Теперь насчет электролиза воды. Конечно, если электроэнергия необходимая для электролиза, получена с помощью работы теплового двигателя (ТД), то в себестоимость водорода обязательно войдут и неизбежные потери ТД. В этом случае энергия от водородных ТЭ по любому будет дороже энергии от ТД. Однако, если в цепочке: "сырье -> конечные потребительские блага", удастся исключить тепловые двигатели, то ситуация кардинально поменяется. Теперь уже fuelcell-энергетика превращается из паразита тепловой энергетики в ее серьезного конкурента. И здесь, для добывания водорода, электролиз воды вполне приемлем. В дальнейшем этот водород можно использовать, например, как автомобильное топливо. И, думаю, это будет все равно дешевле, чем сжигать "органику" в обычных двигателях ("по старинке").
Конечно, самый замечтательный вариант - это напрямую "впрячь" метан (или какой-либо др. углеводород) в гальванический элемент, причем так, что бы и температура и давление были близки к стандартным. Тогда, действительно, можно выжать из вещества практически всю запасенную в нем химическую энергию. Все же, мне кажется, что этот путь если не тупиковый, то трудный и очень долгий.
Я вот все переживал, что с помощью риформинга из метана можно извлечь токмо две молекулы водорода, которые, собственно и пойдут на совершение работы ТЭ. Энергия же углерода, тут полностью уйдет на обогрев улицы (ну, разве, что по пути водичку разогреть можно). Однако, поскрипев, немного мозгами и порывшись в литературе по биохимии, я вспомнил, что в живых организмах основная часть полезной энергии производится благодаря дыхательной цепи - аналога водородного ТЭ. Про добычу энергии непосредственно через углеродосодержащие вещества, говорится как-то сухо, и невнятно. Сразу видно - дело темное (хотя, возможно, и существующее). Так вот: в самом популярном цикле Кребса - из одной молекулы пировиноградной кислоты (содержащей 4 атома водорода) получают на выходе 8 атомов Н. Дополнительные 4 атома берутся за счет восстановления водорода из двух молекул воды. И энергию на это дело дает углерод. В риформинге же наряду с метаном присутствует вода, и если бы "заставить" углерод отдать свою энергию на благородное дело восстановления водорода из этой воды, то в дальнейшем можно было бы: 1.Обойтись только водородными ТЭ (и комнатными температурами); 2.Извлечь максимально возможное количество полезной энергии на один моль метана. Плохо в риформинге другое: высокая температура и наличие в продуктах угарного газа. Вот если бы как-нибудь модифицировать этот процесс.
Дальше я должен сделать одно важное замечание: все расчеты проводятся при стандартных условиях (25С и 1 атм). Во-первых: так легче считать. Во-вторых: еще со студенческой скамьи мне внушали: в химии надо стремиться к "мягким" технологиям - температуру и давление приближать насколько это возможно (не в ущерб экономике, конечно), к стандартным, не жалеть времени на подбор катализаторов и прочих фенечек, заменять агрессивные среды менее опасными и т.д. Короче, избегать экстрима. В конечном итоге это сэкономит какому-то дяде кучу денег, а простым работягам - здоровье и жизнь. В-третьих: если, допустим, какая-то реакция при стандартных условиях имеет энергию Гиббса +100 кДж, то это говорит не только о невозможности проведения данной реакции при этих условиях, но и выражает количественно ее энергозатраты. Другими словами: химики народ с выдумкой и эту реакцию все равно, поменяв условия, сделают, более того при желании и аккумуляторы на ней зарядят, только зря все это. Все равно суммарно удовольствие это окажется затратным и энергию для зарядки аккумуляторов в итоге надо будет брать со стороны + как минимум надбавка все в те же 100 кДж. Потому как, если в стандартных условиях реакция термодинамически невозможна, то никакими обходными путями халявной энергии вы из нее получите.
Итак, из реакции СН4+2О2=СО2+Н2О можно в идеале извлечь 191,397 ккал (в расчете на 1 моль метана) полезной энергии, из которых 109,28 ккал дают 2 моля водорода (113,4 ккал можно получить, если на выходе будет не газ-вода, а вода жидкая) остальную энергию дает при полном окислении (до СО2) моль углерода. Энергии окисления углерода достаточно для восстановления одного моля водорода (но не двух) из воды. Это в свою очередь может дополнительно дать 54,64 ккал. Итого:109,3+54,6=163,9 ккал. Ну, что же 27 (даже 28 ) ккал на 1 моль метана, в конце концов, можно и пожертвовать. Все-таки здесь КПД больше 85% .Однако, во всей этой fuelcell'ой бочке с медом есть две маленькие лопатки дерьма. Первая: при восстановлении Н2 из 1 моля Н2О получается только 1/2 моля О2, чего недостаточно для образования 1 моля СО2 (надо 1 моль О2). С др. стороны, если окислять углерод не до СО2, а только до СО, то не хватит энергии на восстановление моля воды. Выход, конечно, есть: надо недостающие атомы кислорода брать со стороны, благо дело в атмосфере его пока хватает, тем более что реакция СН4+Н2О+1/2О2=СО2+3Н2 имеет отрицательное значение энергии Гиббса. Вот здесь и вторая лопатка с г*. Если дать метану напрямую прореагировать с кислородом, то сгорит этот метан синим пламенем и все на этом закончится. Нужен некий посредник между природным газом и кислородом. Например, гемоглобин. Еще лучше, его синтетический заменитель. Одно время над их разработкой трудилась целая куча институтов. Широкого внедрения в медицинскую практику эти переносчики кислорода по разным причинам не получили, но может, теперь пробил их звездный час? Нужно, конечно, подобрать еще и катализатор, который при комнатной температуре позволил бы проводить именно эту, а не какую-нибудь другую реакцию. Наконец, можно помечтать и предложить еще и метан (как О2) подвергать предварительной обработке, акцептируя его на какой-то водорастворимый полимер, что бы уже полностью перевести исходные вещества в жидкую фазу. Тогда: 1. Можно до минимума свести потери сырья (т.е. СН4); 2. Реакцию можно проводить таким образом, чтобы весь восстановленный водород сразу поступал в ТЭ, никаких тебе излишков Н2, и связанных с этим улетучиваний, заморочек с пожарниками и т.п. издержек производства.
Метанол тоже годится на роль поставщика водорода. Но и здесь не все так просто: Если "выжимать" водород из метанола на прямую: СН3ОН=СО+2Н2, то из одной молекулы метанола (а значит и метана) будем иметь только две молекулы водорода и тю-тю 54,64 ккал/моль. Жаль. Однако восстановить еще одну молекулу Н2 из воды (СН3ОН+Н2О=СО2+3Н2) сразу тоже не получится. При стандартных условиях энерг. Гиббса этой реакции положительна. Увеличить давление: сделать только хуже. Остается "поиграть" температурой. Т.к. (dG/dT)=-S (при постоянном давлении), а энтропия продуктов выше чем исходных веществ, то надо повышать t. Очень грубая оценка дает: реакция становится термодинамически возможной при температуре 50С и выше (здесь тоже еще надо найти нужный катализатор). В отличие от теплового двигателя, здесь не надо экономить на теплоизоляции. Правда, аккумулятор на использовании последней реакции, тоже вряд ли построишь (уж больно температура кусается).
В заключении, хотелось бы сказать, что по окончании эры органических ископаемых (а она уже не за горами), все эти рассуждения и подсчеты никому не будут интересны. Первичные источники энергии надо будет искать, либо в ядерной энергии, либо в фотосинтезе (и это однозначно будет не метан). Мне лично по душе последнее. Залил в бак сиропу или на худой конец денатурату этилового, добыл из него водород, который после пропустил через ТЭ и поехал. Вот такая fuelcell-энергетика.
P.S. carlsten, спасибо за предложение переслать статью из книжки. Буду иметь ввиду.
Спрашивается: известно ли что-нибудь о гальванических элементах источником энергии, в которых есть "настоящие" органические вещества?
