закон сохранения и превращения энергии», то есть, сам закон утверждает энергетическую сущность мироздания (внутренняя энергия является функцией состояния системы). В подтверждении закономерной возможности создания вечного двигателя служит реально работающий двигатель, под названием «Гидротаран».
Как не странно, но первый двигатель, с реальным элементом вечного двигателя второго рода, это двигатель внутреннего сгорания в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. Для доказательства этого факта достаточно сравнить реальную температуру пламени при горении бензина на воздухе температура, которой составляет примерно 1300℃ (изобарный процесс p = const), и температуру сгорания топлива в камере сгорания двигателя 2500℃ (изохорный процесс V = const). Такая существенная разница это результат смещения химического равновесия по закону действующих масс (степени сжатия и изохорный процесс), в любом другом случае он потеряет свою мощность и будет работать только на себя. Проблема ДВС заключается в его низком КПД, которая составляет всего лишь 30%, и по понятным причинам больше он дать не может. Но если допустить, что ДВС имеет КПД 75%, то это уже будет, вечный двигатель второго рода потому, что на лицо смещение химического равновесия по закону действующих масс.
Следующим ярким примером, преобразования энергий, является эндотермическая реакция (динамическое равновесие). Если, некую закрытую систему с водой нагреть до 2000℃, то в этой системе установится динамическое равновесие соответствующей этой температуре и если затем повышать температуру, то равновесие последовательно смещается в сторону образования всё больших концентраций свободного водорода и кислорода. Но по закону действующих масс одновременно ускоряется и идущая с выделением тепла реакция их соединения, т. е. в системе постоянно нарастает противодействие. Новое равновесие устанавливается тогда, когда концентрации свободных водорода и кислорода возрастут на столько, что выделяемое при их взаимодействии количество тепла станет равно сообщаемому теплу за то же время системе извне. Теплота реакции от энергии активации не зависит. Динамическое равновесие может, продолжатся сколько угодно долгое время. Этот экспериментальный факт показывает, что обратимая химическая реакция, протекающая с выделением тепла, есть инструмент преобразования, какой либо энергии, в тепловую энергию, теоретически, в неограниченном количестве. Вот тот главный механизм получения тепловой энергии для работы возможного варианта вечного двигателя второго рода, очень мудро предусмотренный самой природой горения, механизм которого, объясняет закон действующих масс «скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ». Любое горение в природе происходит со смещением химического равновесия, ибо стехиометрического состава горючей смеси в природе практически не бывает, более того, это не рационально с точки зрения самой природы горения по ЗДМ. Можно привести, более серьёзный, пример практического применения не эквивалентного состава горючей смеси. Самая мощная Российская ракета «Энергия», как известно, заправляется жидким водородом и кислородом, стехиометрический состав которого по массе составляет 8 -1, но в основных характеристиках двигателя написано, компоненты топлива: окислитель – жидкий кислород, горючее – жидкий водород. Соотношение компонентов 6 – 1, допустимое изменение соотношения компонентов топлива от номинального 7 – 10%. Большее изменение соотношения компонентов топлива ведёт к неполному сгоранию водорода. Необходимо уточнить практическую выгоду, которую извлекает сама ракета. Для любой ракеты основными тактикотехническими характеристиками являются, вес и дальность полёта, а это зависит от горючей смеси, применяемой в ракете. И если ракета энергия берёт на борт вместо 800 тон жидкого кислорода 600 тон, то это означает только одно, что такое соотношение компонентов горючей смеси не ведёт к потере тяги ракеты, но даёт существенное преимущество в конкуренции за полезную нагрузку ракеты.
Таким образом, из выше изложенного следует, что настоящее предлагаемое изобретение, ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, как новый принцип работы теплосиловой машины, принцип работы которого основывается на смещении химического равновесия по закону действующих масс, может рассматриваться, как искусственный источник неисчерпаемой энергии за счёт чистого кислорода постоянно присутствующего в камере сгорания ГДВС.