František Cudziš: Využitie termolytického rozkladu na zvýšenie účinnosti pri výrobe elektrickej energie v tepelných a jadrových elektrárňach alebo na zúžitkovanie emisií CO2

Vysokotlaká prehriata para prúdi pod tlakom na lopatky parnej turbíny (T) - zvyčajne býva viacstupňová - ktorej hriadeľ sa točí príliš rýchlo nato, aby mohol byť priamo spojený s generátorom (G), z ktorého už odchádza trojfázovým vedením elektrická energia (E). Medzi turbínou a generátorom, pracujúcim pri otáčkach 3000 ot./min., sa teda nachádza prevodovka, ale to je len nepodstatný technický detail proti tomu, že na elektrickú energiu sa premenila len štvrtina energie tepla vloženého do kotla (K). Zvyšné tri štvrtiny energie sa, z principiálnych obmedzení súčasného spôsobu výroby elektrickej energie, nijako nedarí „zušľachtiť“. Označuje sa pojmom nízkopotenciálové teplo, ktoré, ak je možnosť, sa sčasti využíva na vykurovanie domových priestorov a prípravu teplej úžitkovej vody. No najčastejšie sa toto teplo zvykne označovať oveľa prozaickejšie ako odpadové teplo, ktoré treba prosto rozptýliť do okolia. Na to sa používajú chladiace veže (CHV), ktoré zvyknú dominovať elektrárni a dodávajú celému jej komplexu impozantný vzhľad.

Opísaný postup konverzie tepla na elektrickú energiu je pre obidva typy elektrární schematicky znázornený na spoločnom obrázku č.1.

Schéma výroby elektřiny z tepla.
Obrázek: František Cudziš

Tento stav nie je nijako radostný, ale v súčasnosti ho každý odborník akceptuje mysliac si, že ani nemôže existovať žiadna možnosť na zvýšenie účinnosti premeny tepla na elektrickú energiu vyššie uvedeným spôsobom. Prečo? – Pretože existuje objektívny rozdiel v „ušľachtilosti“ rôznych foriem energie a nízkopotenciálové teplo patrí v tomto kastovníckom systéme až na samý spodok!

Elektrotermia a termolýza

Predstava o rôznej „ušľachtilosti“ rôznych foriem energie je scestná. Jeden z dôkazov v prospech uvedeného tvrdenia podáva elektrotermia. Elektrotermia je nová vedná oblasť fyzikálnej chémie, ktorá práve vzniká na pomedzí klasickej termochémie a elektrochémie na základe objavu tzv. termolýzy, konkrétne termolýzy vody.

Termolýza vody je jav, keď k rozkladu kvapalnej vody na plynný vodík a kyslík dôjde nie v dôsledku klasickej elektrolýzy, ale v dôsledku pôsobenia tepla. Tak, ako je elektrochémia vybudovaná na predstave radu elektrochemických napätí a redoxných potenciálov, čo sa skvelo potvrdzuje praktickou funkčnosťou rôznych galvanických článkov, elektrotermia vychádza z experimentálneho zistenia existencie termolýzneho javu, pri ktorom – za náležitých fyzikálno-chemických podmienok – dokáže obyčajné „nízkopotenciálové teplo“ (o teplote 100°C a menej) plnohodnotne nahradiť pôsobenie jednosmerného elektrického prúdu.

Objav termolýzy, experimentálne už preukázaný na termolýze vody, bude zverejnený (po zabezpečení tzv. priemyselných práv) najneskôr do konca roka 2008.

Jedným z prakticky využiteľných dôsledkov termolýzy vody bude radikálne zvýšenie účinnosti konverzie tepla na elektrickú energiu – na 75 % a viac. Tým sa vytvára reálna možnosť trvale navyšovať produkciu elektrickej energie pri existujúcich energetických zdrojoch. Alebo – odstavenie energetického zdroja, napr. z titulu skončenia jeho životnosti, možno kompenzovať nie budovaním náhradných zdrojov ale zvýšením účinnosti v zostávajúcich elektrárňach.

Princíp tohto ambiciózneho zámeru je schematicky znázornený na obr.2.

Schéma výroby elektřiny s využitím termolýzy podle Františka Cudziše.
Obrázek: František Cudziš

Produkcia elektrickej energie prebieha ako v schéme na obr.1., ale s tým rozdielom, že teplo nízkotlakovej vodnej pary vychádzajúcej z turbíny (T) sa neodvádza do chladiacich veží ale do termolyzérov.

Termolyzér je zariadenie na termolýzu vody a zároveň rekuperátor. Tu vodná para o teplote napr. 105°C-110°C skondenzuje a kondenzačné teplo ohreje termolyt (chemický roztok obsahujúci vodu) napr. na 95°C. Táto teplota úplne stačí na dostatočne intenzívny rozklad vody na plynný vodík a kyslík. Vodný kondenzát sa prečerpá naspäť do kotla, aby sa z neho znova stala vysokotlaká para. Teraz už však kondenzát neohrieva ďalšia dávka paliva, ale teplo vodíkovo-kyslíkových horákov, v ktorých sa intenzívne spaľujú produkty termolýzy vody. Takýmto spôsobom bude možné produkciu vysokotlakej pary – a tým i produkciu elektrickej energie – pravdepodobne až strojnásobiť, a to bez navýšenia spotreby základného paliva a bez navýšenia produkcie oxidu uhličitého, čo predstavuje mimoriadny ekonomický i ekologický prínos.

Termolýzny vodík ani kyslík nebude potrebné skladovať v nákladných veľkoobjemových zásobníkoch a ich priebežné spaľovanie bude znižovať riziko mimoriadnej udalosti v elektrárni na úseku tepelného hospodárstva.

Možno teda konštatovať, že elektrotermické objavy majú ten najlepší predpoklad stať sa účinným prostriedkom riešenia problému prichádzajúcej globálnej energetickej nedostatočnosti, ba až krízy, a tiež riešenia problému nadmernej závislosti mnohých európskych krajín na dodávkach ázijského zemného plynu pre energetické účely.

Využitie vznikajúceho oxidu uhličitého ako suroviny pre chemický priemysel

Jeden 100 MW blok tepelnej elektrárne, pracujúci na plný výkon, vyprodukuje za hodinu približne 700 ton spalín, obsahujúcich približne asi 112 ton oxidu uhličitého. Tento plyn predstavuje ekologickú záťaž. Pritom ho možno reakciou s vodíkom zmeniť na oxid uhoľnatý a vodnú paru. Je to predovšetkým problém dostatku lacného vodíka a ten môže riešiť termolýza vody.

Separácia oxidu uhličitého z plynných zmesí je priemyselne veľmi dobre zvládnutá metódou jeho apsorpcie vo vodných roztokoch etanolamínov.

Oxid uhoľnatý je možné využiť v rozsiahlej oblasti petrochémie. Využíva sa pri výrobe kyseliny mravčej a jej esterov, dimetylformamidu, s alkénmi tvorí aldehydy, s acetylénom kyselinu akrylovú, s chlórom fosgén, atď. Pri oxosyntéze vznikajú aldehydy, alkoholy a karboxylové kyseliny. Obrovský význam má v tejto súvislosti metanol. Spoločne s formaldehydom, oxidom uhoľnatým, uhličitým a metánom je predstaviteľom tzv. chémie C1. Metanol patrí medzi produkty chemického priemyslu, vyrábané v najväčších množstvách. Za podmienok syntézy metanolu reaguje s vodíkom nielen oxid uhoľnatý, ale ak je prítomný, aj oxid uhličitý.

Dostatok lacného vodíka z termolýzy vody by teda riešil aj aktuálny problém znižovania emisíí oxidu uhličitého tým, že by ho z pozície ekologickej škodliviny presunul do pozície chemickej suroviny.