ПРЯМЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ

ПРЯМЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
Ф.М. Канарёв [email protected]
Анонс. Со времён Фарадея, открывшего закон электролиза воды, физики и химики не
смогли установить прямые энергозатраты на электролиз воды и только физхимия микромира, родившаяся в начале этого века, позволила решить эту задачу.
Неисчислимое количество учёных и практиков включились в решение проблем водородной энергетики. Результаты их исследований показывают, что лучшие электролизёры расходуют на получение кубического метра чистого водорода из воды около 4-х кВтч
электроэнергии или около 3-х кВтч на кубический метр смеси водорода и кислорода.
Действующие промышленные установки расходуют на этот процесс в 1,5-2,0 раза больше. Энергия же, получаемая при сжигании одного кубического метра только водорода,
составляет около 3,5 кВтч.
Тем не менее, смесь водорода и кислорода, получаемая из воды, широко используется в газосварочных аппаратах, а на Тайване уже выпускаются бытовые газовые плиты,
в которых природный газ заменён кислородно-водородной смесью. Пока затраты на получение этой смеси превышают стоимость природного газа, но это не останавливает исследователей и они настойчиво ищут пути снижения этих затрат. Конечно, если бы исследователи знали прямые затраты энергии на электролиз воды, то они уже давно бы достигли
намеченной цели. Как же измерить прямые затраты энергии на электролиз воды? Поиск
ответа на этот вопрос начнём с анализа осциллограммы (рис. 1).
Из неё следует, что все электролизёры, заряжаясь в начале работы, приобретают
постоянный потенциал VP , свойственный конденсатору или аккумулятору. Величина этого потенциала VP увеличивается с увеличением количества ячеек в электролизёре.
Рис. 1. Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) на клеммах электролизёра
На рис. 1 хорошо видно, что импульсы напряжения 1 восстанавливают средний
потенциал VP электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса, а импульс
тока 2 почти не изменяет его среднюю величину I C . Из этого следует, что процесс электролиза воды при отсутствии импульса напряжения не прекращается. Это значит, что нет
нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал
2
VP , для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка
электролизёра. Чему же будет равна мощность на клеммах электролизёра при импульсном её потреблении?
Современные учебники и научная литература по импульсной технике рекомендуют
определять средние величины напряжения U C и тока I C путём деления их амплитудных
значений U A и I A на скважность импульсов S . Из осциллограммы (рис. 1) следует:
U A 12,50

 1,16V ;
S
10,80
I
1,30
IC  A 
 0,12 A .
S 10,80
UC 
(1)
(2)
Из этого следует также вполне логичный вывод о том, что мощность на клеммах
электролизёра надо рассчитывать по формуле
N  UC  IC 
V A  I A 12,50  1,30

 0,14 Вт .
S2
(10,8) 2
(3)
Однако этот результат противоречит показаниям приборов на клеммах аккумулятора или счётчика электроэнергии. Там регистрируется величина мощности, определяемая по формуле
V I
12,50  1,30
(4)
N  UC  IC  A A 
 1,50 Вт .
S
10,8
Удивительным является то, что с этим (3, 4) противоречием мирились со времён
Фарадея и никто не искал его причины. А ведь только при раскрытии причин противоречий выявляются новые научные представления. Попытаемся раскрыть причину этого противоречия. Для этого изготовим автономный источник питания, который не был бы связан
ни с аккумулятором, ни с общей электрической сетью. Главное требование к такому источнику – одинаковость импульсов напряжения и тока на его клеммах и на клеммах электролизёра. Роль такого источника может выполнить электромеханический генератор электрических импульсов (рис. 2). Он приводится во вращение электродвигателем, включённым в электрическую сеть. Вполне естественно, что электрические цепи электродвигателя
и электромеханического генератора электрических импульсов изолированы друг от друга.
В этом случае можно проследить за изменением баланса мощности на клеммах электродвигателя, электромеханического генератора электрических импульсов и электролизёра и
проверить какая из формул (3) или (4) отражает реальность.
На рис. 3. представлена осциллограмма напряжения и тока, снятая с клемм электромеханического генератора электрических импульсов (рис. 2) и электролизёра. Поскольку между их клеммами лишь провода, то осциллограмма напряжения и тока у них
едина.
Обработка этой осциллограммы показала, что скважность импульсов напряжения
равна, примерно, SU  2,60 , а тока - S I  3,60 . Средние величины напряжения U C и тока
I C определяются делением их амплитудных значений U A , I A на скважность импульсов
(1), (2). Осциллограмма даёт нам такие значения: U C  4,46V , I C  4,20 A . С учётом
этого средняя мощность равна
3
NC 
UA  IA
 U C  I C  4,46  4,20  18,63Ватт .
SU  S I
(5)
Если её вычислять, не учитывая скважность импульсов напряжения, как это делалось до сих пор, то расчёт надо вести по формуле (4) и результат будет такой
NC 
U AС  I AС 11,60 17,60

 56,87 Ватт .
SI
3,59
(6)
Особо отметим, что на клеммах электролизёра присутствует постоянный потенциал
VP (рис. 1), а первичный источник энергии, в данном случае электромеханический генератор электрических импульсов (рис. 2), не генерирует его. Он генерирует импульсы напряжения, поэтому электрическую мощность на его клеммах определяют формулы 3 и 5.
Рис. 2. Электромеханический генератор электрических импульсов
Рис. 3. Осциллограмма напряжения (1) и тока (2) на клеммах электромеханического
генератора электрических импульсов и электролизёра
4
Разность мощности между рабочим и холостым ходом, зафиксированная счётчиком
электроэнергии на клеммах электродвигателя, равна 42 Ватта. Эта величина - в промежутке между результатами расчётов по формулам (3) и (4). Что надо учесть ещё, чтобы приблизить теоретические значения (5) и (6) к экспериментальной величине 42 Ватта?
Обмотка и корпус генератора нагреваются, а осциллограмма (рис. 3) не учитывает
расход энергии на этот процесс. Масса генератора 1600 г. Средняя разность температуры
генератора, между рабочим и холостым ходами с учётом охлаждения поверхности вращающегося ротора, составила 13 град. Генератор изготовлен из стали, его удельная теплоёмкость равна 0,50 Дж/грамм. град. Опыт длился 560 сек. За это время затраты энергии на
нагрев статора и ротора электромеханического генератора электрических импульсов составили 0,5х1600х13=10400 Дж или 10400/560=18,57 Ватт. Это значит, что к величинам
мощности (5) и (6), рассчитанным по формулам (3) и (4), надо прибавить по 18,57 Ватт. В
результате будем иметь 37,20 Ватта и 76,44 Ватта соответственно.
Уточнение температуры нагрева всех частей генератора усиливает связь математической модели (3) для расчёта импульсной мощности с реальностью (42 Ватта) и удаляет математическую модель (4) от этой реальности (42 Ватта).
Таким образом, прямые удельные затраты мощности на электролиз воды составляют 18,63 Ватта. Потери энергии на нагрев генератора (42,00-18,63=23,37 Ватта) больше
прямых затрат.
За час работы было получено 11,10 литра газовой смеси. Прямые удельные затраты
энергии на её получение составили 18,63Втч/11,10=1,68 Втч/литр. Если взять затраты
энергии на получение смеси газов из воды лучшими современными электролизёрами за
100%, то КПД процесса электролиза воды этими электролизёрами будет около 56,60%.
Это свидетельствует о том, что почти все резервы уменьшения затрат энергии на традиционный процесс электролиза воды и на традиционный способ питания электролизёров уже
почти исчерпаны и нужно искать другие решения этих проблем. Они однозначно следуют из осциллограммы (рис. 3), но мы не будем детализировать их, а приведём результаты
экспериментов по низкоамперному электролизу воды.
Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко
используется в современной промышленности. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение одного кубического метра водорода в этом случае составляют
около 4 кВтч/ м 3 . Между тем в Природе существует более экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При этом атомы
водорода отделяются от молекул воды и используются в качестве соединительных звеньев
при формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу.
Возникает вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе? Поиск условий моделирования процесса разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе, привел к простой конструкции ячейки (рис. 4). Оказалось, что процесс электролиза
может протекать при среднем токе 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным.
Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает
возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах
ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается.
При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник питания генерирует импульсы напряжения, то выход
газов увеличивается.
Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно
уменьшается, но не прекращается в течение нескольких часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах (рис. 4 и
5
5). Спустя час после отключения электролизёра от сети напряжение на его электродах
уменьшается до одного вольта, а постоянная составляющая тока почти не изменяется.
Рис. 4. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)
Рис. 5. Напряжение и ток на клеммах включённого в сеть электролизёра (рис. 4)
Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра генерирует небольшое количество газов, то самым надёжным методом определения их количества
является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего
расчета выделившегося водорода и кислорода.
Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамммолекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16 граммам. Грамммолекула воды равна 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет
2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды
содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.
6
Один литр водорода весит 0,0846 гр., а один литр кислорода -1,47 гр. Это означает,
что из одного литра воды можно получить 111,11/0,0846=1313,36 литра водорода и
888,89/1,47=604,69 литра кислорода. Из этого также следует, что один грамм воды содержит 1,31 литра водорода и 0,60 литра кислорода.
Затраты электроэнергии на получение 1000 литров водорода сейчас составляют 4
кВтч, а на один литр – 4 Втч. Поскольку из одного грамма воды можно получить 1,31 литра водорода, то на получение водорода из одного грамма воды сейчас расходуется
1,31х4=5,25 Втч.
В табл. 1 представлены результаты эксперимента при питании электролизера импульсами напряжения и тока (рис. 5) с периодическим включением его в электрическую
сеть на 10 минут. Остальные 50 минут каждого часа электролизёр работал при отключенной электрической сети, а процесс выхода газов продолжался.
Таблица 1. Показатели электролиза воды низкоамперным электролизёром (рис. 4)
Показатели
Сумма
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть,
6x10=60,0
в шести циклах , мин
2 – показания вольтметра V, Вольт
11,4
2’ – показания осциллографа V’, Вольт (формула 1)
0,40
3 – показания амперметра I, Ампер;
0,02
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер (формула 2)
0,02
4 – расход энергии (P=VxIxτ/60), Втч (формула 4)
0,228
4’ – прямой расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч (формула 3)
0,008
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин
6x50=300,0
6 – изменение массы раствора m, грамм
0,60
7 – масса испарившейся воды m’, грамм
0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г.
0,54
9 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям вольтметра и амперметра E=P/m’’, Втч/г. воды (формула 4)
0,42
9’ – прямой расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по
показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г. воды (формула 3)
0,02
10 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в
газы E’’, Втч/г. воды
5,25
11 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям вольтметра и амперметра K=E’’/P, раз
23
11’ – уменьшение прямого расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз
656
12
–
прямой
расход
энергии
на
куб
водорода
0,015
(0,02х1000)/1,31=0,015 кВтч.
13 – ожидаемый расход энергии на куб водорода с учётом КПД
0,150
источника питания, кВтч
Таким образом, есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр обладает
свойствами конденсатора или аккумулятора. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза - стабильным.
Наличие постоянной составляющей электрического потенциала на входе в электролизёр показывает, что для расчета затрат энергии на процесс электролиза надо использовать не показания вольтметра, а показания осциллографа, регистрирующие полный им-
7
пульсный потенциал подзарядки электролизёра, следующий из осциллограммы, представленной на рис. 5. Вполне естественно, что указанный эффект реализуется лишь при
использовании электромеханического источника питания.
Таким образом, вольтметр показывает величину напряжения заряженного электролизёра, как конденсатора, который постепенно разряжается, а полные импульсы напряжения, фиксируемые осциллографом – величину его подзарядки, которая и характеризует
прямую энергию на электролиз воды. Затраты энергии на получение водорода из воды при
низкоамперном электролизе значительно уменьшаются, если в качестве источника энергии использовать электромеханический генератор электрических импульсов. Обоснование
параметров такого генератора – непростая задача.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Главные цели, проведённых экспериментов, – проверка новой теории процесса
электролиза воды и достоверности закона формирования мощности в электрической цепи,
достигнуты. Следующий этап – коммерциализация полученных результатов. Но его реализация – уже не наша забота и мы не будем заниматься этим. Мы только отметим, что
новый способ питания электролизёров уже открывает возможность замены природного
газа кислородно-водородной смесью, получаемой из воды. Дело это будет не быстрое, так
как процессы горения природного газа и кислородно-водородной смеси, без взрыва, значительно отличаются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. 2010. 1050 с.
http://kubsau.ru/science/prof.php?kanarev
2. Канарёв Ф.М. Видеофильм о лабораторных экспериментах по электролизу воды.
http://kubsau.ru/science/prof.php?kanarev Папка «Видеофильм».