Размышления о портативном устройстве для циклического производства водорода из гидроксида натрия и воды как способе преодоления проблем, связанных с использованием водородных автомобилей

Thread Content

I. Введение. Увидев этот заголовок, люди могут подумать, что автор — сумасшедший: как же гидроксид натрия может служить сырьем для производства водорода вместе с водой? Все, кто учился в средней школе, знают, что только при добавлении металлического натрия в воду происходит быстрая реакция, в результате которой образуются водород и раствор гидроксида натрия, а также возникает пламя. Это связано с тем, что реакция является экзотермической, а натрий легче воды; поэтому добавленный натрий плавает на её поверхности. Тепло, выделяющееся в процессе реакции, достаточно для того, чтобы водород мог гореть в присутствии кислорода, образуя пламя. Вдохновение автора исходит именно отсюда: можно получить натрий путем электролиза гидроксида натрия, а затем получить водород путем реакции натрия с водой — разве это невозможно? Нам просто нужно тщательно подумать о том, как проводить реакцию в условиях отсутствия кислорода и своевременно поглощать выделяющееся тепло, чтобы безопасно получить водород. 27 мая 2019 года официальная газета комитета КПК города Наньян «Наньянский ежедневник» опубликовала на своей первой полосе сообщение о том, что в этом регионе был создан «водородный двигатель». В статье говорилось, что воду, находящуюся в автомобиле, можно использовать для производства водорода в реальном времени; автомобиль может ехать, если в него добавить воду. ”После публикации статьи возникло множество вопросов. Многие специалисты отрасли утверждают, что превращение воды в водород путем единственно возможных способов или с использованием таинственных катализаторов противоречит закону сохранения энергии. В связи с различными комментариями в СМИ я погрузился в глубокие размышления: почему нельзя превратить проект «Автомобили на водороде из Наньяна» из невозможного в возможное? Чтобы достичь этой цели, необходимо решить две ключевые проблемы: во-первых, как получить водород по низкой стоимости? Во-вторых, как безопасно использовать водород? Первый из этих вопросов — ключевой ключ. В процессе реакции натрия с водой не требуется никакой дополнительной энергии или катализатора — достаточно просто наличия натрия и воды. Какое ещё вещество может реагировать с водой так быстро? Если удастся получить водород при безопасных условиях путем контроля реакции воды и натрия, разве это не типичный автомобиль на водороде, который может работать просто за счёт добавления воды? Можно даже представить, что если использовать реакцию натрия с водой для получения водорода в гражданских целях, подобно тому, как природный газ попадает в дома миллионов людей, это внесет значительный вклад в сокращение углеродных выбросов во всем мире. К тому же щелочная вода, получаемая в процессе производства, используется для мытья посуды, поэтому не нужно покупать специальные средства для чистки. Какое это преимущество для охраны окружающей среды! В этот момент я вспомнил слова господина Юнь Цзянь: когда то, что вы делаете, считается приемлемым большинством людей, вам следует задуматься, стоит ли продолжать это делать, ведь большинство уже знает об этом, и остается ли в этом ещё какая-то ценность, достойная размышления. Когда то, что вы делаете, не одобряют большинство людей, но у вас есть уверенность, это стоит сделать. Как только вы добьётесь успеха, это будет значительным прорывом. II. Как безопасно использовать водород, полученный из гидроксида натрия и воды, в качестве источника энергии? По сути, процесс получения водорода из гидроксида натрия и воды представляет собой реакцию натрия с водой. И натрий, и водород относятся к опасным химическим веществам, поэтому их использование подлежит строгому контролю и регулированию. Основной проблемой при использовании натрия и воды для производства водорода является проблема обеспечения социальной безопасности. Уже сейчас существует множество рисков, связанных с использованием водорода в баллонах. Распространение использования натрия и воды для производства водорода также приведет к возникновению проблем безопасности. Необходимо тщательно продумать способы их предотвращения. (I) Вопросы безопасности использования оборудования 1. Получение водорода в качестве источника энергии путем реакции гидроксида натрия с водой по сути представляет собой реакцию натрия с водой. Используемый металл натрий, а также водород являются легковоспламеняющимися опасными веществами. Оборудование должно быть защищено так же надежно, как «черный ящик» самолета; при любом происшествии необходимо предотвратить серьезные повреждения этих элементов оборудования. Даже если автомобиль упадет в воду, вода не сможет проникнуть внутрь и вступить в реакцию с большим количеством натрия. 2. Точный контроль давления водорода, скорости продвижения натриевых нитей и объема подачи воды является основой для стабильной работы оборудования на водородном топливе; необходимо обеспечить интеллектуальный контроль. 3. Если водород используется непосредственно в качестве источника энергии, температура его сгорания будет выше, чем при сгорании минерального топлива. Это предъявляет более строгие требования к материалам, из которых изготавливаются устройства, использующие водород; к материалам для таких устройств необходимо применять очень строгие стандарты. 4. Создать надежную систему самоблокировки: в случае возникновения чрезвычайных ситуаций в процессе эксплуатации оборудования она должна автоматически блокировать реакционный резервуар и устройство для подачи металлического натрия, обеспечивая тем самым изоляцию натрия от веществ, способных с ним вступать в реакцию. 5. Для генераторов водорода и натриевых двигателей, а также соответствующих комплектующих необходимо устанавливать сроки службы, аналогичные тем, что применяются к деталям самолетов; по истечении этих сроков их необходимо заменить. (II) Проблемы общественной безопасности. Натрий является **контролируемым опасным химическим веществом. Если использование реакции натрия с водой для производства водорода станет распространенным явлением, это приведет к тому, что по всей территории будут находиться «бомбы». Это серьезная проблема общественной безопасности. Однако получение водорода в качестве источника энергии с использованием гидроксида натрия и воды представляет собой явно эффективный способ получения возобновляемой чистой энергии с мгновенными результатами. Для такой страны, как наша, которая является крупным потребителем энергии и в высокой степени зависит от международного рынка энергии, это может изменить структуру энергетической стратегии, снизить зависимость от международного нефтяного рынка и позволить лучше контролировать собственную энергетическую политику. Пока это технически и экономически возможно, отказ от этого равносилен тому, чтобы держать в руках золотую чашу и просить милостыню. Когда возникает противоречие между новыми источниками энергии и социальной безопасностью, для его решения требуется та же смелость, которая была необходима при строительстве атомных электростанций. В связи с этим я выдвигаю следующие свои мнения: 1. Изменение взглядов. Использование водородной энергии может изменить структуру источников энергии и экологическую среду человечества. Поэтому каждый должен заботиться о ней и ценить её, чтобы использование водородной энергии было тесно связано с жизнью каждого человека. Для этого необходимо сформировать новые моральные принципы и общественный порядок, чтобы безопасное и рациональное использование водородной энергии стало общепринятым принципом во всем обществе. Ведь кухонный нож можно использовать для убийства людей, но это же не повод запрещать его использование? Автомобили могут сбивать людей, но разве из-за этого следует запретить их использование? Вещи, имеющие двойственную природу, могут способствовать здоровому развитию и прогрессу общества, если направлять людей на их положительное использование и предотвращать негативные действия. 2. Изменения в управлении. Проблемы безопасности в конечном счёте являются проблемами управления; при наличии адекватных мер управления их можно эффективно решить. Если использование реакции натрия с водой для получения водорода сможет быть применено на практике, это станет чем-то новым. Чтобы такое новшество было признано всеми, необходимо время. В течение этого времени не только должно повыситься уровень осведомленности людей, но и **политика должна быть совершенствована или обновлена в связи с появлением этого новшества. Хотя получение водорода путем реакции натрия с водой является лучшим способом широкого использования водородной энергии, у этого метода есть и свои недостатки. Нельзя же из-за одного недостатка отказываться от всех преимуществ. Следовательно, чтобы эта идея могла принести пользу обществу, прежде всего необходимо создать условия для **безопасного управления; в противном случае придётся продолжать просить милостыню, даже имея «золотую чашу». 3. Правовая целостность. В настоящее время у соответствующих **ведомств существуют довольно строгие законы и правила, касающиеся опасных химических веществ, которые могут угрожать общественной безопасности. Таким образом, использование натрия и воды для производства водорода также может быть подчинено правовому регулированию. Те, кто использует такое оборудование ненадлежащим образом, должны подвергаться уголовному наказанию, чтобы они соблюдали правила безопасности. В противном случае они будут наказаны по закону, что поможет им не нарушать законодательные нормы. 4. Техническое совершенствование. Мы уже в эпоху 5G, и с технической точки зрения отслеживать состояние и режим работы каждого резервуара для хранения натрия не должно представлять проблем. У входа в каждый резервуар для хранения натрия в реакторе установлены электронные двери, которые могут открыть только специалисты, ответственные за обработку натрия. У всех людей, занимающихся производством и использованием этого оборудования, есть разрешение на его использование. Только лица, имеющие такое разрешение, могут перемещать и использовать генераторы водорода. Использованные реакторы можно пополнить только на специальных станциях по подаче натрия, и это возможно сделать. Необходимо создать сеть общественной безопасности, которая позволит мгновенно передавать информацию в систему наблюдения за общественной безопасностью в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, таких как кража автомобиля или дорожно-транспортное происшествие. Это способствует привлечению внимания соответствующих органов и предотвращению злонамеренных действий со стороны людей. 5. Гарантии на оборудование. Хотя натрий и является опасным веществом, он безопасен, если не вступает в контакт с водой и другими веществами, способными вызвать реакцию. Следовательно, при условии предотвращения контакта натрия с этими веществами его можно безопасно использовать. Для этого необходимо принимать соответствующие меры на всех этапах производства, хранения и использования оборудования, чтобы создать основу для безопасного применения натрия. III. Текущие препятствия в использовании автомобилей на водородном топливе. У водородного топлива есть уникальные преимущества, что признано во всем мире и высоко ценится. С любой точки зрения оно обладает преимуществами для устойчивого развития. Автомобили с водородным двигателем или электромобили на водородных топливных элементах представляют собой быстро развивающуюся новую отрасль промышленности во всем мире. Очевидно, что использование водорода в качестве источника энергии позволяет избежать выбросов вредных газов, снизить загрязнение окружающей среды и предотвратить ухудшение экологического состояния. Однако на текущем этапе использование автомобилей на водородном топливе сопряжено с рядом недостатков в таких областях, как производство водорода, его транспортировка, хранение и заправка автомобилей. Основные проблемы заключаются в следующем: 1) ограничения при хранении водорода. Водород является самым легким газом; в настоящее время для его хранения используются специальные баллоны. Чтобы хранить больше водорода, невозможно делать баллоны слишком большими. Поэтому приходится повышать давление внутри баллонов, что увеличивает сложность и стоимость их производства, а также повышает риск, связанный с хранением водорода. 2. Проблема водородных станций заключается в том, что объем водорода, который может храниться в резервуарах, ограничен. Когда водород заканчивается, нельзя просто выбросить резервуар, как бутылку с минеральной водой, и купить новый резервуар с водородом. Необходимо размещать водородные станции в соответствии с определенной логикой, однако их нельзя строить в любом месте. Особенно в городах с высокой плотностью населения существуют серьезные ограничения, к тому же инвестиции в их строительство оказываются чрезмерно высокими. 3. Проблема автономности: насколько далеко может проехать автомобиль на водородном топливе, зависит от продолжительности подачи водорода. При этом емкость резервуаров для хранения водорода ограничена, что сказывается на запасе пробега автомобилей на водородном топливе. 4. Проблема безопасности: как резервуары для хранения водорода под высоким давлением, так и станции его заправки представляют собой своего рода «бомбы», спрятанные в тишине. В случае аварии последствия могут быть невообразимыми. 5. Проблема высокой стоимости водорода: в настоящее время затраты на производство, транспортировку, хранение и использование водорода остаются высокими, а возможности для снижения этих затрат крайне ограничены. Это препятствует распространению автомобилей на водородном топливе и сдерживает их популяризацию. Упомянутые проблемы-барьеры существуют с момента появления автомобилей на водородном топливе и до сих пор не были решены коренным образом. IV. Как безопасно получить водород путем реакции металлического натрия с водой. Подобно ядерной энергии, получение водорода в результате реакции натрия с водой представляет собой сложный процесс; его можно использовать только после того, как его удастся «укротить». Реакция натрия с водой для получения водорода — это самый простой и быстрый способ. Однако поскольку реакция натрия с водой является интенсивной экзотермической реакцией, выделяемое тепло может вызвать горение и взрыв водорода в присутствии кислорода, что вызывает у людей чувство страха. Возможно, кто-то спросит: разве такое использование реакции натрия с водой не очень опасно? Я хотел бы спросить вас в ответ: разве природный газ тоже не является легковоспламеняющимся и взрывоопасным? Разве не существуют те же проблемы с безопасностью? Разве оно не попало в тысячи домов? Разве сейчас не используется при движении транспорта природный газ? Поэтому для получения водорода путем реакции металлического натрия с водой сначала необходимо преодолеть страх, а затем — найти способ контроля над этой реакцией. Также важно определить, как обеспечить безопасность при хранении десятков килограммов натрия в автомобиле. Чтобы безопасно получить водород путем реакции металлического натрия с водой, можно воспользоваться одним из трех способов: 1. Поскольку натрий легче воды, его не следует добавлять на поверхность воды. Его можно поместить на дно водоема, где он будет реагировать с водой. Водород, образующийся в результате этой реакции, будет выходить из-под воды. Таким образом удается избежать реакции натрия с водой в присутствии кислорода. В то же время количество натрия, необходимого для реакции, ограничено, и его поступление поддерживается на постоянном уровне, что позволяет эффективно контролировать интенсивность реакции. 2. Поскольку реакция натрия с водой является экзотермической, необходимо контролировать температуру в процессе реакции. Самый эффективный способ — это отвод тепла и его использование. Поскольку вокруг всё покрыто водой, которая является отличным охлаждающим средством, тепло, выделяющееся в процессе реакции, может быть поглощено раствором гидроксида натрия. Если этого недостаточно, раствор гидроксида натрия можно извлечь из реакционной емкости и использовать для циркуляции в радиаторе. Поток воздуха, образующийся при высокой скорости движения автомобиля, также может служить отличным средством для циркуляционного охлаждения. 3. При реакции натрия с водой, помимо выделения водорода, образуется также полезная жидкость — гидроксид натрия. Контролируя количество воды, подаваемой в процесс реакции, можно добиться того, чтобы гидроксид натрия находился в состоянии насыщенной жидкости при определенной температуре. Такую жидкость можно собирать и использовать заново. Кроме того, собранный раствор гидроксида натрия может использоваться в качестве охлаждающей среды для отвода тепла из реактора. V. Как получить металлический натрий по низкой цене? Если проблема безопасности при реакции металлического натрия с водой для получения водорода будет решена, возникнет вопрос: металлический натрий является драгоценным металлом, разве его использование не будет сопряжено с высокими затратами? На данный момент натрий в виде металла считается драгоценным металлом. Стоимость водорода, получаемого в результате реакции килограмма натрия с водой, может оказаться неприемлемо высокой по сравнению со стоимостью бензина. Но и вода, и натрий являются неисчерпаемыми ресурсами; огромные моря — это величайшие сокровищницы. Итак, какова стоимость производства натрия с использованием гидроксида натрия в качестве сырья? Давайте сначала рассмотрим реакцию натрия с водой: 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Q. Из этого уравнения легко можно вычислить, что при реакции 23 кг натрия с водой может образоваться примерно 1 кг водорода и 40 кг гидроксида натрия. Раствор гидроксида натрия концентрацией 50% можно получить, разбавив 40 кг воды. Британская компания Riversimple разработала автомобиль на водородном топливе. Этот автомобиль под названием Rasa может преодолеть расстояние в 300 миль (около 482 км) при использовании 1,5 кг водорода. На килограмм водорода уходит примерно 321 километр пути. Если цена на натрий составляет 100 юаней/кг, то стоимость производства одного килограмма водорода составляет 2300 юаней. Стоимость эксплуатации такой машины составляет 7,1 юаня/км, что явно неприемлемо. Если снизить цену на натрий до уровня менее 8 юаней/кг, стоимость использования натрия для производства килограмма водорода составит 184 юаня. В таком случае себестоимость эксплуатации этой машины будет составлять 0,57 юаня/км, что является приемлемой ценой для большинства людей. Отсюда видно, что ключевыми моментами при производстве водорода с использованием натрия являются безопасность процесса и стоимость натрия. Возможно ли снизить стоимость натрия? Это должно быть возможно следующими способами. 1. Считать производство водорода на основе гидроксида натрия и воды важной стратегией развития энергетики. Редкость делает вещь ценной. Если действительно уделять внимание этой проблеме и поддерживать производство водорода из гидроксида натрия и воды как стратегического источника новой энергии, перенаправляя средства и политику на строительство нефтеперерабатывающих заводов, меры по снижению выбросов углерода и загрязнения, а также на создание станций для хранения водорода, то можно будет снизить затраты на его использование. Для этого необходимо разработать политику, направленную на оптимизацию налогов и снижение расходов. 2. Получение натрия металла из дешевых сырьевых материалов и его циклическое использование. Разработать оборудование для производства натрия с использованием гидроксида натрия, а затем получать водород путем реакции натрия с водой — ведь это гораздо проще, чем строить контейнеры для хранения водорода под высоким давлением и заправочные станции Таким образом можно производить водород в качестве топлива для автомобилей или для генерации электроэнергии с помощью водородных топливных элементов. Жидкость гидроксида натрия, образующаяся в процессе эксплуатации, можно снова перерабатывать для получения натрия. Разве это не означает использование гидроксида натрия в качестве сырья? Низкая стоимость — это само собой разумеющееся. 3. Составить план циклического использования раствора гидроксида натрия. Если поместить стержни натрия в контейнер, позволяющий сжимать их в нити, и пополнять запасы по мере их истощения, как это делается при заправке автомобиля, то хранение 23 кг стержней натрия в герметичном контейнере будет гораздо проще, чем использование баллонов для хранения водорода под высоким давлением. Кроме того, пополнение запасов стержней натрия также проще, чем подача водорода под высоким давлением и строительство станций для его хранения. Раствор гидроксида натрия, образующийся в процессе движения автомобиля, собирается в другом резервуаре. На пунктах обслуживания пополняются стержни натрия и вода; затем раствор гидроксида натрия сбрасывается в специальные резервуары на пунктах обслуживания, а оттуда отправляется в специализированные заводы для перекристаллизации гидроксида натрия и электролитического восстановления натрия. Это позволяет сократить затраты на сырье, а значит, и стоимость переработки натрия также снижается. Подумайте: что проще — перевозить в машине 23 килограмма натрия или килограмм водорода? VI. Существует множество причин для выбора гидроксида натрия в качестве сырья. Но почему именно гидроксид натрия, среди всех веществ, содержащих натрий? Разве сейчас для производства натрия не принято использовать хлорид натрия? Наша цель — производить возобновляемое чистое топливо. Причины выбора гидроксида натрия следующие: 1) в гидроксиде натрия доля натрия высока, она составляет примерно пятьдесят восемь процентов. 2. При реакции натрия с водой, помимо водорода, образуется гидроксид натрия, что позволяет осуществлять его циклическое использование. 3. Ресурсы гидроксида натрия обильны, а цена на него довольно низкая. 4. При взаимодействии натрия с водой образуется водород. Для этой реакции не требуется внешнее источник энергии, к тому же реакция происходит быстро, что позволяет своевременно получать водород. 5. При реакции натрия с водой образуется водород; не требуется добавление каких-либо присадок или катализаторов. Помимо водорода и гидроксида натрия, других веществ не образуется. Гидроксид натрия, который получается, является чистым. 6. При электролизе гидроксида натрия температура расплавленного гидроксида натрия также остается относительно низкой, что позволяет снизить энергопотребление. 7. При электролизе гидроксида натрия образуются только натрий, кислород и вода; не образуется никаких вредных газов или отходов, способных загрязнить окружающую среду. VII. Преимущества циклического производства водорода с использованием гидроксида натрия в качестве сырья. При реакции натрия с водой образуется водород, а также раствор гидроксида натрия. Путем перекристаллизации и электролиза этого раствора можно снова получить натрий. Весь процесс производства хорошо отработан, технических сложностей нет; достаточно лишь правильно настроить оборудование, и всё будет работать. Уравнение электролиза гидроксида натрия выглядит следующим образом: 4NaOH == 4Na + 2H2O + O2↑. Из этого уравнения можно вычислить, что для получения одного килограмма натрия необходимо 1,74 килограмма гидроксида натрия. Для производства одного килограмма водорода требуется 23 килограмма натрия, а также 40 килограммов гидроксида натрия. Для реакции 23 кг натрия с водой требуется 18 кг воды. Стоимость натрия гидроксида составляет 4 юаня/кг, а стоимость воды можно считать незначительной. Есть также затраты на электроэнергию, необходимую для процесса электролиза. Согласно имеющейся информации, для электролиза одного килограмма натрия требуется 3,45 кВт·ч/кг (страница 45 книги «Металл натрий»), а также 7800–8000 кВт·ч/т. В следующих расчетах используются значения 3,45 кВт·ч/кг и 8000 кВт·ч/т соответственно. В качестве примера можно взять автомобиль от британской компании Riversimple под названием Rasa. Расчет стоимости использования гидроксида натрия приведен в таблице ниже. В таблице указаны затраты на начальный этап эксплуатации при использовании 1 кг водорода.

| Параметр | Цена за единицу | Количество, необходимое | Сумма |
| --- | --- | --- | --- |
| Количество натрия, кг | | 23 | |
| Количество щелочи, кг | 4 | 1,735 | 40 × 1,735 = 160 |
| Количество воды, кг | 0,0025 | 0,78 | 0,0025 × 0,78 = 0,045 |
| Стоимость обработки натрия 1, юаней/кг | 23 | 115 | |
| Стоимость обработки натрия 2, юаней/кг | 8 | 23 | 184 |
| Общая стоимость 1, юаней | 275,05 | | |
| Общая стоимость 2, юаней | | | 344,05 |
| Общее расстояние, км | | | 321 |
| Стоимость на 1 км пути 1, юаней/км | 0,86 | | |
| Стоимость на 1 км пути 2, юаней/км | | | 1,07 |

Примечания:
1. Общая стоимость 1 равна сумме показателей 2 + 3 + 4; общая стоимость 2 — сумме показателей 2 + 3 + 5.
2. Стоимость обработки натрия 1 рассчитывается исходя из потребления энергии в размере 3,45 кВт·ч/кг; стоимость обработки натрия 2 — 8 кВт·ч/кг (расход воды не учитывается).

Из таблицы видно, что стоимость эксплуатации на 1 км превышает стоимость использования бензина. Не видно никаких преимуществ использования гидроксида натрия в качестве сырья. (II) Расчет затрат на эксплуатацию в циклическом режиме не предполагает полного исчерпания ресурсов. Гидроксид натрия, образующийся в процессе реакции, может быть повторно использован. Если перерабатывать полученный гидроксид натрия, это позволяет существенно снизить затраты на сырье. При электролизе 23 кг натрия получаются следующие результаты. Для расчета затрат на эксплуатацию в циклическом режиме с использованием 1 кг водорода используются следующие данные:

| Статус эксплуатации | Циклический режим | № | Параметр | Цена за единицу | Количество, ед. | Сумма, руб. |
|-------------------|-------------------|---|----------|------------------|-----------------|------------|
| 1. Количество натрия, используемого (кг) | | 23 | | | | |
| 2. Количество щелочи, используемой (кг) | | 4 | 1,735 | 0 | 0 | 0 |
| 3. Количество воды, используемой (кг) | | 0,0025 | 0,78 | 18 | 0,045 | |
| 4. Стоимость переработки натрия 1 (руб./кг) | | 23 | 115 | | | |
| 5. Стоимость переработки натрия 2 (руб./кг) | | 8 | 23 | 184 | | |
| 6. Общая стоимость 1 (руб.) | | | | 115 | | |
| 7. Общая стоимость 2 (руб.) | | | | 184 | | |
| 8. Общее расстояние, пройденное (км) | | | | | 321 | |
| 9. Стоимость на единицу расстояния 1 (руб./км) | | | | 0,36 | | |
| 10. Стоимость на единицу расстояния 2 (руб./км) | | | | 0,57 | |

Примечание: 1. Общая стоимость 1 равна сумме показателей 2+3+3. Общая стоимость 2 равна сумме показателей 2+3+4. 2. Стоимость обработки натрия 1 рассчитывается исходя из расхода электроэнергии в размере 3,45 кВт·ч/кг, а стоимость обработки натрия 2 — 8 кВт·ч/кг (расходы на воду не учитываются). Как видно из приведенной выше таблицы, при циклической работе стоимость одного километра пути с использованием оборудования для циклизации составляет от 0,36 до 0,57 юаней/км, что является приемлемой суммой для владельцев автомобилей. Из этого видно, что использование гидроксида натрия в циклическом режиме обеспечивает значительные экономические преимущества. Исходя из расхода электроэнергии на переработку натрия в размере 3,45 кВт·ч/кг и 8 кВт·ч/кг, стоимость электроэнергии составляет соответственно 2,31 юаня/кг и 5,36 юаней/кг. Плюс затраты на рекристаллизацию гидроксида натрия и другие управленческие расходы — в результате себестоимость продукции составляет 5–8 юаней/кг. Таким образом, предприятия по переработке натрия также могут получать прибыль. Поэтому получение водорода в качестве источника энергии с использованием гидроксида натрия и воды не только технически осуществимо, но и экономически целесообразно. Монтирование в автомобили оборудования для безопасного получения водорода путем реакции натрия с водой, а также его использование в бытовых и других энергетических устройствах, открывает новый источник энергии. Это способствует снижению проблемы все более ограниченных мировых запасов энергии. Для автомобилей на водородном топливе это создает благоприятные перспективы. Кроме того, это создает условия для сокращения выбросов углерода, предотвращения загрязнения окружающей среды и улучшения ее состояния. Гидроксид натрия можно получить из неисчерпаемых запасов хлорида натрия в море, и его массовое использование не окажет негативного воздействия на экологическую среду человека. Из вышеизложенных расчетов видно, что циклическое производство водорода с использованием гидроксида натрия и воды является экономически целесообразным. Секрет заключается в том, что в процессе использования гидроксид натрия не содержит никаких примесей, а циклическая переработка позволяет избежать первоначальных затрат на него, тем самым снижая стоимость натрия. Если принять соответствующие меры, то обязательно удастся снизить стоимость натрия. Тогда процесс взаимодействия натрия с водой для получения водорода станет доступным для всех, и люди смогут себе его позволить. Разве это не принесет пользу народу? Разве дело, полезное для страны и народа, не найдёт одобрения у общественности? Разве не стоит активно способствовать его продвижению с помощью ** поддержки? VIII. Как обеспечить безопасное использование натрия? Натрий — это металл, имеющий мягкую структуру. Его плотность меньше плотности воды и составляет 0,97 г/см³. Температура плавления натрия — 97,81°C, а температура кипения — 882,9°C. Химически довольно активен: при комнатной температуре и при нагревании вступает в реакцию с кислородом, а также интенсивно реагирует с водой. При взаимодействии большого количества натрия с достаточным количеством воды может произойти взрыв. Натрий также может гореть в углекислом газе, реагировать с низкомолекулярными спиртами с образованием водорода, а также реагировать с жидким аммиаком с очень слабой ионизационной способностью. Из-за пота на коже рук при контакте с металлическим натрием происходит сильная химическая реакция, которая приводит к поглощению влаги и выделению тепла, что вызывает ожоги. Образующийся гидроксид натрия обладает сильной коррозионной способностью и может вызвать ожоги глаз и кожи. Небольшие количества натрия хранятся в герметичных упаковках, погруженные в жидкий парафин, минеральное масло и бензолоподобные вещества. Большие объемы натрия обычно хранятся в железных бочках, заполненных аргоном, в герметичных условиях. Для получения водорода путем реакции натрия с водой не следует сразу бросать необходимое количество натрия в воду — это, конечно, не сработает. Вместо этого используется гибкость натрия: крупные штрихи натрия под действием внешней силы превращаются в нити. Эти нити реагируют с водой на дне реакционной камеры. Нити натрия функционируют как электроды для сварки: они постепенно проникают вглубь, что позволяет эффективно контролировать процесс реакции. Для реализации процесса получения водорода путем реакции натрия с водой необходимо установить на транспортном средстве устройство для прессования стержней натрия и герметичный реактор. Это устройство позволяет превращать куски натрия в нити, которые затем реагируют с водой. Стержни натрия могут храниться в сменных контейнерах. В процессе работы натрий прессуется в нити, которые реагируют с водой; полученный водород используется в качестве топлива. Образующаяся гидроксид натрия собирается в отдельном контейнере. После проезда определенного расстояния и исчерпания содержимого стержней из натрия, на сервисной станции пустые контейнеры с такими стержнями заполняются натрием и водой. В то же время раствор гидроксида натрия сливается в специальные резервуары на сервисной станции. Затем раствор гидроксида натрия отправляется в специализированные заводы по переработке, где происходит его кристаллизация с образованием твердого гидроксида натрия. После этого с помощью процесса плавления и электролиза получается жидкий металлический натрий, который затем заливается в формы для получения твердых стержней из натрия. Готовые стержни натрия упаковываются в специальные пластиковые трубки, концы которых закрываются. Затем их оборачивают пластиковым пакетом, после чего проводится вакуумирование для герметизации. После этого стержни помещаются в железный бочонок и отправляются на сервисную станцию для использования в автомобилях. Это ведь проще и безопаснее, чем транспортировка водорода, не так ли? IX. Размеры и время работы стержней натрия
Характеристики стержней натрия определяются с учетом основных требований к запасу пробега автомобиля. У автомобилей с низким расходом газа диаметр стержней натрия меньше, а у автомобилей с высоким расходом газа — больше. В одном реакторе на водород можно разместить от четырех до пяти стержней натрия. Это позволяет обеспечить возможность использования последнего стержня натрия до тех пор, пока автомобиль не доберется до ближайшей точки обслуживания для замены стержня. Гидроген, производимый остальными тремя (четырьмя) стержнями натрия, позволяет автомобилю проехать расстояние, эквивалентное расстоянию, которое можно пройти на одной заправке топлива. Конкретные данные приведены в таблице ниже: Таблица 1. Характеристики стержней из натрия. Количество газа, потребляемого в час (м³/ч): 1 м³, 2 м³, 3 м³, 4 м³. Количество натрия, необходимое для реакции (г): 2054, 4107, 6161, 8214. Плотность натрия (г/см³): 0,97, 0,97, 0,97, 0,97. Объем натрия (см³): 2117, 4234, 6351, 8468. Скорость расхода массы натрия (г/с): 0,57, 1,14, 1,71, 2,28. Скорость расхода объема натрия (см³/с): 0,59, 1,18, 1,76, 2,35. Диаметр стержня из натрия (мм): 10,00, 13,00, 15,00, 18,00. Скорость движения стержня из натрия (мм/с): 7,52, 8,90, 9,95, 9,24. Длина стержня из натрия (см): 65, 65, 65, 65. Диаметр стержня из натрия (см): 15,5, 15,5, 18,0, 18,0. Объем стержня из натрия (см³): 12259, 12259, 16532, 16532. Вес стержня из натрия (г): 11891, 11891, 16036, 16036. Время использования одного стержня из натрия (ч): 5,6, 2,8, 2,5, 1,9. Количество стержней из натрия: 4, 4, 5, 5. Общий вес стержней из натрия (кг): 47,56, 47,56, 80,18, 80,18. Время использования стержней из натрия (ч): 29, 14, 13, 10. Количество произведенного гидроксида натрия (кг): 83, 83, 139, 139. Количество воды, необходимое для реакции (кг): 37,2, 37,2, 62,8, 62,8. Концентрация гидроксида натрия в жидкости (%) : 0,5, 0,5, 0,5, 0,5. Количество воды, необходимое для разбавления (кг): 82,7, 82,7, 139,4, 139,4. Плотность жидкого гидроксида натрия при температуре 50°C (г/см³): 1,5, 1,5, 1,5, 1,5. Объем раствора гидроксида натрия (л): 124,1, 124,1, 209,2, 209,2. Объем резервуара для хранения воды, необходимой для реакции (л): 119,9, 119,9, 202,2, 202,2. Из приведенной выше таблицы видно, что время использования одного стержня из натрия зависит от количества газа, потребляемого в процессе реакции. Возьмем снова в пример эту британскую машину. При стандартных условиях 1 кг водорода занимает объем 11,2 м³. Исходя из этого, расход водорода на километр составляет 0,035 м³/км. Если двигаться со скоростью 120 км/ч, то расход водорода будет равен 4,19 м³/ч. Для его производства потребуется 8,605 кг натрия. Если использовать реактор с 4 контейнерами для хранения натрия размером 650*155, то после использования 3 стержней натрия общим весом 35,673 кг можно будет ехать около 4,15 часов. Если же использовать реактор с 5 контейнерами размером 650*180, то после использования 4 стержней натрия такого же размера можно будет ехать около 7,5 часов. X. Преимущества и трудности получения водорода из гидроксида натрия и воды (I) Существующие преимущества Из вышеизложенного и данных из таблиц с расчетами видно, что при правильном контроле процесса реакции натрия с водой и снижении затрат на металлический натрий, получение водорода из гидроксида натрия и воды является вполне осуществимым. К тому же у него большие преимущества. 1. Получение водорода с использованием гидроксида натрия и воды — это лучший способ применения возобновляемых источников энергии, при этом можно добиться мгновенных результатов. Все остальные методы получения водорода предполагают использование других веществ; при их использовании может возникнуть ситуация, когда одно достигается за счёт потери другого, что приводит к чрезмерным затратам. 2. С помощью дешевого гидроксида натрия и воды в качестве сырья можно циклически производить водород, что позволяет постоянно получать энергию от водорода. Благодаря этому автомобили на водородном топливе могут ездить на большие расстояния без проблем, а время автономной езды не вызывает опасений. Источник питания для рекуперации натрия с циклической работой получает энергию из собственного производства, не нуждается в внешних источниках энергии и позволяет минимизировать затраты. 3. Для транспортных средств, не работающих в циклическом режиме, замена резервуара для хранения натрия также происходит довольно легко — как и при замене баллона с сжиженным газом. Это экономит время и удобно, к тому же продолжительность работы остается на уровне, требуемом по спецификациям. Восстановление полученного гидроксида натрия для дальнейшей переработки в стержни натрия также позволяет значительно снизить затраты. 4. Водород, получаемый в результате реакции натрия с водой, не требует добавления каких-либо других веществ или катализаторов в процессе реакции. Независимо от того, используется ли он в водородных топливных элементах или в двигателях внутреннего сгорания, он не вызывает образования таких отходов, как углекислый газ, что способствует защите окружающей среды. 5. Стружка натрия погружается на дно реакционной камеры, где вступает в реакцию с водой. Вода находится сверху и изолирует от воздуха, поэтому натрий не может плавать на поверхности воды во время реакции. Перед началом использования реактора можно выветрить воздух из камеры с помощью инертного газа, чтобы предотвратить возгорание образующегося водорода в присутствии кислорода, что обеспечивает безопасность. 6. Водород, образующийся в результате реакции натрия с водой, может использоваться непосредственно. Для его использования требуется давление всего 0,1–0,3 МПа; не нужны специальные резервуары для хранения высокодавленного водорода. Водород можно напрямую подавать из реакционной емкости в топливные элементы на водороде или в двигатели автомобилей, работающих на водороде. Это делает процесс использования более безопасным. 7. Водород, получаемый в результате реакции натрия с водой, может использоваться сразу после производства; не требуется строительство специальных станций по его производству. Заводы по переработке стержней натрия могут располагаться в местах, удаленных от населенных пунктов, что облегчает обеспечение безопасности. Кроме того, объем инвестиций в такие заводы меньше, чем при строительстве станций по производству водорода. Существенно снижено социальное риско, сэкономлены огромные инвестиции. 8. Реакция натрия с водой для получения водорода легко контролируется: достаточно правильно регулировать скорость продвижения натриевых стержней, чтобы эффективно контролировать количество получаемого водорода. 9. Оборудование для производства водорода с использованием натрия и воды в циклическом режиме особенно подходит для обеспечения энергией устройств, работающих под водой, поскольку кислород, необходимый для сгорания водорода, можно получить путем электролиза натрия, что исключает необходимость в отдельных баках для хранения кислорода. 10. При реакции натрия с водой для получения водорода не требуется никаких катализаторов и добавок, что позволяет существенно сэкономить драгоценные металлы, такие как платина и никель, которые используются для производства катализаторов и добавок, а также значительно сократить расход стратегических ресурсов. 11. Водород, образующийся в результате реакции натрия с водой, может служить топливом для водородных топливных элементов. Его можно использовать не только в автомобилях, но и в качестве источника энергии в системах, не связанных с электросетями. Также его можно применять в быту вместо существующего сжиженного газа или природного газа, а также для обеспечения электроэнергией домашних нужд. 12. Водород производится с использованием гидроксида натрия и воды в качестве сырья; это сырье поступает из местных источников, поэтому оно не подвержено колебаниям мировых цен на нефть. Цены также не зависят от состояния мирового рынка, что позволяет сохранять стабильность на рынке. 13. Наша страна является крупным импортером нефти. Использование гидроксида натрия и воды в качестве сырья для производства водорода в значительной степени компенсирует нехватку энергии в нашей стране. Это позволяет снизить зависимость от международного рынка нефти и обеспечить собственную контроль над энергетическими ресурсами. Есть ещё множество очевидных уникальных преимуществ, которые невозможно перечислить все. (II) Технические трудности. Технические сложности, связанные с этой идеей, заключаются в следующем: 1) безопасное использование натрия и водорода. Хотя использование реакции натрия с водой для получения водорода представляет собой более безопасный способ по сравнению с хранением водорода в высокодавленных баллонах или на заправочных станциях, все же существуют проблемы, связанные с безопасным использованием натрия и водорода. Вопрос о том, как обеспечить максимальную безопасность, является приоритетным. 2. Необходимо тщательно обдумать, как установить в ограниченном пространстве автомобиля оборудование для производства водорода, резервуары для хранения реагента и резервуары для хранения раствора гидроксида натрия. 3. Как снизить энергопотребление при восстановлении натрия с помощью оборудования для испарения, перекристаллизации и электролитического извлечения натрия из рециклированного раствора гидроксида натрия? Это ключевая технологическая проблема для снижения стоимости натрия; необходимо стремиться к постоянному совершенствованию. Вышеупомянутые проблемы безопасности являются ключевыми трудностями. Проблема использования реактора на борту транспортного средства не должна представлять сложностей для крупных автомобилей, так как там легко найти место для установки оборудования. Установка оборудования и контейнеров на фургоне может занять некоторое пространство в багажном отсеке. XI. Получение водорода из гидроксида натрия и воды решает какие проблемы, связанные с использованием водорода в автомобилях? 1. Решается проблема высокой стоимости водорода – теперь можно получать его по низкой цене. 2. Решена проблема, связанная с хранением водорода под высоким давлением; теперь не требуются баллоны для хранения газа под высоким давлением. 3. Решена проблема ограничений при транспортировке водорода, не требуется доставлять его на станции заправки водородом. 4. Решена проблема узких мест на станциях водородации: не требуется строить новые станции. Достаточно добавить к существующим автозаправкам возможность замены натриевых стержней, а также установить резервуары для сбора раствора гидроксида натрия. 5. Решена проблема ограниченного запаса хода: после исчерпания натриевых стержней в реакторе их можно в любое время заменить на заправке, как при заправке автомобиля топливом, что обеспечивает возможность длительных поездок. 6. Решена проблема с заправкой водородом: без станций заправки водородом, естественно, исчезают и работники, занимающиеся этим процессом. 7. Это не только устраняет препятствия на пути к использованию автомобилей на водородном топливе, но и способствует их более широкому распространению. Также возможно появление автомобилей на водородном топливе в качестве замены электромобилям, которые требуют зарядки. Это позволит устранить такие недостатки электромобилей, как длительное время зарядки, малая дальность пробега, короткий срок службы аккумуляторов, необходимость в специальных станциях зарядки и большой вес аккумуляторов. XII. Заключение. На основании вышеизложенных рассуждений и данных становится ясно, что использование гидроксида натрия и воды в качестве сырья для циклического производства водорода может стать способом получения водородной энергии. Это поможет преодолеть проблемы, связанные с использованием автомобилей на водородном топливе. Поэтому не следует больше сомневаться в этом подходе. Сталкиваясь с мировой проблемой водородной энергетики, я чувствую себя недостаточно компетентным, а знания в области автомобилестроения у меня ещё более поверхностные. Но когда я увидел, как взорвалась новость о «водородных автомобилях Наньян», общественное мнение, по-видимому, единогласно считало, что это невозможно. Когда автомобили на водородном топливе не могли получить широкое распространение из-за различных препятствий, упускалось из виду простое решение: использование на борту автомобиля реакции натрия с водой для немедленного производства водорода. Вы напуганы интенсивностью и опасностью реакции натрия с водой? Разве вы не видите, что атомная бомба считается во всем мире оружием с наибольшей разрушительной силой и наибольшей опасностью? Но ядерная энергия тоже была подчинена воле человека и используется для блага общества Яблоко падает на землю, и только Ньютон смог понять, что это происходит из-за гравитации Земли. Освещение с использованием электрической энергии — Эдисон также добился успеха только после многочисленных неудач. Все научно-технические достижения человечества обусловлены теми, кто осмеливается думать, пробовать новое, действовать и проявлять настойчивость. Устройство, работающее по принципу циклической обработки: с использованием гидроксида натрия производится металлический натрий; при реакции натрия с водой получается водород; затем полученный гидроксид натрия снова используется для производства натрия. Такой подход не только эффективно решает проблемы, связанные с использованием водорода в качестве источника энергии в автомобилях, но и создает условия для других видов применения водорода. Нельзя отрицать, что на этапе внедрения этой идеи по-прежнему существует множество проблем и трудностей. Эти трудности могут быть связаны с техническими аспектами или с оборудованием, но самая серьезная проблема — это социальная: как обеспечить социальную безопасность при широком использовании натрия. Это сложная социальная задача, и только при уделении ей должного внимания и получении социального одобрения она сможет быть реализована и распространена. В этом и заключается суть проблемы. Я верю, что человеческий ум обязательно сможет решить все эти проблемы и трудности по одной. Хотя я уже подал заявку на патент на эту идею, даже в случае получения патента одному человеку будет трудно её реализовать; она не сможет стать основой для создания промышленного продукта, приносящего пользу обществу. Даже самая лучшая идея остается лишь мечтой, а самый лучший патент — всего лишь бумагой без реальной ценности. Надеемся, что это идея, приносящая пользу стране и народу, получит должное внимание и одобрение общества, и что будут мобилизованы людские, материальные и финансовые ресурсы для её разработки и внедрения в практику в целях блага общества. Мы надеемся, что в ближайшем будущем, когда эта идея станет реальностью и будет широко применяться, это откроет огромные возможности для использования чистой энергии. Тогда людям больше не придется беспокоиться из-за туманов, а также из-за все более ограниченных запасов нефти и газа. В наше время, когда наука развивается с поразительной скоростью, можно предположить, что в ближайшем будущем водород также станет важным стратегическим источником энергии, внесшим значительный вклад в жизнь человечества. Завершено 18 июня 2019 года