Круговорот топлива и окислителя в производстве энергии
А.И.Карелин, д.т.н., профессор, директор НТЦ «Новые технологии»;
В.А.Карелин, д.т.н., профессор, Сибирский государственный технологический институт, г.Северск;
В.А.Казимиров, генеральный директор компании «Солнечная энергетика», г.Омск
10.11.2005
Проведен анализ способов производства энергии. Показано, что существующие способы не могут в перспективе обеспечить человечество дешевой и безопасной энергией. Предложен принципиально новый способ производства энергии с осуществлением круговорота топлива и окислителя.
Еще в древние времена человек научился добывать тепловую энергию сжиганием органического топлива в атмосферном воздухе. Прошли века, а этот способ производства энергии остался неизменным – совершенствовалась лишь подготовка органического сырья к сжиганию, использовались различные виды и формы органического топлива, модернизировалось аппаратурное оформление процесса сжигания.
Несмотря на постоянные совершенствования, способ сжигания органического топлива в атмосферном воздухе по-прежнему обладает существенными недостатками:
при его осуществлении в промышленном масштабе происходит сильное тепловое и химическое загрязнение окружающей среды парниковыми газами и твердыми отходами;
коэффициент полезного действия не превышает 40–42% от выделившегося при сгорании тепла.
Все многочисленные попытки избавиться от этих недостатков из-за сложности химического состава газовых выбросов (избыток воздуха, необходимого для сжигания топлива, относительно стехиометрически необходимого количества; образующиеся парниковые газы – углекислый газ, оксиды азота, сернистый газ, пары воды и другие газообразные примеси) приводят при их обезвреживании к резкому удорожанию и нерентабельности производства энергии способом сжигания органического топлива в атмосферном воздухе. Мировое сообщество при осуществлении техногенной деятельности и, в частности, при производстве энергии указанным способом пришло к тупиковой ситуации. В настоящее время на 75% населения, проживающего в развивающихся странах, приходится только 25% мирового потребления энергии. Свыше 2 млрд людей в этих странах живет без электричества. При постоянном росте численности населения и потребления им энергии используемый с древних времен способ сжигания органического топлива в атмосферном воздухе не сможет в перспективе обеспечить человечество дешевой и безопасной энергией с сохранением окружающей среды в первозданном виде. Это противоречие было ярко продемонстрировано на международных конференциях в Рио-де-Жанейро и Киото. Киотским протоколом перед человечеством даже не ставится задача по снижению, не говоря уже о полном прекращении сбросов химически вредных веществ в окружающую среду.
В Киото был провозглашен принцип квотирования газообразных выбросов, производимых разными странами на достигнутом в настоящее время уровне. Однако и такая задача по непревышению достигнутого уровня газообразных выбросов из-за дороговизны оказалась с практической точки зрения невыполнимой даже для такой высокоразвитой страны, как США, которая по этой причине до сих пор не подписала и не ратифицировала Киотский протокол.
В ХХ веке человечество открыло и частично реализовало способ производства энергии за счет осуществления ядерных и термоядерных реакций. В настоящее время доля ядерной энергетики составляет ~ 17%. Однако после интенсивного строительства атомных станций в 60–70-х гг. этот способ производства энергии не находит дальнейшего развития. В последние годы происходит некоторая стагнация в использовании ядерных мощностей с 400 до 350 ГВт и менее. Более того, ряд высокоразвитых стран, например, родоначальник создания ядерной энергетики – Германия, приняла решение о прекращении строительства ядерных реакторов и закрытии всех действующих атомных станций к 2030 г. Причина этого в том, что ни в одной стране мира не разработан и не осуществлен замкнутый ядерный топливный цикл. Происходит постоянное образование и накопление большого количества высокорадиоактивных продуктов деления, делящихся и неделящихся радиоактивных изотопов тяжелых элементов. Все проекты по применению смешанного уран-плутониевого топлива (MOX-топлива) в ядерных реакторах на тепловых нейтронах не привели к решению основной задачи – сжиганию Pu, из-за того, что они имеют «нулевой» баланс по плутонию.
Конкурентоспособных ядерных реакторов на быстрых нейтронах для сжигания плутония и др. элементов также не создано.
По этим причинам общественность не поддерживает дальнейшее развитие ядерной энергетики.
Термоядерный способ получения энергии не вышел из стадии лабораторных обоснований его осуществимости. Вряд ли в ближайшее время можно рассчитывать на его осуществление из-за технических трудностей удержания во времени высокотемпературной плазмы – искусственного солнца на каждой термоядерной электростанции.
Нарисовав мрачную картину и решившись на ее публикацию, мы понимаем, что не достигнем согласия во взглядах и вызовем возражения ряда ученых и специалистов. Авторы и не ставили перед собой цели добиться согласия в вопросе обеспечения человечества энергией. Цель статьи – разбудить дремлющее сознание научной общественности, высказав альтернативную нестандартную точку зрения в вопросе перспектив развития способов производства энергии. Тем самым вызвать серьезную научную и практическую дискуссию.
Мы утверждаем, что существующие и разрабатываемые в настоящее время способы не могут в принципе обеспечить растущее народонаселение дешевой безопасной энергией. Для решения этой проблемы нужны принципиально новые подходы и идеи. Считаем, что таким принципиально новым подходом является идея создания энергетики на основе осуществления круговорота как органического топлива, так и окислителя, без расхода их из земных недр и окружающей среды. Нет, это не вечный двигатель. Вечный двигатель нельзя создать в замкнутой системе. Мы предлагаем круговорот топлива и окислителя для осуществления в открытой системе с применением получаемых промежуточных веществ для изготовления солнечных батарей и использования неиссякаемого источника энергии извне – Солнца.
Круговорот веществ в природе известен давно – это повторяющиеся естественным путем под действием солнечной энергии процессы превращения и перемещения веществ на земле, имеющие более или менее выраженный циклический характер.
Круговорот веществ сыграл определенную роль в развитии нашей Планеты. В современный период с геологической точки зрения наиболее интенсивный характер круговорота веществ происходит на поверхности земли. Яркой иллюстрацией этого процесса может служить круговорот воды в природе. Классификация круговоротов веществ на земле еще полностью не разработана. Можно говорить о круговоротах отдельных химических веществ и элементов или, например, о биологическом круговороте вещества в биосфере, выделяют круговорот газов атмосферы или воды гидросферы, твердых веществ в литосфере.
Великий русский ученый В.И. Вернадский выделил геохимическую группу так называемых циклических химических элементов. К ним относятся: углерод, кислород, азот, фосфор, сера, медь, железо, хлор и йод.
Продолжительность того или иного цикла круговорота условно оценивают по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла бы обернуться один раз в том или ином процессе. Круговороты веществ, осуществляемые естественным путем, – очень медленные процессы. Круговорот веществ может по тем или иным естественным причинам замедляться или полностью прекращаться на какое-то время, а затем снова возобновляться.
Однако с появлением на земле разумного существа – Человека, его деятельность, дополнительно к естественным химическим и биологическим процессам, стала огромной геологической силой, в результате чего круговорот веществ может резко ускоряться и достигать всего лишь нескольких часов.
В.И. Вернадский отнес из галогенов к группе циклических элементов только хлор и йод. Нами установлен и предложен круговорот элементного фтора и органического топлива. Элементный фтор, являясь самым сильным из простых веществ окислителем, может иметь исключительно важное значение в производстве энергии при сжигании в нем органических и неорганических материалов, особенно если осуществить его круговорот.
Сразу отметим, что в существующем способе сжигания органического топлива в атмосферном воздухе осуществить круговорот органического топлива и окислителя невозможно, т.к. окислитель – атмосферный воздух на 3/4 состоит из инертных газов (азот, аргон, углекислый газ и др.) и только на 1/4 из кислорода. Из образующихся при сжигании газов сложного состава (избыточный атмосферный воздух, оксиды азота различного состава, углекислый газ и др.) практически и экономически невозможно извлечь ни кислород, ни углерод для осуществления их круговорота.
Сущность предлагаемого нами способа производства энергии при сжигании органического топлива в элементном фторе заключается в том, что осуществляют совокупность неизвестных до настоящего времени и известных, но не используемых в технике из-за дороговизны окислителя без его рецикла, технологических процессов в предлагаемой нами последовательности.
Круговорот заключается в том, что элементный фтор и органическое топливо при их взаимодействии, образуют промежуточные вещества, которые сами являются окислителями для сжигания неорганического топлива. Промежуточные вещества, пройдя через ряд технологических стадий в течение короткого времени, приводят к образованию устройств для выработки солнечной энергии и к возврату органического топлива, а также элементного фтора в исходное состояние для их взаимодействия в последующих циклах.
Принципиальная технологическая схема предлагаемого способа получения энергии с использованием круговорота органического топлива и элементного фтора приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема топливного цикла с круговоротом органического топлива и окислителя.
1 – сжигание оборотного органического топлива; 2 – отбор тепла; 3 – сжигание неорганического топлива; 4 – отбор тепла; 5 – разделение газов; 6 – восстановление SiF4=Si+2F2; 7 – изготовление солнечных модулей; 8 – производство солнечной энергии; 9 – сжигание СО2 в элементном фторе; 10 – отбор тепла; 11 – разделение газов; 12 – сжигание порошка Si в тетрафториде углерода; 13 – отбор тепла.
Отметим, что в предлагаемом способе производства энергии осуществляются следующие химические и физические превращения.
Круговорот органического топлива и окислителя осуществляют сжиганием как органического, так и неорганического топлива. При этом в качестве окислителя при сжигании органического топлива и углекислого газа, выделяющегося по реакции (2), используют оборотный элементный фтор. Неорганическое топливо и элементный кремний, образовавшийся по реакциям (4, 5) сжигают выделяющимся при окислении органического топлива тетрафторидом углерода. Синтезированный по реакциям (2, 3, 7) тетрафторид кремния применяют для изготовления солнечных батарей.
Предлагаемый способ производства энергии с осуществлением круговорота органического топлива и окислителя имеет следующие преимущества перед известным способом без круговорота:
при производстве энергии кроме органического сжигают и неорганическое топливо. При этом в качестве окислителя при сжигании органического топлива используют оборотный элементный фтор. При сжигании неорганического топлива применяют образующийся при сжигании органического топлива тетрафторид углерода;
при производстве полностью исключаются тепловое и химическое загрязнение окружающей среды;
круговорот органического топлива и окислителя исключает их расход из окружающей среды и земных недр;
при сжигании оксидов кремния и углерода окружающая среда обогащается выделяющимся кислородом;
коэффициенты полезного действия при сжигании органического и неорганического топлива без сброса продуктов сгорания в окружающую среду приближаются к единице;
при сжигании органического и неорганического топлива в оборотном фторе и тетрафториде углерода, количество выделяющегося тепла в 7,45 раз больше тепла, образующегося при сжигании органического топлива в атмосферном воздухе;
в результате круговорота образуется органическое топливо и окислитель в чистом виде, которые при использовании в последующих циклах не требуют какой-либо дополнительной очистки;
дополнительно к тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического и неорганического топлива, с использованием продуктов сгорания неорганического топлива получают солнечную энергию;
получаемая энергия с использованием круговорота органического топлива и окислителя во много раз дешевле по сравнению с энергией, получаемой при сжигании органического топлива в атмосферном воздухе.
В заключение, несколько слов о практической осуществимости предлагаемого способа производства энергии. Мы не видим каких-либо принципиальных препятствий по его осуществлению в ближайшее время.
Все предлагаемые технологические процессы для осуществления круговорота органического топлива и окислителя строго обоснованы термодинамически и кинетически. Разработаны математические модели процессов фторирования оксидов различных металлов. Используются химические реакторы, конструкция которых отработана многолетней промышленной практикой на предприятиях агентства по атомной энергии. Имеются прототипы производств по электролитическому получению алюминия и практически всех редких металлов из фторидных расплавов.
Электролитический способ получения элементного кремния и фтора из тетрафторида кремния осуществлен нами в лабораторном масштабе. Проработан вопрос по осуществлению плазмо-химического разложения веществ.
Оборудование из углеродистой и нержавеющих сталей в безводных фторсодержащих средах имеет высокую коррозионную стойкость, что позволяет его эксплуатировать без капитального ремонта не менее 15 лет.
На всех предприятиях ядерного топливного цикла при работе с элементным фтором и фторидными соединениями строго обеспечиваются санитарные нормы как внутри цехов на рабочих местах, так и при сбросе вентиляционных газов в окружающую среду.
Необходимо отметить, что солнечная энергия становится наиболее конкурентоспособной в составе технологических процессов, обеспечивающих круговорот органического топлива и окислителя.
