Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Освобождение и превращение химической энергии

Если известны состав и структура соединения, свойства составляющих его атомов, каким образом эти атомы связаны между собой и какая энергия соответствует различным связям, то можно вычислить сумму всех энергий связи, т.е. количество химической энергии на 1 моль данного вещества.

Какие вещества можно рассматривать как энергоносители?

Химическая энергия может быть превращена в тепло, в работу или в другой вид энергии только с помощью химической реакции. Если продукты превращения содержат меньше химической энергии, чем исходные вещества, то реакция идет с выделением энергии. Пригодность вещества для производства энергии зависит от того, к каким превращениям оно способно. Проведем аналогию с процессом использования энергии воды. В каждом озере или другом водоеме вода обладает потенциальной энергией, величина которой, отнесенная, например к I кг воды, зависит от того, на какой высоте эта вода находится. Однако только высота еще ничего не говорит о том, можно ли эту энергию воды использовать для получения электроэнергии на гидроэлектростанции. Если например озеро, находящееся на высоте 500 м над уровнем моря, окружено со всех сторон высокими отвесными скалами или большими плоскогорьями и нет никакой возможности отвести эту воду на более низкий уровень, то ее потенциальная энергия практически не может быть использована. Но если вблизи такого озера имеется место, лежащее несколько ниже, куда может быть отведена вода, то разницу в потенциальной энергии на этих двух уровнях можно превратить в другой вид энергии, следовательно, использовать воду этого озера для производства энергии.

Таким образом, чтобы судить о том, можно ли данное вещество рассматривать как энергоноситель, недостаточно знать только химическую энергию, содержащуюся в веществе (энергию связи). В исходном состоянии химическая энергия для нас так же бесполезна, как и потенциальная энергия покоящейся в озере воды. Необходимо знать, возможно ли при данных условиях такое химическое превращение, при котором конечный продукт будет энергетически более бедным, чем исходный. Например, энергия связи углекислого газа СОг или азота N2 составляет соответственно 360 и 226 ккал/моль,, но ни один из этих газов нельзя рассматривать как энергоноситель, так как на Земле в естественных условиях невозможно осуществить такой процесс с их участием, конечный продукт которого был бы энергетически более бедным веществом, чем данные исходные продукты. Напротив, углерод и метан (важнейший компонент природного газа) - это энергоносители, которые находят практическое применение, поскольку при окислении сверхсоответствующих этим соединениям энергий связи (170 и 396 ккал/моль соответственно) дополнительно освобождается часть содержащейся в них химической энергии (с большей энергией связи):

С    +     Oz -> СО2        CEU + 2O2 -»СОг + 2ШО ПОккал Ябккал  ЗбОккал   396     192     360     440

Итак, в 1 моле СОг энергия связи на 94 ккал больше, чем в I моле углерода и 1 моле кислорода; эта разность есть химическая энергия, высвобождающаяся при сгорании. В 1 моле ССЬи 2 молях ШО сумма энергий связи на 212 ккал больше, чем в 1 моле метана и 2 молях кислорода. Эта разность и есть полезная химическая энергия, получаемая при сгорании метана. Поскольку эти процессы совершаются при очень простых условиях, то и Си CHU являются энергоносителями.

Скорость процессов, идущих с высвобождением энергии

Существует еще одно требование к энергоносителям: процесс, идущий с выделением гтепла при легкоосуществляемых условиях (иногда после соответствующего возбуждения), должен протекать с достаточно большой скоростью. При очень медленных процессах в единицу времени выделяется так мало энергии, что она практически не может быть использована. Так, например, известно, что уголь слабо греет, если в печи он медленно горит, так как тепло сгорания, получаемое в единицу времени, успевает уйти через дымоход или стены, не обогрев комнаты. Однако слишком ускоренный процесс в большинстве случаев также нежелателен, так как в этом случае температура повышается больше, чем это необходимо,- появляется опасность взрыва. Таким образом, скорость процессов, в ходе которых выделяется энергия, должна хорошо регулироваться.

Хорошо регулируемые окислительные процессы, поставляющие энергию, протекают, например в живых организмах; Здесь только часть химической энергии превращается в тепло, часть производит работу, значительная же часть идет да построение более сложных соединений, содержащих больше энергии, чем исходные вещества. Так возникают необходимые для обеспечения жизненных функций разнообразные соединения, энергетически более богатые, чем непосредственно образующиеся под воздействием солнечного света углеводы (глюкоза или крахмал). Лучшими регуляторами процессов производства энергии являются катализаторы. В живых организмах их роль выполняют энзимы и ферменты.

Резюмируя можно сказать, что энергия, заключенная в химических соединениях и элементах, освобождается в химических реакциях при образовании межатомных связей в продуктах этих реакций и частично (за вычетом межатомных связей исходных вещестй) может быть превращена в другие виды энергии.

Если мы просто сжигаем энергоносители, то почти все количество освободившейся химической энергии превращается в тепло, идущее на нагревание окружающей среды. Полученную тепловую энергию можно различными способами превратить в другие, нужные нам виды энергци. Однако в ряде случав освобождающаяся химическая энергия превращается в другие виды непосредственно, без промежуточной стадии тепла. Например, в гальванических элементах электрическая энергия прямо получается из химической; в процессах, сопровождающихся химической люминесценцией, часть химической энергии непосредственно преобразуется в энергию оптического излучения; в живых организмах часть энергии, освобождающейся при распаде различных веществ, используется для синтеза энергетически более богатых соединений.

При обычном получении энергии вне живых организмов (при горении) химическая энергия почти полностью превращается в тепло - никакая работа непосредственно не производится. Такое положение приемлемо лишь в том случае, когда используется энергия для отопления, но не тогда, когда из этого источника нужно получить другой вид энергии: механическую, электрическую, световую и т.д. Таким образом, непосредственное превращение химической энергии в электрическую - задача первостепенной важности. Такое превращение можно осуществить в гальванических элементах. Однако материалы, необходимые для известных в настоящее время, надежно работающих гальванических элементов слишком дороги,чтобы использовать эти элементы в широких масштабах в качестве источников энергии. В настоящее время весьма интенсивно проводятся исследования с целью создания надежных в эксплуатации гальванических элементов (так называемых топливных элементов), в которых использовались бы энергоносители, имеющиеся в достаточном количестве.