В современном мире, где энергетические ресурсы являются одним из ключевых факторов развития, поиск новых источников энергии и эффективных способов их использования становится все более актуальным.
Вместе с этим возрастает интерес к возможностям использования угля, одного из наиболее распространенных и доступных ископаемых, в процессе преобразования энергии.
Использование угля как источника энергии является одной из самых дешевых и распространенных практик в мире. Тем не менее на протяжении многих лет уголь был одним из самых вредных и загрязняющих окружающую среду источников энергии.
Традиционно уголь использовался в тепловых электростанциях для производства электроэнергии, однако этот процесс сопряжен с высоким уровнем выбросов парниковых газов и неблагоприятным воздействием на окружающую среду.
В связи с этим, возникает необходимость разработки новых методов использования угля с целью эффективного превращения энергии, выделяющейся при его сгорании, в электрическую энергию с минимальными экологическими последствиями.
Производство статического электричества трением жидкости
История техники может привести десятки примеров оригинальных попыток генерирования электроэнергии, не получивших дальнейшего применения.
Насколько оригинальные решения здесь возможны, показывает принцип паровой электрической машины, предложенной Уильямом Армстронгом, наблюдавшим в 1840 г. выделение искр при быстром истечении пара из предохранительного клапана парового котла.
На основании ряда наблюдений Армстронг установил электрическую природу явления, а в 1842 г. он сконструировал специальную электрическую паровую машину. Паровой котел был монтирован на стеклянных опорах.
При сжигании угля бразующийся в котле пар под давлением до 5—6 ат заставляли проходить через систему узких прорезов и отверстий, высверленных в цилиндре из букового дерева.
Благодаря интенсивному трению водяной пар непрерывно получал положительный заряд (в то же время котел заряжался отрицательным электричеством). Положительное электричество пара собирали при помощи игольчатого электрода на кондукторе и т. д.
Машина Армстронга (1842 г.)
Машина Армстронга с котлом емкостью 40 литров давала в секунду 5 разрядов с длиной искры 5 см. Политехнический институт в Лондоне построил такую машину с котлом в 2 м длиной, дававшую в секунду 46 разрядов при длине искры в 60 см.
Исследования Майкла Фарадея доказали, что выхода пара недостаточно для выработки электричества. Это должен был быть влажный пар, частично сконденсировавшийся и несущий с собой капли воды, поэтому машина Армстронга имела прямоугольную коробку, охлаждаемую водой для образования конденсата. Капли воды становились электрически заряженными из-за трения о деревянные стенки насадок из самшита.
Однако похоже, что даже сегодня нет единого мнения о точном принципе работы этой машины. Это не просто академический вопрос, так как в 1969 году три больших нефтяных танкера были потоплены или повреждены в результате взрывов, предположительно вызванных искрами от электрически заряженного тумана во время промывки танков струями воды.
Эффект Армстронга — это физический процесс, при котором статическое электричество возникает при трении жидкости. Впервые он был обнаружен в 1840 году, когда электрическая искра возникла из-за капель воды, выметаемых выходящим паром из котла. Эффект назван в честь Уильяма Армстронга.
Уильям Армстронг родился 26 ноября 1810 года в Шилдфилде, Ньюкасл-апон-Тайн. По окончании школы Армстронг последовал желанию отца и начал изучать право. Он сделал успешную карьеру, проработав 11 лет юристом. Однако на протяжении всей своей карьеры он оставался увлеченным своей детской страстью — инженерным делом.
Этот котел Армстронга находится в музее Ньюкасла. Он выглядит законченным, с установленной водомерной трубкой и предохранительным клапаном (с красным грузом), а также со стеклянными ножками. Слева вверху — гребенка для сбора электрического заряда.
Угольные гальванические элементы
Архивы с документами по истории техники, говорят нам о многочисленных попытках генерирования электроэнергии также за счет энергии топлива, без промежуточных этапов, т. е. без использования водяного пара.
Это прежде всего попытки разрешить основную и самую крупную задачу в развитии гальванических элементов — использование энергии сгорания угля непосредственно в гальваническом элементе.
В получивших практическое применение гальванических элементах уголь применяется в качестве электроотрицательного, нерасходующегося электрода. Задача же состоит в том, чтобы добиться непосредственного превращения энергии сгорания угля в электрохимическую энергию в самом гальваническом элементе.
Еще в 70-х годах XIX в. Дю-Монсель и Яблочков, затем Газа, Бартольди и Папасольги пытались осуществить гальванические элементы с двумя угольными электродами. Дальнейшим шагом на этом пути были попытки создания кислородно-угольных элементов Оствальда, Борхерса, Коэна, Томази и Радиге.
Характерно, что Вильгельм Оствальд в своем докладе на Лейпцигском съезде электротехников в 1894 г., анализируя вопрос о создании такого элемента и о стимулах работы в этом направлении, исходил непосредственно из несовершенства паровой машины и огромных тепловых потерь при ее применении.
Затруднения, вызванные условиями протекания процессов в угольных элементах при нормальной температуре, вызвали попытки создания гальванических элементов, в которых уголь был бы погружен в расплавленный электролит.
В этом смысле особенно ценна мысль Грове, еще в 1854 г. указавшего, что в самом процессе горения вообще имеет место образование электроэнергии и что вместо дорогого цинка и кислот, употребляемых для получения электричества в гальваноэлементах, следовало бы использовать для этого непосредственно самое горение. Впоследствии Пелла установил размеры электродвижущей силы, возникающей при горении.
Гор в 1864 г., Яблочков в 1877 г., Брард в 1887 г., Жак в 1896 г. конструируют элементы с углем в расплавленном электролите.
Яблочков предлагал брать чугунный сосуд, играющий роль нерасходующегося электрода и одновременно вместилища для расплавленных солей. Он предлагал опускать в электролит железную проволочную корзину с коксом, играющим роль расходующегося электрода.
Элемент Жака состоял также из железа (играющего одновременно роль и сосуда и электрода), расплавленного едкого натра и угля в качестве расходующегося электрода.
А. Иоффе считал эту идею использования энергии сгорания угля непосредственно в гальваническом элементе в числе наиважнейших задач, осуществление и практическое применение которых совершенно изменили бы лицо техники: "Первой в этом ряду стоит проблема окисления угля при низких температурах и, в частности, в гальваническом элементе. Достаточно сказать, что всякий способ «обратимого» окисления (например в гальваническом элементе) уже позволил бы превратить в полезную энергию все 100% запаса энергии, тогда как сейчас мы используем в лучшем случае 20-30%, навсегда обесценивая остальное. Возможно, что новые методы использования угля сделают даже излишним добывание его из шахт на поверхность земли".
Электрохимическое окисление угля
Процесс использования энергии сгорания угля непосредственно в гальваническом элементе называется прямым окислением угля в гальванической ячейке или прямым углеродным окислением.
В большинстве гальванических ячеек анод обычно изготавливается из материала, который может расходоваться в процессе реакции, например, металлических электродов.
В гальванической ячейке, работающей на этом принципе, уголь служит анодом, на котором происходит электрохимическая реакция, в результате которой выделяется электрическая энергия.
Прямое окисление угля в гальванической ячейке имеет свои преимущества и ограничения.
Одним из преимуществ является то, что уголь является дешевым и широко распространенным источником энергии.
Уголь обладает высокой поверхностной площадью, что способствует эффективному процессу электрохимического окисления.
Кроме того, этот процесс может быть экологически более устойчивым, чем сжигание угля в традиционных энергетических установках, поскольку в гальванической ячейке происходит прямое преобразование химической энергии угля в электрическую энергию без выделения значительного количества парниковых газов или других вредных выбросов.
Однако следует отметить, что использование прямого окисления угля в гальванической ячейке находится в стадии исследований и разработок. Требуется более глубокое изучение и оптимизация процесса, а также разработка эффективных источников питания на основе прямого окисления угля.
Применение электрохимического окисления угля может быть полезно в различных областях, включая энергетику, батареи, суперконденсаторы и другие устройства хранения энергии. Однако для каждого конкретного приложения требуется дальнейшее исследование и оптимизация, чтобы достичь максимальной эффективности и устойчивости процесса электрохимического окисления угля.
Примеры использования угля в аккумуляторных батареях
Свинцово-угольные батареи
Свинцово-угольная батарея
Свинцово-угольная батарея (свинцово-углеродная, lead-carbon battery) представляет собой тип гибридной батареи, в которой сочетаются элементы свинцовой кислотной батареи и углеродного электрода.
Она работает на основе электрохимических реакций между свинцовым и угольным электродами в присутствии электролита с участием ионов серы и оксида свинца.
Угольный электрод в свинцово-угольной батарее служит в качестве катода, где происходит взаимодействие ионов серы с угольным материалом.
Поверхность угольного электрода обладает пористой структурой, которая способствует поглощению ионов серы на своей поверхности.
При разрядке батареи, ионы серы реагируют с угольным электродом, что приводит к освобождению электронов и передаче электронного тока через внешнюю цепь.
Свинцовый электрод, который является положительным электродом (анодом), подвергается окислительной реакции, образуя оксид свинца (PbO2) в присутствии серной кислоты.
При зарядке батареи, оксид свинца на положительном электроде возвращается к исходному состоянию свинца (Pb), а на угольном электроде происходит регенерация угольного материала.
Использование угольного материала в аккумуляторах обусловлено его высокой электропроводностью, низкой стоимостью и хорошей стабильностью в процессе зарядки и разрядки, что позволяет улучшить энергетическую эффективность, циклическую стабильность и срок службы батареи по сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами.
Однако следует отметить, что свинцово-углеродные аккумуляторы все еще находятся в стадии исследования и разработки, и их коммерческое использование может быть ограничено или специализировано в определенных областях применения.
Угольно-цинковые батареи
Угольно-цинковый аккумулятор
В угольно-цинковых батареях (carbon-zinc) угольный материал, как правило, служит в качестве отрицательного электрода (катода). Во время разрядки батареи происходит окисление угольного электрода (угля) в присутствии электролита, обычно состоящего из амальгамы цинка, аммониевого хлорида и воды.
Угольный материал, будучи окисленным, служит источником электронов, которые передаются через внешнюю цепь, создавая электрический ток.
Цинковый электрод, в свою очередь, выполняет роль положительного электрода (анода) и подвергается редукционной реакции в результате взаимодействия с электролитом.
В процессе разрядки батареи ионы цинка переходят из амальгамы цинка на поверхность цинкового электрода, образуя цинковое соединение.
Угольно-цинковые батареи широко используются в различных бытовых устройствах, таких как фонари, пульты дистанционного управления, игрушки и другие электроприборы, где требуется недорогой и доступный источник электроэнергии.
Использование энергии сгорания угля в гальваническом элементе
Использование энергии сгорания угля напрямую в гальваническом элементе представляет сложность из-за специфики самого процесса сгорания угля и требует разработки специализированных систем.
Основная проблема заключается в необходимости обеспечить эффективное превращение тепловой энергии, выделяющейся при сгорании угля, в электрохимическую энергию.
Существует концепция термогальванических элементов, которые могут использовать тепловую энергию сгорания угля для генерации электричества.
Однако эффективность таких систем ограничена из-за низкой температуры работы и потерь энергии в виде тепла. Для достижения более высокой эффективности требуется разработка специальных материалов и структур, способных работать при высоких температурах.
Другим подходом является использование угля в системах топливных элементов. Топливные элементы используют электрохимический процесс, чтобы напрямую преобразовывать химическую энергию топлива в электрическую энергию.
В процессе работы угольного топливного элемента, уголь окисляется внутри электролитической камеры, при этом выделяется тепло и образуется углекислый газ. Этот газ проходит через катализатор, где он расщепляется на электроны и ионы.
Уголь является дешевым и широко распространенным источником энергии, что делает его использование в топливных элементах экономически выгодным. Однако разработка топливных элементов, способных работать на угле, также является сложной задачей, требующей учета множества факторов, таких как электрокаталитическая активность и стабильность материалов.
В настоящее время существуют различные технологии, которые могут использоваться для создания топливных элементов на основе угля. Возможно некоторые из них могут быть внедрены в промышленность в будущем.
Андрей Повный