Генератор водорода - тепловой насос

H2ENERGY
Водородная энергетика
Получение водорода

Возобновляемая энергетика

Альтернативная энергетика

( RU ) Способ получения водорода, энергоустановка на основе генератора водорода – теплового (энергетического) насоса и его применение.

( UA ) Спосіб отримання водню, енергоустановка на основі генератору водню – теплового (енергетичного) насосу та його застосування..

( EN ) PROCESS FOR PRODUCING HYDROGEN AND POWER SUPPLY APPARATUS ON THE BASIS THEREOF

И когда вы срубите последнее дерево, поймаете последнюю рыбу,
выпьете последнюю каплю воды,- вы наконец-то поймете, что золото есть нельзя.
древнее индейское пророчество.

Нефть не топливо, - топить можно и ассигнациями.
Д. И. Менделеев

Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом.
К. Э. Циолковский

Реферат

Изобретение относится к способам получения водорода и его использования в стационарных и мобильных энергоустановках. Техническим результатом изобретения является снижение затрат на производство водорода и снижение вредных выбросов. Согласно изобретению водород получают при электролизе, вследствие вращения рабочего вещества в неподвижной рабочей камере, разделения его на обогащенное анионами и катионами, и далее в разрядных камерах. Рабочая камера размещена в ортогональных электрическом и магнитном полях, при этом магнитное поле направлено параллельно оси вращения, а электрическое поле направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры. Перенос энергии выполняется не только за счет протекания физических процессов сжижения-испарения рабочего тела, как в традиционных компрессионных тепловых насосах, а и в процессе протекания химических реакций: эндотермической - электролиза воды (рабочего тела - электролита), и экзотермической - окисления водорода кислородом - составляющих воды. Способ получения водорода может быть использован в энергетике, в энергоустановках на транспортных средствах с ДВС, ПГТУ и др., таких, как наземный транспорт, водное и воздушное транспортные средства, а также для энергообеспечения зданий и сооружений. Ожидаемая стоимость водорода - 1,8$/кг ( 162$/1000м³ ).

Описание изобретения.

Изобретение может использоваться для получения водорода в стационарных и мобильных энергетических установках, не нарушающих экологию окружающей среды.

Изобретение относится к способам получения водорода и его использования. Применяется в энергетике, транспорте, машиностроении, металургии, химической промышленности и т.д.

Переход на водородную энергетику позволяет решить не только проблему загрязнения окружающей среды от продуктов сгорания традиционных видов топлива (угля, нефти, газа, ядерного топлива), но и проблему глобального потепления, поскольку позволяет утилизировать даровую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды, превращая ее в высокопотенциальную энергию водородного топлива, переходящую при окислении или сгорании в электрическую энергию, или выполняет механическую работу. Таким образом, проблема состоит в поиске наименее энергетически затратного способа получения водорода. Водород, полученный электролизом,– восполняемый ресурс, что позволяет найти природным, невосполняемым ресурсам (углю, нефти, газу) более достойное применение, чем просто сжигание.

Водород представляется наиболее чистым из всех существующих топлив. Водород является как энергоносителем, так и веществом, и, в силу этого дуализма, обладает комплексообразующими свойствами, благодаря которым возможно построение энергообеспечивающих систем, состоящих из источников энергии и производств, основанных на потреблении водорода как вещества, т.е. являющихся частью экономики, в более широком смысле, чем только энергетика [ 1 ] .

Цель изобретения состоит в снижении затрат высокопотенциальной энергии на получение водорода, снижение его стоимости до экономически приемлемого уровня, что делает его конкурентноспособным с такими традиционными энергоносителями, как уголь, нефть, газ, ядерное топливо, приведет к широкому его использованию и, в конечном счете, переходу к водородной энергетике – водородной экономике, позволит снизить вредные выбросы, опасность глобального потепления, улучшить экологию.

Способы получения водорода и его использование.

1. В промышленных масштабах водород получают конверсией метана (ПКМ) или угля. На входе природный газ или уголь и водяной пар,– на выходе водород и углекислый газ. При ПКМ около 50% получаемого водорода за счет воды, при паровой конверсии угля - 100%. Стоимость водорода определяется стоимостью используемых ископаемых, невозобновляемых, высокопотенциальных энергоносителей – природного газа или угля. Запасы их по различным оценкам составляют 40–80 лет, а стоимость – имеет тенденцию к росту. Углекислый газ также требует дополнительных энергозатрат для утилизации.

2. Водород получают также электролизом воды. На входе процесса вода – раствор электролита и электрический ток, на выходе водород и кислород. Электролит не расходуется в ходе реакции и выполняет роль катализатора. Стоимость электролизного водорода намного выше конверсионного. Львиная доля его стоимости – стоимость затраченной электроэнергии. Например, во время провалов энергопотребления, электрический ток АЭС идет на производство водорода. Это позволяет не снижать мощность реактора, что повышает безопасность эксплуатации АЭС. Запас водорода расходуют во время пиков энергопотребления. Т.о. водород выполняет функцию аккумулятора энергии. Паровой электролиз — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара (до 900°С), делая процесс более эффективным. Фотолиз – водород может образовываться при поглощении молекулами воды энергии 285,57 кДж/моль в ультрафиолетовой области. Разработаны катализаторы позволяющие молекулам воды поглощать свет в видимой области и распадаться. Термолиз воды - при нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода [ 1 ] .

3. Известны способы получения водорода, повышающие эффективность, с использованием электромагнитных, акустических волн или электрических импульсов определенной частоты и мощности. Они позволяют получать газ Брауна (HHO),– гремучую смесь водорода и кислорода. ННО является нестойким – требует немедленного использования путем окисления или сжигания, например, ячейка Стенли Мейера, генератор Вилли Брауна, генератор Олега Козакова или генератор Джона Канзиуса [ 5, 6, 7, 8 ] . Добавка газа Брауна к топливу в ДВС приводит к более полному его сгоранию, снижению токсичных выбросов.

4. Известны устройства, применяемые как энергетические установки на водородном топливе в транспорте, например, в автотранспорте – в автомобиле Honda FCX [ 9 ] . Но они требуют периодической заправки баллонов на заправочных станциях сжатым водородом, произведенным одним из промышленных способов [ 1, 2, 3, 4 ] . Такая энергетическая установка содержит блок контроля, баллон со сжатым водородом, обеспечивающий водородом топливный элемент, электроэнергия которого через ультраконденсатор питает электродвигатель привода трансмиссии. Также известны авиационные транспортные средства. Экспериментальный самолет ТУ–155 [ 10 ] , использующий жидкий водород как топливо и требующий криогенных технологий для его хранения на борту. Или экспериментальный самолет фирмы Boeing [ 11 ] , содержащий топливные элементы, потребляющие водород, вырабатывающие электроэнергию и выделяющие воду на выходе. Электроэнергия топливных элементов питает электродвигатель, вращающий тяговый винт.

5. Известны энергетические установки, вырабатывающие электроэнергию – тепловые электростанции ТЭС [ 12 ] , использующие сжатый природный газ, мазут или угольную пыль. Продукты их сгорания, невзирая на применяемые методы очистки, неизбежно приводят к загрязнению окружающей среды, ухудшению экологии, выбросам парниковых газов. АЭС [ 13 ] принято называть экологически чистыми, невзирая на необходимость утилизации отработанного ядерного топлива, не говоря уже о проблемах, связанных с ликвидациями последствий аварий. И ТЭС, и АЭС содержат генератор пара, питающий турбогенератор, который вырабатывает электроэнергию. Параметры пара определяют КПД установки [ 14 ] . Генератор пара использует теплоту сгорания одного из традиционных видов топлива.

6. Известны энергетические установки, вырабатывающие энергию, не нарушающие экологию вредными выбросами: мини–ОТЕС, ОТЕС–1, и др. по программе OTEC (Осеаn Тhеrmal Energy Conversion). Они работают как тепловой двигатель,– от разности температур между верхними и нижними,– теплыми и холодными слоями морской воды [ 15, 16 ] . Их эффективность довольно низкая – большая часть вырабатываемой энергии потребляется самой установкой для привода насосов циркуляции воды, поэтому такие установки являются скорее экспериментальными, чем промышленными. К экологически чистым энергетическим установкам относят также ветровые, гелио, геотермальные, приливные, осмотические, волновые, гидро– электростанции, хотя многие из них имеют и свои отрицательные стороны.

7. Известны природные процессы фотосинтеза органических соединений – сахаров и крахмала из углекислого газа и воды с выделением кислорода в зернах хлорофилла под действием излучения солнца [ 17 ] . Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасенной в процессе фотосинтеза. В конце 90–х годов ХХ века было показано, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т.е. нормальный фотосинтез переключается на производство водорода [ 18 ] .

8. Теоретически, источником тепловой энергии является любое тело с температурой, выше абсолютного нуля T > –273°C. Практически, источник тепловой энергии – тело, температуру которого можно понизить на несколько градусов, без ущерба окружающей среде, затратив на это определенную энергию. Отношение полученной тепловой энергии к затраченной называется – coefficient of performance (COP). Известны системы обогрева и кондиционирования промышленных и бытовых помещений, работающих на тепловых насосах [ 19, 20 ] , перекачивающих теплоту окружающей среды в помещение или наоборот (кондиционеры). Для современных тепловых насосов величина COP составляет 3–6.

9. Известно техническое решение – «электроводородный генератор Студенникова» (ЭВГ) – заявка RU98/00190 от 07.10.1997, патенты RU 2003104497/12 от 17.02.2003, PCT/RU 03/00413 от 18.09.2003, повышающий эффективность получения водовода. В ЭВГ для электролиза применяют разделение ионов в электролите за счет центробежной инерционной силы, возникающей при вращении рабочей камеры с электролитом – инерционный электролиз [ 21, 22 ] .

10. Наиболее близким техническим решением к заявленому изобретению является «Устройство для электролитического получения водорода и кислорода» патент RU 2309198 С1 от 27.10.2007 [ 27 ] . Для повышение эффективности получения водорода электролиз выполняется в электролизере с электропроводящими крышками и электродами, вращающемся между магнитами электромагнитной системы. Теплота, расходуемая при этом, пополняется с водой, поступающей в электролизер через теплообменник.

Недостатками данного устройства являются:

10.1. Верхняя 3 и нижняя 4 крышки электролизера 1 выполнены из электропроводящего материала, и при вращении в магнитном поле в них, индуцируются вихревые токи – токи Фуко, приводящие к нагреву, торможению вращения электролизера 1, к снижению эффективности, производительности и кпд устройства. Т.е. снижение скорости вращения не приводит к повышению эффективности.

10.2. Для соединения каналов, выполненных в вале 5 электролизера 1, подвода воды и электролита 9 и отвода продуктов электролиза 10 с технологическими линиями подачи 13 и отвода 22 соответсвенно, потребуется выполнение подвижных вращающихся уплотнений для агрессивной среды – электролита, что снижает надежность устройства и безопасность его эксплуатации.

10.3. Продукты электролиза – кислородо–водородной смесь, поступающая из электролизера 1 (по каналам 10 и 22), является гремучим газом, представляющим повышенную опасность, требует применение сепаратора 25 для разделения смеси на водород и кислород. Это усложняет, повышает стоимость устройства, снижает его надежность и безопасность эксплуатации.

10.4. Цепь разряда ионов в электролизере 1 между электродами 2 и 11 выполнена через верхнюю 3 и нижнюю 4 крышки – ток замыкается через короткозамкнутый корпус электролизера 1. Это делает процесс электролиза неконтролируемым,– контролируются только косвенные показатели.

10.5. Согласно описанию процессов, происходящих в прототипе «…при вращении электролизера 1, по мере разложения воды, повышения концентрации электролита и уменьшения его объема, электрод 11, расположенный на валу 5 оказывается в газовой среде и электролиз прекращается. Затем сигнал с газоанализатора 24 открывает устройство регулирования расхода воды 19 и из емкости 20 по технологической линии 13 в электролизер 1 поступает подогретая в теплообменнике 14 вода. Далее процесс повторяется.» Такое периодическое прерывание процесса электролиза также снижает производительность устройства.

10.6. Согласно описанию [ 27 ] ,– электролит однократно заполняет электролизер 1 из емкости 17 через вентиль 16, смеситель 15 и теплообменник 14, затем вентиль 16 перекрыт, а вентиль подачи воды 18 – открыт, и далее, при работе, по мере разложения воды на водород и кислород и откачки смеси устройством откачивания 23 продуктов электролиза, электролизер 1 пополняется водой из емкости 20 через устройство регулирования расхода 19, управляемое газоанализатором 24, вентиль 18, смеситель 15 и теплообменник 14. Т.о., с точки зрения термодинамики, скорость поступления тепловой энергии с водой в электролизер 1 равна скорости расхода энергии на электролиз того же количества воды. Cоблюдение закона сохранения энергии потребует от теплообменника труднореализуемых условий работы – температуру воды на выходе Т~3000°С. С другой стороны, для повышения эффективности теплообмена, в теплообменнике 14 потребуются более высокие скорости циркуляции компонентов, между которыми происходит теплообмен,– намного превосходящие скорость расхода воды при электролизе. Т.о. скорость пополнения воды оказывается недостаточной, т.к. контур не замкнут, что значительно снижает производительность устройства.

Присущие прототипу недостатки не позволяют в полной мере реализовать поставленную цель – снижение энергозатрат на получение водорода.

Предлагаемый способ получения водорода заключается в электролизе путем предварительного разделения ионов во вращающемся электролите не только в поле центробежной инерционной силы (силы искусственной гравитации) за счет отличия их масс,

при этом, тяжелые ионы перемещаются к периферии, вытесняя легкие ионы к центру,– в зону оси вращения. Аналогичный способ используют для разделения изотопов урана в центрифугах при его обогащении, для нужд энергетики и вооружения. Разделение ионов происходит также в ортогональных электрическом и магнитном полях, которые также ортогональны направлению движения электролита (вектору скорости ионов), в частности, магнитное поле ориентировано параллельно оси вращения, а электрическое поле направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры. Таким образом, на ионы действует еще и сила Лоренца, а разделение происходит также за счет различия в знаках зарядов ионов.

Ортогональные поля используются, например, в приборах для опреснения морской воды [ 23 ] , магнитной обработки воды; электровакуумных приборах СВЧ – магнетронах, используемых в радарах, микроволновых печах; циклотронах – ускорителях элементарных частиц, МГД–генераторах. Таким образом, под действием векторной суммы двух сил происходит магнито–гидродинамическое разделение ионов. Вращение электролита в рабочей камере приводит также к устранению перенапряжения, возникающего вследствие поляризации электродов, очищению поверхности электродов от продуктов реакции при электролизе и, следовательно, к снижению энергозатрат. Нейтрализация зарядов ионов, после их разделения, происходит в рабочей и в разрядных камерах, где ионы восстанавливаются до нейтральных атомов и молекул.

Способ получения водорода демонстрирует работа энергетической установки (фиг. 1), Блок–схема энергетической установки на генераторе водорода–тепловом насосе которая является тепловым насосом. Рабочее вещество – электролит, циркулируя в первом рабочем контуре при помощи насоса 3 из теплообменника 2, подается в рабочую камеру 4, где рабочее вещество вращается в магнитном поле В, ориентированом параллельно оси вращения и в электрическом поле E, ориентированом в направлении от периферии к центру рабочей камеры – оси вращения. Таким образом, происходит разделение ионов под действием центробежной инерционной силы, благодаря отличию масс ионов, и силы Лоренца, благодаря различию в знаках заряда ионов. Концентрация легких, позитивно заряженных ионов – катионов, возрастает в центре, возле оси вращения, где происходит частичная нейтрализация ионов. Далее рабочее вещество, обогащенное ионами противоположных знаков, попадает в разрядные камеры 5, 6, где ионы электролита нейтрализуются, утрачивая свои заряды, поглощая при этом теплоту рабочего вещества, и поступают далее, в сепараторы–осушители газа–прерыватели непрерывности потока 7, 8, где газ отделяется от рабочего вещества, которое возвращается в теплообменник первого контура 2, а при повышении концентрации электролита или снижении его уровня, электролит в теплообменнике 2 пополняется растворителем – дистиллированной водой из бака 1. Газы – водород и кислород, из сепараторов–осушителей–прерывателей непрерывности потока 7, 8, через обратные клапаны 9, 10 и датчики газоанализаторов и объема 11, 12 подаются в топливный элемент 14, где водород окисляется до воды, которая возвращается в первый рабочий контур теплообменника 2 через бак 1 (рекуперация воды). Электроэнергия W, вырабатываемая топливным элементом 14, заряжает буферный ультраконденсатор 15, питающий электродвигатель 16, который вырабатывает механическую энергию A, выполняя работу, или в режиме рекуперации, электродвигатель 16 работает как генератор, и пополняет электроэнергией W ультраконденсатор 15. Процесс электролиза воды эндотермический [ 24 ] , протекает с поглощением теплоты рабочего вещества, которое компенсируется в теплообменнике 2 теплоносителем второго контура, перекачивающим теплоту окружающей среды Q, с помощью теплообменника второго контура 17, а также теплоту выделяемую электродвигателем 16 и топливным элементом 14 (рекуперация тепловой энергии Q_R) рабочему веществу. Режимы работы (температура, давление, скорость, концентрация рабочего вещества в контрольных точках, а также параметры потребляемого и получаемого электрического тока) управляются блоком контроля 13,– связи блока контроля 13 с блоками энергетической установки (фиг. 1) для упрощения схемы условно не показаны. В ряде случаев топливный элемент 14, ультраконденсатор 15 и электродвигатель 16 могут быть заменены тепловым двигателем – традиционным ДВС, турбогенератором, дизель–генератором, ПГТУ, или МГД–генератором в сочетании с ПГТУ. При их работе для окисления (сгорания) водорода может использоваться также и кислород воздуха. Поэтому блоки энергетической установки 1–13 и 17 можно условно объединить в один функциональный блок – генератор водорода–тепловой насос, преобразующий теплоту окружающей среды в высокопотенциальную энергию водорода, который, в свою очередь, может использоваться произвольным преобразавателем топлива в механическую или электрическую энергию, или потребителями водорода и кислорода для технологических целей.

К пояснению принципа действия предлагаемого генератора водорода можно подойти с другой стороны. Известно устройство, которое может использоваться и как генератор тока, и как электродвигатель – диск Фарадея, или «униполярное динамо» Николы Теслы [ 25, 26 ] , в котором проводниковый, медный диск вращается в магнитном поле, ориентированном параллельно оси вращения, а электрический ток снимается с точек расположенных в центре – на оси и на периферии – ободе диска. Униполярному генератору характерны: низкая ЭДС (до нескольких вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе; работоспособность при вращении магнита (магнитного поля) вместе с диском, относительно неподвижного токосъема – парадокс Фарадея; отсутствие реакции диска на токосъем. В заявленом изобретении, в качестве проводникового диска, используется электролит – «диск из электролита», вращающийся в магнитном поле, а электрическое поле возникает за счет действия силы Лоренца, разделяющей носители зарядов – ионы противоположных знаков, между ободом – краем диска (анионы) и его центром (катионы). Эти объемные заряды и создают электрическое поле, вызывающее ток между краем и центром диска по внешней электрической цепи, восстанавливающий, таким образом, ионы до нейтральных молекул – водорода и кислорода, т.е. создает условия для протекания реакции электролиза.

Поскольку вода слабодиссоциирована и не является проводником, то для протекания реакции электролиза рабочим веществом является электролит – раствор основания, соли или кислоты, например бромноватой – HBrO₃, серной – H₂SO₄ или фосфорной – H₃PO₄, у которых соотношение масс ионов составляет, соответственно – H⁺ / BrO₃^- = 1 / 128, H⁺ / SO₄^2- = 1 / 96, H⁺ / PO₄^3- = 1 / 95, без учета масс оболочек гидратированных ионов, например таких, как гидроксоний H₃O⁺, и более сложных – H₅O₂⁺, H₇O₃⁺, H₉O₄⁺ и т.д. Следует отметить, что ионы кислотного остатка также гидратированы. Кислота в электролите не расходуется, а лишь принимает участие в реакции электролиза по схеме [ 21, 22 ] :

Таблица 1. Химические реакции в генераторе водорода - тепловом насосе (HP).

Рабочее вещество - электролит HBrO₃ H₂SO₄ H₃PO₄

В растворе HBrO₃ → H⁺ + BrO₃^- H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2- H₃PO₄ → 3H⁺ + PO₄^3-

На катоде 2H⁺ + 2е^- → H₂↑ 2H⁺ + 2е^- → H₂↑ 2H⁺ + 2е^- → H₂↑

На аноде 2BrO₃^- - 2е^- → 0,5O₂↑ + Br₂O₅ SO₄^2- - 2e^- → 0,5O₂↑ + SO₃↑ 4PO₄^3- - 12е^- → 3O₂↑ + 2P₂O₅

В прианодном пространстве реакция осадка с водой Br₂O₅ + H₂O → 2HBrO₃
HBrO₃ → H⁺ + BrO₃^- SO₃ + H₂O → H₂SO₄
H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2- P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄
H₃PO₄ → 3H⁺ + PO₄^3-

Таблица 2. Химические реакции в топливном элементе (FC), или тепловом двигателе (HE).

На аноде H₂ → 2H⁺ + 2е^- H₂ → 2H⁺ + 2е^- H₂ → 2H⁺ + 2е^-

На катоде 4H⁺ + 4е^- + O₂ → 2H₂O 4H⁺ + 4е^- + O₂ → 2H₂O 4H⁺ + 4е^- + O₂ → 2H₂O

В прианодном пространстве на периферии рабочей камеры возможно также образование перекиси водорода H₂O₂. Следует заметить, что ни вода, ни ее составляющие – водород и кислород, не являются источниками энергии, а лишь рабочим веществом (рабочим телом) теплового насоса, подобно фреону или амиаку в холодильных установках, с той лишь разницей, что в традиционных тепловых насосах для переноса теплоты используется теплота выделяющаяся/поглощающаяся при изменении агрегатного состояния (фазового перехода) рабочего вещества – жидкость + q_F <–> газ – q_F , где q_F –теплота фазового перехода, а в предлагаемом тепловом насосе перенос энергии происходит в термодинамическом цикле окислительно–восстановительной химической реакции электролиз<–>окисление с преобразованием рабочего вещества по схеме :

H₂O(ж) =электролиз> H₂(г) + 0,5O₂(г) – q_B – реакция в генераторе водорода

H₂(г) + 0,5O₂(г) =окисление> H₂O(г) + q_H – реакция в топливном элементе или тепловом двигателе

H₂O(г) =конденсация> H₂O(ж) + q_F + с ΔT m – конденсация пара и охлаждение,

где q_B и q_H – соответственно верхняя и нижняя (объемная / весовая / молярная) удельная теплота сгорания водорода или равная ей и противоположная по знаку, энтальпия образования воды и ее составляющая энергия Гиббса, называемая свободной энергией, а q_F – теплота фазового перехода вода–пар или удельная теплота парообразования воды. Источником энергии является даровая низкопотенциальная теплота окружающей среды,– в конечном счете, аккумулированная энергия солнца – теплота земли, воды, воздуха, а тепловой насос лишь перекачивает ее в потенциальную энергию водорода, электрическую или механическую (в зависимости от потребности) и, при выполнении полезной работы, превращается в теплоту, которая возвращается окружающей среде, согласно закону сохранения энергии. Кроме теплоты природной среды,– солнца, водоемов, геотермальных источников, грунта, и т.д., также можно утилизировать теплоту технологических процессов, систем охлаждения предприятий, промышленных энергогенерирующих станций, бассейнов–охладителей – ТЭС, АЭС, ДВС, и т.д., которые сейчас выбрасываются в атмосферу.

Области использования генератора водорода и энергоустановки на его основе.

Некоторые примеры применения генератора водорода–теплового насоса, теплообменник которого может использовать тепловую энергию: земли (располагаться в скважинах, сваях фундамента зданий и сооружений, грунте, или холодильных камерах); воды (местные водоемы, грунтовые воды, речные воды, морские прибрежные воды, воды теплых течений, геотермальные источники); воздуха (воздушные теплообменники); солнца (гелионагреватели); энергию ветра; или утилизировать теплоту технологических процессов промышленных производств. Дополнительный поток энергии для теплового насоса дает утилизация тепла, полученного при сжатии или сжижении водорода и кислорода для хранения или транспортировки. Опыт эксплуатации тепловых насосов [ 19, 20 ] показывает, что с теплообменника в скважине можно снимать 60 вт/м тепловой мощности без ущерба тепловому балансу грунта, тогда при глубине скважин 170 м и шаге между ними 10 м, каждый 1 км² земли обеспечивает 100 Мвт тепловой мощности, при этом поверхность земли остается пригодной для с/х использования – без опасности превращения ее в вечную мерзлоту. Энергия находится буквально под ногами.

Химическая промышленность. Водород – сырье для производства амиака.

Металургия. Использование водорода для выплавки (востановления) чистых металлов.

Энергетика. Газотурбинные установки с котлом–утилизатором (парогенератором, использующим теплоту выхлопных газов) и дополнительной паровой турбиной могут иметь КПД более 40% (ПГТУ). АЭС, по нормам безопасности работающие при более низких температурах и давлениях пара, имеют несколько меньший полный КПД – около 32%.

Термический КПД паротурбинной электростанции тем больше, чем выше рабочие температуры и давления пара. Если в начале ХХ в. эти параметры составляли 1,37 МПа и 260°C, то в настоящее время обычны давления свыше 34 МПа и температуры свыше 590°C (АЭС работают при более низких температурах и давлениях, чем крупные ТЭС, поскольку нормативами ограничивается максимально допустимая температура активной зоны реактора).

На современных паротурбинных электростанциях пар, частично отработавший в турбине, отбирается в ее промежуточной точке для повторного нагревания (промежуточного перегрева) до исходной температуры, причем могут быть предусмотрены две или более ступеней промперегрева. Пар из других точек турбины отводится для предварительного нагрева питательной воды, подводимой к парогенератору. Такие меры намного повышают термический КПД [ 14 ] . В уже действующих АЭС на первой стадии, генератор водорода–тепловой насос, утилизирующий теплоту реактора и генерирующий пар для турбогенератора, позволит значительно повысить КПД благодаря повышению температуры и давления пара, а также сглаживать пиковые нагрузки, связанные с суточными и сезонными ее колебаниями, что повышает безопасность эксплуатации реактора. На второй стадии, после выработки ресурса ядерного реактора, позволит перевести водородную ЭС полностью на утилизацию теплоты окружающей среды, с последующим демонтажем, или консервацией реактора.

Также генератор водорода–тепловой насос может обеспечивать топливом стационарные и мобильные энергетические установки с ДВС, турбогенераторами, дизель–генераторами, ПГТУ, ТРДД, МГД–генераторами с ПГТУ, позволит без существенных переоборудований переводить действующие ТЭС [ 12 ] на водородное топливо, снижая вредные выбросы,– улучшая экологию. Поскольку продуктом сгорания водорода является водяной пар Т~3000°C, то добавление воды в камеру сгорания позволяет снижать его температуру, повышать давление и приводить параметры пара к требованиям турбины или другого потребителя, использовать ПГТУ с температурой перед турбиной Т~900–1200°C и кпд ~ 60% и более [ 28 ] .

Транспорт. При применении генератора водорода–теплового насоса в наземном и воздушном транспорте теплоносителем второго контура является воздух, поэтому определяющим является теплообменник – его производительность, эффективность и габариты. Как альтернатива мобильным генераторам водорода, возможен вариант использования стационарных генераторов водорода, расположенных на заправочных станциях и обеспечивающих транспортные средства топливом – сжатым водородом или его соединением – амиаком [ 1 ] . В водном транспорте – надводном и подводном, теплоносителем второго контура является вода, поэтому применение генератора водорода–теплового насоса требует создания эффективных противообледенительных систем в теплообменнике и средств его защиты от биологического обрастания. Для снижения акустических шумов и повышения КПД, тяговими могуть быть водометы или винты в кольцевых профилированных обтекателях – фенестронах, выполненных как теплообменники.

Строительство. Генератор водорода–тепловой насос может использоваться в автономных системах энергоснабжения, отопления, кондиционирования, вентиляции бытовых и производственных зданий и сооружений.

Суть изобретения:

1. Способ получения водорода, основаный на инерционом электролизе,– вращении рабочего вещества в рабочей камере, и использовании центробежной инерционой силы, действующей на отличные по массе ионы для их разделения. Дополнительно, рабочая камера размещена в ортогональных электрическом и магнитном полях так, что магнитное поле направлено параллельно оси вращения рабочего вещества, а электрическое поле направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры, таким образом, под действием векторной суммы силы Лоренца и центробежной инерционой силы, негативно заряженные, тяжелые ионы – анионы, смещаются к периферии рабочей камеры, а позитивно заряженные, легкие ионы водорода – катионы,– к центру, в зону оси вращения, т. е. происходит магнито–гидродинамическое разделение рабочего вещества на два изолированных потока: обогащенного анионами и катионами, далее проходящих по каналам выделения кислорода и водорода, соответственно, что позволяет снизить скорость вращения электролита и, следовательно, энергетические затраты, необходимые для получения водорода.

2. Рабочая камера генератора водорода–теплового насоса выполнена неподвижной, в ней обеспечено вращение рабочего вещества за счет циркуляции его в первом рабочем контуре, что позволяет устранять перенапряжение, возникающее вследствие поляризации электродов, очищать поверхность электродов от продуктов реакции при электролизе,– снижать энергозатраты, исключить из конструкции рабочей камеры уплотнители и свойственные им подтекания рабочего вещества и продуктов реакции электролиза, повышая надежность работы генератора водорода–теплового насоса и безопасность его эксплуатации.

3. Способ получения водорода основан на электролизе – разряде (нейтрализации зарядов) ионов, который происходит и в рабочей, и в разрядных камерах, вследствие чего отсутствует шунтирование электрической цепи разряда ионов стенками рабочей камеры. Разделение ионов под действием силы Лоренца и центробежной инерционой силы, создает противоположные по знаку пространственные заряды (фиг. 1, С–С) на периферии и в центре рабочей камеры, между которыми возникает электрическое поле Е_i, индуцирующее за счет двойного электрического слоя (ДЭС) зарядов электрическое поле Е, генерирующее электрический ток во внешней цепи, выполняющий разряд ионов, то есть создает условия для протекания реакции электролиза, которая происходит и в рабочей камере, и в разрядных камерах, обеспечивая контроль и управляемость процессом.

Для обеспечения автономности работы, снижения вредных выбросов, эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации:

4. Экологически чистая энергетическая установка–тепловой насос использует генератор водорода на основе способа по пп. 1–3 и выполняет перенос тепловой энергии окружающей среды в потенциальную энергию водорода в ходе химической эндотермической реакции электролиз<–>окисление, и далее в электрическую, и механическую энергию, и содержит (фиг. 1) бак 1, теплообменник первого контура 2, насос 3, рабочую камеру 4 в магнитном поле В, ориентованом параллельно оси вращения рабочего вещества, а электрическое поле E направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры, так, что на ионы действует векторная сумма центробежной инерционой силы и силы Лоренца, две разрядные камеры 5, 6, два сепаратора – осушителя газа – прерывателя непрерывности потока рабочего вещества 7, 8, два обратных клапана 9, 10, два датчика газоанализатора и объема 11, 12, топливный элемент 14, ультраконденсатор 15 электродвигатель 16, теплообменник второго контура 17, блок контроля 13.

5. В экологически чистой энергетической установке–тепловом насосе блоки 1–13 и 17 можно условно объединить в один функциональный блок – генератор водорода–тепловой насос, преобразующий теплоту окружающей среды в высокопотенциальную энергию водорода, который, в свою очередь, может использоваться произвольным преобразавателем энергии топлива в механическую, или электрическую энергию, или потребителями водорода и кислорода, как веществами для технологических целей, например ДВС, турбогенераторами, дизель–генераторами, ПГТУ, ТРДД, МГД–генераторами с ПГТУ, позволит без существенных переоборудований переводить котлы действующих ТЭС на водородное топливо, снижая вредные выбросы, улучшая экологию. Поскольку продуктом сгорания водорода (Т~3000°C) является водяной пар, то добавление воды в камеру сгорания или перед турбиной снижает его температуру, повышает давление и приводит параметры пара к требуемым для оптимальной работы турбины или другого потребителя.

6. Водное транспортное средство – корабль, или подводная лодка, использующая энергетическую установку на генераторе водорода, питающий двигатели (турбогенератори, или ПГТУ) привода тяговых винтов, или водометов, выполняющих также принудительную циркуляцию воды (морской, или речной, утилизируя ее теплоту) вдоль бортов, или в каналах (нишах), ниже ватерлинии, где расположены теплообменники генератора водорода–теплового насоса, при наличии соответствующих противообледенительных систем и средств защиты от биологического обрастання теплообменника. Для снижения акустических шумов и повышения КПД, тяговими могуть быть водометы или винты в кольцевых профилированных обтекателях – фенестронах, выполненных как теплообменники.

7. Наземное или воздушное транспортное средство – железнодорожный, автомобильный или авиационный транспорт, использующий энергетическую установку на генераторе водорода, питающем тяговые двигатели (ДВС, дизель–генератор, ТРДД). Двигатели и поверхность корпуса транспортного средства содержат воздушные теплообменники (с принудительной прокачкой воздуха, или набегающим скоростным потоком), утилизирующие теплоту воздуха. Предусмотрено наличие противообледенительных систем в теплообменниках.

8. Бытовая или промышленная автономная система отопления, кондиционирования, вентиляции, энергообеспечения зданий и сооружений, использующая энергетическую установку на генераторе водорода–тепловом насосе, теплообменники которого используют теплоту: земли (располагаются в скважинах, сваях фундамента зданий и сооружений, грунте или холодильных камерах); воды (местные водоемы, грунтовые воды, речные воды, морские прибрежные воды, теплые океанические течения, геотермальные источники); воздуха (воздушные теплообменники); солнца (гелиоколлекторы); энергию ветра; или утилизируют теплоту технологических процессов промышленных производств, центров обработки данных (ЦОД).

По сравнению с прототипом [ 27 ] , предлагаемая энергоустановка на генераторе водорода–тепловом насосе имеет следующие существенные отличия:

1. первый рабочий контур замкнут;

2. рабочее вещество циркулирует в первом рабочем контуре;

3. рабочая камера выполнена неподвижной;

4. рабочее вещество вращается в рабочей камере, вследствие его циркуляции в первом рабочем контуре;

5. рабочая камера находится в магнитном поле;

6. в рабочей камере под действием векторной суммы силы Лоренца и центробежной инерционной силы, благодаря различию в знаках зарядов и отличию в массах, происходит магнито–гидродинамическое разделение рабочего вещества на два изолированных потока: обогащенного анионами и катионами, далее проходящих по каналам выделения кислорода и водорода, соответственно;

7. электролиз происходит и в рабочей, и в разрядных камерах;

8. вследствие вращения рабочего вещества и циркуляции его в контуре происходит очистка электродов от продуктов электролиза, снижается перенапряжение;

9. ток разряда протекает по внешней электрической цепи, и не шунтируется стенками рабочей камеры;

10. блок контроля контролирует параметры в контрольних точках и управляет процессом электролиза;

11. рабочее вещество выполняет функцию как электролита,– в процессе электролиза, так и теплоносителя, циркулирующего в контуре,– в процессе переноса тепловой энергии;

12. энергия, преобразованная в потенциальную энергию водорода и кислорода при электролизе, восполняется в теплообменнике, при циркуляции через него рабочего вещества, за счет тепловой энергии окружающей среды, согласно закону сохранения энергии, а перенос энергии выполняется в ходе реакции электролиз<–>окисление;

Литература

1. Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами. site http://b-energy.ru/popularecology/53-hydrogen.html?tmpl=component&print=1&layout=default&page=

2. Высокоэффективный электролиз воды. site http://alexfrolov.narod.ru/ruswater.htm

3. Водородная энергетика. Получение водорода. site http://www.abitura.com/modern_physics/hydro_energy/hydro_energy5.html

4. Альтернативные источники энергии. Способы добычи водорода. site http://www.takealtenergy.com/hydrogen/geth.html

5. Вечная энергия Казакова (получение водорода). site http://www.skif.biz/index.php?name=Pages&op=page&pid=148

6. Генератор газа Брауна. sites http://sds-max.com.ua/braun.html , http://x-faq.ru/index.php?topic=53.0;wap2

7. Генератор водорода Джона Канзиуса. site http://vpl54.narod.ru/ERA_VODORODA.html

8. Топливная ячейка Мейєра. sites http://prometheus.al.ru/phisik/meyer.htm

, http://kotelok.info/index.php?name=Pages&op=page&pid=123

9. Honda FCX на топливных элементах. site http://autolenta.ru/147.html

10. ТУ–155, site http://www.airwar.ru/enc/xplane/tu155.html

11. Чистый полет: Самолет на водороде. site http://www.popmech.ru/article/3231-chistyiy-polet/

12. Трипільська ТЕС. site http://www.centrenergo.com/ukr/tripoly.html

13. Реактор РБМК – 1000. site http://www.liveinternet.ru/community/1229387/post51428326/

14. Электрическая энергия. site http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ELEKTRICHESKAYA_ENERGIYA.html

15. Градиент–температурная энергетика (системы ОТЕС). site http://www.greenenergy.com.ua/gradient-temperaturnaya-energetika-sistemy-otes/

16. Тепловая энергия океана. site http://watervigorous.com/termo.htm

17. Фотосинтез. site http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотосинтез

18. Биотехнологическое получение водорода. site http://ru.wikipedia.org/wiki/Биотехнологическое_получение_водорода

19. Принципы работы теплового насоса. site http://www.budynok.kiev.ua/printsipyi-rabotyi-teplovogo-nasosa/

20. Принцип работы теплового насоса. sites http://atmosystems.com.ua/how/ , http://www.eco-therm.com.ua/principle.html

21. Электроводородный генератор (ЭВГ). заявка RU98/00190 от 07.10.1997, патент RU2003104497/12 от 17.02.2003. site http://ikar.udm.ru/sb18-2.htm

22. Центробежный электроводородный генератор. патент PCT/RU 03/00413 от 18.09.2003. site http://www.skif.biz/index.php?name=Pages&op=page&pid=43

23. Устройство для непрерывной переработки морской воды…, патент RU2199492. site http://www.ntpo.com/patents_gas/gas_1/gas_71_1.shtml

24. Новая теория электролиза воды. site http://www.inauka.ru/blogs/article80305/print.html

25. Заметки по поводу униполярной динамо–машины. site http://serge.raikevich.com/tesla/13.htm

26. Бестопливный генератор Тесла. site http://masterbiz.info/generator.tesla.htm

27. Устройство для электролитического получения водорода и кислорода. патент RU2309198 С1 от 31.01.2006. site http://www.ntpo.com/patents_gas/gas_1/gas_113.shtml

28. Как поджечь и не взлететь. site http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=12057

Формула изобретения

1. Способ получения водорода, основанный на инерционном электролизе,– вращении рабочего вещества в поле центробежной инерционной силы и в магнитном поле, отличающийся тем, что с целью: снижения энергетических затрат на получение водорода, скорости вращения электролита, разделения его на два потока – анионы и катионы, очистки поверхности электродов от продуктов электролиза, упрощения конструкции, обеспечения контроля и управляемости процессом электролиза, повышения надежности и безопастности эксплуатации; циркуляция рабочего вещества – электролита в первом рабочем контуре, приводит к его вращению в неподвижной рабочей камере, расположенной в ортогональных электрическом и магнитном полях так, что магнитное поле направлено параллельно оси вращения рабочего вещества, а электрическое поле направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры так, что под действием векторной суммы силы Лоренца и центробежной инерционной силы, благодаря различию в знаках заряда и отличию в массах, негативно заряженные, тяжелые ионы – анионы, смещаются к периферии рабочей камеры, а позитивно заряженные, легкие ионы водорода – катионы,– к центру, в зону оси вращения, т.е. происходит магнито–гидродинамическое разделение ионов на два изолированных потока, при этом электролиз – нейтрализация зарядов ионов происходит и в рабочей, и в разрядных камерах, вследствие протекания тока по внешней электрической цепи и исключения шунтирования стенками рабочей камеры, а расход энергии в ходе эндотермической реакции электролиза, преобразованной в потенциальную энергию водорода и кислорода, компенсируется в теплообменнике за счет тепловой энергии окружающей среды, согласно закону сохранения энергии.

2. Тепловой насос, выполняющий перенос энергии при циркуляции рабочего вещества в контуре, отличающийся тем, что с целью обеспечения автономности, повышения эффективности, производительности, надежности, в качестве рабочего вещества используется электролит, а перенос энергии выполняется в процессе эндотермической реакции электролиза с получением кислорода и водорода как высокоэнергетического топлива, в генераторе водорода, выполненном по способу согласно п. 1, и экзотермической реакции окисления водорода кислородом до воды с получением электрической или механической энергии, соответственно, в топливном элементе или тепловом двигателе.

3. Энергетическая установка, содержащая блок контроля, баллон со сжатым водородом, обеспечивающий водородом топливный элемент, электроэнергия которого через ультраконденсатор питает электродвигатель, отличающаяся тем, что с целью обеспечения автономности, снижения эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации, вместо баллона со сжатым водородом, используется генератор водорода на основе способа получения водорода по п. 1, работающий как тепловой насос по п. 2, выполняющий перенос низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в потенциальную энергию водорода в ходе химической эндотермической реакции электролиз<–>окисление, и далее в электрическую или механическую энергию, и содержит (фиг. 1) бак 1, теплообменник первого контура 2, насос 3, рабочую камеру 4 в магнитном поле В, ориентированном параллельно оси вращения рабочего вещества, а электрическое поле E направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры, так, что на движущиеся ионы действует векторная сумма центробежной инерционной силы и силы Лоренца, обеспечивающая магнито–гидродинамическое разделение ионов на два изолированных потока, обогащенных анионами и катионами, две разрядные камеры 5, 6, два сепаратора – осушителя газа – прерывателя непрерывности потока рабочего вещества 7, 8, два обратных клапана 9, 10, два датчика газоанализаторов и объема 11, 12, топливный элемент 14, ультраконденсатор 15, электродвигатель 16, теплообменник второго контура 17, блок контроля 13.

4. Энергетическая установка по п. 3, отличающаяся тем, что с целью обеспечения автономности, снижения вредных выбросов, эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации, улучшения экологии, в энергетической установке–тепловом насосе, вместо топливного элемента 14, ультраконденсатора 15 и электродвигателя 16 используют произвольный преобразователь потенциальной энергии водорода, в электрическую или механическую энергию,– ДВС, турбогенератор, дизель–генератор, ПГТУ, ТРДД, МГД–генератор с ПГТУ, что позволяет без существенного переоборудования переводить действуюшие ТЭС, АЭС на водородное топливо, производимое генератором водорода–тепловым насосом (фиг. 1, блоки 1–13 и 17), а поскольку продуктом сгорания водорода (Т~3000°C) является водяной пар, то добавление воды в камеру сгорания или перед турбиной снижает его температуру, повышает давление и приводит параметры пара к требуемым для оптимальной работы турбины или другого потребителя.

5. Водное транспортное средство – корабль, или подводная лодка, использующий энергетическую установку, отличающуюся тем, что с целью обеспечения автономности, снижения вредных выбросов, эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации, энергетическая установка выполнена по пп. 3–4 так, что генератор водорода–тепловой насос, питающий двигатели (турбогенераторы или ПГТУ) привода тяговых винтов или водометов, которые выполняют также принудительную циркуляцию воды (морской или речной), утилизируя ее теплоту через теплообменники генератора водорода, расположенные вдоль бортов, в каналах (нишах), ниже ватерлинии, при наличии соответствующих противообледенительных систем и средств защиты от биологического обрастання теплообменников, при этом для снижения акустических шумов и повышения КПД, тяговыми могуть быть водометы или винты в кольцевых профилированных обтекателях – фенестронах, выполненных как теплообменники.

6. Наземное, или воздушное транспортное средство – железнодорожный локомотив, автомобиль, самолет, или вертолет, использующий энергетическую установку, отличающуюся тем, что с целью обеспечения автономности, снижения вредных выбросов, эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации, энергетическая установка выполнена по пп. 3–4 так, что генератор водорода–тепловой насос, питающий тяговые двигатели (ДВС, турбогенераторы, дизель–генераторы, ТРДД), которые, как и поверхность корпуса транспортного средства, содержат воздушные теплообменники, с принудительной прокачкой воздуха, или набегающим скоростным потоком, утилизируюшие теплоту воздуха, при наличии противообледенительных систем в теплообменнике и на поверхности корпуса.

7. Бытовая или промышленная система отопления, кондиционирования, вентиляции, энергообеспечения зданий и сооружений, использующая энергетическую установку, отличающуюся тем, что с целью обеспечения автономности, снижения вредных выбросов, эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации, энергетическая установка выполнена по пп. 3–4 так, что теплообменники генератора водорода–теплового насоса используют теплоту: земли (располагаются в скважинах, сваях фундамента зданий и сооружений, грунте или холодильных камерах); воды (местные водоемы, грунтовые воды, речные воды, морские прибрежные воды, геотермальные источники); воздуха (воздушные теплообменники); солнца (гелионагреватели); энергию ветра; или утилизируют теплоту технологических процессов промышленных производств.

P.S. Это предложение к сотрудничеству в областях производства энергогенерирующего оборудования, водородной энергетики, альтернативной энергетики, возобновляемых источников энергии, электро–, или водородных транспортных средств.

Александр Богданченко

Контакты
Mail to: h2energy@i.ua

Сайты h2energy.tk, h2energy2.tk
h2energy.narod.ru, h2energy.narod2.ru
h2energy.ucoz.ua, h2energy.ucoz.com

На главную страницу

Таблица 1. Химические реакции в генераторе водорода - тепловом насосе (HP).
Рабочее вещество - электролит	HBrO₃	H₂SO₄	H₃PO₄
В растворе	HBrO₃ → H⁺ + BrO₃^-	H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-	H₃PO₄ → 3H⁺ + PO₄^3-
На катоде	2H⁺ + 2е^- → H₂↑	2H⁺ + 2е^- → H₂↑	2H⁺ + 2е^- → H₂↑
На аноде	2BrO₃^- - 2е^- → 0,5O₂↑ + Br₂O₅	SO₄^2- - 2e^- → 0,5O₂↑ + SO₃↑	4PO₄^3- - 12е^- → 3O₂↑ + 2P₂O₅
В прианодном пространстве реакция осадка с водой	Br₂O₅ + H₂O → 2HBrO₃ HBrO₃ → H⁺ + BrO₃^-	SO₃ + H₂O → H₂SO₄ H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-	P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ H₃PO₄ → 3H⁺ + PO₄^3-
Таблица 2. Химические реакции в топливном элементе (FC), или тепловом двигателе (HE).
На аноде	H₂ → 2H⁺ + 2е^-	H₂ → 2H⁺ + 2е^-	H₂ → 2H⁺ + 2е^-
На катоде	4H⁺ + 4е^- + O₂ → 2H₂O	4H⁺ + 4е^- + O₂ → 2H₂O	4H⁺ + 4е^- + O₂ → 2H₂O