Системы и способы обеспечения устойчивого экономического развития путем интегрированной выработки возобновляемой энергии полного спектра

В одном варианте выполнения изобретения предложен способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий: обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии; подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза; избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии, причем первый источник возобновляемой энергии, электролизер или энергоноситель получает дополнительное тепло от первого источника тепла; и первый источник тепла выбран из группы, состоящей из геотермального и солнечного источника тепла. 5 н. и 36 з.п. ф-лы, 26 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет и преимущества предварительной заявки США № 61/304403 с датой подачи 13 февраля 2010 г., озаглавленной "ЭНЕРГИЯ ПОЛНОГО СПЕКТРА И СЫРЬЕВАЯ НЕЗАВИСИМОСТЬ"; патентной заявки США № 12/707651 с датой подачи 17 февраля 2010 г., озаглавленной "ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ"; патентной заявки PCT № PCT/US10/24497 с датой подачи 17 февраля 2010 г., озаглавленной "ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ"; патентной заявки США № 12/707653 с датой подачи 17 февраля 2010 г., озаглавленной "УСТАНОВКА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НУКЛЕАЦИЕЙ В ХОДЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА"; патентной заявки PCT № PCT/US10/24498 с датой подачи 17 февраля 2010 г., озаглавленной "УСТАНОВКА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НУКЛЕАЦИЕЙ В ХОДЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА"; патентной заявки США № 12/707656 с датой подачи 17 февраля 2010 г., озаглавленной "УСТАНОВКА И СПОСОБ УЛАВЛИВАНИЯ ГАЗА В ХОДЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА"; патентной заявки PCT № PCT/ US10/24499 с датой подачи 17 февраля 2010 г., озаглавленной "УСТАНОВКА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НУКЛЕАЦИЕЙ В ХОДЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА"; и предварительной патентной заявки США № 61/237476 с датой подачи 27 августа 2009 г., озаглавленной "ЭЛЕКТРОЛИЗЕР И ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ НЕЗАВИСИМОСТИ". Каждая из вышеуказанных заявок в полном объеме включена в настоящую заявку путем ссылки.

Уровень техники

[0002] Возобновляемые источники для выработки электроэнергии зачастую непостоянны. Солнечная энергия доступна только днем, а потенциальная концентрация дневной солнечной энергии варьируется в зависимости от времени года. Энергия ветра также весьма непостоянна. Уровень осадков варьируется в зависимости от времени года и подвержен влиянию продолжительной засухи. Объем биомассы варьируется в зависимости от времени года и подвержен влиянию засухи. У жилых объектов имеются сильно колеблющиеся требования, включая ежедневные, сезонные и нерегулярные темпы потребления энергии. Энергией, которую можно получить при помощи гидроэлектростанций, ветряных электростанций, преобразования биомассы и гелиоколлекторов, во всем мире пренебрегают или тратят ее впустую из-за отсутствия практичного способа сохранения энергии или электричества до тех пор, пока они не потребуются. Энергетический спрос растущего населения планеты вырос настолько, что спрос на нефть и другие ископаемые ресурсы превышает объемы выработки. Население городов страдает от смога и глобальных изменений климата, вызванных сжиганием ископаемого топлива.

[0003] Кроме того, появился растущий спрос на водород, кислород, углерод, и другие продукты, которые могут быть обеспечены при помощи термохимии или электролитической диссоциации исходного сырья, такого как вода, отходы биомассы или органические кислоты, полученные из биологических отходов. Например, объем мирового рынка водорода составляет более 40 миллионов долларов и включает производство аммиака, перерабатывающие станции, химическое производство и обработку пищевых продуктов.

[0004] Электрохимическое производство топлива, металлов, неметаллов и прочих ценных химических соединений ограничено ввиду дороговизны электроэнергии, низкого КПД электролизеров, высоких эксплуатационных расходов и обременительных требований для осуществления энергоемких процессов, таких как компрессионное перекачивание полученных газов до показателей давления, необходимых для их перекачки, хранения и применения. Известные попытки обеспечения технологий, позволяющих облегчить указанные проблемы, отмечены и включены в настоящее описание и описаны в таких публикациях, как "Производство водорода из воды посредством химических циклов", Эдуардо Д. Гландт и Аллан Л. Майерс, Факультет химических и биохимических технологий, Университет Пенсильвании, Филадельфия, PA 19174; Разработка химических процессов для промышленного машиностроения, том 15, № 1, 1976; "Водород как топливо будущего", Д.П. Грегори, Институт технологии газов; и «Наука и технология адсорбции»: Тезисы Второй конференции стран Тихоокеанского бассейна, посвященной науке и технологии адсорбции; Брисбен, Австралия, 14-18 мая 2000 г., Д. До Дуонг, Дуонг Д. До, докладчик Дуонг Д. До, опубликовано журналом World Scientific, 2000 г.; ISBN 9810242638, 9789810242633.

[0005] Электролизеры, позволяющие смешивать водород с кислородом, представляют потенциальную угрозу самовозгорания или взрыва. Решения, включающие электролизеры низкого и высокого давления, в которых используется разделение газообразующих электродов при помощи дорогих полупроницаемых мембран, не позволяют обеспечить экономически эффективное производство водорода, и подвержены разрушению и выходу из строя вследствие отравления примесями. Даже в случаях, когда используется мембранное разделение, существует потенциальная опасность разрыва мембраны и пожара или взрыва вследствие смешения находящегося под высоким давлением кислорода с водородом.

[0006] В некоторых промышленных электролизерах используются дорогие пористые электроды, между которыми расположена электролитическая протонообменная мембрана (PEM), пропускающая только ионы водорода. (см. Proton Energy Company and the Electrolyzer Company of Canada). Такой подход ограничивает КПД электродов из-за потерь при поляризации, аккумуляции газа и снижения доступной площади электрода для диссоциации воды, достигающей межфазовой границы электродов и PEM-электролита. Помимо ограниченного КПД электродов существуют и другие значительные проблемы, включая разрывы мембран вследствие разности давлений между выходами кислорода и водорода, отравление мембраны из-за наличия примесей в подпитывающей воде, необратимое разрушение мембраны из-за наличия загрязнителей или небольшого перегревания мембраны, разрушение или разрыв мембраны в случае, если мембране позволяют высохнуть в состоянии покоя, а также разрушение электродов на границе мембраны вследствие коррозии из-за наличия одной или нескольких причин, таких как формирование концентрационных элементов, гальванические элементы между катализатором и материалом насыпного электрода, а также контур заземления. Расслоение электрода и PEM-материалов приводит к внутреннему застою реагентов или продуктов реакции, что влечет за собой снижение КПД работы. Электрохимические элементы PEM требуют использования дорогого материала для мембраны, сурфактантов и катализаторов. PEM-элементы легко отравить, перегреть, залить или иссушить, и их использование влечет за собой эксплуатационную опасность, связанную с протеканием или разрывом мембраны.

[0007] Помимо неэффективности проблемы в использовании подобных систем включают паразитные потери, дорогостоящие электроды или катализаторы и мембраны, низкий КПД преобразования энергии, дорогое техобслуживание и высокую стоимость эксплуатации. Для нагнетания водорода и кислорода, а также других продуктов электролиза иногда требуются компрессоры или более дорогостоящие мембранные системы. Следствием последней из вышеуказанных проблем являются неприемлемые требования к техобслуживанию и значительные затраты на вывод из эксплуатации.

[0008] Таким образом, задачей некоторых вариантов выполнения настоящего изобретения является создание систем и способов обеспечения устойчивого экономического развития путем интегрированной выработки возобновляемой энергии полного спектра, которые могут включать использование электрохимического или электролитического элемента, и способ его использования, для отдельной выработки газов, включая сжатый водород и кислород, позволяющее допускать наличие примесей и продуктов работы, а также являющееся обратимым, что позволяет решить одну или несколько проблем, связанных с вышеуказанными известными способами.

Краткое описание изобретения

[0009] В одном варианте выполнения настоящего изобретения предложен способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий: обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии; подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза; избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии.

[0010] В другом варианте выполнения, предложена система обеспечения по существу непрерывной подачи электроэнергии при помощи возобновляемых энергетических ресурсов, включающая: первый источник возобновляемой энергии; электролизер, соединенный с первым источником возобновляемой энергии для формирования энергоносителя, причем электролизер выполнен с возможностью избирательной реверсивной работы в качестве топливного элемента, используя энергоноситель в качестве топлива; накопитель энергоносителя, соединенный с электролизером для получения энергоносителя от электролизера или подачи энергоносителя на электролизер; и накопитель энергии, соединенный с первым источником возобновляемой энергии и электролизером для выборочного получения энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера, а также для выборочной подачи энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера.

[0011] В еще одном варианте выполнения, предложена система обеспечения по существу постоянной подачи электроэнергии при помощи возобновляемых энергетических ресурсов, включающая: первый источник возобновляемой энергии; электролизер, соединенный с первым источником возобновляемой энергии для выработки метана, причем электролизер выполнен с возможностью избирательной реверсивной работы в качестве топливного элемента; накопитель метана, соединенный с электролизером для получения метана от электролизера или подачи метана на электролизер; и накопитель энергии, соединенный с первым источником возобновляемой энергии и электролизером для выборочного получения энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера, а также для выборочной подачи энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера.

[0012] Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания. Однако необходимо понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хоть и указывают на предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения, но приведены лишь в качестве примера, а различные изменения и модификации, находящиеся в рамках объема настоящего изобретения, будут очевидны специалисту из указанного подробного описания.

Краткое описание чертежей

[0013] На фиг.1A показана структурная схема, иллюстрирующая систему интегрированного энергетического, агропромышленного и промышленного устойчивого экономического развития в соответствии с аспектами изобретения.

[0014] На фиг.1B показана структурная схема, иллюстрирующая систему интегрированного формирования устойчивого экономического развития в соответствии с аспектами изобретения.

[0015] На фиг.1C показана схема, иллюстрирующая наземную систему интегрированного формирования устойчивого экономического развития в соответствии с аспектами изобретения.

[0016] На фиг.1D показана схематичная диаграмма, иллюстрирующая океаническую систему интегрированного формирования устойчивого экономического развития в соответствии с аспектами изобретения.

[0017] На фиг.1 приведена схематическая иллюстрация определенных компонентов системы, работающей в соответствии с принципами настоящего изобретения.

[0018] На фиг.2 показаны частичные продольные сечения компонентов системы согласно варианту выполнения, работающей в соответствии с принципами настоящего изобретения.

[0019] На фиг.3 показаны частичные продольные сечения компонентов системы согласно варианту выполнения, работающей в соответствии с принципами настоящего изобретения.

[0020] На фиг.4 приведена схематическая иллюстрация интегрированных компонентов системы, работающей в соответствии с принципами настоящего изобретения.

[0021] На фиг.5 показан вид в разрезе варианта выполнения системы, показанной на фиг.4.

[0022] На фиг.6 показан вид в разрезе другого варианта выполнения системы, показанной на фиг.4.

[0023] На фиг.7 приведена схематическая иллюстрация варианта выполнения, работающего в соответствии с принципами настоящего изобретения.

[0024] На фиг.8 показаны детали варианта выполнения, показанного на фиг.7.

[0025] На фиг.9 показаны детали процессов, используемых для решения задач в соответствии с настоящим изобретением.

[0026] На фиг.10 показано выполнение процессов в соответствии с настоящим изобретением.

[0027] На фиг.11 показаны процессы в соответствии с целью настоящего изобретения.

[0028] На фиг.12 схематично показаны варианты выполнения настоящего изобретения.

[0029] На фиг.1B показан электролитический элемент в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

[0030] На фиг.2B показан увеличенный вид части варианта выполнения, показанного на фиг.1.

[0031] На фиг.3B показан вариант выполнения, показанного на фиг.2.

[0032] На фиг.4B показан электролитический элемент в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

[0033] На фиг.5B показан увеличенный вид альтернативного варианта выполнения части электролитического элемента, показанного на фиг.4.

[0034] На фиг.6B показано поперечное сечение спирального электрода, используемого в реверсивном топливном элементе.

[0035] На фиг.7B показана система для преобразования органического сырья, такого как получаемое путем фотосинтеза, в метан, водород и/или углекислый газ.

[0036] На фиг.8B показана система для преобразования органического сырья, такого как получаемое путем фотосинтеза, в метан, водород и/или углекислый газ.

[0037] На фиг.9B показана система для преобразования органического сырья, такого как получаемое путем фотосинтеза, в метан, водород и/или углекислый газ.

[0038] На фиг.10B показан способ изготовления электрода в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

Подробное описание изобретения

[0039] Настоящее изобретение полностью включает в себя по ссылке объект предварительной патентной заявки США № 60/626021 с датой подачи 9 ноября 2004 г., озаглавленной "СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ И СЖИГАНИЯ МУЛЬТИТОПЛИВА" (реестр поверенного № 69545-8013US), и предварительной патентной заявки США № 61/153253 с датой подачи 17 февраля 2009 г., озаглавленной "ЭНЕРГИЯ ПОЛНОГО СПЕКТРА" (реестр поверенного № 69545-8001US). Настоящее изобретение также полностью включает в себя по ссылке объект каждой из нижеуказанных патентных заявок США с одинаковой датой подачи 16 августа 2010 г., озаглавленных: "СПОСОБЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ СИСТЕМ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКОСТИ" (реестр поверенного № 69545-8003US); "ПОДРОБНОЕ ЦЕНОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АУТОГЕННЫХ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ, МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ И РЕЖИМОВ ПИТАНИЯ" (реестр поверенного № 69545-8025US); "ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ" (реестр поверенного № 69545-8026US); "УСТОЙЧИВОЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ПУТЕМ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ВЫРАБОТКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ, МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ И РЕЖИМОВ ПИТАНИЯ" (реестр поверенного № 69545-8040US); "УСТОЙЧИВОЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ПУТЕМ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ВЫРАБОТКИ ПОЛНОГО СПЕКТРА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ" (реестр поверенного № 69545-8042US); "СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КПД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА (SOTEC)" (реестр поверенного № 69545-8044US); "СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОГИДРАТА ДЛЯ СБОРА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГИДРАТА УГЛЕВОДОРОДА" (реестр поверенного № 69545-8045US); "УСТАНОВКИ И СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ И/ИЛИ ФИЛЬТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА" (реестр поверенного № 69545-8046US); "ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ЖИЛЫХ ОБЪЕКТОВ" (реестр поверенного № 69545-8047US); "УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И СОПУТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ" (реестр поверенного № 69545-8048US); и "УКРЕПЛЕННЫЕ ИЗНУТРИ КОНСТРУКЦИОННЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СОПУТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ" (реестр поверенного № 69545-8049US).

[0040] Для полного понимания способов получения вышеописанных элементов, а также достижения иных преимуществ и решения задач изобретения ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылкой на конкретные варианты его выполнения.

[0001] На фиг.1A показана интегрированная система 100 выработки полного спектра, состоящая из трех взаимосвязанных систем, которые включают энергетический комплекс 200 полного спектра для выработки возобновляемой энергии и добычи материальных ресурсов, агропромышленную сеть 300 полного спектра для выработки возобновляемых режимов питания (питания человека, животных и растений) и энергетического сырья (биомассы, биологических отходов и биотоплива), и промышленный комплекс 400 полного спектра для устойчивой выработки материальных ресурсов и безотходного производства.

[0002] На фиг.1A показана система 100 в виде единого целого, состоящего из систем 200, 300 и 400, что позволяет осуществлять обмен энергией, материалами и данными между указанными системами. Интеграция системы 100 и в особенности способы, заключенные в системе 200, использует термодинамические свойства нескольких взаимосвязанных тепловых двигателей, термически соединенных друг с другом с формированием единой термодинамической системы, что позволяет осуществлять ее эффективную работу в качестве одного большого теплового двигателя, тем самым позволяя достичь увеличения полезной производительности и КПД. В рамках системы 100 система 200 в особенности призвана обеспечить синергетическую связь между солнечными тепловыми, геотермальными, океаническими тепловыми, и машинными тепловыми источниками с целью повышения общего доступного выхода возобновляемой энергии на данном местоположении и обеспечения систем 300 и 400 энергией и добытыми материальными ресурсами.

[0003] Энергетический комплекс 200 полного спектра термически подсоединен для обеспечения эффективной работы в качестве одного большого теплового двигателя, системы и подсистемы которого взаимосвязаны с целью установления энергетических каскадов при помощи рабочих жидкостей, нагреваемых в ходе двух или более этапов. Общий доступный выход возобновляемой энергии системы 200 повышается путем систематического перемещения рабочих жидкостей между солнечными, геологическими, механическими и другими тепловыми источниками с целью достижения эффекта каскада для оптимизирования термодинамических свойств (таких как температура, давление, беспримесность, фазовый сдвиг и КПД преобразования энергии) рабочей жидкости. Энергетический выход на одном этапе используется в ключевых процессах другого этапа, что позволяет осуществлять самовосстанавливающуюся или аутогенную работу с повышенным КПД и минимизацией рабочих затрат.

[0004] Функции энергетического комплекса полного спектра включают: сбор, преобразование и хранение кинетической, тепловой и лучистой форм энергии из возобновляемых источников энергии, таких как солнечный, ветряной, движущаяся вода, геотермальный, биомасса, а также двигателей внутреннего сгорания, для установления аутогенных или самовосстанавливающихся энергетических каскадов между системами с целью получения объединительных и синергетических преимуществ, которые не могут быть достигнуты путем сбора, преобразования и хранения энергии одного возобновляемого источника. Аутогенные или самовосстанавливающиеся способы сбора энергии используются в системах 200, 300 и 400. Кроме того, система 200 направлена на добычу материальных ресурсов из множества химических соединений для использования в системах 300 и 400. Например, термохимическое самовосстановление используется в качестве средств добычи углерода как сырого материала (добыча может производиться в системах 200, 300 и 400) для последующего промышленного производства товаров длительного пользования в системе 400. В другом примере термохимическое самовосстановление может также использоваться в качестве средств добычи азота и микроэлементов для последующего промышленного производства растительных удобрений для использования в системе 300. Кроме того, система 200 направлена на переработку биологических отходов, биомассы и биотоплива, обычно с целью получения газа биометана и/или водорода, его хранения, транспортировки и использования по мере необходимости в системах 200, 300 и 400 в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и/или в качестве топливных элементов для выработки и/или передачи электроэнергии.

[0005] Работа с солнечными тепловыми, геотермальными, океаническими тепловыми и механическими тепловыми источниками позволяет обеспечить высокоадаптивную интегрированную платформу для установки систем 100 в различных климатических зонах, а установки могут быть как наземными, так и океаническими. Таким образом, обеспечение повышенной адаптивности к местоположению повышает общую доступность сбора возобновляемой энергии и, тем самым, обеспечивает экономически обоснованное решение, применимое в масштабах местной, региональной, национальной и глобальной экономики.

[0006] Пищевое производство в системе 300 может быть выполнено как на наземных, так и на океанических участках. Растениеводческие и животноводческие хозяйства, скотоводческие фермы, фабрики по промышленному производству свинины и птицы, пресноводные рыболовные хозяйства, океанические рыболовные хозяйства, молочные хозяйства и т.д. могут быть связаны с системой 200 в качестве потребителей энергии, выработанной в системе 200, и, в свою очередь, создают побочные продукты (отходы), направляемые в систему 200 для их переработки в возобновляемую энергию и возобновляемые материальные ресурсы. Кроме того, система 300 направлена на повышенное производство энергетического сырья для растительного биотоплива, такого как водоросли, заменяющие траву и другие растения для повышения целесообразности сбора энергии, получаемой на основе фотосинтеза. Способ и установка для производства, очищения и сохранения воды используются в каждой из производственных систем 200, 300 и 400. Однако указанные компоненты системы 300 важны для выполнения требований наличия большого количества воды в пищевом производстве, а также для решения известной проблемы, связанной с неустойчивостью, вызванной растрачиванием и загрязнением воды при использовании известных методов пищевого производства.

[0007] Системная интеграция повышает способность к "устойчивости", определяемой как увеличенная выработка энергии, материальных ресурсов и режимов питания при помощи возобновляемых способов с целью избежать истощения природных ресурсов и снизить или вовсе устранить разрушительное воздействие на природу, такое как загрязнение и токсичные выхлопы, являющиеся побочным продуктом производства. Устойчивость требует наличия способов выработки энергии, материалов и пищевых продуктов, целесообразных для обеспечения долгосрочного благополучия будущих поколений, а не только лишь для обеспечения краткосрочного удовлетворения существующих потребителей.

[0008] Системная интеграция позволяет обеспечить повышение полезной производительности для "экономического наращивания", определяемого как значительное повышение производства энергии, материалов и пищевых продуктов, достигаемое за счет способности воспроизведения совокупных мест установки, а также повышения количества доступных местоположений благодаря существенно улучшенной адаптивности к разнообразным климатическим зонам (т.е. адаптивного сбора возобновляемой энергии путем приспособления к различным ресурсным характеристикам умеренного, тропического и арктического климата). Такое экономическое наращивание требуется для повышения кормовой продуктивности Земли, необходимой для поддержания продолжающегося роста населения и резко растущих энергетических требований в развивающихся странах. Для успешного использования подобные способы производства и местоположения должны быть пригодны для немедленного использования и должны представлять целесообразную альтернативу существующим средствам выработки энергии, материалов и пищевых продуктов по сравнению с использованием существующих источников ископаемого топлива и/или атомной энергии.

[0009] Системная интеграция также обеспечивает экологически чистый и безотходный способ выработки энергии 200, производства материалов 400 и производства пищевых продуктов 300, причем: органические отходы, выработанные в системе 300, которые бы в другом случае сожгли, захоронили или выбросили на свалки, в коллекторы, в проточную воду, в океан, либо выбросили бы в атмосферу в виде загрязнителей, вместо этого систематически направляют в системы переработки биомассы, биологических отходов и биологического топлива, расположенные в системе 200; добытые в системе 200 энергию и материальные ресурсы передают в систему 400 для производства товаров длительного пользования; добытые в системе 200 энергию и материальные ресурсы также передают в систему 300 для выработки режимов питания для человека, животных и растений как в наземной, так и в океанической среде.

[0010] Системная интеграция создает единый блок экономического производства, намеренно связывающий выработку энергии с производством пищевых продуктов и производством материальных ресурсов так, что указанные процессы протекают взаимозависимо, как единое целое.

[0011] Таким образом, интегрированная система производства полного спектра подходит для размещения в местах и населенных пунктах, где не существует сравнимой с нею энергетической инфраструктуры, или там, где производственные возможности недостаточны и имеется высокий уровень безработицы, или там, где имеется недостаточный объем производства пищевых продуктов и царит бедность и голод. Целью введения указанного объединенного способа экономического производства является обеспечение повышения внутреннего валового продукта (ВВП), сопутствующего повышению ВВП роста уровня жизни, и систематического создания рабочих мест вместе с повышением уровня жизни как следствия значительной занятости.

[0012] Кроме того, системная интеграция создает единый блок экономического производства, намеренно связывающий утилизацию отходов с преобразованием энергии, из-за чего указанные процессы протекают взаимозависимо, как единое целое, устраняя привычные подходы к утилизации отходов, такие как сжигание, захоронение и сваливание мусора, ведущие к загрязнению и упадку окружающей среды.

[0013] Интегрированная система производства полного спектра внедряет использование устойчивой переработки отходов в энергию в качестве интегрированного процесса во всей системе. Целью указанной интегрированной системы является защита окружающей среды, сохранение исчерпаемых природных ресурсов, снижение уровня инфекционных заболеваний и снижение уровня загрязнения земли, воды и воздуха (включая уменьшение количества ведущих к смене климата источников парниковых газов, таких как метан и CO₂).

[0014] Интегрированная система 100 выработки полного спектра обеспечивает средства достижения "промышленной экологии", в которой рукотворная среда производства подражает естественным экосистемам: где энергия и материалы переходят из системы в систему, а отходы вовлекаются в новые процессы в замкнутом цикле, но при этом система в целом открыта для получения возобновляемой, устойчивой энергии, обеспечиваемой солнцем (солнечная тепловая), землей (геотермальная), океаном (океаническая тепловая) и системами переработки биомассы (механическая тепловая система).

[0015] На фиг.1B показана структурная схема, иллюстрирующая интегрированную систему 100 выработки полного спектра устойчивого экономического развития, включающую выработку энергии (например, электричества и топлива) с одновременным производством режимов питания (например, продуктов для питания человека, животных и растений) и производством материальных ресурсов (например, водорода и углерода). Система 100 состоит из интегрированных и взаимозависимых подсистем, снабженных адаптивным контролем за автогенными каскадными преобразованиями энергии, улавливающим и заново вносящим в цикл часть или всю совокупность энергии, веществ и/или побочных продуктов каждой подсистемы. Таким образом, непрерывная работа системы 100 поддерживается с внесением в цикл минимума внешней энергии или материальных ресурсов, либо вовсе без подобного внесения. Система 100 представляет собой пример промышленной экологии, облегчающей устойчивое экономическое развитие, например сбор возобновляемой энергии, пищевое производство и производство материальных ресурсов, превышающие уровень выработки энергии, пищевых продуктов и материальных ресурсов, достижимый при помощи известных приемов, что является одним из преимуществ настоящей системы.

[0016] Энергетический комплекс 200 полного спектра координирует способы улавливания энергии из возобновляемых источников 210 (например, солнечного, ветряного, текущей воды, геотермального, отведенного тепла) со способами выработки энергии из возобновляемого сырья 220 (например, биологических отходов 320, биомассы 310) и способами производства материальных ресурсов (например, водорода 230, углерода 240, других материальных ресурсов, таких как микроэлементы 250, чистая вода 260). Энергию хранят, извлекают и транспортируют при помощи способов адаптивного контроля за автогенными каскадными преобразованиями энергии, формирующими мультиплицированный эффект при выработке энергии. В ходе процессов сбора энергии и производства материальные ресурсы (например, водород и кислород) извлекают из сырья биологических отходов и биомассы, используемого при выработке возобновляемой энергии. Энергетический комплекс 200 полного спектра хранит, извлекает, транспортирует, следит и управляет указанной энергией и указанными ресурсами с целью достижения повышения КПД при выработке энергии, материальных ресурсов и режимов питания.

[0017] Часть выработанной энергии 210, 220 направляют в агропромышленную сеть 300 полного спектра. Часть выработанной энергии 210, 220 направляют в промышленный комплекс 400 полного спектра. Часть выработанной энергии 210, 220 заново вводят в цикл энергетического комплекса 200 полного спектра. Часть выработанной энергии 210, 220 направляют внешним получателям и/или направляют в национальную электрическую сеть и/или в национальный газопровод.

[0018] Агропромышленная сеть 300 полного спектра получает возобновляемую энергию, выработанную энергетическим комплексом 200 полного спектра, с целью обеспечения энергией функций таких подсистем, как сельское хозяйство, животноводство и рыболовство. В этот список входят возобновляемое топливо для сельхозтехники, автотранспортных средств, лодок и кораблей, а также электричество для освещения, обогрева, обеспечения работы машинного оборудования и т.д.

[0019] Агропромышленная сеть 300 полного спектра получает материальные ресурсы и побочные продукты, такие как другие материальные ресурсы (например, микроэлементы 250) и чистую воду 260, произведенные энергетическим комплексом 200 полного спектра, для обогащения режимов питания в подсистемах сельского хозяйства, животноводства и рыболовства с целью повысить эффективность выращивания растительного урожая 340 и животного урожая 350.

[0020] Агропромышленная сеть 300 полного спектра осуществляет сбор энергетического сырья и передачу его в энергетический комплекс 200 полного спектра, где оно используется при выработке возобновляемой энергии. Пригодное сырье включает биомассу 310 (например, скошенные растения), биологические отходы 320 (например, сточные воды, сельскохозяйственные сточные воды, отходы мясоконсервной промышленности, сток от рыболовного хозяйства), набор биотоплива 330 (например, водоросли, просо) и т.д.

[0021] Промышленный комплекс 400 полного спектра повторно использует возобновляемую энергию, выработанную энергетическим комплексом 200 полного спектра, с целью обеспечения энергии для устойчивого производства материальных ресурсов и экологически чистой промышленности. В этот список входят возобновляемое топливо для двигателей внутреннего сгорания (например, стационарных двигателей, автотранспортных средств), а также электричество для освещения, обогрева, обеспечения работы машинного оборудования и т.д.

[0022] Промышленный комплекс 400 полного спектра использует материальные ресурсы 230, 240 и побочные продукты 250, полученные от энергетического комплекса 200 полного спектра, для производства дополнительных материальных ресурсов (например, конструкционного углерода 420 и промышленных алмазов 430).

[0023] Промышленный комплекс 400 полного спектра использует материальные ресурсы и побочные продукты, полученные от энергетического комплекса 200 полного спектра, для производства таких товаров, как экологически чистые энергомеханизмы 410 на основе углерода, включая солнечно-тепловые устройства 410, ветряные турбины 410, водные турбины 410, электролизеры 410, двигатели внутреннего сгорания и генераторы 410, запасные части 440 для автомобилей, кораблей и грузовиков, полупроводники 450, нанотехнологии 460, сельскохозяйственное и рыболовное оборудование 470 и т.д.

[0024] Промышленный комплекс 400 полного спектра поставляет часть или все указанные продукты и побочные продукты энергетическому комплексу 200 полного спектра и агропромышленной сети 300 полного спектра.

[0025] Энергетический комплекс 200 полного спектра использует солнечно-тепловые устройства 410, ветряные турбины 410, водные турбины 410, электролизеры 410, двигатели внутреннего сгорания и генераторы 410 и т.д., произведенные и предоставленные промышленным комплексом 400, для выработки возобновляемой энергии.

[0026] Агропромышленная сеть 300 полного спектра использует двигатели внутреннего сгорания и генераторы 410, сельскохозяйственное и рыболовное оборудование 470 и другие устройства, произведенные и предоставленные промышленным комплексом 400, для производства режимов питания.

[0027] Энергия, выработанная интегрированной системой 100 выработки полного спектра, обеспечивает энергией все подсистемы, включая повторный ввод энергии в цикл с целью дальнейшей выработки возобновляемой энергии. Одновременно часть или все продукты и побочные продукты, выработанные в системе 100, используют для обеспечения функций всех подсистем. В то же время отходы, произведенные системой 100, улавливают и используют в качестве сырья для обеспечения функций всех подсистем. Интегрированные и взаимозависимые подсистемы используют адаптивный контроль за аутогенными каскадными преобразованиями энергии и аутогенным самовосстановлением материальных ресурсов. Таким образом, система постоянно заново использует возобновляемую энергию, устойчивые материальные ресурсы и другие побочные продукты в качестве различных источников и в различных процессах подсистем (энергетического комплекса, агропромышленной сети, промышленного комплекса). Благодаря этому система 100 осуществляет сбор большего количества подаваемой энергии и ресурсов из различных источников ресурсов в системе, чем было бы возможно при использовании существующих средств. Подобный промышленный симбиоз умножает объем различных ресурсов и энергии, собранных из возобновляемого сырья и побочных продуктов в системе, обеспечивая, среди прочих преимуществ системы, повышение полезности, снижение затрат и улучшение экологической обстановки.

[0028] На фиг.1C приведена схематичная иллюстрация интегрированной системы выработки полного спектра и показаны различные примерные функциональные зоны в наземной системе; на фиг.1C приведена схематичная иллюстрация интегрированной системы 100 выработки полного спектра и показаны различные примерные функциональные зоны в океанической системе. Показанные системы включают интегрированную систему выработки в наземных и океанических условиях с адаптивным контролем за аутогенными каскадными преобразованиями энергии и аутогенным самовосстановлением материальных ресурсов, а также производством режимов питания. Система включает функциональные зоны, используемые в целях сбора и/или выработки энергии из возобновляемых источников, и сбора материальных ресурсов из возобновляемого сырья, позволяющие хранить, извлекать, транспортировать, отслеживать и управлять энергией и материальными ресурсами с целью достижения повышенной эффективности выработки энергии, материальных ресурсов и режимов питания. В таблице 1', приведенной ниже, более подробно излагаются примерные варианты выходов, систем и средств, связанных с приведенными в качестве примера функциональными зонами.

Таблица 1' Функциональные зоны интегрированной системы полного спектра
Функциональные зоны интегрированной системы полного спектра	Интегрированная система выработки в наземных и океанических условиях с адаптивным контролем за аутогенными каскадными преобразованиями энергии и аутогенным самовосстановлением материальных ресурсов, а также производством режимов питания. Система включает функциональные зоны, используемые в целях: - сбора и/или выработки энергии из возобновляемых источников - сбора материальных ресурсов из возобновляемого сырья, позволяющие хранить, извлекать, транспортировать, отслеживать и управлять энергией и материальными ресурсами с целью достижения повышенной эффективности выработки энергии, материальных ресурсов и режимов питания.
Зона	Выход	Системы и средства
Зона сбора энергии	Возобновляемая энергия, собранная из таких источников, как: - солнечный - ветряной - геотермальный - текущая вода - биомасса и биологические отходы - машинный тепловой - отведенное тепло	- солнечные тепловые устройства - ветряные турбины - турбины проточной воды - устройства для преобразования тепла - электролизеры - адаптивный контроль за автогенными каскадными преобразованиями энергии
Зона выработки энергии	Возобновляемые: - электричество - газовое топливо (например, водород, метан, СПГ) - жидкое топливо (например, метан, биодизель, HyBoost) - сырье энергоносителя	- водородные двигатели внутреннего сгорания - генераторы - системы переработки биомассы/биологических отходов - электролизеры
Зона геологического хранения и извлечения	- увеличение тепловой энергии в хранимых газах - освоение существующих химических ресурсов и микроэлементов - смягчение эффекта непостоянства источников возобновляемой энергии (например, солнечной, ветряной)	- геотермальные резервуары - ветряные турбины - системы нагнетания газа - устройства для преобразования тепла
Зона транспортировки энергии	Доставка: - варьируемого электричества по требованию - газового топлива (например, водорода, метана, СПГ) - жидкого топлива (например, метана, биодизеля, обогащенного водородом топлива) - сырья энергоносителя - сырья материальных ресурсов	- система хранения и фильтрации энергии - водород под давлением и другие газы - работающие на водородном топливе грузовики, баржи, корабли и поезда - газовая сеть - электрическая сеть
Зона переработки биомассы/биологи-ческих отходов	- энергия - топливо - сырье энергоносителя - сырье материальных ресурсов	- биореакторы - электролизеры
Сельскохозяйст-венная зона	- питание человека, животных и растений - растительный урожай - животный урожай - биотопливо - биомасса - биологические отходы	Фермы и рыболовные хозяйства с: - контролируемым микроклиматом - режимами питания, такими как микроэлементы и другие материальные ресурсы для обогащения почвы и воды - очисткой воды - интегрированным сбором биомассы и биологических отходов
Зона производства материальных ресурсов	- химические и минеральные побочные продукты (например, водород, метан, оксиды углерода, нефтепродукты, зола, азот) - дополнительные побочные продукты (например, водород, углерод, конструктивный углероды, кислород, аммиак, удобрения, метиловый спирт)	- автогенное самовосстановление материальных ресурсов из сырья носителя
Зона производства промышленного комплекса	Экологически чистые механизмы, такие как: - солнечные тепловые устройства - ветряные турбины - турбины текущей воды - устройства для преобразования тепла - электролизеры - тонкие полимерные пленки - двигатели и генераторы Другие промышленные товары: - конструктивный углерод - промышленные алмазы - запчасти для автомобилей, грузовиков, поездов и кораблей - полупроводники - нанотехнологии - оборудование для ферм и рыболовческих хозяйств Потребительские товары длительного пользования	- подготовка сырья до изготовления товаров - производство материальных ресурсов - экологически чистое производство с использованием возобновляемых водородных двигателей внутреннего сгорания (стационарных, автомобильных)
Зона водоиспользо-вания	- вода - контролируемый водный микроклимат для осуществления процессов в системе	- выработка новой воды - очистка воды - регенерация воды - сохранение воды - термопоглощение при помощи воды - адаптивный контроль воды в системе
Зона управления и координации	Макрокоординация данных между зонами для решения задачи экологически чистого производства энергии, материальных ресурсов и режимов питания	- встроенные устройства-датчики во всех зонах - компьютерный мониторинг и управление при помощи встроенных устройств-датчиков - автоматизация - робототехника - управление информацией/данными на микроскопических уровнях
Зона технологичес-кого обучения	- развитие специализированных навыков персонала в различных областях - создание рабочих мест на каждом участке организации - новые виды занятости в энергетическом секторе, подходящие для интегрированной выработки возобновляемой энергии, производства возобновляемых материальных ресурсов и производства возобновляемых режимов питания	- интегрированное обучение в различных областях - помощь в использовании, мониторинге и выполнении работы в среде интегрированной системы производства полного спектра

[0041] На фиг.1 показана система 2, в которой подходящий мотор или двигатель 4 расширения газа приводит груз, такой как генератор 5 электроэнергии, как показано на чертеже. Пар и/или газы, выходящие из расширителя 4, переносятся трубопроводом 6 на теплообменник 8 для доставки тепла, не преобразованного в работу расширителем 4. Теплообменник 8 является типичным элементом для одной или нескольких подходящих подсистем и используется для доставки тепла, используемого для таких целей, как анаэробная переработка относительно подвода тепла, который может быть необходим для осуществления работы варианта выполнения 72, показанного на фиг.2, высушивания одежды, нагревания воды и нагревания воздуха в жилых помещениях, плавления льда на тротуарах и дорогах, различных промышленных вариантов применения, требующих нагревания, высушивания, выдержки и/или обезвоживания, а также коммерческих вариантов применения, таких как нагревание воды и тепловое замораживание, и/или отвод атмосферного воздуха, охлаждаемого выпариванием атмосферного воздуха, потока, озера или морской воды.

[0042] После удаления достаточного количества тепла посредством одного или нескольких процессов теплообмена, обозначенных позицией 8, рабочую жидкость конденсируют для формирования столба жидкости или "напора" для доставки через трубопровод 10 с целью привода жидкостного двигателя 14, расположенного ниже, например, в точке под конструкционным уплотнением 12, функционирующего с интегрированным генератором электроэнергии. После установления напора жидкости в трубопроводе 10 жидкостный двигатель 14 преобразовывает потенциальную энергию жидкости в столбе 10 в мощность на валу. В случаях, если жидкость, доставленная на двигатель 14, получает тепло от подходящего источника, такого как геотермальная формация, рабочая жидкость может испаряться или перегреваться, что приводит в движение двигатель 14. После указанного этапа преобразования энергии рабочая жидкость в виде жидкости и/или пара, выходящая из двигателя 14, затем доставляется глубже в геотермальную формацию для повторного нагрева, как в общих чертах показано в виде пути 16 движения. В определенных формациях предпочтительно использовать одно или несколько горизонтальных отверстий, направленных в сторону или к сборному колодцу 18 с целью возвращения нагретой жидкости посредством изолированного трубопровода 20 на поверхность 22. В других случаях, когда имеются подходящие геотермальные формации, можно обеспечить параллельный или соосный ток нагретой рабочей жидкости по тому же колодцу, по которому осуществляется сток воды вниз.

[0043] После того как нагретая рабочая жидкость достигла поверхности, ее перенаправляют посредством трубопроводов 23 и 25 на клапаны 34 и 24 и на один или несколько необязательных источников тепла, таких как тепловой двигатель 32 или иной источник тепла, такой как солнечный нагреватель 30. В случае если возможно осуществить дальнейшее нагревание, рабочую жидкость перенаправляют через клапаны 34 и 24 на один или несколько теплообменников, таких как 28 и/или 36, для получения тепловых добавок от источников с более высокой температурой, таких как тепловой двигатель 32, или при помощи подходящего улавливателя или концентратора 30 солнечной энергии, как показано на чертеже. Это позволяет системе 2 достичь более высокого ежегодного объема преобразования энергии и более высокого теплового КПД вследствие подобного гибридного прироста процессов теплообмена ситуативно доступного тепла после того, как осуществлен главный процесс теплообмена в формации 16.

[0044] Показанные компоненты гибридной системы также позволяют внедрять множество новых режимов работы, включая намного более длительную выдержку рабочей жидкости, которая заново нагревается при хранении в формации 16 между периодами максимальной нагрузки топлива или электричества. Это позволяет рабочей жидкости получать тепло от большего участка геотермальной формации, и, тем самым, может быть достигнуто более высокое значение температуры. Дополнительное повышение КПД системы 2 достигается, когда двигатель-генератор 32 используется в периоды максимальной нагрузки, и, тем самым, большее количество тепла, обеспеченного благодаря работе клапана 34 и теплообменника 36, может быть доставлено в рабочую жидкость посредством схем теплообменника, как показано в случае с рекуперацией тепла, отведенного источником тепла, таким как двигатель 32.

[0045] Вариант выполнения изобретения заключается в доставке парообразной и/или жидкой рабочей жидкости для обеспечения работы расширения в подходящем двигателе 4 или 52, доставляющем уже не находящуюся под давлением жидкость на наивысшую целесообразную высоту, например, с помощью комбинированных функций с подходящими вещательными антеннами 50 и ветряными генераторами 38, вершинами холмов или горными хребтами 25 с целью ускорения конденсации, осуществляемой теплообменником(ами) 8 или 40 с целью конденсирования рабочей жидкости путем выработки наивысшего жидкостного напора или вертикальной высоты над смешанной фазой жидкого двигателя или двигателей, таких как 14 или 44. Важные усовершенствования цикла термодинамики, такого как цикл Ранкина, достигаются путем выработки плотной, если даже не жидкой, рабочей жидкости на значительной высоте от зоны, в которой давление и кинетическая энергия такой рабочей жидкости выполняет работу в точке рядом с участком, где рабочую жидкость заново нагревают и испаряют. Таким образом, скважинная система преобразования энергии 44 может представлять собой приводимый жидкостью мотор, устройство, осуществляющее сбор кинетической энергии и давления смешанных фаз рабочей жидкости, или устройство расширения пара, расположенное в зоне, получающей достаточное количество геотермального тепла для выработки желаемой фазы или фаз, при этом поддерживая или повышая давление указанных фаз. Благодаря этому значительно повышается объем выработки энергии и КПД системы 2, а сходные структуры, способные обеспечить подобные гибридные усовершенствования работы цикла Ранкина, в котором указанная жидкость вырабатывается на высоте, обеспеченной таким вариантом выполнения, как башня ветряной турбины, холм или иное топографическое образование со значительной высотой, башня связи и специально возведенная башня.

[0046] Обычно ветряные турбины-генераторы 38 вырабатывают больше энергии, если их разместить высоко над поверхностью земли, что позволяет им улавливать ветер высокой скорости. При размещении теплообменника 40 на или рядом с верхушкой подобных башен ветряных турбин повышается охлаждающая способность, необходимая для достаточного конденсирования желаемой фазы рабочей жидкости, и можно избежать многих причин загрязнения на уровне земли, а также обеспечивается столб жидкости 42 большей высоты, доставляемый на двигатель-генератор 44 посредством изолированного трубопровода внутри соосного трубопровода, как показано на чертеже. После осуществления преобразования энергии двигателем-генератором 44 такие охлажденные расширением жидкости и/или пары, выходящие из 44, нагреваются окружающей геотермальной формацией 46 для создания паров, переносимых посредством изолированного трубопровода 48 на двигатель-генератор 52, как показано на чертеже. Жидкость, выходящая из расширителя 52, доставляется на конденсатор 40 посредством трубопровода 54, как показано на чертеже.

[0047] Предпочтительно, обеспечивается реверсивная работа жидкостного двигателя 14 в виде жидкостного насоса или двигателя, что позволяет ему по требованию работать в качестве приводимого электродвигателем насоса для доставки жидкостей, включая химические вещества, от источника 128, показанного на фиг.2, в обслуживаемую геоформацию. Благодаря обеспечению соответствующей системы трубопроводов и работы клапанов можно решить задачи повышения эксплуатационных характеристик и работ по техобслуживанию, которые могут быть необходимы для использования с различными геоформациями, как описано в отношении систем, показанных на фиг.1, 2 и 3.

[0048] Во многих случаях системы, показанные на фиг.1, 2 и/или 3, имеют похожие операции и подповерхностную формацию для обеспечения достаточного улучшения качества указанных операций. Однако будет полезным (и в некоторых случаях предполагаемым) использование системы, показанной на фиг.1, на значительном расстоянии от системы, показанной на фиг.2, а также предоставление веществ из подсистемы с хранилищем, сходным с питающим баком 128, с периодическим использованием насоса 14 в качестве вспомогательного элемента для доставки подобных веществ с целью повышения качества работы систем, показанных на фиг.1 и 2.

[0049] В качестве иллюстрации возможностей для гибридизации с целью сезонного повышения качества добычи геотермальной энергии почти на любом континенте в таблице 1 показано, что значительное количество летней энергии доступно в условиях, когда световые дни длиннее и отсутствует облачность, например, в окрестностях г. Фэрбенкс, центральная Аляска, а также на других равнинных участках Севера, по сравнению с более теплыми участками, такими как г. Гейнсвилль, штат Флорида. Окрестности г. Фэрбенкс, штат Аляска, и сходные территории в Канаде получают больше солнечной энергии в условиях длинных световых дней солнечным летом, чем восемь кажущихся более теплыми городов Северной Америки, как видно из таблице 1.

Таблица 1 Сравнение показателей кВт/ч на кв.м на различных территориях в США
Штат	Город	Высокий	Низкий	Средний
Аляска	Фэрбенкс	5,87	2,12	3,99
Алабама	Монтгомери	4,69	3,37	4,23
Арканзас	Литл-Рок	5,29	3,88	4,69
Калифорния	Дэвис	6,09	3,31	5,10
Колорадо	Боулдер	5,72	4,44	4,87
Флорида	Гейнсвилль	5,81	4,71	5,27
Индиана	Индианаполис	5,02	2,55	4,21
Орегон	Астория	4,76	1,99	3,72
Пенсильвания	Питтсбург	4,19	1,45	3,28
Западная Виргиния	Чарльстон	4,12	2,47	3,65

[0050] Таким образом, в областях, где доступно достаточное количество геотермальной энергии, включая скважины для таких целей, как добыча нефти и природного газа, удаление минерализованных сточных вод или возврат природного газа, а также в случаях наличия истощенных скважин для добычи природного газа, обеспечивающих доступ к формациям, имеющим повышенную температуру, целесообразно обеспечить первичное геотермальное нагревание рабочей жидкости с последующим дополнительным нагреванием посредством периодически доступных источников сбора солнечной энергии, способных обеспечить более высокую температуру. Подобные возможности могут также включать периодическое отведение тепла промышленными предприятиями или тепловыми двигателями, такими как поршневые двигатели, газовые турбины и/или системы паровых турбин 32, включая тепловые двигатели, способные работать при максимальной нагрузке, которые должны отводить большое количество тепла.

[0051] Подобное солнечное, промышленное или использующее двигатели максимальной нагрузки пополнение геотермальной энергии, обеспечивающее нагревание выбранных рабочих жидкостей, таких как смесь 2,2,3,3-тетрафторпропанола и воды и/или спиртов, таких как метиловый спирт, аммиака, пропана или фреона, до более высокой температуры, способно значительно увеличить ежегодную выработку энергии и КПД систем преобразования энергии, таких как показанная на фиг.1. Во многих случаях, когда доступна достаточная глубина геотермальных формаций с желаемой теплопроводностью, предпочтительно доставлять жидкую рабочую жидкость на жидкостный двигатель 44 посредством трубопровода 42 для преобразования энергии и возвращать нагретую и испаренную рабочую жидкость посредством трубопровода 48 для расширения пара и преобразования энергии двигателем 52 в качестве закрытой системы рабочей жидкости, не позволяя рабочей жидкости вступать в контакт с формацией. В других случаях предпочтительно обеспечивать плотный контакт выбранных рабочих жидкостей с геотермальной формацией с целью стимулировать выход из формации ценных веществ, которые могут быть выделены или отделены от рабочей жидкости на поверхности.

[0052] Кроме того, существует крайняя необходимость в усовершенствованном использовании возобновляемой энергии, а также сохранении энергии, в зонах с южным климатом в Южном полушарии, таких как Патагония и пустыня Калахари, а также в зонах с северным климатом в Северном полушарии, таких как часть Аляски, Канада, Шотландия, Скандинавия, Россия и часть Западной Азии. В указанных зонах максимальные нагрузки зачастую возникают зимой, а не летом, когда доступны большие объемы солнечной энергии.

[0053] В подобных случаях имеется возможность снизить или вовсе устранить ограничения цикла Брейтона благодаря большой доле внутреннего движущего потенциала для обеспечения энергией устройств-компрессоров газа или пара. На фиг.2 показано, как газ под высоким давлением вырабатывают по существу способом преобразования жидкости в газ при достаточно высоком давлении для обеспечения компактности при хранении и/или для хранения в геологической формации, имеющей значительное давление в скважине и/или сопротивление проникновению воды. Электролизер 66 обеспечивает сжатый водород и/или углекислый газ для обеспечения движения формации и доставки запасов метана и/или углекислого газа из таких источников, как биореактор 72. Жидкости, включающие смеси веществ, которые получают тепло из формации 86, обеспечивают гораздо большую полезную емкость для работы расширения в устройстве 94, как показано на фиг.2.

[0054] На фиг.2 показана система 60 для выработки хранимого топлива, такого как водород или метан, из месторождений гидрата метана и/или анаэробного биореактора 72, причем такой водород и/или метан предпочтительно нагнетается циклически или постоянно газами под более высоким давлением, производимыми электролизером 66 и/или подходящим механическим компрессором 122, и доставляется через клапаны 130 и/или 68 на регулятор давления 104 для последующего распределения по трубопроводу 102 и подачи потребителям на значительном расстоянии, либо доставляется в геологическую формацию 86 посредством трубопровода 82 для временного краткосрочного или долгосрочного хранения. В ходе работы электричество, выработанное системой 2 и/или другими источниками, передается по электросети 62 для обеспечения энергией восстановительной системы 64 с целью обеспечения соответствующего напряжения и выпрямленного тока для обеспечения энергией электролизера 66 с целью производства водорода из жидкой массы анаэробного биореактора 72 и/или воды, забранной из местного водоносного пласта 80 посредством насоса 74, и доставленной посредством трубопровода 74, как показано на чертеже.

[0055] Контроллер 70 оптимизирует систему, включая производство водорода под давлением из жидкой массы, полученной благодаря деятельности микроорганизмов в анаэробном биореакторе 72, либо в результате электролиза воды, доставленной посредством трубопровода 78. Описания подобных операций и преимуществ, заключающихся в преобразовании энергии с использованием жидкой массы, полученной благодаря деятельности микроорганизмов в процессе анаэробной переработки органической материи, приведены в совместно рассматриваемых патентных заявках и патенте США 984305, и указанные описания включены в настоящую заявку по ссылке на технологические приемы, позволяющие значительно снизить объем энергии, требуемый для производства водорода, по сравнению с известным способом электролиза воды.

[0056] Также рассматривается вариант, при котором промышленное использование 108 или переработка 112 периодически позволяют получить углекислый газ, угарный газ и/или водород под давлением путем частичного окисления углеродного донора, либо путем реакции углеродного донора с паром, что по существу показано в виде уравнений 1 и 2.

2C+1,5O2→CO+CO2	Уравнение 1
CH4+H2O→CO+3H2	Уравнение 2

[0057] Использование подобных газов в процессе, состоящем из их доставки для хранения и/или забора тепла в резервуаре 86, последующего расширения в двигателе-генераторе 94, как показано на чертеже, является существенной возможностью для обеспечения дополнительного объема для хранения и/или извлечения тепла, а также для дальнейшего повышения общей эффективности использования энергии в энергетическом центре, таком как описан в совместно рассматриваемой патентной заявке 60/847063, включая молочные фермы, консервные заводы, скотобойни, фабрики по изготовлению товаров, промышленные комплексы или населенные пункты.

[0058] В таблице 2 приведены сравнения функций и температур кипения при атмосферном давлении различных веществ, претендующих на роль рабочих жидкостей и/или химических и нагнетающих веществ для облегчения выделения тепла, а также другие значения из геотермальных формаций. Указанные рабочие жидкости могут использоваться в качестве жидкостей закрытого цикла, размещенных в теплообменных системах, либо в подходящих случаях могут доставляться в геотермальную формацию для обеспечения плотного контакта и повышенной скорости теплообмена.

[0059] Во всех вариантах выполнения, целью является обеспечение каскада энергии из условий наивысшей доступности, температуры и давления при работе по преобразованию энергии "полного спектра" для достижения значительного повышения отдачи по сравнению с вложениями, а также общей эффективности использования энергии. Вышеуказанное включает получение новых результатов при использовании известных технологий и известных материалов, включая вторичные материалы и подсистемы, используемые в таких технологиях.

[0060] Во многих сферах применения является целесообразным потратить количество энергии X для получения и доставки жидкости в геотермальную формацию и сохранения количества энергии X. После возвращения хранимой жидкости большее количество энергии может быть получено в виде комплекса тепловой энергии, энергии давления и химической потенциальной энергии.

[0061] Во многих случаях предусматривается использование в геотермальных формациях различных смесей с целью повышения уровня теплового вовлечения формации в преобразование энергии и извлечение ценных веществ, обеспечиваемые некоторыми вариантами выполнения изобретения. В качестве примера может предусматриваться смешивание показанных углеводородов, таких как этан, пропан, бутан, углекислый газ и/или водород, для улучшения теплообмена и извлечения ценных веществ во многих формациях, содержащих углеводороды.

[0062] Результаты использования особо полного спектра возможностей включают практический сбор полного спектра солнечной энергии и подпочвенного инфракрасного спектра посредством широкого спектра принципов и компонентов процесса преобразования энергии.

Таблица 2 Типичные рабочие жидкости
Вещество	Функции вещества	Температура кипения при атмосферном давлении
	(°С)	(°F)
Ацетон	L, S, V, M, A	50,5	133
Этиловый спирт C2H5OH	L, V, M, A	79	172,4
Аллиловый спирт	L, V, M, A	97,2	207
Бутиловый н-спирт	L, V, M, A	117	243
Метиловый спирт	L, V, M, A	64,7	151
Пропиловый спирт	L, V, M, A	97,5	207
Аммиак NH3	L, V, M, A	-35,5	-28,1
Н-бутан	L, V, M	-0,5	31,1
Углекислый газ	V, M	-78,5	-109,3
Хлороформ	L, S, V, M, A	62,2	142
Диэтиловый эфир	L, V, M, A	34,7	94,4
Даутерм	H	258	496
Простой эфир	L, S, V, M, A	35	95
Этан C2H6	S, V, M	-88	-127
Уксусноэтиловый эфир	L, S, V, M	77,2	171
Бромэтан	L, S, V, M	38,4	101
Фреон R-11	L, V, M	23,8	74,9
Фреон R-12	L, V, M	-29,8	-21,6
Фреон R-22	L, V, M	-41,2	-42,1
Н-гептан	L, S, V, M	98,4	209,2
Н-гексан	L, S, V, M	68,7	155,7
Водород	S, V, H, F	-253	-423
Метан (CH4)	S, V, M, F	-161	-258
Метиловый эфир уксусной кислоты	L, S, V, M	57,2	135
Йодистый метил	L, S, V, M	42,6	108
Н-пентан	L, S, V, M	36	96,9
Пропан	L, S, V, M	-43	-45
Вода	L, S, V, H, M, A	100	212
L (жидкостный напор); S (растворитель); V (расширение пара); A (азеотроп); M (смешивающийся агент); H (теплообменный агент); F (топливо).

[0063] Смеси и растворы различных веществ могут использоваться для предотвращения закупорки замороженными твердыми веществами. Этиловый спирт замерзает при -117,3°C (-179°F). Метиловый спирт замерзает при -97°C (-143°F). Смеси рабочих жидкостей и азеотропов показывают, как обеспечить защиту от замерзания в условиях самых низких температур на Земле и как сформировать расширяющиеся пары посредством теплообмена из сравнительно холодных геотермальных источников с температурой примерно 79°C (174°F) или выше. Температура кипения воды составляет 100°C (212°F), а этилового спирта -78,3°C (173°F). Двухчастная азеотропная смесь, состоящая из 95% об. этилового спирта и 5% об. воды, имеет температуру кипения 78,2°C (172,8°F). Трехчастный азеотроп, состоящий из 52% этилового спирта, 44% ацетонитрила и 4% воды, кипит при примерно 67°C (153°F), что позволяет использовать еще более холодные геотермальные формации, когда жидкий азеотроп приводит двигатель-генератор 44, а пар приводит двигатель-генератор 52 в вариантах выполнения системы, показанной на фиг.1.

[0064] Использование в скважинах водорода и/или смесей водорода и углеводородов, называемых "HyBoost"-топливом, в шахтах и геотермальных формациях для привода двигателей-генераторов 131, либо топливных элементов, включая высокотемпературные элементы 137, позволяет обеспечить дополнительное тепло более высокой температуры, чем окружающая формация, что позволяет повысить скорость и КПД общего преобразования энергии системами, показанными на фиг.1 и 2. Комбинированный тепловой и мощностный (CHP) двигатель 109 может работать при оптимальных условиях для удовлетворения изменяющихся нужд в электричестве и тепле с уравниванием нагрузки, когда реверсивный топливный элемент 137 вырабатывает или обеспечивается электричеством и теплом, отведенным двигателем, либо топливный элемент используется для таких целей, как сушка, приготовление пищи, консервирование и нагревание или обеззараживание воды. Запасы водорода и/или кислорода высокой степени чистоты, произведенные и сжатые реверсивным электролизером 135, предпочтительно используются в коммерческих или промышленных целях в промышленных комплексах или населенных пунктах.

[0065] Сжатый кислород из реверсивного электролизера 135 высокого давления также доставляют по линии 133 на двигатель-генератор 131 и/или топливный элемент 137 с целью выработки электроэнергии или привода других грузов, а также для добавления тепла в формацию 86 и/или обеспечения пара для нагрева и изоляции паров или газов, проходящих по линии 92 к генератору-расширителю 94, как показано на чертеже. В зависимости от температуры формации, глубины и доступности ценных веществ, таких как углеводороды, помощь в добыче или производстве которых может быть обеспечена при помощи некоторых вариантов выполнения изобретения, подобные двигатели или топливные элементы 131 и 137 могут располагаться ближе к поверхности на линии 92, или на значительной глубине, или внутри формации, где добавление тепла приводит к повышению объема добычи и производства ценных веществ, таких как углеводороды, из сланцевой нефти или других природных ресурсов.

[0066] На фиг.3 показан инновационный технологический вариант выполнения 138 для дополнительного снижения объема энергии, требуемого для производства водорода и/или метана посредством анаэробной обработки, такой как тепловая диссоциация или биологическая переработка органических материалов. Среды активированного угля и слущенного графена были приготовлены для катализирования выхода водорода из жидких масс, подвергаемых анаэробной биопереработке.

[0067] Очевидно, что определенные органические вещества, такие как энзимы, вырабатываемые при микробиальной переработке органических материалов, более эффективны при осуществлении процессов переноса зарядов и/или более эффективны за счет низкого уровня удаления энергии водорода при помощи или в активированный уголь и/или представлены более эффективно, и/или имеют более длительный срок службы после их адсорбции, и, тем самым, модифицируются при помощи активированного угля или слущенного графена. После подобной обработки, направленной на получение "активации энзимов", указанные материалы вызывают выход водорода и углекислого газа из сжатых жидких масс, подвергаемых анаэробной биопереработке. Кроме того, использование таких активируемых энзимами углеродных сред вкупе с электрическим импульсом, как описано в совместно рассматриваемых патентных заявках и в патенте США 6984305, либо при пониженном постоянном напряжении по сравнению с напряжением, требуемым для необязательного электролиза воды, значительно повышает выход водорода на единицу электрической работы.

[0068] Производство водорода со сниженным потреблением энергии в особенности полезно для улучшения экономического аспекта добычи водорода из энергетических культур и органического сырья, включая отходы. Повышение КПД процесса обеспечивается благодаря использованию анаэробного биореактора 140 для производства метанового топлива и углекислого газа, в то время как часть жидкой массы, непрерывно вырабатываемой в процессе биопереработки, пропускают через фильтр 152 и устройство предварительной обработки 154 на нагнетающий насос 156 для доставки ее в нагнетающий сосуд 158, заполненный активируемыми энзимами углеродными средами для представления жидкой массы и извлечения водорода и/или углекислого газа, доставляемого через клапан 160 или клапан 162, в зависимости от давления и температуры работы сепаратора на верхушке 158, как показано на чертеже.

[0069] При желании газообразный водород может быть по существу отделен от углекислого газа, что необходимо для выполнения таких функций, как питание зеленых растений. Подобное разделение предпочтительно обеспечено процессом, раскрытым в патенте США № 6984305, а водород передают по трубопроводу через запорный клапан 162 для доставки через колодец 174 сквозь пломбу формации 175 в геотермальный и/или углеводородный резервуар 176. Жидкая масса, выходящая из нагнетающего сосуда 158 с большим количеством углекислого газа в растворе, доставляется в нагнетающий сосуд 159 посредством схемы трубопровода и запорного клапана 160, как показано на чертеже, для обеспечения электрически стимулируемого производства дополнительного водорода, который сходным образом может быть отделен при помощи подходящего процесса, такого как описан в патенте США 6984305, от углекислого газа и других присутствующих газов. Система каталитического выхода водорода из веществ, приготовленных посредством работы микроорганизмов или биомассы, включает органический катализатор или катализаторы, раскрытые наряду с неорганическими катализаторами, такими как переходные металлы и интерметаллические соединения, включающие переходные металлы. Еще одна особенность, позволяющая дополнительно повысить скорость и КПД оборудования при подобном производстве водорода, заключается в использовании вибрационных, излучающих, электродвижущих и/или магнитных сил последовательно или вкупе с указанным катализатором или катализаторами, как показано на чертеже.

[0070] Относительно чистый водород поставляют через запорный клапан 166 и клапан (не показан) для выполнения промышленных, коммерческих и транспортных задач, призванных устранить или снизить выработку углекислого газа. Остатки водорода добавляют к водороду, полученному из запорного клапана 166, для зарядки формации 176 посредством колодца 174. В ходе указанного процесса генератор-расширитель 168 вырабатывает электроэнергию, преобразовывая давление и кинетическую энергию в жидкости при снижении в ней давления, как показано на чертеже.

[0071] Более не сжатый углекислый газ используется в различных целях, включая выращивание водных растений, таких как водоросли, в конвертере 184 и обогащения атмосферы в парнике 186 с целью повышения скорости и эффективности фотосинтеза, и/или в качестве элемента парникового газа вместе с меньшими количествами совместно выделенного метана для захвата солнечной энергии с целью получения тепла в конвертере 184 или парнике 186, как показано на чертеже. Углекислый газ в растворе в используемой для снижения давления жидкости поставляют для обогащения водных растений, таких как водоросли, в гидропонный пруд-конвертер 184, как показано на чертеже. Отработанную жидкую массу вместе с собранными водными растениями, такими как водоросли, могут отправлять в биореактор 140, либо часть собранного урожая могут поставлять через распределительный клапан 201 и трубопровод 206 посредством насоса 200 для переработки в различные добавки, витамины, питательные вещества, топливные спирты, жиры и т.д., на перерабатывающем заводе 202, как показано на чертеже. Сточные воды завода 202 и других источников участка перенаправляют по линии 208 в биореактор 140 посредством распределительного клапана 201, как показано на чертеже.

[0072] Метан и углекислый газ, произведенные анаэробным биореактором 140, доставляют через фильтр 142 и трубопровод 146 на компрессор 148, и через запорный клапан 172 в колодец 174 для хранения и/или повышения эффективности добычи и выхода углеводородов из формации 176, и/или для получения геотермальной энергии с целью обеспечения работы и/или электроэнергии при помощи генератора-расширителя 178, как показано на чертеже. Потокоизмерительная схема регулятора давления 150 управляет объемом газовой рециркуляции, необходимой для смешивания, перемешивания, температурного контроля и запуска процесса анаэробной биопереработки, инициируемого в 140, как показано на чертеже.

[0073] Важные улучшения КПД преобразования энергии для систем, показанных на фиг.1, 2 и 3, являются результатом нагнетания жидкостей перекачиванием, и последующего дальнейшего нагнетания и/или доставки газов, выведенных из подобных сжатых жидкостей в результате электролиза воды, выделения каталитических газов из жидких масс, подвергаемых анаэробной биопереработке, и/или сниженного выхода энергии газов посредством электролиза. В отношении повышения эффективности гибридного и улучшенного цикла Брейтона и/или цикла Ранкина показательны результаты нагнетания жидкости из бака биореактора 72 посредством насоса 73 жидкой массы для биопереработки, полученной в 72 для доставки через клапан 75 на электролизер 66, так как в этом случае получают газообразный водород и/или углекислый газ по существу при давлении, выработанном жидкостным насосом 73, как показано на чертеже.

[0074] Затраты электроэнергии, необходимые для производства водорода из жидкой массы, включающей такие соединения, как мочевина, а также уксусная и масляная кислоты, выделенные из биореактора 72 или произведенные им, значительно снижены по сравнению с обычным электролизом воды, а дополнительные преимущества достигнуты благодаря установлению желаемого давления доставки водорода в результате нагнетания жидкости насосом 73, по сравнению с использованием газового компрессора после того, как указанные газы выделены. Сходным образом преимущество заключается в производстве сжатого углекислого газа для таких целей, как извлечение тепла и/или дополнительных углеводородов из формации 86, показанной на фиг.2, процессы разделения, преобразование энергии в виде расширяющегося газа, и/или для компактного хранения.

[0075] В случаях если объем водорода, который способна производить система 60, превышает требования CHP и других целей, выполнение которых обеспечивается через трубопровод 102, включая такие нагрузки, как обеспечение жилых зданий 106, коммерческих и промышленных объектов 108 и сельскохозяйственных и транспортных нужд 110, включая водород высокой степени чистоты, поставляемый от электролизера 135 по линии 111 для использования в топливных элементах, например, гибридных автомобилях 110, остаток водорода, метана и/или смеси метана и углекислого газа поставляется от 72 и 66 при давлении, требуемом для перезарядки истощенных резервуаров 86 нефти и/или природного газа, либо сходных геологических формаций на большем расстоянии с достаточным геостатическим давлением, а также для пломб, используемых для хранения водорода и других газов, как показано на чертеже. Во многих случаях формация 84 имеет достаточно повышенную температуру для того, чтобы позволить водороду и другим газам, хранящимся в 84, вернуться на поверхность, имея подобную повышенную температуру, для обеспечения энергией турбогенератора 94, после чего водород поставляют по линии 102 при более низком давлении, устанавливаемом регуляторами давления 104 и/или 105.

[0076] Преимущества хранения водорода и/или метана и/или углекислого газа в геологических формациях, содержащих углеводороды, включают повышение производства таких углеводородов в результате повышенного давления привода, усиленной проницаемости, вызванной низкой вязкостью и высокой теплоемкостью водорода и/или метана, а также повышенной текучестью ценных углеводородов. Кроме того, некоторые варианты выполнения изобретения облегчают доставку других жидкостей для повышения объема производства, включая такие вещества, как пропан, углекислый газ, растворители и растворы присадок, в иллюстративном варианте доставляемые из накопительных контейнеров, таких как 128, через насос 126 и клапан 124 на подходящий распределитель для зарядки формации 86 через трубопровод-колодец 82.

[0077] Избыток производства углеводородов из резервуара 86, полученный в результате хранения указанного водорода и/или метана и/или углекислого газа и/или связанных с ним работ по обработке, как отмечено в таблице 2, предпочтительно разделяется в 95 или 180 на водородное топливо, поставляемое посредством трубопровода 102, и богатые углеводородами элементы, поставляемые посредством трубопровода 103 для дальнейшего разделения и/или очистки ценных веществ в соответствующей системе 112 для обеспечения выделения различных элементов, и поставляется на рынок, отправляется на хранение или на дальнейшую очистку при помощи трубопроводов, обозначенных как 114, 116, 118 и 120, как показано на чертеже.

[0078] Таким образом, системы, показанные на фиг.1, 2 и 3, позволяют значительно увеличить эффективность хранения, выход электричества и/или объем преобразования топливной энергии, а также КПД, измеряемый на основе общего количества электричества, водорода и/или метанового топлива и/или производства углеводородов. Выработка электроэнергии, в частности максимальной мощности для удовлетворения быстрорастущих требований, моментально обеспечивается путем использования водорода и/или метана в качестве топлива для поршневых, роторных или турбинных двигателей внутреннего сгорания 32 и/или 107 и/или 109. В каждом случае огромным преимуществом является использование тепла, отведенного подобными двигателями, для повышения общей эффективности использования энергии путем повышения температуры расширяющегося газа для привода двигателей-генераторов 4 и/или 178 и для поставки тепла для сельскохозяйственных, промышленных или коммунальных целей, как показано в вариантах использования комбинации тепла и мощности.

[0079] Указанные процессы преобразования энергии обычно включают этапы погружения одного или нескольких жидких веществ в соответствующим образом подготовленную и обслуживаемую геологическую формацию в целях, выбранных из группы, состоящей из получения тепла, промежуточного хранения химикатов и/или энергии давления, и добычи ценных веществ из геологической формации с последующим расширением одного или нескольких указанных жидких веществ в гибридном цикле Ранкина или цикле Брейтона для осуществления работы, причем по меньшей мере одно из указанных жидких веществ может быть охлаждено для выполнения усовершенствованного цикла Брейтона и/или сжато для получения жидкости, доставляемой на двигатель расширения или на более низкую высоту для привода жидкостного двигателя и осуществления работы.

[0080] Показанные варианты выполнения особенно полезны при добыче и преобразовании геотермальной тепловой энергии и/или ценных веществ, таких как углеводороды, из подходящих формаций с сопутствующей выработкой электроэнергии и/или ценного химического топлива. Варианты выполнения изобретения позволяют использовать обильную летнюю энергию для производства сохраняющегося топлива, которое можно использовать позднее, например зимой, а также обеспечивают повышение эффективности добычи и преобразования геотермальной энергии. Некоторые варианты выполнения изобретения позволяют заново использовать некоторые истощенные шахты, а также скважины для добычи нефти и природного газа, а также обеспечивают восстановление экономических возможностей в населенных пунктах, страдающих из-за истощения запасов угля, нефти и природного газа, либо из-за потепления, вызванного парниковым эффектом.

[0081] Раскрытые варианты выполнения изобретения обеспечивают усовершенствованные приемы утилизации отходов и значительно сниженные энергетические затраты на производство водорода из отходов с целью улучшения качества воздуха и воды и значительного снижения зависимости от ископаемого и ядерного топлива, являющегося бичом человечества из-за образования радиоактивных отходов. На участках с переменным ветром, условиями прилива или волн важно осуществлять местное преобразование такой возобновляемой энергии в вещества, используемые в качестве химического топлива, такие как водород или метан, для хранения и получения тепла в подходящей геотермальной формации.

[0082] Геотермальные формации, подходящие для хранения топлива и/или углекислого газа, могут также быть связаны с удаленными пунктами, где возобновляемые ресурсы, такие как солнечная, ветряная энергия, энергия волн или приливов, собирают, как показано на фиг.2 и 3, посредством трубопроводов или электрических сетей в дополнение к доставке при помощи поездов и грузовиков.

[0083] В случаях если необходимо крупномасштабное преобразование возобновляемой энергии для вытеснения зависимости от ископаемого и ядерного топлива, вариант выполнения системы 400, показанный на фиг.4, обеспечивает преобразование солнечной энергии полного спектра с использованием геотермального хранения и прироста энергии. На фиг.5 показан вид в разрезе агрегата опорных кабелей 402 и наборы стекол 404, 406 и 408 для захвата по существу волн любой длины всего солнечного спектра энергии с целью нагревания воздуха в зоне под агрегатом 412 или воздуха, проходящего по каналам 414 и 416, как показано на чертеже. Кабель или кабели 402, которые могут быть выполнены из любого материала, такого как арматурное железо, проволока или стальные волокна, стекло, керамика, полимеры, углерод, или комбинаций указанных материалов, поддерживают один или несколько наборов прозрачного стекла 404 и 406, а также пленку 410, используемые для преобразования большого участка солнечной и/или геотермальной энергии с целью выработки энергии. Солнечное излучение проникает в ловушку, показанную на фиг.5, вместе с инфракрасным излучением, исходящим из земли, и преобразовывается в тепловую энергию для обогрева воздуха в каналах 414 и 416 и ниже, как показано на чертеже.

[0084] На фиг.4 показана система 400, в которой наборы стекол, такие как показаны на фиг.5 и/или 6, используются для выработки электроэнергии и/или водорода. Воздух нагревают при помощи геотермального и/или солнечного и/или отведенного различными процессами преобразования энергии тепла и вытягивают кверху для привода турбин с вертикальным стволом. Роторы 490, 432 и/или 434 вкупе со статором, таким как 450, показанный на чертеже, доставляют воздух в камеру между поверхностью земли или другой подходящей границей и мембраной или мембранами 410 или 421, как показано на чертеже. Указанный движущийся воздух собирает солнечную энергию и удаляет тепло, отведенное из геотермальных источников, другого генератора или генераторов, и тепловых двигателей, таких как солнечный двигатель-генератор 470, посредством теплообменника 476 и турбины внутреннего сгорания, поршневого или роторного двигателя или двигателей 460, 481, и теплообменника 480, как показано на чертеже. Указанное отведенное тепло включает тепло от кожуха двигателя и охлаждения нефти, а также тепло, удаленное из генераторов электроэнергии, предпочтительно при помощи водорода, после чего он сгорает в тепловом двигателе или перерабатывается посредством теплообменников. Предпочтительно добавлять тепло более высокого качества из выхлопного потока двигателей внутреннего сгорания после осуществления последних этапов солнечного нагревания при помощи выхлопных труб 461 и 464, как показано на чертеже, с целью увеличения работы, полученной турбинами расширения 440 и 444 и/или вкупе с одним или несколькими статорами, такими как 442.

[0085] Предпочтительно осуществлять работу поршневых и роторных двигателей внутреннего сгорания с выполненной заодно выхлопной турбиной, приводящей генератор электроэнергии или компрессор до того, как выхлоп добавляют к газам на одном или нескольких мощностных роторах, отмеченных условными обозначениями 440 и 444. Выход мощностных роторов 440 и 444 может увеличиваться и уменьшаться по скорости и может использоваться для привода компрессорных/моторных роторов 432 и 434, а также генератора или генераторов электроэнергии 438, как показано на чертеже.

[0086] На многих участках также предпочтительно обеспечивать получение тепла из естественных геотермальных источников и/или от подземного теплохранилища и осуществлять теплообмен на глубине теплообменника 484, как показано на чертеже. Теплообменник 480 отводит тепло из геотермальных систем преобразования энергии, таких как жидкостный насос 482 и двигатель 481, и/или теплоэлектрических и/или термохимических процессов, отводящих тепло после выполнения механической работы, выполнения химических процессов и/или выработки электроэнергии. Указанное отведенное тепло дополняет энергию, полученную на турбинах 440 и 44, и повышает емкость комбинированных промышленных систем, при этом улучшая процесс отведения тепла и, тем самым, синергетически повышая КПД процессов преобразования солнечной и геотермальной энергии.

[0087] После выполнения указанного синергетически полезного охлаждения путем приема добавок из теплообмена в зоне под мембранами 410 и 421 воздух направляют в каналы между мембранами 410 или 421 и 406 или 420 для получения дополнительной солнечной энергии, как показано на чертеже. Нагретый воздух затем отправляют в один или несколько мощностных роторов, обозначенных как 440 и 444. Регуляторы потока с изменяемым шагом 443, 441 и 442 согласованы с роторами 490, 440 и 444, которые также могут обеспечивать изменяемый шаг, требуемый для оптимизации процесса преобразования энергии. На скорость воздуха на направляющих устройствах потока 443, 441 и 450 по существу влияет доступность солнечной энергии и тепла от других источников, а также влажность в указанной множественной комбинированной гибридной циклической системе.

[0088] Если солнечное, геотермальное и/или отведенное от других показанных устройств тепло имеется в достаточном количестве, а атмосферный воздух относительно сухой, предпочтительно создать атмосферу большей влажности в воздухе, движущемся по системе. Вода, выделенная растениями и/или распыленная на растениях, растущих внутри и/или вокруг системы 560 и/или распространенная посредством подходящих распылителей 500 и 504 в воздухе, проходящем по нисходящей конструкции или конструкциям 502 и 510 для охлаждения масс атмосферного воздуха, и тем самым создает повышенный импульс в вытягиваемом книзу воздухе, проходящем через турбины 432, 434 и 490 к мощностным генераторам 438 и 492 и для охлаждения фотоэлектрических коллекторов 403, как показано на чертеже. Увлажнение воздуха также имеет серьезные преимущества при обеспечении повышения объема доставки энергии на турбины 490, 440 и 444, показанные на чертеже, а также указанная работа адаптивно оптимизируют посредством компьютерного контроллера 401.

[0089] Обеспечение широкого ряда шагов направляющими устройствами потока 443, 441 и 442, а также роторами 432, 434, 440, 444 и 490 позволяет осуществлять синхронную работу генераторов 492 и 438 во всем диапазоне получения погодного, геотермального тепла, а также тепла работы комбинированных циклов.

[0090] Таким образом, указанное точное адаптивное управление потоком нагретого воздуха обеспечивает максимальный КПД турбины на всех уровнях и в любых комбинациях интенсивности солнечного излучения, геотермальных и атмосферных условий. Важным преимуществом контроллеров потока 441, 442 и 450, а также 443 является доставка более плотного направленного воздуха на более высокой скорости на мощностные турбины 490, 434, 432, 440 и 444, как показано на чертеже. Это включает повышенную скорость воздуха и доставку на оптимальном участке лезвий роторов 490, 440 и 44 с изменяемым шагом для максимального увеличения выработки момента и преобразования молекулярной кинетической энергии и потока в энергию ствола.

[0091] Обеспечение положительного тока воздуха по требованию от насоса или насосов 432 и 434 внутри выполненной камеры или камер снижает температуру, при которой тепло отводится от работающих при максимальной или базовой нагрузке тепловых двигателей 460, 470 и 480, с целью повышения теплового КПД указанных двигателей, и, тем самым, повышения общей эффективности системы. Солнечные двигатели 470, такие как двигатели цикла Стирлинга, и термохимические процессы в 522 могут представлять собой любые подобные двигатели и процессы, включая раскрытые в совместно рассматриваемой патентной заявке США № 08/700577.

[0092] Дополнительные улучшения КПД солнечных двигателей 470 обеспечены благодаря сбору дождевой воды, выпадающей на рабочем участке, включая воду, стекающую с наклонной мембраны или мембран 404 и/или 426 в резервуар(ы) 471 и 473, как показано на чертеже. Дождевую воду собирают в выложенный изнутри резервуар 473 и доставляют посредством насоса 550 на один или несколько электролизеров 702 и 704. Собранную воду также используют для повышения скорости теплообмена и для охлаждения заглубленных теплообменников 472 в колодце или колодцах 471 после того, как максимально возможное количество тепла выведено теплообменниками 476 в воздух, направляемый на солнечное и/или геотермальное нагревание ниже и в каналах, обслуживаемых мембранами 404, 406, 408 и 410, как показано на чертеже.

[0093] В зависимости от тепловой устойчивости выбранных материалов мембраны, а также доступной из нижележащих земных недр геотермальной энергии предпочтительно выполнить мембрану 410 в виде захватывающей инфракрасное излучение мембраны, а мембрану 421 в виде плоской черной мембраны со значительной степенью криволинейности на поверхности или вкупе с мембранами, имеющими подобную криволинейность. На фиг.6 показан вариант с использованием нескольких улавливающих излучение и передающих тепло складчатых или по существу W-образных складок для значительного увеличения солнечной и/или геотермальной поглотительной способности, площади переноса тепла и температуры воздуха, достигаемой посредством теплообменных мембран 515, 424 и 425. Одна или несколько прозрачных параллельных мембран могут быть размещены в промежутках мембраны 417, как показано на чертеже, а одна или несколько прозрачных мембран могут быть выполнены в промежутке, показанном для мембраны 415, для формирования отдельных каналов воздушных ячеек. Указанные воздушные каналы могут быть снабжены подходящими клапанами для обеспечения управляемого ограниченного тока воздуха с целью изолировать центральный канал, в котором находится мембрана 423, и увеличить время пребывания воздуха в нем для получения воздуха, имеющего значительно более высокую температуру. Это позволяет быстро получить по существу подогретый воздух, например с температурой от 94°C (200°F) до 204°C (400°F) в центральном канале, получающем тепло благодаря контакту и излучению от светонепроницаемых вытянутых поверхностных мембран 423 и 424, как показано на чертеже.

[0094] В варианте выполнения, показанном на фиг.6, в целом предпочтительно выполнять мембрану 419 с одним или несколькими отражающими слоями между чередующимися изолирующими слоями и размещать указанную мембрану таким образом, что она в некоторой мере отделена от мембраны газовой пломбы 427, как показано на чертеже. Благодаря этому повышается степень улавливания солнечных лучей и нагревания мембраны с вытянутой поверхностью 424, и, тем самым, повышается КПД процесса преобразования солнечной энергии в тепловую. Тепло, проникающее в зону под отражающей мембраной 419, улавливается воздушной ячейкой ниже или вытянутой поверхностной мембраной 423, выполненной в некоторой степени таким же образом, как описано в случае мембраны 424, а воздух нагревается, проходя через сформированные каналы. Ограничение скорости тока воздуха по воздушным каналам, нагреваемым вытянутой поверхностной мембраной 421, обеспечивает более эффективное получение желаемой температуры, поставляемой на роторы 440 и 444, как показано на чертеже. В целом желательно контролировать скорость тока воздуха по изолирующим воздушным каналам над мембраной 421, устанавливая такие скорости, при которых минимизируются потери тепла окружающего атмосферного воздуха. Скорости тока по всем воздушным каналам можно регулировать в соответствии с объемом доступного солнечного и/или геотермального и/или отведенного работающими на максимуме нагрузки двигателями и/или работающими на базовом уровне нагрузки двигателями тепла с целью достижения оптимальных температур на турбинах 440 и 444, как показано на чертеже.

[0095] Некоторые повсеместно производимые материалы, подходящие для выполнения мембран согласно вариантам выполнения, показанным на фиг.4, 5 и 6, включают высокотемпературный защищенный от ультрафиолета нейлон, полиэфир, различные фторполимеры и кремнийорганические пластики. В случаях когда мембраны должны отражать излучение и проявлять изолирующие свойства, могут быть использованы ультратонкие покрытия из алюминия, серебра, хрома, никеля, цинка, меди, золота или родия, и/или материалы, обеспечивающие дихроматическое отражение. В целом желательно размещать отражающие поверхности между тонкими слоями защитного полимера. Эффективная изоляция или блокирование теплообмена могут быть достигнуты при использовании от 1 до 8 слоев отражающих поверхностей с прозрачными полимерами между каждым из слоев.

[0096] Предпочтительно использовать одно или несколько покрытий или придавать мембранам 404 и/или 406 поверхностную геометрию с целью повышения пропускания внутрь солнечной энергии под малыми углами падающего излучения, а также выполнять мембраны 415 и 428 в виде прозрачных окон для улавливания спектра солнечных лучей, но при этом служащих в качестве отражателя или блокировщика инфракрасного излучения с большей длиной волны, идущего снизу. Также предпочтительно выполнять отражающую мембрану 421 под мембраной 423 для предотвращения потерь тепла и обеспечения повышенного добавления тепла к воздуху в каналах ячеек, выполненных над 423. Мембрана 421 предпочтительно выполнена из нескольких пленок, состоящих из ультратонких слоев алюминия, или сходных отражающих веществ, размещенных между двумя изолирующими слоями. Это позволяет защищать от окисления и повреждения ультратонкие, нанесенные вакуумным методом или распылением слои зеркального алюминия.

[0097] Кабели 402 и 422 предпочтительно обеспечивают опорную сеть для таких мембран, как 404, 406, 410, 420, 421 и 426, и организованы в виде квадрата, параллелограмма и шестиугольника, сходно с опорной сетью типа "шестиугольная сетка". Благодаря этому обеспечивается прочная, но гибкая опора, которая позволяет подобным мембранам пропускать в поддерживаемую энерголовушку большой объем солнечного излучения, а также оставляет много места для теплового сжатия и расширения, при этом обеспечивая способно выдерживать нагрузку в виде сильного дождя или снега, а также сильный ветер. Таким образом, диаметры кабелей в полученной сети и их итоговая прочность могут быть одинаковыми или разными, чтобы соответствовать прочности материалов, поддерживаемых и проходящих по опорам, и для обеспечения способности выдерживать практически любой ветровой режим или нагрузку в виде сильного снегопада. Однако в большинстве случаев предполагается, что подобные сети кабелей являются постоянными, а относительно недорогие мембраны можно перерабатывать и заменять по мере необходимости.

[0098] В условиях относительно низкой атмосферной влажности предпочтительно впускать воздух через башни 502 и повышать влажность, как описано в настоящей заявке, с целью получения электричества от турбинных генераторов 490-492. В условиях высокой атмосферной влажности предпочтительно впускать воздух в центральный вход 510 для двигателей/компрессоров 432 и 424 путем прохождения между выхлопными башнями 443. Горячий воздух, поднимающийся от башен 443, заставляет холодный воздух двигаться вдоль мембраны 404 параллельно ей с целью минимизировать смешивания поднимающегося горячего выхлопного воздуха с входящим воздухом, проходящим между башнями по направлению к 510. Таким образом, холодный атмосферный воздух проходит вдоль мембран 404 или 426, вокруг и между башен 22 и проникает через входы камер обработки воздуха 432 и 434, как показано на чертеже.

[0099] Общая эффективность преобразования энергии ограничена ростом энтропии и температурами, полученными от различных теплособирающих систем и систем преобразования энергии, содержащих некоторые варианты выполнения изобретения. Вся гибридная система работает как огромный тепловой двигатель с одним или несколькими источниками тепла и процессами преобразования энергии, активными в любой момент. В обычный летний рабочий день атмосферный воздух на входе компрессора 432 и/или башни или башен 502 имеет температуру примерно 311°K или 38°C (100°F), и если воздух, поставляемый на турбину или турбины 440, нагреть до 422°K или 149°C (300°F), ограничение Карно одной подсистемы для КПД преобразования энергии будет составлять:

КПД=1-(TL/TH) или 1-(311/422)=26%

Уравнение 3

[00100] Зимой атмосферный воздух, поставляемый на компрессор 432, может иметь температуру около 283°K или 10°C (50°F), и если воздух, поставляемый на турбину или турбины 440, нагреть до 422°K или 149°C (300°F), ограничение Карно для КПД преобразования энергии будет составлять:

КПД=1-(TL/TH) или 1-(283/422)=3%

Уравнение 4

[00101] Солнечный двигатель 470 сходным образом получает преимущество при отведении тепла в более холодных условиях. Обычная температура нагретой рабочей жидкости в двигателе 470 составляет около 1088°K или 815°C (1500°F), и если температура отведения тепла составляет 311°K или 38°C (100°F), ограничение Карно для КПД преобразования энергии будет составлять:

КПД=1-(TL/TH) или 1-(311/1088)=71%

Уравнение 5

[00102] Зимой, а также в случаях, когда вода охлаждает теплообменник 472, тепло может отводиться при температуре около 283°K или 10°C (50°F) или ниже, и ограничение Карно для КПД преобразования энергии будет более благоприятным, как видно из уравнения 4:

КПД=1-(TL/TH) или 1-(283/1088)=74%

Уравнение 6

[00103] В случаях когда систему используют для производства электроэнергии при базовой нагрузке, предпочтительно совмещать солнечную энергию с несколькими другими подсистемами, использующими возобновляемые источники энергии. Тепловые двигатели 460 предпочтительно работают на таком топливе, как водород и/или смеси водорода и метана или природного газа, причем топливо хранят или получают из геотермальных формаций, как описано выше, и также предпочтительно выбрасывать продукты сгорания в мощностную турбину 440 или рядом с ней, как показано на чертеже, что обеспечивает повышение КПД турбины. Такие тепловые двигатели обычно имеют температуру выхлопа около 815°K, 538°C (1000°F) или выше и способны обеспечить энергией прилежащую выхлопную турбину 462 для привода генератора или компрессора. Выхлоп (имеющий температуру от 450 до 600°K) из прилежащей газовой турбины, приводимой тепловыми отходами двигателя внутреннего сгорания, является достаточно горячим для того, чтобы обеспечить значительное увеличение температуры, достигнутой улавливающими солнечное излучение системами наборов стекол, показанными на фиг.5 и 6.

[00104] В таблице 3 показаны сравнительные преимущества использования подобных выхлопных тепловых отходов для увеличения температуры газов, проникающих в мощностную турбину или турбины 440.

Таблица 3 Ограничения Карно для КПД подсистем
Температура на входе турбины	Температура выхлопа	Ограничение КПД
422°K или 149°C (300°F)	311°K, 38°C(100°F)	26%
477°K или 204°C (400°F)	311°K, 38°C(100°F)	34%
533°K или 260°C (500°F)	311°K, 38°C(100°F)	41%
588°K или 315°C (600°F)	311°K, 38°C(100°F)	46%

[00105] В дополнение к повышению температуры газов, входящих в турбину 440 и 444, предпочтительно значительно увеличить скорость в нагреваемом солнцем столбе воздуха путем передачи момента газов, с высокой скоростью выходящих из двигателей внутреннего сгорания 460 и/или выхлопной турбины или турбин 462. Это позволяет повысить рост момента, тепловой КПД и, тем самым, выход роторов 440 и 444.

[00106] Выработка электроэнергии с превышением требований базовой нагрузки используется для электролиза воды или органических электролитов в электролизере 102, раскрытом в совместно рассматриваемой патентной заявке США № 09/969860. Выработанный при этом водород хранят в подходящих контейнерах, в доставляющих трубопроводах, таких как 534, при помощи регулятора давления или турборасширителя 536 или в удаленных или местных подземных резервуарах 543, как показано на чертеже. Потенциальную энергию, заключенную в тепле и нагнетаемом потоке водорода и/или топлива HyBoost, получают посредством турбогенератора 537, как показано на чертеже, с целью обеспечения желаемого снижения давления, необходимого для работы двигателей, таких как 460, как показано на чертеже. В альтернативном варианте подобное снижение давления обеспечивают для хода расширения двигателей, как описано в совместно рассматриваемых патентных заявках.

[00107] Во многих местных и удаленных формациях для хранения водорода предпочтительно обеспечить транспорт газа в формацию и из нее посредством трубы или отверстия для доступа, проходящего через формацию, как показано на примере горизонтальной зоны доступа 542 к резервуару-накопителю 543, как показано на чертеже.

[00108] Использование местного и доступного посредством трубопровода подземного накопителя водорода позволяет использовать такие топливные элементы, как реверсивный электролизер 702, в самовосстановительном режиме и/или позволяет обеспечивать тепловые двигатели топливом либо рабочей жидкостью по мере необходимости с целью соответствия требованиям выработки электроэнергии. Сходным образом указанный водород является предпочтительной рабочей жидкостью для охлаждения электрического оборудования, включая генераторы 492 и 438, а также электролизер 702 и различные преобразователи и инверторы, используемые во всей сбалансированной системе оборудования и процессах завода. После осуществления снижения аэродинамического сопротивления подобного оборудования, а также его охлаждения предпочтительно использовать указанный водород в качестве топлива для показанных на чертежах тепловых двигателей.

[00109] Предпочтительно выбирать такой размер трубопровода 534, чтобы он был в состоянии хранить значительный объем производимого водорода. В сезоны с низким уровнем получаемой солнечной энергии, а также ночью предпочтительно, если требования в электроэнергии удовлетворяются за счет использования водорода из трубопровода и/или резервуара-накопителя, с целью обеспечения энергией двигателей, таких как 460, 481, и реверсивного топливного элемента или элементов 702. Дополнительные накопители предпочтительно представляют собой геотермально-богатые и/или истощенные нефтяные формации, а также другие подходящие формации, такие как соляные или известняковые пещеры.

[00110] Практически любая территория в Северной Америке и на любом другом континенте имеет геологические формации, обладающие достаточной пористостью, и изолированные на глубине, достаточной для безопасного и эффективного хранения водорода. Многие из подобных формаций также являются источниками значительных объемов геотермальной энергии. Например, такие формации могли содержать метан в течение миллионов лет в случаях, если органические материалы были размещены в них в период геологического развития формаций. В других случаях водород был получен благодаря вызванному течениями континентальному столкновению горячего оливина и известняка и хранился в подобных формациях миллионы лет.

[00111] Предпочтительно, если двигатели 460 выполнены в виде двигателей быстрого пуска, способных быстро обеспечивать электричеством и дополнительным теплом турбины 440 и 444 для повышения выхода, что может быть необходимо для удовлетворения растущих требований к выработке электроэнергии. Другой вариант быстрого ответа может быть обеспечен по желанию посредством прямого сгорания водорода и/или другого топлива на выходе статора или статоров 441.

[00112] Особо эффективного использования солнечной энергии можно достичь путем использования солнечной энергии для осуществления диссоциации углеводородов на водород и углерод. Водород может использоваться, как описано выше, в тепловых двигателях и/или топливных элементах для получения работы на валу и/или электричества. Углерод, полученный в результате указанного процесса, может быть использован для производства товаров длительного пользования, включая оборудование для сбора ресурсов ветра, волн, воды и солнца. Вышеописанное включает варианты выполнения изобретения, раскрытые в совместно рассматриваемых патентных заявках США, касающихся диссоциации доноров углерода и/или водорода. В случае если водород и/или другое топливо используются в тепловом двигателе или топливном элементе в точке местоположения варианта выполнения 400 или рядом с ним, предпочтительно добавлять тепло, отведенное указанными системами преобразования энергии, к воздуху, перемещающемуся по системе в точке, позволяющей минимизировать рост энтропии.

[00113] В другом варианте выполнения, изобретение позволяет снизить рост энтропии путем добавления солнечной энергии с целью снижения объема электроэнергии, необходимого для электролиза. Примерно 18 грамм (один грамм-моль) воды распадается при приложении электрической работы, равной свободной энергии формации ΔG, составляющей 237,13 кДж. Указанный процесс является эндотермическим и поглощает дополнительное количество энергии, равное (TΔS) или 48,7 кДж/моль, представляющее собой работу по расширению полученных водорода и кислорода до стандартных температуры и давления.

ΔH=ΔG+TΔS

Уравнение 7

Уравнение 5.2: 285,83 кДж/моль=237,13 кДж/моль+48,7 кДж/моль.

[00114] Так как процесс диссоциации является эндотермическим, предпочтительно добавлять в него солнечную энергию и/или избыточное тепло из других процессов. Указанное добавление тепла в особенности полезно, если оно повышает температуру электролиза, так как она снижает количество энергии Гиббса (ΔG), которую необходимо обеспечить в качестве электрической работы. Таким образом, общее необходимое напряжение ниже, чем требуемое для диссоциации воды при комнатной температуре.

[00115] Исходя из того, что эндотермическую энергию получают из источника избыточного тепла или окружающей среды, минимальное напряжение, требуемое для диссоциации воды, составляет:

ΔG=-nFE°

Уравнение 8

[00116] Так как указанное минимальное необходимое напряжение (E°) зависит от заряда свободной энергии (ΔG), E° экививалентно ΔG, разделенному на число обменянных электронов (n), умноженное на постоянную Фарадея (F=9,648×10⁴) или (nF). Так как температура электролиза выше стандартной температуры в 25°C, свободная энергия стремится к нулю по мере того, как температура электролиза стремится к температуре, которая была бы выработана при адиабатической стехиометрической реакции сгорания.

[00117] Повышение давления электролиза желательно для обеспечения хранения водорода и кислорода под давлением при желаемой плотности. Повышение давления требует более высокого напряжения для электролиза. В уравнении 5.4 проиллюстрировано взаимоотношение требований к давлению и напряжению. Напряжение электролиза (Ep) может быть вычислено путем добавления коэффициента Нернста для повышения давления к E°.

Ep=E°+RT/nF ln PH2(PO2)/PH2O

Уравнение 9

[00118] Исходя из того, что водород и кислород вырабатываются при одинаковом давлении, а электролизируемая вода представляет собой жидкость при том же давлении, уравнение 9 можно упростить:

Ep=E°+3RT/4F (ln Pi/Patm )

Уравнение 10

[00119] Повышение напряжения для получения водорода и кислорода с давлением 10000 фунт/кв.дюйм из воды с давлением 10000 PSI фунт/кв.дюйм составляет:

3RT/4F ln Pi/Patm =3RT/4F ln 680,3=3 (8,3144 Дж/мольK)298K (6,522)/4(9,648×104)=0,125 В

Уравнение 5

[00120] Повышение температуры для получения пара снижает необходимое для диссоциации воды напряжение, как видно из энергетических подсчетов Нернста и/или Гиббса (ΔG°_T=ΔH°_T(298K)-TΔS°_298K).

[00121] Тем самым, требуемое для диссоциации напряжение стремится к нулю по мере того, как TΔS^o _298K стремится к ΔH°_T(298K), равному 285,83 кДж/моль. Изменение энтропии при стандартной температуре (ΔS°_298K) составляет 0,1634 кДж/моль, и таким образом:

285,83 кДж/моль/0,1634 кДж/моль=1,749K или 1,476°C (2,689°F)

[00122] В качестве иллюстрации возможностей для гибридизации с целью сезонного повышения качества добычи геотермальной энергии почти на любом континенте в таблице 1 показано, что значительное количество летней энергии доступно в условиях, когда световые дни длиннее и отсутствует облачность, например в окрестностях г. Фэрбенкс, центральная Аляска, а также на других равнинных участках Севера, по сравнению с более теплыми участками, такими как г. Гейнсвилль, штат Флорида. Окрестности г. Фэрбенкс, штат Аляска, и сходные территории в Канаде получают больше солнечной энергии в условиях длинных световых дней солнечным летом, чем восемь кажущихся более теплыми городов Северной Америки, как видно из таблицы.

[00123] На фиг.7 показан вариант выполнения 522 для добавления солнечного тепла к донору водорода, такому как метан или вода, подаваемые посредством линии 530 в точке фокуса параболического коллектора 520, для обеспечения диссоциации указанных нагнетаемых доноров водорода при пониженном напряжении или вовсе без него. Обеспечиваемый таким образом водород под давлением доставляется посредством линии 532 на хранение и/или для доставки посредством трубопровода 534, как показано на чертеже. Согласно одному аспекту, электролизер, включая электролизеры, раскрытые в настоящем описании, может обеспечивать сырье, включая водород под давлением.

[00124] На фиг.7 приведен общий вид компонентов схемы процесса, включая солнечный концентратор 520, следующий за солнцем с целью непрерывной фокусировки отраженной солнечной энергии, получаемой зеркалом 712 на принимающем участке 730 реактора 714, с целью получения высокой рабочей температуры. В стационарной основе 704 размещена система привода и обеспечивается передача материалов на реактор 714 и из него. Топливо и сырье, такие как сбросный метан, для реактора 714 доставляются посредством соединения с трубопроводом 718 и/или 530.

[00125] В случаях когда жидкое сырье, такое как компоненты сточных вод, перерабатывается реактором 714, указанное сырье предпочтительно доставляется посредством соединения с соответствующим трубопроводом 715. Получаемая или доставляемая электроэнергия передается посредством кабеля 717. Водород и/или другие жидкости, производимые реактором 714, доставляются по трубопроводу 716 в геотермальный резервуар 543 для местного или удаленного хранения и распространения согласно требованиям рынка. Площадка 706 вращается вокруг центральной вертикальной оси, тем самым обеспечивая отслеживание солнца реактором 714, снабженным зеркалом 712, как показано на чертеже. Координированное вращение вокруг горизонтальной оси 709 в опоре 710, как показано на чертеже, позволяет отслеживать солнце и получать сфокусированную в одной точке солнечную энергию, отражаемую от агрегата зеркала 712. Твердые и полужидкие органические вещества нагревают и загружают в воронку 708, подающую указанные материалы на шнековый конвейер 724, часть которого показана на фиг.8.

[00126] На фиг.8 изображены детали варианта выполнения 720 приемника 714, включая неподвижную трубку приемника 722 и вращающийся шнековый конвейер, а также трубчатый экструдер 724, в котором выполненная заодно спиральная нарезка 726 проталкивает реагенты, такие как органический материал, на участок 730, где они быстро нагреваются до высокой температуры при помощи концентрированной солнечной энергии. Достаточная концентрация солнечной энергии быстро достигается при помощи параболических, сферических или развернутых гелиостатических зеркал, позволяющих обеспечить типичную рабочую температуру от 500°C до 2500°C, в зависимости от физико-химических свойств материала и особенностей конфигурации удерживающей трубки 722.

[00127] Также могут быть легко адаптированы и другие виды возобновляемого нагревания, такие как индуктивное или резистивное нагревание при помощи электроэнергии, полученной от генератора, работающего от энергии падающей воды, ветра, волн, или от фотоэлектрических структур 403, получающих концентрированную или неконцентрированную солнечную энергию, или от солнечного двигателя-генератора 470 или двигателя внутреннего сгорания, такого как 460, использующего топливо, полученное в результате различных процессов, раскрытых в настоящем описании. Сходным образом возможен вариант, при котором сжигается часть топлива, выработанного реактором 714, для обеспечения достаточного нагрева участка 730 с целью проведения реакций, отображенных в уравнениях 11, 12 и 15. Указанный набор альтернативных источников тепла для участка 730 иллюстрирует предпочтительные варианты дополнения или замены солнечной энергии, что необходимо для обеспечения гарантированной непрерывной работы в случае остановки для ремонта, возникновения временной облачности или в ночные часы.

[00128] Дополнительный нагрев или замена солнечного тепла для участка 739 путем частичного сжигания полученного ранее водорода и/или угарного газа предпочтительно выполняются путем доставки кислорода через трубу 737 от электролизера 707 через отверстие 731 трубы 732. Важное синергетическое преимущество обеспечивается благодаря работе теплового двигателя 7033 на сбросном метане и/или водороде и обеспечению энергией генератора электроэнергии 705. Объем выработки лишнего электричества может использоваться для получения кислорода и водорода в электролизере 707. Полученный в результате указанного процесса водород может храниться в трубопроводе 716 и/или 534 и идти на продажу, а кислород может использоваться для значительного повышения КПД процесса выработки тепла путем частичного сжигания топлива, полученного в реакторе 714.

[00129] Удаление азота, обычно поступающего вместе с воздухом, значительно снижает стоимость очистки водорода путем конденсации и отфильтровывания воды из смеси газов в трубе 732, если для выработки тепла путем частичного сжигания используется кислород. По трубе 737 кислород доставляют, как показано на чертеже, для сжигания необходимого количества топлива с минимальными потерями тепла и минимальным нагреванием азота, который присутствовал бы, если бы в качестве окислителя использовался воздух.

[00130] Таким образом, трубка 722 выполняет функцию хранения органического сырья в анаэробных условиях и передачи солнечной энергии биомассе, подаваемой на участок 730 нагрева концентрированного потока для облегчения проведения следующих общих реакций:

CnHmOx+ТЕПЛО1→xCO+m/2H2+(n-x)C C6H10O5+ТЕПЛО2→5CO+5H2+C

Уравнение 11 Уравнение 12

[00131] Небольшое количество NH₃, H₂S, N₂ и H₂O также может присутствовать в газообразных продуктах вместе с CO и H₂, вталкиваемыми уплотненными твердыми веществами в центральное отверстие 731 вращающейся винтовой трубки 732, как показано на чертеже. H₂S предпочтительно вводят в реакцию с железом, получая сульфид железа, или собирают в углероде, полученном в результате процесса при выделении водорода. Предпочтительно собирать связанный азот в виде аммиака, а серу - в виде сульфида железа, и использовать указанные соединения в качестве питательных веществ для почвы, вкупе с золой, полученной при помощи изобретения.

[00132] Твердые вещества, такие как углерод и зола 736, удаляют с участка 730 путем вращения винтовой трубки 732 вдоль нарезки 734, как показано на чертеже. Высокотемпературная изоляция 740 предпочтительно используется для закупорки конца приемника 714, как показано на чертеже, а изолированный участок 742 обеспечивает сохранение тепла наряду с противоточным теплообменом, происходящим между богатыми углеродом твердыми веществами, выделяемыми посредством шнекового конвейера 732, и биомассой, движущейся по направлению к нагретому участку 730 приемника и агрегату реактора. В периоды, когда солнечная энергия недоступна, изолирующий рукав 748 используется для закупорки участка 730 и предпочтительно поддерживается и направляется из положения покоя и обратно в него посредством телескопических проводников трубки, не показанных на чертеже, для обеспечения иллюстрации других компонентов.

[00133] Вода и другие газы, удаленные на ранних этапах уплотнения и противоточного предварительного нагрева, предпочтительно выбрасываются через заслонки или отверстия 744, позволяя извлекать их посредством сборной трубки 746. При использовании многих видов сырья, таких как навоз и сточные воды, указанная вода обычно содержит связанный азот и другие питательные для почвы вещества и предпочтительно используется для восстановления пахотопригодности и продуктивности почвы.

[00134] В случаях когда предпочтительно использование чистого углерода и чистого водорода, биомассу можно предварительно обрабатывать с целью удаления образующих золу материалов, таких как кальций, магний, фосфор, железо и другие минералы. Золообразующие компоненты биомассы зачастую выбрасывают на свалки, либо спускают в реки, озера и океаны вместе со стоком, образующимся в результате процессов переработки сточных вод и удаления отхода. Некоторые варианты выполнения настоящего изобретения позволяют легко собирать золообразующие минералы и использовать их в полезном качестве, например в качестве питательных веществ для почвы. Этого можно достичь благодаря комбинации механического разделения и растворения биомассы в подходящем растворителе с целью удаления золообразующих компонентов.

[00135] Как описано выше, вариант выполнения 72 обеспечивает анаэробную биопереработку биомассы, такой как углеводы и целлюлоза, в соответствии со следующими общими реакциями:

n(C6H10O5)+n H2O+ТЕПЛО3→n(C6H12O6) n(C6H12O6)→3n(CH4)+3nCO2+ТЕПЛО4

Уравнение 13 Уравнение 14

[00136] Питательные вещества для почвы в водной массе, остающейся после осуществления процессов, показанных в уравнениях 13 и 14, эффективно переносятся в истощенную почву посредством различных методов, включая их добавление в воду для полива. Углекислый газ легко удаляют из продуктов уравнения 14 путем охлаждения и выполнения разделения фаз, либо путем адсорбции в подходящем растворителе, таком как вода. Углекислый газ растворим в воде до примерно 21,6 объемов газа на объем воды при давлении в 25 атмосфер и 12°C (54°F). Повышение давления и/или снижение температуры повышает объем углекислого газа, способный растворяться в объеме воды. После отделения углекислого газа от метана снижение давления или повышение температуры позволяет осуществить выход растворенного углекислого газа.

[00137] На фиг.9 показана функциональная схема процесса 760, включая фотосинтез 762, для выработки органических материалов, анаэробной диссоциации и/или биопереработки 764 с целью получения метана и углекислого газа, охлаждения и разделения фаз, или системы адсорбции с перепадом давления 768 для отделения углекислого газа от метана и/или водорода посредством избирательной адсорбции углекислого газа в подходящей среде, такой как вода или связанный амин. Смеси газов, включающие углекислый газ, метан, азот и другие газы, вводятся в жидкий раствор. После удаления метана и других не поглощенных и не конденсировавшихся газов, углекислый газ, собранный системой разделения, предпочтительно используется для производства изоляционной полимерной пены и легковесного цемента, используемых для строительства энергоэкономичных жилых зданий.

[00138] Углеводороды, такие как метан, введенные в трубу 722 реактора 720, разлагаются на горячем участке 730, формируя углерод и выпуская водород, как показано в уравнении 15:

CH4+ТЕПЛО5→C+2H2

Уравнение 15

[00139] Производство углерода в результате процессов, показанных в уравнении 15, позволяет обеспечить источник углерода для хранения или преобразования в различные формы с целью улучшения качества товаров длительного пользования и других продуктов. Углерод, вырабатываемый из углеводородов в результате общего процесса, показанного в уравнении 15, позволяет избежать выработки примерно 3,67 тонн углекислого газа на тонну углерода, используемого в указанных товарах длительного пользования. Углерод, вырабатываемый из углеводородов в результате общего процесса, показанного в уравнении 15, можно вводить в реакцию с азотом из атмосферы для получения аммиака, или с углекислым газом из подходящего источника, такого как электростанция, пивоварня, пекарня или обжиговая установка, для получения метилового спирта. Таким образом, указанные аммиак и метиловый спирт служат в качестве веществ-накопителей водорода, обеспечивая большее количество водорода по объему, чем замороженный жидкий водород, а настоящий вариант выполнения изобретения служит в качестве системы снижения общего количества углекислого газа, избегая сбора 3,67 тонн углекислого газа на тонну углерода при осуществлении таких процессов, как суммированные в уравнении 15.

[00140] Такие вещества, как аммиак и метиловый спирт, могут быть введены в геотермальные формации под относительно низким давлением, а после получения тепла они превращаются в пар под значительно более высоким давлением. Это позволяет обеспечить возврат большего количества энергии для таких процессов, как описанные со ссылкой на фиг.1-6, чем количество энергии, которое можно было бы получить путем сжигания углеводородного сырья, показанного в уравнении 15. Кроме того, настоящий вариант выполнения позволяет обеспечить гораздо более прибыльные экономические возможности, а также избежать выработки более трех тонн углекислого газа на тонну углерода, используемого для изготовления товаров длительного пользования.

[00141] Количество тепла, необходимое для осуществления процесса, показанного в уравнении 15, для производства определенного количества связанного углерода, значительно ниже, чем объем энергии, необходимый для сбора из атмосферы и диссоциации углекислого газа. Установка, необходимая для осуществления процесса, показанного в уравнении 15, намного проще и надежнее, чем установка, необходимая для выделения углекислого газа из атмосферы и диссоциации его на углерод и кислород. Сходным образом объем энергии, необходимый для производства водорода путем диссоциации углеводорода, такого как метан, значительно меньше, чем объем энергии, требующийся для получения водорода из воды. Указанный водород может быть использован на том же участке или в удаленных пунктах, включая местное или удаленное промежуточное хранение в одной или нескольких геотермальных формациях, таких как 86, 176 или 543, последующее расширение в двигателях-генераторах 94, 178 или 537, и в итоге, использование в качестве топлива для целей, где используется комбинация тепла и мощности (CHP), например 107, 109, 131, 137, и/или 460, позволяя обеспечить значительно более высокий КПД использования энергии, чем стандартные подходы, известные из уровня техники.

[00142] В процессе преобразования углеводородов, включая твердые вещества биомассы и метан, в углерод и водород продукты реакций диссоциации, такие как показанные в отношении уравнений 11, 12 и 15, обычно занимают больший объем, чем вступающие в реакцию вещества. Установка 720 агрегата 714 для выполнения указанных эндотермических реакций приспособлена для выполнения моментального запирания зоны реакции 730 богатым углеродом материалом, уплотняемым при помощи нарезки экструдера 726 вдоль впуска в зону 730, а также богатым углеродом материалом вдоль нарезки экструдера 734 выхода из зоны 730, благодаря чему водород и другие газы, проходящие через отверстие 731, могут нагнетаться до желаемого давления и поддерживаться вращающимися средствами объединения и регулирования давления на выходе отверстия 731.

[00143] Предпочтительно осуществлять нагнетание холодного метана до желаемого давления для доставки водорода из реактора 720, используя подходящий метод нагнетания до входа метана в реактор 720. Если газы, полученные в результате анаэробной биопереработки, разделены путем сжижения, этого легко достичь путем испарения метана до получения желаемого давления. С этой целью для нагнетания также могут использоваться различные насосы и компрессоры 770.

[00144] Получаемые формы углерода могут сильно варьироваться в зависимости от рыночных требований и соответствующих температуры и давления, при которых выполняется процесс, показанный в уравнении 15. Метан, доставленный на этапе изготовления 772, может быть обработан, как того требует ситуация, для изготовления волокон, технического углерода, алмазоподобной обшивки на подходящем субстрате, кристаллов графита, а также многих других форм, соответствующих совместно рассматриваемым заявкам, включая патентные заявки США 08/921134, 08/921134 и 09/370431.

[00145] Для обеспечения преимущества в сохранении тепла для определенных целей рассматривается вариант, в котором шнековый конвейер 732 выполнен в виде пути подачи и предварительного нагревателя, причем водород вводится через отверстие 731, а углерод, полученный в результате реакции в зоне 730, вовлекается при помощи соответствующим образом выполненного экструдера 724 в противоточный теплообмен с впускаемым сырьем. Подобная конструкция обеспечивает противоточное нагревание впускаемого сырья изнутри и снаружи до того, как оно достигнет зоны 730, благодаря параллельному потоку продуктов реакции, проходящих в направлении, обратном направлению потока сырья.

[00146] Углерод, полученный в результате реакции, показанной в уравнении 15, переносится шнековым конвейером 732 с осуществлением противоточного теплообмена с трубой 724 для предварительного нагрева метана и, тем самым, повышения общего КПД и скорости, с которой солнечная энергия осуществляет процесс, показанный в уравнении 15. Полученный водород собирается посредством отверстия 731 трубчатого конвейера 732, а тепло удаляется путем противоточного теплообмена с реагентами, проходящими по направлению к зоне 730. Полученный возобновляемый водород может быть использован в топливных элементах или в существующих двигателях, по сути очищающих воздух и дающих выхлоп чище, чем окружающая атмосфера.

[00147] Углерод непрерывно формирует газонепроницаемую пробку между нарезкой конвейера 726 и внутренней стенкой трубы 722 по мере его выработки в ходе процесса, отображенного в уравнении 15. Подобное действие можно обеспечить путем выполнения более короткой передней части винтовой нарезки в том месте, где желательно достичь наибольшего уплотнения. Обычно желательно обеспечить наибольшее уплотнение углерода и закупоривающий эффект после того, как материал, подвергающийся преобразованию в водород, проходит зону 730, на выходе шнекового конвейера за зоной 730.

[00148] Предполагается, что доставку реагентов для осуществления процессов, показанных в уравнениях 11, 12, 15, 16 и 18, можно выполнить при помощи множества других средств, в дополнение к шнековому конвейеру, показанному на чертеже. В качестве примера биомассу можно проталкивать в зону реакции посредством возвратно-поступательного поршня вместо шнекового конвейера 724, а углерод можно получать из горячего конца при помощи других способов извлечения, включая конвейер с цепной передачей вместо шнекового конвейера 732.

[00149] В случаях когда желательно получить жидкое топливо или пары растворителя, такого как один или несколько терпенов, а также иные ценные продукты, температуру реакции можно менять, обычно снижая температуру или повышая оборот компонентов. Полезные соединения, такие как водород, углерод, метиловый спирт и скипидар, можно вырабатывать и собирать при помощи отверстия трубы 731, как описано в уравнении 16 для участка обычного сырья из отходов биомассы; показана формула для среднестатистического соединения:

C6H10O5+ТЕПЛО6→CH3OH+4CO+3H2+C

Уравнение 16

[00150] Если требуется больший выход жидкого топлива и/или растворителя, угарный газ и водород, полученные в результате типичного процесса, показанного в уравнении 16, могут быть введены в реакцию друг с другом, предпочтительно в присутствии подходящего катализатора, для получения дополнительного метилового спирта и водорода.

4CO+3H2→4CH3OH+H2+ТЕПЛО7

Уравнение 17

[00151] Скорость подачи биомассы в зону 730 и скорость извлечения твердых остатков спиральным конвейером 32 предпочтительно управляются посредством компьютера, реагирующего на показатели давления, температуры, а также других факторов подобного рода, а также качества продуктов в газе, паре и потоках твердых остатков.

[00152] Угарный газ может разлагаться или преобразовываться в желаемые формы связанного углерода путем диспропорционирования в ходе процесса, показанного в уравнении 18:

2CO→C+CO2+ТЕПЛО8

Уравнение 18

[00153] Диссоциация или диспропорционирование, показанное в уравнении 18, является экзотермическим и происходит в условиях давления в 10-40 атмосфер при температуре от 500°C до 800°C.

[00154] Если, согласно рыночным условиям, получение водорода для топливных элементов или тепловых двигателей более выгодно, чем очищение воздуха, угарный газ можно вводить в экзотермическую реакцию с паром для получения водорода, как показано в уравнении 19:

CO+H2O→CO2+H2+ТЕПЛО9

Уравнение 19

[00155] Угарный газ, полученный в результате процессов, показанных в уравнениях 11 и 12, можно преобразовать во множество различных продуктов в соответствии с требованиями рынка при помощи выбранных процессов, требующих получения водорода и/или углерода, как показано на фиг.9 и 10. Предпочтительно использовать тепло, выделенное в ходе процессов, показанных в уравнениях 17, 18 и 19, в виде части добавки тепла, необходимой для осуществления эндотермических реакций, таких как процессы, показанные в уравнениях 12, 15 и 16.

[00156] На фиг.10 показаны предпочтительные этапы процесса получения ценного топлива, растворителей, химических исходных веществ, а также широкого ряда продуктов углерода, начиная с фотосинтеза, посредством которого получают органическое сырье, такое как навоз, мусор и сточные воды, как показано позицией 782, преобразовываемое посредством противоточного самовосстанавливающегося предварительного нагрева и анаэробного пиролиза в богатые углеродом остатки и жидкости, такие как метиловый спирт, водород и угарный газ, в ходе процесса, обозначенного позицией 784, предпочтительно при помощи варианта выполнения, раскрытого со ссылкой на фиг.7 и 8.

[00157] Такие газы, как водород и угарный газ, полученные анаэробным пиролизом, транспортируют посредством насоса 783 и разделяют с получением желательной степени чистоты на этапе 786. Насос 788 переносит угарный газ, соответствующим образом дозируемый измерительными насосами 790 и 792, а затем газ преобразовывают в широкий ряд продуктов, таких как полученные в результате процессов 794, 796 и 798.

[00158] В ходе процесса 794 Тепло₈ получают при диссоциации угарного газа на углерод и углекислый газ. В ходе процесса 796 Тепло₇ выделяется при взаимодействии угарного газа с водородом для получения метилового спирта. В ходе процесса 798 водный пар взаимодействует с угарным газом, и указанная экзотермическая реакция приводит к получению водорода и углекислого газа. Тепло, выделенное в ходе указанных экзотермических процессов, используется для получения водного пара, используемого в процессе 798, для высушивания сырья биомассы до получения дополнительного тепла в процессе 784, для нагревания анаэробного биореактора 764 с целью повышения скорости выработки метана и/или водорода в процессе 772, а также для достижения многих других полезных целей.

[00159] Таким образом, в некоторых вариантах выполнения изобретения предлагается практичный процесс связывания атмосферного углерода, состоящий из фотосинтеза, сбора полученной в результате фотосинтеза биомассы и нагрева биомассы для выделения продуктов, выбранных из группы, включающей углерод, водород, метиловый спирт, турпены и золу. Отходы биомассы, которые обычно оставляют гнить под воздействием атмосферы, в результате чего они способствуют росту объемов углекислого газа и/или метана, теперь могут быть использованы для эффективного производства водорода, углерода и питательных веществ для почвы. Практичные системы, имеющие термодинамические и термохимические преимущества, позволяют выделять углерод и/или водород из соединения-донора углерода и/или водорода и обеспечивают использование указанного водорода в различных целях в одной или нескольких местных подсистемах, либо на значительном расстоянии после однократного или многократного промежуточного хранения в одной или нескольких геотермальных формациях. Указанный водород прекрасно подходит для облегчения процессов теплообмена и расширения в одном или нескольких двигателях расширения, а затем может использоваться в топливном элементе или для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, двигателях внешнего сгорания, тепловых двигателях парового цикла и/или в комбинированных тепловых и мощностных сферах использования.

[00160] Тревожная тенденция к постепенному повышению средней температуры воздуха и почвы коснулась участков поверхности Земли, где ранее можно было обнаружить органические вещества, заключенные в болотах, озерах, на дне океанов, в качестве замороженных компонентов полярных масс льда, в тундре и вечной мерзлоте. Указанные залежи, в особенности включая гидраты метана и органические материалы, сохранявшиеся в толще льда, а также замороженные органические отложения могут местами находиться на глубине в 2000 футов и по расчетам содержат значительно больше углерода, чем более глубокие залежи угля, нефти и природного газа. Даже сравнительно мелкомасштабные преобразования источников такого органического углерода в выбросы углекислого газа или метана способны более чем в два раза повысить концентрацию углеродосодержащих веществ в глобальной атмосфере.

[00161] Глобальное потепление, вызванное миллионами тонн углекислого газа, метана и прочих парниковых газов, выделяемых в атмосферу каждый год, приводит к нагреванию вечной мерзлоты планеты и позволяет бактериям и другим микроорганизмам преобразовывать органическое содержимое мерзлоты в такие продукты, как метан и углекислый газ, а также другие парниковые газы, фосфаты и нитраты.

[00162] Естественные места обитания находятся под угрозой быстрого роста видов растений, которые отмирают и превращают водоемы, которые до этого были способны поддерживать популяцию рыбы, в анаэробные мертвые зоны. Экономические потери, наносимые рыболовецким хозяйствам в результате таяния морского льда и вечной мерзлоты, вызывающего эрозию прибрежных зон, приводят к исчезновению или перемещению целых деревень.

[00163] На фиг.11 показан вариант выполнения 800, который может быть использован на большом участке океанического дна для сбора метана, полученного в результате анаэробной выработки метана, или для обеспечения сбора метана и углекислого газа из тающей вечной мерзлоты при помощи пор или отверстий 414 в трубах 812, расположенных под непроницаемой мембраной 830, которая может иметь один или несколько слоев, таких как 810, которые для выполнения некоторых задач могут быть покрыты металлом для обеспечения способности отражать излучение с определенными длинами волн. Мембрана 830 может содержать несколько слоев изолирующего материала, такого как полимерные пленки, а каждый слой может содержать подходящее отражающее покрытие или пленку из такого материала, как алюминий, серебро, хром, цинк, либо диахроматическое отражающее покрытие для управления прохождением излучения через указанные слои. В других вариантах использования мембрана 830 может облегчать прохождение излучения для таких целей, как допущение отведения тепла в условиях ночного неба или получение излучения для добавления тепла к материалам, находящимся под мембраной 830.

[00164] Тепловые трубы, такие как 840, могут быть использованы для перемещения тепла с участка под мембраной 830 на поверхность с целью удаления тепла и сохранения вечной мерзлоты 822, лежащей под мембраной 830, как показано на фиг.12. Тепло переносят или удаляют при испарении подходящей жидкости на участке 842, а пар конденсируется на участке 844, выделяя тепло в окружающую среду. Конденсат, полученный на участке 844, сливается на участок 842 для дальнейшего удаления тепла путем испарения, продолжая цикл. Таким образом, когда температура среды на участке 844 ниже, чем температура на участке 842, тепло удаляют на поверхность. Когда температура на участке 844 равна или превышает температуру на участке 842, тепловая труба 840 находится в режиме ожидания до тех пор, пока не образуются условия, способствующие продолжению теплообмена. Регулирование скорости удаления тепла может быть обеспечено благодаря работе клапанов, таких как 846, для управления тепловым расширением или сжатием на таких участках, как дороги, проходящие по вечной мерзлоте, с целью предотвратить повреждение дорожного полотна, вызываемое вспучиванием почвы или образованием в ней газовых карманов, способствующих разрушению полотна.

[00165] В ходе работы верхний слой снега, гравия, грязи или почвы 802 может использоваться для удержания мембраны 830 на месте и/или для защиты мембраны от продырявливания ее оленями или иным поверхностным транспортом. Метан, выделяемый с участка под мембраной 830, можно собирать и перерабатывать при помощи оборудования, выполняющего этапы процесса, примерно показанные в уравнениях 20, 21 и 22.

CH4+Тепло→C+2H2 CH4+C→C2H4 nC2H4→(C2H4)n

Уравнение 20 Уравнение 21 Уравнение 22

[00166] Метан собирают и подвергают диссоциации с образованием углерода и водорода. Указанный водород можно использовать для хранения энергии и/или вовлекать в подходящий процесс преобразования энергии для обеспечения мощности для работы оборудования, выполняющего процессы, обозначенные в уравнениях 21 и 22. Углерод, полученный в ходе процесса, показанного в уравнении 20, можно вводить в реакцию с метаном для получения этилена, как показано на чертеже, а указанный этилен можно полимеризировать для получения плотного накопителя углерода или различных полимеров, которые могут использоваться для производства труб, монтажных деталей и клапанов, используемых в настоящих процессах.

[00167] Согласно другим аспектам, хранение энергии в виде потенциальной энергии различной формы, такой как термальная, химическая, нагнетательная и высотная, в подходящей геологической формации может обеспечить множество преимуществ, включая взаимодействие с формацией для повышения температуры, давления и химического потенциала хранимых веществ. Вышеуказанное позволяет обеспечить систему преобразования энергии, вводящую одно или несколько веществ в геологическую формацию для осуществления различных целей, включающих хранение химической потенциальной энергии, хранение нагнетательной потенциальной энергии, хранение химической и нагнетательной потенциальной энергии, теплообмен между формацией и указанной жидкостью, перенос веществ из указанной формации в указанную жидкость и выработка веществ из указанной формации в результате наличия указанной жидкости.

[00168] Это, в свою очередь, позволяет осуществлять работу по меньшей мере одного из веществ в одном или нескольких устройствах для преобразования энергии, причем по меньшей мере одно из жидких веществ обрабатывается для обеспечения такого агрегатного состояния, как жидкость, смесь жидкости и пара, пар или газ, и транспортируется для привода соответствующих устройств для преобразования энергии.

[00169] В геологических формациях, содержащих углеводороды, система может обеспечить вещества, в целом или избирательно выделяющие один или несколько видов углеводородов из геологической формации.

[00170] Рабочая жидкость может быть дополнительно нагрета при помощи солнечного тепла или тепла, отведенного из промышленных источников, коммерческих источников, тепловых элементов и тепловых двигателей, и при этом одно или несколько жидких веществ получает дополнительное тепло благодаря передаче тепла из солнечных источников, промышленных источников, коммерческих источников, тепловых элементов и тепловых двигателей.

[00171] Обработка и подготовка рабочей жидкости на значительной высоте позволяет повысить КПД процесса. Высота позволяет обеспечить напор и большее количество кинетической энергии падающей рабочей жидкости. Это позволяет обеспечивать или вырабатывать одно или несколько жидких веществ на высоте, например башни ветряной турбины, холма или иного топографического образования, расположенного на возвышении, башни связи и специально возведенной башни, включая случаи, при которых жидкость поднимается на высоту в виде пара или газа, и после конденсации служит в качестве жидкости, падающей с получением кинетической энергии, собираемой подходящим двигателем.

[00172] Жидкость или рабочая жидкость может быть получена путем выделения водорода, углекислого газа, угарного газа, метана и т.д., посредством целого ряда процессов. Подготовка включает преобразование рабочей жидкости в желаемое агрегатное состояние. Это позволяет осуществлять процесс производства и подготовки жидкости, включая такие процессы, как каталитическое извлечение из анаэробной переработанной жидкой массы биореактора, производство путем электролиза соединения, содержащего водород, и комбинированный электрический и каталитический импульс для получения рабочей жидкости из анаэробной жидкой массы биореактора. Это позволяет преобразовывать сточные воды, мусор, отходы сельского хозяйства и отходы лесозаготовок в компоненты рабочей жидкости, которые можно хранить в геологической формации с целью повышения энергобезопасности и обеспечения преобразования энергии по первому требованию. Рабочая жидкость может быть введена в геологическую формацию для осуществления таких целей, как хранение химической потенциальной энергии, хранение нагнетательной потенциальной энергии, хранение химической и нагнетательной потенциальной энергии, теплообмен между формацией и указанной жидкостью, перенос веществ из указанной формации в указанную жидкость и выработка веществ из указанной формации в результате наличия указанной жидкости. Рабочая жидкость может состоять из водорода, углекислого газа или смесей водорода и углекислого газа, или метана, либо может состоять из других выбранных веществ, например, приведенных в качестве примера в таблице 2. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить процесс комбинированного хранения, транспортировки вещества, а также осуществлять работу по меньшей мере одного жидкого вещества в одном или нескольких устройствах для преобразования энергии, причем по меньшей мере одно из жидких веществ обрабатывается для обеспечения такого агрегатного состояния, как жидкость, смесь жидкости и пара, пар или газ, и транспортируется для привода соответствующих устройств для преобразования энергии.

[00173] Система может вырабатывать рабочую жидкость, которую она поставляет для осуществления работы и привода устройства преобразования энергии с последующим использованием тепла, полученного от геологической формации или хранившегося в ней, включая поверхностный слой, близкий к поверхности слой или более глубокие слои, для таких целей как обеспечение дальнейших этапов преобразования энергии, а также поддержка и питание целого ряда видов растений.

[00174] Кроме того, система может хранить и/или производить и использовать геотермальное тепло для выработки и транспортировки подготовленной жидкости, такой как углекислый газ, метан и водород, для таких целей как повышение температуры и подача углекислого газа для выращивания водных растений, включая виды, используемые для получения топлива, проведения химических реакций и получения пищевых продуктов, а также для выращивания парниковых растений и обслуживания гидропонных производственных установок.

[00175] Система обеспечивает выделение водорода или жидкого топлива из органических материалов и является экономически более эффективной, так как использует меньшее количество энергии для производства полимеров из подобранных растений по сравнению с заменой ископаемых нефтехимических соединений. Указанные системы также позволяют возвращать связанный азот и микроэлементы в почву, на которой производятся культивационные, ландшафтные и прочие сельскохозяйственные работы.

[00176] Согласно другому аспекту, система включает преобразование органического материала в одно или несколько жидких веществ, таких как метан, этан, пропан, метиловый спирт, водород, сульфид водорода, угарный газ и углекислый газ, с целью обеспечения эффективного двигателя экономического развития, включающего в себя фермерские хозяйства, позволяющее производить дополнительные ценные товары для сельскохозяйственной отрасли. Это позволяет избавиться от неэффективных существующих приемов, при которых на получение одной калории продукта питания затрачивается более чем 10 калорий бензина, используемых для насаждения, удобрения, культивирования, сбора и переработки указанных продуктов питания.

[00177] В другом варианте выполнения обеспечивается сбор и хранение дождевой воды для выращивания урожая, обеспечиваются преимущества охлаждения и увлажнения испарением при осуществлении процессов преобразования энергии.

[00178] В другом варианте выполнения обеспечена система, разделяющая выбранные элементы жидких веществ путем избирательного удаления посредством подходящих фильтров, адсорбции с перепадом давления, адсорбции с перепадом температуры, абсорбции в растворе и мембранного разделения, и включающая указанные способы избирательного удаления с целью возвращения связанного азота и/или микроэлементов в сельскохозяйственный цикл или избирательное удаление химических веществ с целью получения прибыли.

[00179] В другом варианте выполнения обеспечена система, обеспечивающая выделение водорода или жидкого топлива из органического материала посредством использования тепла для осуществления тепловой диссоциации и сохраняющая указанные выделенные вещества в геологической формации.

[00180] В другом варианте выполнения обеспечена система, обеспечивающая противоточный теплообмен для преобразования органического материала в одно или несколько жидких веществ, выделяемых посредством эндотермических процессов, использующих такие источники энергии, как сгорание части одного или нескольких жидких веществ, солнечный нагрев, электрический нагрев, а также теплообмен с устройством для преобразования энергии, таким как двигатель внутреннего сгорания, двигатель внешнего сгорания, двигатель расширения и топливный элемент.

[00181] В другом варианте выполнения обеспечена система, в которой органический материал преобразуют в жидкое вещество, такое как водород и/или жидкий углеводород, для осуществления работ по преобразованию энергии, а углерод выделяют для изготовления и производства товаров длительного пользования с целью предотвращения выхода указанного углерода в окружающую среду в качестве загрязнителя.

[00182] Усовершенствованный вариант вышеуказанной системы включает выполнение преобразования на участке, где органические материалы собирают на одном участке, а жидкое вещество транспортируют на другой участок, где осуществляется выделение углерода.

[00183] В другом варианте выполнения, указанные органические материалы преобразуют в указанные жидкие вещества на участке, где имеется богатый запас указанных органических материалов, а одну или несколько указанных жидкостей транспортируют на участки, где углерод отделяют от одной или нескольких указанных жидкостей для производства твердых продуктов с целью предотвращения выхода указанного углерода в атмосферу в виде газа. Для сушки органических материалов перед преобразованием в жидкие вещества используется теплообмен. Источники тепла для теплообмена включают сжигание жидких веществ, высокую температуру жидких веществ и устройство для преобразования энергии, такое как двигатель или топливный элемент.

[00184] Согласно аспекту данного варианта выполнения, указанные органические материалы высушивают до преобразования в указанные жидкие вещества посредством противоточного теплообмена с источниками, выбранными из: сжигания части одного или нескольких указанных жидких веществ, одного или нескольких указанных жидких веществ после их получения при температуре выше, чем температура указанного органического материала, одного или нескольких указанных жидких веществ после их нагревания до температуры выше, чем температура указанного органического материала, и теплообмена с устройством для преобразования энергии, выбранным из группы, включающей двигатель внутреннего сгорания, двигатель внешнего сгорания, двигатель расширения и топливный элемент.

[00185] Другой аспект данного варианта выполнения включает нагнетание указанных жидких веществ посредством одного или нескольких процессов, выбранных из группы, включающей уплотнение при помощи шнекового конвейера, уплотнение при помощи поршня и смена фазы от твердого вещества к более объемной жидкости.

[00186] В другом варианте выполнения обеспечена система противоточного теплообмена, содержащая донор водорода, вступающий в теплообмен с продуктами диссоциации указанного донора водорода. Согласно аспекту данного варианта выполнения, диссоциация осуществляется при помощи тепла, полученного из группы источников, состоящей из захваченного солнечного тепла, тепла сгорания, тепла геологической формации и отраженного тепла от несгорающего источника.

[00187] В другом варианте выполнения обеспечено выделение углерода или водорода из соединения-донора углерода или водорода, причем указанный водород используется в различных целях в одной или нескольких местных подсистемах, либо на значительном расстоянии после однократного или многократного промежуточного хранения в одной или нескольких геологических формациях. Согласно аспекту данного варианта выполнения, указанный водород обеспечивает расширение в одном или нескольких средствах расширения, а затем может использоваться в топливном элементе или для сжигания в средствах, выбранных из группы, состоящей из двигателя внутреннего сгорания, двигателя внешнего сгорания, теплового двигателях парового цикла, и в средствах для комбинированных тепловых и мощностных сфер использования.

[00188] В другом варианте выполнения обеспечено каталитическое выделение водорода из вещества, полученного благодаря воздействию микроорганизмов на биомассу. Согласно аспекту данного варианта выполнения, указанный катализатор является органическим. Другой аспект данного варианта выполнения включает импульс, выбранный из группы, включающей радиоактивную, вибрационную, электродвижущую и магнитную силу, используемую вкупе с указанным катализатором.

[00189] В другом варианте выполнения обеспечена установка для преобразования энергии, содержащая описанные в настоящем раскрытии элементы, включая особенности, связанные с восходящей и нисходящей тягой, колодцами, геологическими формациями, трубопроводами, группами водосборных бассейнов и полимерным материалом. Согласно аспекту данного варианта выполнения, установка способна работать в различных микроклиматических зонах; указанные зоны также включают подзоны; а указанные подзоны включают уникальные температурные характеристики, влажность, природные ресурсы или характеристики переноса энергии, которыми можно управлять для выполнения работы.

[00190] В другом варианте выполнения обеспечена система двигателя для устойчивого экономического развития, включающая: способ выполнения экономических стимулов, повышающих продуктивность; способ устранения отрицательных стимулов, снижающих продуктивность; способ формирования рабочих мест в сферах растениеводства, промышленного производства, энергетики, информационных технологий и энергоснабжения; и способ внедрения макроэкономического алгоритма устойчивости.

[00191] В другом варианте выполнения обеспечен процесс сельскохозяйственного производства, включающий способ повышения выхода урожая путем снижения стоимости энергии, используемой на получение урожая; способ снижения необходимости в удобрениях посредством возвращения микроэлементов в почву; способ удобрения сельскохозяйственных культур водорослями; систему водоиспользования; систему выработки энергии и энергоснабжения; и использование CO₂ для повышения урожайности посевов.

[00192] В другом варианте выполнения обеспечена система выращивания сельскохозяйственных культур в микроклимате, который можно по необходимости изолировать или обеспечивать отслеживаемый доступ к окружающей среде с целью добавления воздуха (восходящая/нисходящая тяга) или осадков; и макросистема производства пищевых продуктов для сбора сельскохозяйственного мусора (стеблей, соломы) и преобразования его в углерод или водород.

[00193] В другом варианте выполнения обеспечена система разведения рыбы, включающая: способ обеспечения питательных веществ, кислорода и чистой воды для поддержания разведения рыбы; система слежения и управления за температурой для поддержания среды; и система выделения белка, углеводов, жиров, витаминов и минералов из биомассы или жидкой массы в качестве питания для рыбы.

[00194] В другом варианте выполнения обеспечена система разведения птицы, свиней, коров (животноводства), включающая: систему выращивания животных в управляемой среде; систему выращивания кормовых сельскохозяйственных культур, лишенных пестицидов или удобрений; и систему водоиспользования для очистки воды путем выделения водорода из кислотного дождя и других источников подкисленной воды, включая воду, доведенную до подкисленного состояния восстановителями.

[00195] В другом варианте выполнения обеспечен процесс преобразования энергии, включающий этапы погружения одного или нескольких жидких веществ в геологическую формацию в целях, выбранных из группы, состоящей из получения тепла, промежуточного хранения химикатов и/или энергии давления, и добычи ценных веществ из указанной формации, причем получение работы осуществляется по меньшей мере одним из указанных одного или нескольких жидких веществ в одном или нескольких устройствах для преобразования энергии, причем по меньшей мере одно из указанных одного или нескольких жидких веществ подготавливают до получения агрегатного состояния, выбранного из группы, состоящей из жидкости, смеси жидкости и пара, пара или газа, который доставляют для обеспечения привода указанного одного или нескольких устройств для преобразования энергии. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанная геологическая формация содержит углеводороды. Другой аспект данного варианта выполнения включает процесс, в ходе которого, после погружения одного или нескольких жидких веществ в геологическую формацию, указанное одно или несколько жидких веществ получают дополнительное тепло из источников, выбранных из группы, состоящей из солнечных источников, промышленных источников, коммерческих источников и тепловых двигателей. Другой аспект данного варианта выполнения включает процесс, в ходе которого указанную жидкость получают на высоте, обеспеченной вариантом выполнения, выбранным из группы, состоящей из башни ветряной турбины, холма или иного топографического образования, расположенного на возвышении, башни связи и специально возведенной башни.

[00196] Другой вариант выполнения обеспечивает процесс производства и подготовки жидкости посредством процесса, выбранного из группы, включающей каталитическое извлечение из анаэробной переработанной жидкой массы биореактора, производство путем электролиза соединения, содержащего водород, и комбинированный электрический и каталитический импульс для получения рабочей жидкости из анаэробной жидкой массы биореактора. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанная жидкость выбрана из группы, состоящей из водорода, углекислого газа и смеси водорода и углекислого газа. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанную жидкость вводят в геологическую формацию для осуществления целей, выбранных из группы, включающей хранение химической потенциальной энергии, хранение нагнетательной потенциальной энергии, хранение химической и нагнетательной потенциальной энергии, теплообмен между указанной формацией и указанной жидкостью, перенос веществ из указанной формации в указанную жидкость и выработка веществ из указанной формации в результате наличия указанной жидкости. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанная жидкость используется для привода устройства для преобразования энергии.

[00197] В другом варианте выполнения обеспечен процесс производства и использования геотермального тепла для выработки и транспортировки жидкостей, выбранных из группы, включающей углекислый газ, метан и водород, для целей, выбранных из группы, включающей выращивание водных растений, выращивание парниковых растений, обслуживание гидропонных производственных установок и использование в качестве рабочей жидкости для обеспечения работы одного или нескольких устройств для преобразования энергии. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанные водные растения выбраны из группы, состоящей из водорослей.

[00198] В другом варианте выполнения обеспечена система преобразования органических материалов в одно или несколько жидких веществ, выбранных из группы, включающей метан, этан, метиловый спирт, этиловый спирт, водород, сульфид водорода, угарный газ и углекислый газ, причем удаление части указанных веществ, выбранной из группы, включающей сульфид водорода, угарный газ и углекислый газ, осуществляется при помощи процесса избирательного удаления, выбранного из группы, включающей адсорбцию с перепадом давления, адсорбцию с перепадом температуры, абсорбцию в растворе и мембранное разделение, и причем указанный процесс преобразования органического материала в жидкости осуществляется при помощи противоточного теплообмена с источниками, выбранными из сжигания части одного или нескольких указанных жидких веществ, одного или нескольких указанных жидких веществ после их получения при температуре выше, чем температура указанного органического материала, одного или нескольких указанных жидких веществ после их нагревания до температуры выше, чем температура указанного органического материала, и теплообмена с устройством для преобразования энергии, выбранным из группы, включающей двигатель внутреннего сгорания, двигатель внешнего сгорания, двигатель расширения и топливный элемент. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанное устройство для преобразования энергии использует вещество, выбранное из указанных жидких веществ. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанные органические материалы преобразовывают в указанные жидкие вещества, а углерод связывают из одного или нескольких указанных веществ для получения твердых продуктов с целью предотвращения выброса указанного углерода в атмосферу в виде соединения газа. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанные органические материалы преобразуют в указанные жидкие вещества на участке, где имеется богатый запас указанных органических материалов, а одну или несколько указанных жидкостей транспортируют на участки, где углерод связывают из одной или нескольких указанных жидкостей для производства твердых продуктов с целью предотвращения выхода указанного углерода в атмосферу в виде соединения газа. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанные органические материалы высушивают до преобразования в указанные жидкие вещества посредством противоточного теплообмена с источниками, выбранными из: сжигания части одного или нескольких указанных жидких веществ, одного или нескольких указанных жидких веществ после их получения при температуре выше, чем температура указанного органического материала, одного или нескольких указанных жидких веществ после их нагревания до температуры выше, чем температура указанного органического материала, и теплообмена с устройством для преобразования энергии, выбранным из группы, включающей двигатель внутреннего сгорания, двигатель внешнего сгорания, двигатель расширения и топливный элемент. Другой аспект данного варианта выполнения включает нагнетание указанных жидких веществ посредством одного или нескольких процессов, выбранных из группы, включающей уплотнение при помощи шнекового конвейера, уплотнение при помощи поршня и смена фазы от твердого вещества к более объемной жидкости.

[00199] В другом варианте выполнения обеспечен процесс работы средств двигателя внутреннего сгорания, в ходе которого жидкое топливо вносят в указанный двигатель в интервалы времени, регулируемые закрытыми в положении покоя средствами клапана, приводимыми при помощи средств механического движения, причем указанный процесс осуществляется с частотой, эквивалентной единице получения энергии в указанном двигателе, причем указанное внесение топлива является управляемым с целью выполнения задач, выбранных из группы, включающей простой двигателя, производство энергии, превосходящее состояние простоя и полномасштабное производство энергии. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанные средства клапана регулируются средствами, выбранными из группы, включающей электромагнитные средства, на которые воздействуют до указанного привода при помощи средств механического движения, электромагнитные средства, на которые воздействуют в ходе указанного привода при помощи средств механического движения, после указанного привода электродвижущими средствами, причем указанные электродвижущие средства выбраны из группы, включающей электромагнитный соленоид, пьезоэлектрическое устройство и устройство с магнитной жидкостью. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанные средства клапана приводятся указанными средствами механического движения, обеспеченными средствами процесса, выбранными из группы, включающей средства вращающегося кулачка, соединенные со средствами механического толкателя с целью обеспечения значительного отделения указанных средств клапана от указанных средств кулачка, причем средства вращающегося кулачка соединены со средствами коромысла, приводящими указанные закрытые в положении покоя средства клапана для обеспечения значительного отделения указанных средств клапана от указанных средств кулачка. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанное топливо вводится на участки и согласно условиям, выбранным из группы, включающей средства камеры сгорания после того, как указанные средства камеры сгорания были закрыты при подготовке к сгоранию, указанные средства камеры сгорания в точке, где происходит зажигание при помощи средств искрового зажигания, указанные средства камеры сгорания в точке, где происходит зажигание при помощи средств каталитического зажигания, указанные средства камеры сгорания в точке, где происходит зажигание при помощи средств теплового зажигания, и участок, выбранный с целью использования момента указанного топлива для формирования усиленного потока газообразного окислителя, в указанные средства камеры сгорания.

[00200] В другом варианте выполнения обеспечен процесс работы двигателя внутреннего сгорания, в котором жидкое топливо вносится в средства камеры сгорания указанного двигателя при помощи средств, распределяющих указанное топливо по участкам внутри газообразного окислителя с целью выполнения условий, выбранных из следующей группы: распределение указанного топлива внутри указанного окислителя, присутствующего в количествах, превышающих количества, способные химически связываться с указанным топливом, распределение указанного топлива внутри указанного окислителя с целью завершения сгорания указанного топлива в указанном окислителе до того, как указанное топливо вступит в контакт с какой-либо твердой поверхностью, определяющей указанную камеру сгорания в дополнение к указанным средствам внесения топлива, и распределение указанными средствами внесения топлива на асимметричные участки внутри указанной камеры сгорания.

[00201] В другом варианте выполнения обеспечена система противоточного теплообмена между донором водорода и продуктами диссоциации указанного донора водорода. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, диссоциация осуществляется при помощи тепла, полученного из группы источников, состоящей из захваченного солнечного тепла, тепла сгорания, тепла геологической формации и отраженного тепла от несгорающего источника.

[00202] В другом варианте выполнения обеспечена система выделения, включающая: выделение углерода или водорода из соединения-донора углерода или водорода, причем указанный водород используется в различных целях в одной или нескольких местных подсистемах, либо на значительном расстоянии после однократного или многократного промежуточного хранения в одной или нескольких геологических формациях. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанный водород обеспечивает расширение в одном или нескольких средствах расширения, а затем может использоваться в топливном элементе или для сжигания в средствах, выбранных из группы, состоящей из двигателя внутреннего сгорания, двигателя внешнего сгорания, теплового двигателя парового цикла, и в средствах для комбинированных тепловых и мощностных сфер использования.

[00203] В другом варианте выполнения обеспечена система выделения водорода, включающая: каталитическое выделение водорода из веществ, полученных благодаря воздействию микроорганизмов на биомассу. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанный катализатор является органическим. Другой аспект данного варианта выполнения включает импульс, выбранный из группы, включающей радиоактивную, вибрационную, электродвижущую и магнитную силу, используемую вкупе с указанным катализатором.

[00204] В другом варианте выполнения обеспечена установка для преобразования энергии, содержащая описанные в настоящем раскрытии элементы, включая особенности, связанные с восходящей и нисходящей тягой, колодцами, геологическими формациями, трубопроводами, группами водосборных бассейнов и полимерным материалом. Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, указанная установка способна работать в различных микроклиматических зонах; указанные зоны также включают подзоны; а указанные подзоны включают уникальные температурные характеристики, влажность, природные ресурсы или характеристики переноса энергии, которыми можно управлять для выполнения работы.

[00205] В другом варианте выполнения обеспечена система двигателя для устойчивого экономического развития, включающая: способ выполнения экономических стимулов, повышающих продуктивность; способ устранения отрицательных стимулов, снижающих продуктивность; способ формирования рабочих мест в сферах растениеводства, промышленного производства, энергетики, информационных технологий и энергоснабжения; и способ внедрения макроэкономического алгоритма устойчивости; фермерские хозяйства внутри (рукотворных) микроклиматов населенных пунктов (городов с устойчивым развитием; оборудование для ферм, полученное из выделенного углерода; и польза для здоровья.

[00206] В другом варианте выполнения обеспечен процесс сельскохозяйственного производства, включающий: способ повышения выхода урожая путем снижения стоимости энергии, используемой на получение урожая; способ снижения необходимости в удобрениях посредством возвращения микроэлементов в почву; способ удобрения сельскохозяйственных культур водорослями; систему водоиспользования; систему выработки энергии и энергоснабжения; CO₂ для повышения урожайности посевов; систему выращивания сельскохозяйственных культур в микроклимате, которую можно по необходимости изолировать или обеспечивать отслеживаемый доступ к окружающей среде с целью добавления воздуха (восходящая/нисходящая тяга) или осадков; макросистему производства пищевых продуктов для сбора сельскохозяйственного мусора (стеблей, соломы) и преобразования его в углерод или водород.

[00207] В другом варианте выполнения обеспечена система разведения рыбы, включающая: способ обеспечения питательных веществ, кислорода и чистой воды для поддержания разведения рыбы; система слежения и управления за температурой для поддержания среды; и система выделения белка, углеводов, жиров, витаминов и минералов из биомассы или жидкой массы в качестве питания для рыбы.

[00208] В другом варианте выполнения обеспечена система разведения птицы, свиней, коров (животноводства), включающая: систему выращивания животных в управляемой среде; систему выращивания кормовых сельскохозяйственных культур, лишенных пестицидов или удобрений; и систему водоиспользования для очистки воды путем выделения водорода из кислотного дождя и других источников подкисленной воды, включая воду, доведенную до подкисленного состояния восстановителями, систему для использования капельного полива культур.

[00209] В другом варианте выполнения обеспечена система водоиспользования, включающая: систему очистки воды, способ нейтрализации и очистки кислотного дождя; способ выделения водорода из кислотного дождя; систему использования капельного трубопровода для полива культур.

[00210] Согласно другому аспекту, способ устойчивого экономического развития включает средства преобразования солнечных, ветряных, ресурсов движущейся воды, органических или геотермальных ресурсов в электроэнергию, водород, водородсодержащие соединения или углеродсодержащие соединения, причем указанный водород используется для изготовления средств товаров длительного пользования, средств оборудования для обеспечения указанного преобразования или средств компонентов для транспортировки. Способ может также включать средства добавления, хранения и распространения указанного водорода или указанных водородсодержащих соединений или указанных углеродсодержащих соединений по средствам трубопровода для природного газа, а также хранение указанного водорода или указанных водородсодержащих соединений или указанных углеродсодержащих соединений в средствах нефтяной геологической формации или в других средствах геологической формации. Способ может также включать средства для удаления, добавления, хранения и распределения веществ из указанных средств нефтяной геологической формации или других средств геологической формации вместе с указанным водородом или указанными водородсодержащими соединениями или указанными углеродсодержащими соединениями. Согласно другому аспекту, способ может также включать средства для удаления тепла из указанных средств нефтяной геологической формации или других средств геологической формации вместе с указанным водородом или указанными водородсодержащими соединениями или указанными углеродсодержащими соединениями. Согласно другому аспекту, способ может также включать средства для преобразования указанного тепла из указанных средств нефтяной геологической формации или других средств геологической формации в движущую работу. Способ может также включать средства для комбинирования преобразования солнечных, ветряных, ресурсов движущейся воды, органических или геотермальных ресурсов, водорода, водородсодержащих соединений или соединений с преобразованием указанного тепла из указанных средств нефтяной геологической формации или других средств геологической формации, в движущую работу. Способ может также включать средства для преобразования указанной солнечной энергии в средства биомассы, выбранные из группы, включающей средства питания, средства волокон, средства топлива и средства сырья для средств промышленности.

[00211] В нижеследующих вариантах выполнения раскрыт электролизер, используемый в вышеописанных вариантах выполнения.

[00212] В одном варианте выполнения настоящего изобретения обеспечен электролитический элемент, включающий герметичную оболочку; первый электрод; второй электрод; источник электрического тока, электрически связанный с первым электродом и вторым электродом; электролит, находящийся в водной связи с первым электродом и вторым электродом; газ, причем газ формируется в ходе электролиза на первом электроде или около него; и сепаратор; причем сепаратор содержит наклонную поверхность, направляющую поток электролита и газа благодаря разнице между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа, в результате чего газ по существу протекает в дистальном направлении ко второму электроду.

[00213] В другом варианте выполнения обеспечен электролитический элемент, включающий герметичную оболочку; первый электрод; второй электрод; источник электрического тока, электрически связанный с первым электродом и вторым электродом; электролит, находящийся в водной связи с первым электродом и вторым электродом; газ, причем газ формируется в ходе электролиза на первом электроде или около него; участок выделения газа; и сепаратор, причем сепаратор содержит две наклонные плоскости в форме буквы V; причем сепаратор направляет поток электролита и газа благодаря разнице между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа, в результате чего газ по существу протекает в дистальном направлении ко второму электроду, и причем сепаратор также выполнен с возможностью содействия циркуляции электролита между первым электродом, участком выделения газа и вторым электродом для обеспечения первого электрода и второго электрода свежим электролитом.

[00214] В еще одном варианте выполнения обеспечен электролитический элемент, включающий герметичную оболочку; первый электрод; второй электрод; источник электрического тока, электрически связанный с первым электродом и вторым электродом; электролит, находящийся в водной связи с первым электродом и вторым электродом; газ, причем газ формируется в ходе электролиза на первом электроде или около него; и сепаратор; причем сепаратор содержит наклонную поверхность, направляющую поток электролита и газа благодаря разнице между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа, в результате чего газ по существу протекает в дистальном направлении ко второму электроду.

[00215] В другом варианте выполнения обеспечен электролитический элемент и способ его использования. Электролитический элемент может быть использован для выполнения множества задач, но в данном варианте выполнения описано его использование для получения водорода и кислорода. Электролитический элемент согласно настоящему варианту выполнения обеспечивает реверсивное разделенное производство водорода и кислорода под давлением и допускает наличие примесей и продуктов работы. Вариант выполнения также обеспечивает вариант осуществления процесса электролиза, включающий этапы подачи диссоциируемого вещества, нагнетаемого в значительно меньшей мере, чем желательно для компактного хранения, приложения электродвижущей силы между электродами для получения жидких продуктов, имеющих меньшую плотность, чем диссоциируемое вещество, и ограничения расширения менее плотных жидких продуктов до тех пор, пока не будет достигнуто значение давления, желательное для компактного хранения. Этот и другие варианты выполнения способны увеличить эффективность использования энергии в жилых зданиях, таких как жилые дома, рестораны, гостиницы, больницы, консервные заводы и прочие коммерческие здания, посредством использования тепловых двигателей или топливных элементов, а также способны использовать тепло из указанных источников для приготовления пищи, обеззараживания воды и доставки тепла другим веществам, обеспечения нагревания воздуха или ускорения анаэробного или вызванного электричеством выделения топлива для указанных двигателей или топливных элементов. Кроме того, специалисту будет очевидно, что аспекты описанных вариантов выполнения могут быть применены и с другими видами электрохимических элементов с обеспечением сходных преимуществ.

[00216] В отличие от обычных электрохимических электродов, во многом зависящих от относительно медленных процессов диффузии, конвекции и градиента концентрации, для обеспечения массового переноса и/или доставки ионов для получения желаемых компонентов, настоящий вариант выполнения обеспечивает более эффективный массовый перенос, включающий процессы быстрого возмещения ионов и доставки на желаемые электроды посредством закачивания газов низкой плотности, выходящих из более плотной жидкой среды, как описано в настоящем раскрытии. Это позволяет обеспечить более высокую электрическую эффективность, более быструю диссоциацию и более высокую эффективность разделения, а также предотвратить нежелательные побочные реакции. Повышение скорости и эффективности получения ионов и доставки на электроды позволяет повысить КПД системы и существующее ограничение на зону электрода.

[00217] На фиг.1B показан электролитический элемент 2b, в котором размещен контейнер 4b, такой как металлическая трубка, служащий в качестве герметичной оболочки. По желанию контейнер 4b может также служить в качестве электрода, как показано на фиг.1B. Пористый электрод, такой как цилиндрический проводящий электрод 8b из проволочной сетки, расположен соосно и отделен от трубчатого электрода 4b электролитическим объемом жидкости, такой как кислота или основание. Жидкий электролит занимает внутреннее пространство контейнера 4b до жидкостно-газовой границы в изоляторе 24b. Слой гальванизированного, плазмораспыленного или наплавного электродного материала на диэлектрическом рукаве или проводящем цилиндрическом внутреннем электроде 4b' (не показан) может быть выполнен внутри контейнера 4b, выполняя роль электрически отделенного элемента агрегата с целью обеспечения легкой замены при обслуживании, или для выполнения роли одного из нескольких сегментированных электродных элементов с целью обеспечения необязательной полярности, и/или в последовательных, параллельных или последовательно-параллельных соединениях. В настоящем реверсивном варианте выполнения для электролиза воды электрод 8b может считаться источником электронов или катодом, так как водород выделяется на электроде 8b, а электрод 4b может считаться анодом, так как кислород выделяется на электроде 4b. Контейнер 4b может быть выполнен с возможностью нагнетания. Нагнетание содержимого контейнера 4b ограничено герметичными крышками 30b и 46b. Опора, электроизоляция и стабилизация компонентов, включая электрод 8b, газовый сепаратор 10b и электрическое соединение 32b, обеспечена диэлектрическими изоляторами 20b и 24b, как показано на чертеже. Нагнетание электролитического элемента 2b может быть выполнено методом самонагнетания вследствие выработки газа или газов в ходе электролиза, посредством внешнего источника, такого как насос, или посредством любой комбинации указанных методов.

[00218] Сепаратор 10b выполнен проницаемым для жидкости, но таким образом, чтобы по существу предотвратить ток газа или транспорт от катодной стороны сепаратора к анодной стороне сепаратора и обратно, включая по существу предотвращение тока газа, растворенного в электролите, или после образования пузырьков газа. По желанию электрод 8b может быть выполнен с возможностью работы в качестве сепаратора 10b, благодаря чему отдельного сепаратора не требуется. В другом варианте сепаратор 10b может содержать электрод 8b, либо электрод 8b может содержать сепаратор 10b. Кроме того, сепаратор 10b может также содержать анодный электрод 4b, либо анодный электрод 4b может содержать сепаратор 10b.

[00219] Изолятор 24b имеет форму, показанную на чертеже и необходимую для разделения, сбора и/или выделения газов, полученных электродами, такими как 4b и 8b, включая использование в комбинации с сепаратором 10b. Имея концентрическую цилиндрическую форму, показанную на чертеже, изолятор 14b содержит центральное коническое углубление, в котором собирают газы, выделенные на электроде 8b. Кольцевая зона, собирающая газы, выделенные с поверхностей электрода 4b' или изнутри контейнера-электрода 4b, концентрически окружает указанное центральное углубление.

[00220] По желанию каталитический фильтр 48b может быть размещен в верхнем канале сбора 24b, как показано на чертеже. Кислород, которому удается достичь каталитического фильтра 48b, включая перемещение путем пересечения сепаратора 10b, можно каталитически вовлечь в процесс образования воды путем реакции с водородом, которая затем может быть возвращена в электролит. Обширные излишки водорода могут служить в качестве поглотителя тепла с целью предотвратить влияние тепла, выделенного в ходе указанной каталитической реакции, на электролитический элемент. Очищенный водород поступает на муфту 26b, как показано на чертеже. Сходным образом может быть предпочтительно выполнить каталитический фильтр 49b на верхнем участке окружного кольца, собирающего кислород, как показано на чертеже, для преобразования водорода, достигающего кислородного кольца, в воду. Кислород удаляют при помощи муфты 22b, как показано на чертеже. В другом варианте каталитические фильтры могут быть размещены на муфтах 22b и 26b, рядом с ними или внутри них.

[00221] В качестве примера работы устройства, если веществом, подвергаемым диссоциации на водород и кислород, является вода, приготавливают подходящий электролит, такой как водный раствор бикарбоната натрия, натриевой щелочи, гидроксида калия или серной кислоты, и поддерживают его на желаемом уровне, отображаемом при помощи датчика 50b, определяющего наличие жидкости, и сигнального контроллера 52b, управляющего насосом 40b для добавления воды из подходящего источника, такого как резервуар 42b, что требуется для получения или поддержания желаемого объема или давления. Таким образом, контроллер 52b реагирует на температуру или данные датчика контроля давления 58b, который может быть выполнен в виде единого блока с датчиком уровня жидкости 50b или датчиком объема жидкости 51b, и управляет насосами 36b и 40b, а также теплообменником 56b, который может содержать насос для циркуляции такой системы, как радиатор или нагреватель (не показан), для получения или доставки энергии. Сходным образом вкупе с указанными операциями может быть использован нагревающий или охлаждающий вентилятор, с целью повысить качество приема или отведения тепла от источников, связанных с электролитическим элементом 2b.

[00222] В некоторых вариантах выполнения, в которых электролитический элемент 2b используется циклически, например когда избыток электроэнергии является недорогим и не требуется для других целей, электролитический элемент 2b может работать при значительных изменениях объема воды. В ситуации, когда избыток электроэнергии недоступен или отключен, водород и кислород можно извлечь из контейнера 4b, а системе можно позволить вернуться к атмосферному давлению. Затем можно добавить воду под атмосферным давлением, полностью загрузив систему, а указанная вода может занимать большой кольцевой объем вокруг окружности изолятора 24b, что может быть желательно для ускорения подобного циклического заполнения под низким давлением и выполнения электролиза для доставки водорода или кислорода под желаемым высоким давлением, необходимым для обеспечения давления или химической энергии с целью выполнения преобразований, обеспечения компактного хранения, и обеспечения быстрого переноса в автомобили, инструменты или принимающие приборы.

[00223] После приложения тока и выработки объемных газовых запасов водорода и кислорода из гораздо меньшего объема воды систему можно нагнетать по желанию, и она остается сжатой до тех пор, пока объем воды в растворе не истощится до значений, определяемых датчиками 50b или 51b, что позволяет контроллеру 52b либо прервать цикл электролиза, либо добавить воду посредством нагнетающего насоса 40b из резервуара 42b, как показано на чертеже. Может быть предпочтительным добавлять воду посредством клапана, такого как запорный клапан 44b, как показано на чертеже, чтобы обеспечить множественные функции или техобслуживание насоса 40b, как того требует ситуация.

[00224] Обращаясь к фиг.1B, 2B и 3B, на фиг.2B показан один вариант выполнения сепаратора 10b, показанного на фиг.1B, в котором сепаратор содержит две наклонные поверхности в форме буквы V. Если электролит является водным, электроны добавляются на пористый электрод 8b, такой как цилиндр из витой проволоки, посредством соединения 32b, и удаляются из контейнера 4b посредством электрического соединения 6b для обеспечения непрерывного преобразования ионов водорода в атомы водорода, а затем - в двухатомные молекулы, которые могут формировать пузырьки газа на электроде 8b или рядом с ним. Пузырьки водорода и кислорода обычно обладают значительно меньшей плотностью, чем водные электролиты, и благодаря этому всплывают кверху. Пузырьки водорода также всплывают кверху и отделяются от водорода благодаря геометрической форме соосного сепаратора 10b, как показано на увеличенном виде в разрезе на фиг.2B. Конфигурация, показанная на фиг.2B, может использоваться для любых задач, при выполнении которых желательно наличие потока газа, полученного в ходе работы электролитического элемента 2b. Кроме того, указанная конфигурация сепаратора может использоваться и в других конфигурациях электролитического элемента, известных из уровня техники. В другом варианте, если материалы, полученные в ходе электролиза, имеют большую плотность, чем электролит, сепаратор 10b может быть выполнен перевернутым, в форме буквы Λ. Сходным образом, если один материал, образующийся на катоде в ходе электролиза, имеет меньшую плотность, чем электролит, а другой материал, образующийся на аноде, имеет большую плотность, чем электролит, сепаратор 10b может состоять из скошенных форм ("/" или "\") для отведения менее плотного материала от более плотного материала.

[00225] Смешиванию водорода с кислородом, выделяемым из 4b' или внутри контейнера 4b, препятствует пропускающий воду барьер, сепаратор 10b, который эффективно разделяет газы посредством отражения от поверхностей 12b' и 14b, которые наклонены, препятствуя входу, току или передаче водорода и кислорода, как показано на чертеже. В другом варианте сепаратор 10b может содержать спираль, выполненную из электрически изолированного проводника или из инертного диэлектрического материала, такого как заполненный стеклом на 30% этилен-хлортрифторэтилен, а поперечное сечение спиральной ленты материала имеет конфигурацию в виде буквы V, как показано на чертеже, что позволяет ей выполнять роль электрической изоляции и газового сепаратора.

[00226] Каналы для переноса жидкости могут быть увеличены по желанию, для соответствия требованиям циркуляции жидкости и распределения, путем гофрирования полосы на отдельных участках или полностью, в особенности на каждом краю, для получения зазора между каждым слоем спирали, или в другом варианте на стопке дисков, формирующих секцию, показанную на фиг.2B, в виде увеличенных гофрированных участков, как показано на 13b в разрезе. В целом предпочтительно, если каждый из указанных гофрированных участков является волнообразным вокруг соответствующим образом наклоненной радиальной оси, более или менее как показано в отношении оси 15b и 15b'. Это позволяет выполнять в целом пропускающую жидкость, но являющуюся барьером для газа, толщину стенки сепаратора 10b, причем указанная стенка выполнена с желаемой толщиной, например около 0,2 мм (0,008 дюйма) или тоньше.

[00227] Сепаратор 10b может иметь любой подходящий размер, включая крайне малые размеры, в отношении к условиям поверхностной энергии достаточные для того, чтобы позволять жидкому электролиту перемещаться по направлению к электроду 8b или от него, но при этом не позволяя проходить газам вследствие всплывания кверху газа. В альтернативном варианте, применимом, например, в относительно маленьких топливных элементах и электролизерах, выполнено несколько выполненных через небольшие зазоры уплощенных нитей, поперечное сечение которых показано на фиг.2B, причем указанные нити вшиты или прилегают к нитям, обеспечивающим практически открытый доступ жидкости, и расположенным преимущественно в вертикальном направлении на одной или обеих сторонах нитей, выполненных в виде буквы V. Это позволяет выполнять в целом пропускающую жидкость, но являющуюся барьером для газа, толщину стенки сепаратора 10b, причем указанная стенка выполнена с толщиной около 0,1 мм (0,004 дюйма) или тоньше.

[00228] Из-за всплывания кверху сталкивающиеся с наклонными поверхностями 12b и 14b пузырьки газа отражаются от них. Благодаря этому устранены проблемы и сложности при осуществлении подходов, известных из уровня техники, приводящие к неэффективной работе вследствие одного или нескольких факторов, таких как электрическое сопротивление, загрязнение, застой, коррозия и потери поляризации. Более того, многие конфигурации способны содействовать циркуляции электролита в концентрических слоях из-за нагнетающего эффекта всплывающих пузырьков, формирующего ток электролита кверху, и при выходе газа или газов с поверхности жидкости относительно свободный от газа и более плотный электролит течет ко дну и заменяет менее плотный электролит, смешанный с пузырьками или содержащий растворенный газ. Теплообменник 56b может использоваться по мере необходимости для добавления или удаления тепла из электролита, циркулирующего от верха контейнера 4b к его дну, как показано на чертеже. Насос 36b может использоваться по мере необходимости для повышения скорости циркуляции электролита, либо вкупе с насосом 40b для добавления дополнительной воды.

[00229] В некоторых вариантах выполнения используются более плотные потоки, включая системы, характеризующиеся быстрым добавлением органического материала. В таких вариантах выполнения может быть предпочтительным обеспечивать циркуляцию электролита посредством насоса 36b, возвращающего относительно свободный от газа электролит через муфту 28b по линии 34b к насосу 36b, возвращая его в контейнер 4b по линии 38b через муфту 16b, как показано на чертеже. Может быть предпочтительным вносить возвратный электролит через муфту 16b под углом, обеспечивая вихревую доставку, в результате чего электролит продолжает завихряться и тем самым синергетически улучшает разделение, включая работу сепаратора 10b, который может быть использован, как описано выше. В зависимости от давления в ходе работы водород имеет плотность и подъемную силу примерно в 14 раз меньше, чем кислород, и может быть легко направлен кверху с большей скоростью при помощи сепаратора 10b для сбора под давлением через фильтр 18b на муфте 26b. При очень высокой плотности потока, а также в случаях, когда электролитический элемент 2b подвергают наклону или действию сил инерции, что возможно при транспортировке, скорость перемещения электролита повышают при помощи насоса 36b для улучшения вихревого разделения и, тем самым, предотвращения смешивания газов, полученных на аноде, с газами, полученными на катоде.

[00230] Некоторые варианты выполнения непроводящего газового барьера, пропускающего жидкость, включая сепаратор 10b, позволяют производить значительно менее дорогие и гораздо более надежные и эффективные реверсивные электролизеры, чем было возможно при использовании известных подходов, включая подходы, зависящие от протонообменных мембран для разделения таких газов, как водород и кислород. Согласно одному аспекту, сепаратор 10b может быть приспособлен для ускорения потока электролита при электролизе. Например, сепаратор 10b может быть выполнен с возможностью содействия спиральному току ионов в жидком объеме электролита, движущегося кверху от порта 16b до порта 28b. Это позволяет обеспечить работу аппарата, при которой каждый участок электродов получает ионы возмещенной плотности, что необходимо для обеспечения максимальной электрической эффективности. Подобное омывание электродов также способно быстро удалять пузырьки водорода и кислорода по мере их формирования на соответствующих электродах электрохимического элемента.

[00231] На фиг.3B показан торцевой вид участков листов компонентов или спиральных полос согласно другому аспекту сепаратора 10b для обеспечения электрической изоляции соседних электродов, включая плоскую пластину и концентрические электродные конструкции, при этом достигая разделения видов газа, как описано выше. В агрегате 11b листы 12b' и 14b' образуют поперечное сечение, напоминающее и функционально повторяющее сечение сепаратора 10b. Плоский проводящий или непроводящий полимерный лист 12b' изготавливают с множеством мелких отверстий на параллельных средних линиях, наклоненных с формированием значительных углов, таких как показаны в виде первого угла 15b от примерно 35° до 70°, относительно длинной оси листа 12b', как показано на чертеже. Полимерный лист 14b' сходным образом изготавливают с множеством мелких отверстий на параллельных средних линиях, значительно наклоненных, как показано в виде второго угла 15b' от примерно 35° до 70°, относительно длинной оси листа 14b', как показано на чертеже.

[00232] В других вариантах выполнения, углы 15b и 15b' могут варьироваться в зависимости от разделяемого в ходе электролиза материала. Например, углы могут быть направлены вниз для электролиза соединений, не имеющих газового компонента или имеющих только один газовый компонент. Если соединение, такое как Al₂O₃, диссоциируют путем электролиза в криолитово-глиноземном электролите с получением алюминия и кислорода, алюминий оказывается более плотным, чем криолитово-глиноземный электролит, а выделяющий алюминий катод или соответствующий сепаратор будет выполнен (например, с направленными вниз углами) с возможностью отправлять алюминий книзу и по направлению от идущего кверху кислорода.

[00233] Множество указанных мелких отверстий с диаметрами примерно от 1/12 до 1/3 толщины листа могут быть легко выполнены в листах 12b' и 14b' посредством подходящих приемов, включая лазерную прошивку, прошивку горячей иглой или путем высокоскоростного пробивания частицами. Листы 12b' и 14b' имеют толщину примерно от 0,025 до 0,25 мм (0,001-0,10 дюйма) и могут быть скреплены посредством сварки или иного соединения, связаны нитью, соединены при помощи эластичных лент или при помощи одного или нескольких витков проводящей или непроводящей проволоки по своему итоговому внешнему диаметру, формируя агрегат с электродом 8b. Листы 12b' и 14b' могут также быть дискретно или полностью соединены друг с другом посредством адгезива или путем теплового сплавления или сплавления при помощи растворителя. Таким образом, в точках, где наклоненные отверстия листа 12b' совпадают с отверстиями листа 14b', формируются каналы, позволяющие жидкости и/или электролиту проходить сквозь них, но при этом не позволяя газу проходить через полученную таким образом мембрану газового барьера. Обращаясь к фиг.1B и 4B, трубчатые конструкции собранных листов газового барьера могут быть выполнены с соответствующим диаметром для вариантов выполнения 2b или 100b путем слипания или сварки стыкового шва, либо путем формирования перекрывающего шва, выполняющего функцию разделяющего газового барьера.

[00234] Для электролиза воды подходит целый ряд электролитов. В одном варианте может быть использован гидроксид калия с низкоуглеродистой сталью для герметичной оболочки 4b. Длительный срок службы с повышенной стойкостью к коррозии может быть обеспечен цилиндром с никелевым покрытием 4b или при использовании подходящего сплава нержавеющей стали. Согласно другим аспектам, повышенная герметичность оболочки может быть получена путем покрытия цилиндра 4b высокопрочным кожухом из такого материала, как стекло, керамика или углеволокно, либо из комбинации указанных материалов.

[00235] В зависимости от конкретного применения и требований к прочности для изоляции сепараторов 20b и 24b может быть предпочтительным использовать заполненный стеклом примерно на 30% этилен-хлортрифторэтилен. Электрод 8b может быть выполнен из витой никелевой проволоки или проволоки из нержавеющей стали типа 316. Сепаратор 10b может быть выполнен из полоски заполненного стеклом примерно на 30% этилен-хлортрифторэтилена.

[00236] В другом варианте выполнения, также предполагается использовать контролируемое приложение электроэнергии для получения метана или водорода отдельно либо в предпочтительных смесях из органических электролитов. Согласно некоторым аспектам, настоящий вариант выполнения может работать вкупе с вариантами выполнения из совместно рассматриваемой патентной заявки, включая заявку № 09/969860, включенную в настоящую заявку путем ссылки. Процессы анаэробной переработки органических материалов, в результате которых обычно получают метан, могут быть управляемыми, в результате чего получают электролит, выделяющий водород при значительно более низком напряжении или с уменьшением времени работы широтно-импульсного модулируемого цикла работы, а также итоговых затрат электроэнергии, необходимой для диссоциации воды.

[00237] Кислотность или pH органического раствора, получаемого посредством микробной переработки, может поддерживаться при помощи естественного взаимодействия с бикарбонатным буфером. Бикарбонатный буфер может сопровождаться побочным выделением углекислого газа в процессе переработки. Процесс может быть обобщен в отношении различных этапов процессов анаэробной переработки органических соединений и выражен в качестве примера переработки простого углевода или глюкозы, который может включать множество конкурирующих и взаимодействующих этапов процесса, таких как:

C6H12O6+(анаэробные кислотообразующие бактерии, факультативные бактерии)→CH3COOH	Уравнение 1
CH3COOH+NH4HC6O3→CH3COONH4+H2O+CO2	Уравнение 2
3CH3COONH4+3H2O (бактерии)→3CH4+3NH4HCO3	Уравнение 3

[00238] В случаях когда из подобных растворов желательно получить метан, может потребоваться уровень pH около 7,0. При атмосферном давлении pH около 7,0 и температуре 35-37°C (99°F) преимущественно происходит метаногенез. В большинстве случаев обычные сточные воды содержат биологические отходы, включающие как макро-, так и микронутриенты, которые необходимы организмам, осуществляющим метаногенез. Поддержание относительно высоких концентраций растворенного и распределенного водорода или многосахаридов, присутствующих в анаэробном биореакторе, может оказывать негативный эффект на работу образующих метан микроорганизмов.

[00239] Согласно другому аспекту, увеличение выработки ценного топлива из органических веществ может быть достигнуто путем приложения электрического поля для диссоциации таких веществ, как уксусная кислота (CH₃COOH), получаемых при бактериальном разложении глюкозы и других органических соединений, а также при осуществлении других кислотообразующих процессов, при которых высвобождаются ионы водорода.

CH3COOH→CH3COO-+H+

Уравнение 4

[00240] Ионы водорода переходят или доставляются к отрицательно заряженному электроду и получают электроны, формируя водород-газ.

2H++2e-→H2

Уравнение 5

[00241] Два электрона предоставляются отрицательно заряженным электродом. На другом электроде электрохимическая реакция включает окисление иона ацетата до углекислого газа и ионов водорода, как показано в уравнении 6.

CH3COO-+2H2O→2CO2+7H++электроны

Уравнение 6

[00242] В данной реакции на электроде ионы ацетата теряют электроны, затем реагируют с водой и распадаются на углекислый газ и ионы водорода. Углекислый газ насыщает раствор и выводится через границу жидкого раствора, как описано в предыдущих вариантах выполнения. Ионы водорода циркулируют и/или перемещаются до тех пор, пока не получат с противоположного электрода электроны, в результате чего образуются атомы водорода, а затем - двухатомные молекулы, как показано в уравнении 5, для разделения совместного сбора в таких системах. Раздельный сбор является большим преимуществом, например раздельный сбор для формирования нагнетания или при высоком давлении в результате накачивания жидкости вместо сжатия газа особенно эффективен и значительно уменьшает количество основного оборудования, обычно необходимое для разделения и последующего механического сжатия полученного водорода, метана или углекислого газа.

[00243] Разложение путем анаэробной переработки соединений, таких как уксусная кислота, для получения водорода и углекислого газа требует значительно меньшего объема энергии, чем электролиз воды, отчасти из-за того, что в результате реакций переработки образуются ионы водорода и экзотермическая энергия. Запуск и поддержание экзотермического разложения кислот, таких как уксусная кислота, может быть достигнуто при меньшем напряжении, либо при помощи периодического или нерегулярного электролиза вместо постоянного электролиза, обычно требующегося для разложения воды. Свободная энергия образования воды при комнатной температуре значительно высока (по меньшей мере 1 Квт/ч=3,412 БТЕ выделенного водорода) по сравнению с электролизом веществ и кислот биореактора, таких как мочевина и уксусная кислота, до водорода и углекислого газа, что требует относительно минимальной активации и/или каталитического воздействия, в особенности при помощи органических катализаторов. Соответственно, выбранные катализаторы, включая модификации скелетных никелевых катализаторов гидрирования, сплавов никеля, олова и алюминия, выбранных металлов платиновой группы, платины-никеля и прочих поверхностных однокристаллических сплавов платины с переходными металлами, а также различных органических катализаторов, используемых вкупе с электродными системами, описанными в настоящем раскрытии, дополнительно повышают скорость и/или эффективность выработки водорода.

[00244] Согласно другому аспекту, может быть предпочтительно использовать множество элементов пар электродов, соединенных с возможностью переключения последовательно, параллельно или последовательно-параллельно, с целью обеспечить соответствие напряжения, требуемого для диссоциации при последовательном соединении элементов, доступной силе тока и напряжению источника, как показано на фиг.1B. Согласно одному аспекту данного варианта выполнения, для каждого элемента может требоваться от примерно 0,2 до 2 вольт, в зависимости от выбранного или биохимически полученного из органических веществ водного электролита, а обычный 6-вольтный фотоэлектрический источник может содержать от 3 до 30 последовательно соединенных элементов, а промышленный 220-вольтный источник может содержать от примерно 100 до 1000 последовательных электродных элементов. Полученные газы могут быть легко доставлены посредством параллельного или последовательного соединения. В зависимости от желаемой вариабельности при регулировке числа параллельных и/или последовательных соединений элемент поддержания и контроля потока 18b может быть выполнен из выбранного изолирующего или неизолирующего материала.

[00245] При различных плотностях потока, включая среднюю и низкую плотность потока, может быть предпочтительным позволить пузырькам, формирующимся для обеспечения циркуляции электролита, всплывать кверху в целях предотвращения ионного истощения и стагнации. При запуске или при более высоких плотностях потока можно использовать насос 36b и теплообменник 56b для обеспечения желательной рабочей температуры и подачи богатого ионами электролита на поверхности электродов. Это позволяет обеспечить высокую скорость преобразования энергии, причем энергия, такая как невырабатываемое на максимуме электричество, получаемое из солнечных, ветряных, ресурсов падающей воды или ресурсов волн, используется для быстрого и эффективного производства сжатых запасов кислорода и водорода или водорода и углекислого газа, или водорода и метана вместе с углекислым газом для раздельного хранения и использования.

[00246] Согласно одному аспекту данного варианта выполнения, решена проблема самовосстанавливающегося торможения автомобилей или замедления работы электростанций, при которых резкие пики большого количества энергии должны быть быстро превращены в потенциал химического топлива. Обычный топливный элемент грузовика, автобуса или поезда не в состоянии выдержать высокой плотности потока, резко приложенной к электродам топливного элемента. Настоящий вариант выполнения позволяет устранить данное ограничение и обеспечивает весьма надежный уровень устойчивости к условиям сильного тока, одновременно достигая высокой эффективности электролиза без возникновения проблем, связанных с разрушением PEM или границы электрода и присущих топливным элементам PEM. Благодаря обеспечению надежной конструкции и огромного числа возможностей для охлаждения легко обеспечивается работа при высоком токе. С другой стороны, настоящий вариант выполнения легко запустить, и он эффективно работает в весьма холодных или горячих условиях без каких-либо сложностей, ограничений и поломок, связанных с PEM.

[00247] Согласно другому аспекту, для получения значительно более высокого выхода по сравнению с вложениями в системах преобразования энергии, таких как ГЭС, ветряная электростанция, система волновых генераторов или стандартные электростанции, вариант выполнения позволяет быстро и эффективно преобразовывать внепиковую электроэнергию в водород и кислород путем диссоциации воды, или в водород и углекислый газ путем диссоциации веществ, выработанных посредством анаэробной переработки или разложения органической материи. Компактная версия варианта выполнения может занимать не больше места, чем стиральная машина, и преобразовывать внепиковую электроэнергию, которая в ином случае была бы потеряна, в количество водорода, достаточное для обеспечения энергией двух семейных автомобилей, а также покрывать домашние энергетические требования.

[00248] Как отмечено выше, некоторые раскрытые варианты выполнения обеспечивают более эффективный массовый перенос, включая процессы быстрого возмещения ионов и доставки на желаемые электроды посредством нагнетания газов низкой плотности, выходящих из более плотной жидкой среды. Это позволяет обеспечить более высокую электрическую эффективность, более быструю диссоциацию и более высокую эффективность разделения, а также предотвратить нежелательные побочные реакции. Повышение скорости и эффективности получения ионов и доставки на электроды позволяет повысить КПД системы и существующее ограничение на зону электрода. Для сфер применения, в которых органические вещества преобразуются в углекислый газ и водород или метан, особенно полезны следующие преимущества: повышенная скорость доставки органических веществ микроорганизмам, участвующим в процессе, разведение и доставка разведенных микроорганизмов с целью увеличения и самовосстановления среды биопленки, более быстрое разделение полученных газов и доставка органических веществ вкупе с более эффективной доставкой промежуточных ионов на электроды.

[00249] На фиг.4B показан другой вариант выполнения - электролитический элемент 100b, который особенно полезен для сфер применения, в которых нежелательно прилагать напряжение или проводить ток через внутренние стенки герметичной оболочки 102b. Данный вариант выполнения также позволяет ускорить последовательные соединения биполярных или многоэлектродных наборов или элементов, таких как 110b и 114b, внутри электролитического элемента 100b с целью упрощения сбора газа и выполнения требований соответствия напряжению.

[00250] Согласно одному аспекту, в котором герметичная оболочка 102b имеет цилиндрическую форму, а компоненты внутри нее выполнены концентрическими, агрегаты электродов 110b и 114b могут быть выполнены из нескольких вложенных друг в друга компонентов в виде усеченных конусов, либо один или оба электрода могут быть выполнены в виде спирального электрода, как описано выше. Электроды 110b и 114b могут иметь одинаковую, схожую или различную конфигурацию. Согласно другому аспекту, электрод 114b может быть собран из вложенных друг в друга секций в виде усеченных конусов, либо может быть спиральным электродом, непрерывно окружающим электрод 110b.

[00251] Электрическое разделение электродов 110b и 114b для предотвращения коротких замыканий может быть выполнено различными способами, включая контролируемые допуски рабочих размеров и/или использование диэлектрических нитей или волокон, размещенных между электродами 110b и 114b, и/или использование другого вида сепаратора 10b или 111b, описанного со ссылкой на фиг.2B и 5B.

[00252] Электролитический элемент 100b может находиться под давлением. Давление поддерживают при помощи верхней и нижней крышек 104b и 106b, как показано на чертеже. Изоляторы 120b и 122b опираются на крышки 104b и 106b, как показано на чертеже. Компоненты схемы и оборудование для электрических и жидкостных соединений приведены в качестве примера и могут быть выполнены путем проникновения через крышки 104b и 106b по мере необходимости для достижения конкретных целей при использовании.

[00253] В настоящем варианте выполнения, оба электрода 110b и 114b выполнены с образованием наклонных поверхностей, направляющих полученное вещество, такое как газ, в соответствующие зоны сбора, как показано на чертеже. В качестве примера, если диссоциации подвергается вода из подходящего электролита, электрод 110b может получать электроны, подаваемые через соединение 108b, изолированное в крышке 106b, при помощи пробки 132b. Таким образом, электроны поступают от электрода 114b через пробку 130b, обеспечивающую изоляцию контакта 124, в то время как газ, такой как углекислый газ или водород, выделяется на электроде 114b.

[00254] Указанные газы таким образом стремятся кверху под действием сил выталкивания и движутся более-менее кверху, доставленные электродом 114b и вдоль внутренней стенки контейнера 102b. Водород движется кверху, доставленный электродом 110b, и внутри центрального ядра, выполненного из множества витков или конических слоев электрода 110b, и собирается, как показано на чертеже, на изоляторе 120b. Очищенный водород под желаемым давлением доставляется посредством муфты давления 116b. Каталитический фильтр 134b может быть использован для преобразования любого окислителя, такого как водород, достигающего центрального ядра, в воду. Сходный материал каталитического фильтра может использоваться для получения воды из любого водорода, достигающего внешнего сборного кольца в изоляторе 120b, как показано на чертеже. Сжатый фильтрованный кислород доставляется посредством муфты давления 118b.

[00255] По желанию для повышения эффективности электролитического элемента 100b один или несколько сосудов для сбора газа (не показаны) может находиться в жидком соединении с электролитическим элементом 100b для сбора газа, полученного в ходе электролиза. Сосуд для сбора газа может быть выполнен таким образом, что он захватывает газ под повышенным давлением до момента значительного расширения газа. Сосуд для сбора газа может также быть выполнен с возможностью улавливания работы при расширении газа в соответствии со способами, известными из уровня техники. В другом варианте сосуд для сбора газа может быть выполнен с возможностью обеспечения газа под давлением для хранения, транспортировки и использования в случаях, когда желательно, чтобы газ был доставлен под повышенным давлением. Также предполагается, что указанный аспект может быть выполнен в различных электрохимических элементах.

[00256] Обращаясь к фиг.2B, согласно другому аспекту, расширитель газа может быть выполнен на, рядом с или внутри муфты 22b, муфты 26b или сосуда для сбора газа, находящегося в жидком соединении с муфтой 22b или муфтой 26b. Сходным образом, обращаясь к фиг.4B, расширитель газа может быть выполнен на, рядом с или внутри муфты 116b, муфты 118b или сосуда для сбора газа, находящегося в жидком соединении с муфтой 116b или муфтой 118b.

[00257] Согласно другому аспекту, обеспечены способ и установка для электролиза, позволяющие нагнетать жидкость, соединенные с устройством для получения работы из указанной нагнетаемой жидкости. Жидкость может представлять собой нагнетаемую жидкость, абсорбированный жидкостью газ, пар или газ. Преобразование нагнетаемой жидкости в пар или газ может осуществляться до или после прохождения муфты 116b, а устройство для преобразования давления и потока из указанных муфт может быть выбрано из группы, включающей турбину, генератор, лопастной гидромотор или различные поршневые двигатели, либо двигатель, потребляющий воздух и вводящий нагнетаемый водород из 116b. Сходным образом преобразование нагнетаемой жидкости в пар или газ может осуществляться до или после прохождения муфты 118b, а устройство для преобразования давления и потока из указанных муфт может быть выбрано из группы, включающей турбину, генератор, лопастной гидромотор или различные поршневые двигатели, либо двигатель, расширяющий и/или сжигающий нагнетаемую жидкость, такую как кислород из 118b.

[00258] Согласно другому аспекту, обеспечены установка и способ решения проблемы высокой стоимости и потерь мощности трансформатора и схемы выпрямителя. Вышеуказанное осуществляется путем регулируемого выравнивания напряжения нагрузки и напряжения источника посредством последовательного соединения электродных элементов или электродов внутри элемента, например, соединения негативной полярности источника постоянного тока с тремя нижними витками электрода 110b, со следующими тремя витками электрода 114b, со следующими тремя витками электрода 110b, со следующими тремя витками электрода 114b, со следующими тремя витками электрода 110b и т.д., а также, начиная с обратного (верхнего) конца, путем соединения положительного вывода от источника постоянного тока с тремя витками электрода 114b, со следующими тремя витками электрода 110b, со следующими тремя витками электрода 114b, со следующими тремя витками электрода 110b, со следующими тремя витками электрода 114b и т.д. Витки или стопки усеченных конусов можно корректировать для получения площади, необходимой для выравнивания с силой тока источника.

[00259] Согласно другому аспекту данного варианта выполнения, дополнительно к обеспечению разделения газов, полученных в ходе электролиза, нагнетающая работа, разработанная в некоторых вариантах выполнения изобретения, обеспечивает доставку питательных веществ микроорганизмам, которые, в зависимости от относительного масштаба работ, находятся в подходящей среде, такой как углеродная ткань, гранулы активированного углерода, расширенный кремнезем, графитовый войлок, уголь, древесный уголь, углубления с фруктами, древесная стружка, измельченная бумага, опилки и/или смеси указанных сред, которые обычно расположены внутри участков электрода 110b и/или между участками электрода 114b и контейнером 102b. Соответствующие функции и преимущества включают тепловую стабилизацию системы, циркуляцию сырья и удаление таких продуктов, как углекислый газ, а также получение водорода из кислот, которые могут быть получены путем разведения, питания и роста таких микроорганизмов.

[00260] При низкой и средней плотности потока выталкивающие силы, вызванные растворами низкой плотности и пузырьками, позволяют электролиту циркулировать внутри контейнера 102b. При более высокой плотности потока предпочтительно осуществлять адаптивный контроль температуры, давления и циркуляции электролита, как описано выше. Внешняя циркуляция электролита может распространяться от муфты 126b до муфты 138b, как показано на чертеже, и включает ситуации, при которых один или несколько электродных элементов, соединенных в необязательные последовательные и/или последовательно-параллельные схемы, размещены внутри контейнера 102b.

[00261] Согласно другому аспекту, вариант выполнения может быть оптимизирован для высоких плотностей потока с целью получения соизмеримо более высоких скоростей тока электролитической жидкости через одно или несколько отверстий или пазов 139b, которые направляют жидкость под углом к кольцевому пространству между электродами 110b и 114b. Электролит течет кверху вдоль спиральных пространств, выполненных электродами, и восполняется за счет электролита, входящего в спиральные каналы, выполненные 110b и 114b, из кольцевого пространства между 110b и 114b. Угловой момент электролита, входящего в пространство между электродами 110b и 114b, повышает стимул подъема пузырьков продуктами электролиза, такими как водород и кислород, полученные на электродах 110b и 114b, соответственно, и дополняет указанный момент.

[00262] Указанная циркуляция электролита весьма полезна для обеспечения быстрой замены ионов, превращающихся в атомы водорода и кислорода, или других газов, таких как углекислый газ, по мере обмена зарядами с электродами 110b и 114b, а также для удаления указанных газов для их сбора при минимальных потерях электрической поляризации в ходе электролиза. Таким образом, потоки высокой плотности могут быть легко использованы для эффективного электролиза циркулирующей жидкости. Согласно другому аспекту, дополнительные возможности для использования потоков высокой плотности обеспечиваются благодаря обширным возможностям охлаждения устройства за счет улучшенной циркуляции электролита, что позволяет предотвратить вредную стагнацию продуктов электролиза и/или смену фаз, такую как нуклеация пара, а также уменьшение эффективных зон электродов.

[00263] Согласно другому аспекту, электроды 110b и 114b могут иметь форму пружины, которая может работать на резонансной частоте или искажаться при помощи различных стимулов, включая пьезоэлектрические приводы, вращающиеся кулачки, а также формирование пузырьков и обеспечивающая разгон тяга менее плотных смесей электролита и пузырьков, в то время как более плотный объем электролита доставляется на поверхность электродов 110b и 114b получаемым в результате накачиванием. В ответ на искажение электроды 110b и 114b вибрируют с естественной или вызванной частотой с целью дополнительного сброса пузырьков с поверхностей, включая точки нуклеации, и тем самым обеспечивает большую плотность потока и более высокую эффективность преобразования энергии.

[00264] Стимулированная вибрация спиральных пружинных электродов, таких как 110b и 114b, может также вызывать перистальтическое механическое действие для усиления разгона пузырьков по направлению к соответствующим путям сбора и выходным портам электролитического элемента 100b. В ходе указанной вибрации циклическое увеличение и уменьшение среднего расстояния и угла между соседними слоями витков электродов вызывает формирование неподвижных или подвижных узлов в зависимости от силы и частоты стимула или стимулов.

[00265] На фиг.5B показан примерный вид в разрезе набора электродов 110b' и 114b' для работы вкупе с электрически изолированной распоркой 111b между 110b' и 114b', включая выбранный изолятор 10b, показанный на фиг.2B, который включает конфигурацию доставки спирального потока для обеспечения различных вариантов использования и электролитов. Агрегат концентрического электрода 110b', распорки 111b и электрода 114b' обеспечивает весьма надежную, самоукрепляющую систему для обеспечения эффективной диссоциации таких жидкостей, как вода, жидкая масса анаэробных реакторов, или морская вода, с повышенной эффективностью и устойчивостью к загрязнениям. Электроды 110b' и 114b' могут быть выполнены из проводящей углеродной бумаги, ткани или войлока; тканого или войлочного углерода и металлических волокон, графитовых гранул, размещенных между тканым углеродом или металлическими волокнами; или обшитых металлом полимеров либо металлического листового сырья, такого как мягкая сталь, никелированная сталь или нержавеющая сталь, просверленные более или менее так же, как описано выше, с образованием множества отверстий на параллельных средних линиях, наклоненных, как показано на чертеже, для соответствующего отделения водорода от сопутствующих газообразных продуктов, таких как водород, хлор или углекислый газ, в зависимости от химического вещества, составляющего электролит.

[00266] В случаях когда электрод 110b', распорка 111b и электрод 114b' используются в концентрической конфигурации электродов, как показано на фиг.4B, водород доставляют в порт 116b, и в зависимости от вещества, подвергаемого диссоциации, продукты, такие как водород, хлор или углекислый газ, доставляются в порт 118b. В некоторых случаях предпочтительно выполнить множество отверстий в 110b' и 114b' таким образом, что каждое отверстие слегка расширяется по сравнению с диаметром отверстия на поверхности, обращенной к распорке 111b, до более крупного диаметра на выходной поверхности, обращенной от распорки 111b.

[00267] Предпочтительно выбирать шаг спирали, ширину между электродами и толщину полоски, формирующей распорку 111b для доставки электролита от 138b к электродам 110b' и 114b', и через них к муфте 126b таким образом, чтобы они были сопоставимы с доступным объемом электрической мощности и требованиям к теплообмену системы, с целью оптимизировать итоговое пространство ширины между электродами. Это приводит к доставке обильного количества ионов для осуществления процессов электролиза на электродах 110b' и 114b', при этом обеспечивая разделение водорода к участку внутри электрода 110b' и доставку также выработанных газов, таких как водород, углекислый газ или хлор, в пространство вне электрода 114b'.

[00268] Согласно другому аспекту, возможно осуществлять самовосстановительную работу системы путем выполнения пазов для тока газа в водородном электроде, и пазов для тока газа в кислородном электроде, а также соответствующих муфт для добавления водорода на нижнюю часть водородного электрода, и добавления кислорода на нижнюю часть кислородного электрода. В этом случае может быть предпочтительно использовать концентрические спиральные электроды, в особенности в маленьких топливных элементах, где один агрегат-канистра способен обеспечить все потребности в энергии.

[00269] Обращаясь к фиг.6B, показано поперечное сечение спирального электрода или электродов, используемых в варианте с работой реверсивного топливного элемента, как показано на чертеже. Благодаря такому подходу обеспечивается улучшение соотношения поверхности к объему, модуля сечения и стабильности столба электрода 114b или сходной спиральной версии электрода 110b. Электрод 114b показан в виде сечения с газом 152b, текущим по спиральным пазам, выполненным путем гофрирования ленты, используемой для выполнения спирали и обеспечения доставки кислорода для выполнения работы топливного элемента, а в ходе электролиза, для доставки водорода на кольцо 136b и муфту 118b. Эта же конфигурация отлично работает для электрода 110b в режимах топливного элемента и электролиза для преобразования органических кислот в углекислый газ и водород, а также в режиме электролиза и обеспечивает доставку обильного объема газа на желаемые порты сбора или источников, как описано выше.

[00270] Согласно другому аспекту, повышенное качество работы электрода обеспечивается благодаря облегчению выращивания и поддержания микроорганизмов, преобразующих водные производные органических веществ, таких как карбоновая, уксусная, масляная и молочная кислоты, а также соединения, такие как мочевина, в водород. На электроде, выбранном для получения ионов водорода и/или выхода углекислого газа, повышенной продуктивности микробов способствует выполнение таких поверхностей электродов с топографическими усовершенствованиями, повышающими эффективную площадь поверхности, включая высокое аспектовое отношение волокон или усиков, снижающее электрическое сопротивление субстратному электроду и помогающее удерживать микробы и биопленку на месте вкупе с желаемыми веществами пленки, обеспеченными посредством процессов биопереработки.

[00271] Несмотря на то, что указанные элементы не ограничены в теории, предполагается, что определенные особенности электрода и/или сепаратора, такие как топографическая обработка или усовершенствования, приводят к турбулентности, включая кавитацию или суперкавитацию, электролита в желаемой точке, что, в свою очередь, способствует нуклеации в указанной точке. С другой стороны, определенная конфигурация электрода и/или сепаратора способна снижать турбулентность, включая кавитацию или суперкавитацию в желаемой точке, например, в точке передачи электронов, что, в свою очередь, препятствует нуклеации в указанной точке. Предполагается, что элементы, включая указанные особенности, могут быть выполнены в любой точке в электролитическом элементе, в которой желательно осуществление нуклеации. Кроме того, те же особенности и принципы могут быть использованы в сосуде для сбора газа или подобного вещества в жидком соединении с электролитическим элементом или в жидком соединении с каналами или клапанами между ними.

[00272] Подходящие волокна или усики включают металлы или легированные полупроводники, такие как углерод, кремний или наноразмерные волокна углерода и нитрида бора, для обеспечения увеличения площади поверхности, снижения транспорта ионов и омических потерь, повышения продуктивности микробов и более эффективной активации нуклеации для обеспечения более эффективного выхода углекислого газа. Указанные волокна могут также быть использованы для закрепления графитовых гранул, дополнительно повышающих продуктивность микробов, обеспечивающих повышенную эффективность использования энзимов и катализаторов, и связанные с вышесказанным полезные процессы выделения ионов. Сходным образом на электроде, где ионы водорода обеспечиваются электронами для получения атомов водорода и нуклеации пузырьков двухатомного водорода, волокна и усики могут использоваться для увеличения активной площади и снижения напряжения, необходимого для выполнения всего процесса.

[00273] Помимо углеродных усиков было обнаружено, что волокна, полученные из таких металлов, как олово, цинк, никель и тугоплавкие металлы, осажденные из пара или выращенные из обшивки на подходящих субстратах, таких как электроды из сплавов железа, способны обеспечить снижение электрического сопротивления и повышенную эффективность процесса. Такие волокна или усики могут быть выполнены более подходящими для обеспечения опоры для биомассы и усовершенствования процесса путем добавления проводящих сурфактантов и/или поверхностной обшивки подходящими веществами, такими как углерод, нитрид бора или карбид кремния, размещенными методом опрыскивания или в результате разложения такого вещества, как донор углерода, например ацетилена, бензена или парафиновых газов, включая метан, этан, пропан и бутан.

[00274] Вариант выполнения, показанный на фиг.4B, и его вариация могут обеспечить преимущество, заключающееся в разделении газообразных производных диссоциации воды низкой плотности, включая выделение водорода из органических масс, как показано в уравнениях 1-6, для доставки водорода или наборов обогащенных водородом смесей в порт 116b, в то время как углекислый газ и обогащенные углекислым газом смеси, включая связанные компоненты азота, доставляются в порт 118b. В некоторых сферах применения может быть желательным сменить полярность указанных электродов для реверсии портов доставки разделенных газов. Такие реверсии могут быть долгосрочными или кратковременными для достижения различных целей. В зависимости от выбора спирального шага электродов 110b и 114b и резонансной или придаваемой частоты вибрации, а также относительной скорости жидкости на каждом электроде водород может доставляться в порт 116b, но система может работать с включением метана и углекислого газа. Однако углекислый газ, доставленный в порт 118b, может включать метан и другие газы более высокой плотности, чем у водорода. В сферах применения, где желательно обеспечить смеси HyBoost водорода и метана для обеспечения незадросселированной работы двигателей внутреннего сгорания, различных горелок, печей или топливных элементов, вариант выполнения, показанный на фиг.4B, работающий с обеспечением управления гидравлической и электрической схемой, предоставляемым насосом 36b и контроллером 52b, способствует выполнению варианта получения и разделения желаемых смесей топлива в управляемых соотношениях водорода и метана для доставки в порт 116b.

[00275] Неожиданная, но весьма полезная конфигурация для получения жизнеспособных анаэробных колоний микробов, обеспечивающих желаемое преобразование органического сырья в водород и/или метан, обеспечена путем добавления среды, такой как коллоидный углерод, углеродные волокна, включая наноструктуры, слущенные кристаллы углерода, графеновые пластинки, активированный углерод, цеолиты, керамика и/или гранулы нитрида бора, в электрохимический элемент. Указанные среды могут быть легированы или смешаны с различными агентами для обеспечения повышенной каталитической продуктивности. В качестве примера осуществление желаемых функций может быть обеспечено путем легирования выбранных агентов, имеющих электронные структуры, более или менее сходные с бором, азотом, марганцем, серой, мышьяком, селеном, кремнием, теллуром и/или фосфором. Циркуляция, вызванная газом, выделяемым в ходе процесса электролиза, может способствовать размещению подобных сред в предпочтительных точках с желаемой плотностью для более эффективного использования тока заряда.

[00276] Не ограничиваясь определенной теорией, в качестве гипотезы отметим, что подобные синергетические результаты связаны с повышением площади поверхности на важных участках, а также с формированием прожилок, участков или волокон, способствующих процессам нуклеации и/или передачи электронов или ионов водорода, а также с полезной адсорбцией энзимов, метана, или углекислого газа на биопленках и в формирующихся таким образом зонах реакции. Также отмечено, что микробов выращивают для циркуляции в эффективно используемых точках при выполняемых операциях и путях тока, выработанных в различных описанных вариантах выполнения.

[00277] В дополнение к усикам и волокнам, таким как выполненные из углерода, графита, различных карбидов металлов и карбида кремния и других неорганических веществ и частиц, каталитически повышающих производительность, является полезным использование активированных веществ и частиц, обеспечивающих желаемые питательные вещества или катализаторы для способствования микробным процессам. В качестве примера пористые и/или слущенные субстраты полимеров, керамик или активированного углерода могут адсорбировать проводящие органические катализаторы, такие как ко-тетраметоксифенилпорфирин (CoTMPP) или поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), и/или благоприятно ориентировать в пространстве и предоставлять каталитические вещества, включая энзимы и привитые полимеры, которые также могут быть использованы для ориентации и предоставления каталитических веществ, включая дополнительные энзимы.

[00278] Подходящие вещества или привитые полимеры могут включать обычные полимеры, дендримеры, волокнистые вещества и прочие функциональные органические материалы для минимизирования или замены платины и прочих дорогостоящих катализаторов и проводников. Подобные заменяющие вещества и их использование включают смеси или специально подобранные точки размещения по отношению к циркуляции жидкости, происходящей в результате использования некоторых описанных вариантов выполнения. Различно специализированные проводящие и/или каталитические структуры включают игольчатые отложения и волокна, которые могут быть выращены или прикреплены к электродам 4b, 8b, 110b и 114b, и/или к нанесенным поверх электродов углеродным войлокам или тканым структурам, либо могут быть внесены в развивающиеся биопленки. В качестве примера проводящие и/или каталитические функции могут быть обеспечены посредством волокон, удерживающих и представляющих гидрогеназу и другие энзимы, CoTMPP и/или другие катализаторы, такие как поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) в виде волокон, синтезируемых из водных растворов сурфактанта в качестве самоорганизованных нановолокон тонкого диаметра с аспектным отношением более 100, и обеспечивают низкое сопротивление проведению заряда. Синтез в водных растворах с использованием анионного сурфактанта додецилсульфата натрия (SDS) может быть приспособлен для получения различных конфигураций путем изменения концентрации SDS, а также путем добавления FeCl₃ для получения полимеризованных структур. (Пример процедуры описан Мун Ге Ханом и др., «Легкий синтез нановолокон поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) из водного раствора сурфактанта», Small 2, № 10, 1164-69 (2006), включен в настоящую заявку путем ссылки). Другие примеры включают функциональные катализаторы и микропроводники в виде нанокомпозитов, выведенных из целлюлозных нановолокон и полупроводящих сопряженных полимеров, включая полианилин (PANI) и производную поли(p-фениленэтинелена) (PPE) с четвертичными боковыми цепями аммония. Целлюлозные, углеродные или керамические усики с анионным зарядом поверхности могут быть комбинированы с положительно заряженными сопряженными полимерами с получением стабильных дисперсий, которые могут быть отлиты из раствора поляризованных растворителей, таких как муравьиная кислота.

[00279] Подготовка включает привитые полимеры и концевые группы органометаллических алкоксидов, а также использование каталитических преимуществ уксусной кислоты и полимерного катализатора, содержащего концевую группу COOH. Особые функциональные и двухфункциональные концертные группы, а также комбинации концевых групп могут быть использованы для обеспечения многофункциональных характеристик, включая каталитические функции, стабилизаторы реакции, прививающие агенты и вещества, способствующие полимеризации дисперсии. Сходным образом специализированная активация углерода и других субстратов водородом и/или энзимами, полученными при помощи анаэробных микроорганизмов, обеспечивает богатую водородом среду для усиления или подавления выработки метана, а также усиления выработки дополнительного водорода из различных органических веществ.

[00280] Обращаясь к фиг.1B-3B, по желанию может быть предпочтительно обеспечить один или несколько дополнительных войлоков и/или тканых экранов углеродных волокон на внешней и внутренней поверхностях цилиндрических компонентов 8b, 10b, 11b, 110b и/или 114b. Указанные дополнительные войлоки и/или тканые экраны могут сопоставимо собирать или распределять электроны вкупе с электродами 4b, 8b, 110b и/или 114b и/или сепараторами 10b и 11b и помогать закреплять или предпочтительно обнаруживать гранулы, волокна и/или другие структуры для снижения потери давления или более равномерного распределения токов жидкой массы, а также для усиления функции микробов при осуществлении желательных процессов преобразования энергии.

[00281] Среди конкурирующих и взаимодействующих реакций и процессов, обеспечивающих общее получение водорода и углекислого газа, отметим различные этапы процессов, суммированные в уравнении 8.

Углерод+2H2O→CO2+4H++4 электрона

Уравнение 8

[00282] Углерод поглощается, как показано в уравнении 8, включая углерод, который может поставляться как элемент углесодержащего вещества, смешанного с массой из анаэробного биореактора или электролизера, или как результат различных выходов производства. В качестве примера углерод может включать отходы перемалывания, механической обработки, электроразрядной механической обработки и различных термохимических операций для производства электродов, покрытий для электродов, включая выстилку бака, или частиц, или волокон, или флокулянтов, или выбранных карбидов посредством тепловой диссоациации и реакций, включая коллоидные и прочие суспензии как результат различной степени дегидрогенизации органических веществ.

[00283] Подобное углеродное или углеродно-донорное сырье может возобновляемым образом поставляться бактериями, фитопланктоном или более крупными водорослями, получающими углекислый газ и другие нутриенты из жидкой массы, поставляемой посредством циркуляции углекислого газа по гидропонным и/или почвенным установкам. Предпочтительно использовать подобные формы углерода с высоким соотношением поверхности к объему и обеспечивать градиент напряжения на участках, куда их доставляют с целью привода указанной реакции и для доставки ионов водорода на поверхности электродов, включая взаимодействующие проводящие среды, такие как волокна, и проводящие вещества-фильтры для получения, нуклеации и выделения пузырьков водорода с целью повышения общей скорости получения водорода.

[00284] Подходящие варианты для повышения площади активных поверхностей и/или флокулянты включают варианты с органическими элементами, такие как бактерии, белки, простые и сложные сахара, целлюлозу, термически диссоциированную целлюлозу, живой и диссоциированный фитопланктон, а также различные формы коллоидного углерода, активированного углерода и карбидов. В качестве примера фитопланктон и/или более крупные водоросли могут быть выращены, высушены, смешаны с таким связующим, как кукурузный сироп, термически дегидрогенизированы в различной степени и перемолоты для получения мелкодисперсных флокулянтов. В другом варианте сырье из активированного углерода может быть перемолото для получения мелкодисперсных частиц, используемых в качестве приемников энзимов или среды флокулянта, либо может быть использовано вкупе с вышеописанными веществами для усиления желаемого производства или эффективности энзимов, для поддержания выращивания желательных микроорганизмов или для повышения выработки водорода или метана и/или поглощения углерода для выработки ионов водорода для электролиза, как показано в уравнении 8.

[00285] При желании периодическое использование соленой воды или добавление небольшого количества электролитов, преобразующих соль в воду, может привести к получению хлора для быстрой дезинфекции или предотвращения загрязнения показанных систем электролизера. Использование некоторых вариантов выполнения, например показанного на фиг.5B, позволяет в итоге освободить систему от вредного загрязнения даже при использовании таких электролитов, как сточные воды, вода после коммерческих процессов, вода с древесной золой, соленая вода, вода с зольной пылью, вода из каналов и канав или жидкая масса из анаэробного биореактора. Кроме того, указанные системы можно при необходимости быстро чистить путем пуска обратного потока электролита или чистящей воды из муфты 118b к 138b для смытия частиц, которые могли остаться на электродах.

[00286] Применение некоторых вариантов выполнения включает работу по утилизации отходов больших населенных пунктов в наноразмерных электролизерах, включая усовершенствования известных мусорных биореакторов, из которых растворы или "жидкая масса", содержащая органические вещества, подается для получения водорода и/или метана и/или углекислого газа, а также других питательных веществ для растений. При выполнении подобной роли некоторые варианты выполнения могут обеспечить быстрое и эффективное преобразование побочных продуктов, полученных в анаэробных реакторах, и способны преобразовывать ионы водорода в водород, при этом избегая кислотного разрушения при производстве метана. В ходе работы жидкая масса из анаэробного реактора используется для получения водорода и углекислого газа для обеспечения полезного восстановления и/или поддержания уровня pH около 7,0, в отличие от более кислых условий, способных свести на нет производство метана в некоторых системах. Это позволяет обеспечить повышение общей эффективности преобразования энергии, так как устранена необходимость в дорогостоящих элементах для добавления химических агентов с целью изменения уровня pH в биореакторах. В подобной среде и при выполнении подобных крупномасштабных задач предпочтительно спланировать и создать многофункциональные компоненты, включая схемы распределения электронов, которые также могут обеспечивать желаемое удерживание гранул углерода, нитрида бора, цеолитов, полимеров и керамики, включая подобные вещества в различным образом активируемых условиях для обеспечения лучшей работы.

[00287] Согласно другому аспекту, электролизер, подобный раскрытому в настоящем описании, может быть использован для обеспечения быстрого преобразования кислот, обычно получаемых при анаэробной переработке, включая варианты использования с муниципальными сточными водами и свалками, а также с отходами скотобоен, молочных ферм, яйцефабрик и прочих центров выращивания животных и т.п. Выработка метана замедляется или останавливается, если кислоты, полученные в анаэробных условиях, приводят к снижению уровня pH значительно ниже показателя в 7. Такие кислоты могут образовываться, если скорость подачи органического материала превышает возможности метаногенной колонии микроорганизмов. Путем выделения водорода из таких кислот скорость переработки органического материала посредством анаэробной переработки может быть увеличена. Комбинация метана и водорода обеспечивает значительно более высокую общую выработку энергии на тонну отходов, а отходы перерабатываются быстрее, повышая производительность процесса.

[00288] A особо полезный вариант выполнения некоторых вариантов выполнения заключается в переработке отходов в энергию, при которой используются органические вещества, такие как сточные воды, а также гидролизированный мусор, отходы сельского хозяйства и отходы лесозаготовок, вовлекаемые в процесс анаэробной электропереработки, суммированный в уравнениях 1-6, для получения водорода при минимальном производстве кислорода или вовсе без него. Надежная конфигурация и операции по рециркуляции обеспечивают значительную устойчивость к растворенным твердым веществам, включая органические твердые вещества и частички, содержащиеся в жидкой массе анаэробного процесса, используемые в качестве электролитов. Выработка водорода без сопоставимого выделения кислорода, которое произошло бы при использовании электролиза воды, способствует более высокой эффективности и безопасности при использовании отходного водорода в качестве охлаждающего газа в электрическом оборудовании, таком как генератор электроэнергии.

[00289] В другом варианте использования некоторых вариантов выполнения, система электролизера 900b, показанная на фиг.7B, обеспечивает разрушение ткани и/или клеток биомассы энзимами, механическим, тепловым, акустическим, электрическим, нагнетательным и/или химическим воздействием и сопутствующими процессами в кондиционере 950b для обеспечения более быстрой или более полной обработки, переработки и/или поддержания выращивания микроорганизмов. Жидкость, содержащая указанные разрушенные клетки, циркулирует от кондиционера 950b и связанного с ней сырья, производимого конвертером 902b, в электролизер 914b через кольцевой распределитель 922b основания 910b, как показано на чертеже. Анаэробные микроорганизмы поддерживаются средой 940b и 942b и получают жидкость, рециркулирующую из сепаратора водорода 904b по трубке 910b, а жидкость, рециркулирующую из сепаратора углекислого газа 906b - по трубке 908b, как показано на чертеже. Электрод 918b и/или среда 942b выделяют водород, а электрод 916b и/или среда 940b выделяют углекислый газ. Электродвижущее смещение обеспечивается электродами 916b и 918b посредством схемы 926b от источника 924b, который варьируется от 0,1 до примерно 3 вольт постоянного тока в зависимости от требований к диссоциации соединения и периодической необходимости в повышении напряжения для преодоления образования изолирующих пленок. Водород отправляют для сбора и доставки на сепаратор 904b по более или менее конической поверхности 925b, которая может представлять собой проводящую поверхность в зависимости от желаемых последовательных/параллельных вариаций, либо сохраняют и поддерживают посредством изолятора 930b, как показано на чертеже.

[00290] В ходе работы жидкие массы смешивают в распределяющем кольце 922b, после чего они перемещаются кверху для обеспечения реагентов процесса и нутриентов для микроорганизмов, размещенных в ткани из активированного углерода и/или гранулах 940b и 942b и/или в проводящих войлоках, заключающих в себе и по сути удерживающих указанные гранулы поблизости от электрода 916b и/или 918b. Более мелкие частицы и волокна могут быть добавлены с целью проникновения в точки по всей системе электролизера для улучшения проводимости электрического заряда, усиления работы энзимов и выполнения каталитических функций, включая описанные выше. Сепаратор 902b может представлять собой мембрану обратного осмоса или катионную или анионную обменную мембрану, либо может быть выполнен в соответствии с вариантами выполнения, показанными на фиг.2B, 3B, 4B или 5B, а в некоторых случаях указанные сепараторы могут быть использованы вкупе друг с другом, что может быть желательно для обеспечения различных путей циркуляции массы и/или для производства водорода и углекислого газа при различном давлении или при наличии разности давлений между водородом и углекислым газом.

[00291] Сходным образом возможно множество вариантов циркуляции, если электрод 916b вкупе с соседним войлоком и/или средой 940b работают в качестве источников электронов для получения водорода из ионов, полученных из масс, циркулирующих при помощи поднимающих сил выделения газа, конвекционных течений или посредством действия насоса, как показано на чертеже. В этом варианте углекислый газ выделяется в то время, как ионы водорода выделяются из кислот, полученных из 902b и 950b, или произведенных микроорганизмами, находящимися в волокнистой или гранулярной среде 942b и связанных войлочных материалах, которые электрически смещены электродом 918b для размещения их напротив электрода 916b, как показано на чертеже. Еще один примерный вариант осуществляется, если электроны поставляются электродом 918b для получения водорода, собираемого изолятором 930b для доставки в газовый коллектор 904b, как показано на чертеже. В этом случае электрод 916b и электрически связанная с ним среда выступают в роли акцепторов электронов, а углекислый газ выделяется для обеспечения закачивания в показанной жидкостной схеме, в то время как углекислый газ доставляют через изолятор 930b в коллектор 906b, как показано на чертеже.

[00292] Обращаясь к фиг.7B, систему 900b можно использовать для преобразования органического сырья, такого как получаемое в результате фотосинтеза, в метан, водород и/или углекислый газ и/или под действием микроорганизмов. В зависимости от вида выращиваемых микроорганизмов жидкие массы, обычно включающие кислоты, такие как уксусная и масляная кислоты, а также такие соединения, как мочевина, диссоциируют в электролизере 914b. Электролизер 914b обеспечивает ток достаточного напряжения для получения водорода из таких соединений и кислот и может работать в качестве реактора и электролизера, либо может работать внутри анаэробного реактора (не показан), либо может использовать жидкие массы, полученные в результате анаэробной переработки в 914b, как показано на чертеже. Указанный вариант работы в особенности полезен для преобразования органических отходов населенного пункта и/или промышленного комплекса в целях обеспечения населения топливом и сырьем для изготовления углеродсодержащих товаров длительного пользования.

[00293] Обращаясь к фиг.8B, согласно другому аспекту, показан вариант размещения одного или нескольких проводящих электричество электродов для использования в электролизере, включая раскрытые в настоящем описании, включающий плоские листы (не показаны) концентрических электродов 1002b, 1003b, 1004b или 1005b, как показано на чертеже, которые могут быть соединены друг с другом в виде однопольных или дипольных компонентов электролизера. Некоторые или все указанные проводящие электричество электроды обеспечивают обширную поверхность в виде гладкой поверхности для размещения материалов, таких как разнесенный графен или слои другой толщины (например, углерода и/или фильтров BN). Это позволяет размещать на них микробы, разлагающие различные органические материалы, включая летучие жирные кислоты, с выделением электронов и протонов для получения водорода на катодных поверхностях, а указанные электроды могут быть использованы с любым из вышеописанных вариантов выполнения.

[00294] Согласно другому аспекту, важнейшие энзимы, производимые микробами для разложения летучих жирных кислот и различных других органических веществ, добавляют к активированному углероду или частичкам полимера или волокнам, включенным в гладкую поверхность для размещения материалов, включающую электроды 1002b, 1004b, 1006b, 1008b. В другом варианте любой микроб, энзим или катализатор, описанный в настоящем раскрытии, может быть включен в указанную поверхность. По мере того как указанные энзимы и другие материалы или катализаторы истощаются, разрушаются или уничтожаются, могут быть по мере необходимости добавлены дополнительные количества указанных энзимов, материалов или катализаторов. Указанная система позволяет осуществлять оптимизацию катализаторов, включая обеспечение жизнедеятельности микробов на отдельном участке, но при этом позволяя использовать указанные энзимы в работе электролизера, как показано на чертеже.

[00295] В другом варианте выполнения, важнейшие энзимы, микробы или катализаторы производятся искусственно в виде дубликатов или в различной степени измененных "конструкторских энзимов", прививаемых подходящим природным полимерам, таким как целлюлоза или лигноцеллюлоза, или различным искусственным полимерам или соединениям.

[00296] При поддержании систем энзимов, поддерживающих живые колонии микробов, или энзимов, переносимых из живых колоний микробов, или промышленно скопированных или измененных в различной степени конструкторских энзимов желательно минимизировать электрическое сопротивление электролита в электролизере. Это способствует процессам, в общем виде приведенным в уравнении 9 для уксусной кислоты вместе с различными кислотами и такими веществами, как мочевина, которые поглощаются при производстве водорода при желаемом повышенном давлении, что опять же может быть использовано в любом раскрытом варианте выполнения.

CH3COOH+2H2O=2CO2+4H2

Уравнение 9

[00297] Согласно другому аспекту, системы обнаружения химически активных веществ и определения присутствия, возможностей и целесообразности таких веществ или энзимов с целью обеспечения системы адаптивного контроля, регулирующей рабочие условия, включая объемы химически активных нутриентов и другие условия работы с целью оптимизирования работы поддерживаемых систем энзимов, могут быть использованы в настоящих вариантах выполнения. Вновь отметим, что указанные системы могут быть использованы в любом раскрытом варианте выполнения.

[00298] В других вариантах выполнения или аспектах любого раскрытого варианта выполнения желательно осуществлять работу с выбранными микробами и/или поддерживаемыми энзимами при достаточном давлении с целью повышения уровня растворяемого или иным образом удерживаемого в растворе углекислого газа для повышения проводимости электролита. Это позволяет повысить эффективность системы и рабочие возможности сразу по нескольким пунктам, включая следующие:

1) водород, получаемый при повышенном давлении, может быть доставлен в компактный накопитель и храниться под давлением без капитальных затрат, обслуживания или затрат энергии на обеспечение многоэтапного водородного компрессора.

2) Водород, получаемый при повышенном давлении, можно доставить напрямую в нагнетательный трубопровод для передачи на рынок.

3) Водород, получаемый при повышенном давлении, можно использовать для нагнетания других реагентов с целью обеспечения или ускорения реакций. В качестве примера нагнетаемый водород можно добавлять к азоту в подходящем реакторе для получения аммиака и других продуктов.

4) Нагнетание с целью предотвращения или минимизирования выхода углекислого газа на поверхности электродов электролизера значительно упрощает конструкцию электролизера.

5) Разделение производства водорода и углекислого газа путем сбора водорода при повышенном давлении из нагнетаемого электролизера или подходящей подсистемы и сбора углекислого газа после снижения давления в другой точке или посредством другой подсистемы.

[00299] Обращаясь к фиг.9B, показана система 1100b, включающая электролизер с повышенным давлением 1102b, который может получать нагнетаемый электролит и/или предварительные жидкости, формирующие подходящий электролит внутри электролизера 1102b, посредством подходящего насоса 1114b. Нагнетаемый водород получают в результате работы микробов и/или поддерживаемых иным способом энзимов на одном или нескольких электродах 1002b, 1004b, 1006b, 1008b и т.д. или 1104b, а также при помощи напряжения, подаваемого через пробки 1106b и 1124b, как показано на чертеже. Водород под повышенным давлением доставляется для выполнения подходящих функций через трубку 1122b регулятором давления 1120b.

[00300] Сжатый электролит, содержащий углекислый газ, протекает через жидкостный двигатель-генератор 1126b для выработки работы путем сбора кинетической энергии текущего электролита и расширения углекислого газа до атмосферного давления по мере того, как углекислый газ направляют для выполнения подходящих функций, таких как использование в гидропонной системе или парнике 1130b для выращивания водорослей, травы, кудзу и различных других растений 1132b и/или 1134b. Электролит, лишенный углекислого газа, возвращают посредством насоса 1114b через трехходовый клапан 1112b.

[00301] Биомасса, включая материалы, выращенные в 1130b, измельчается или иным образом превращается в жидкую массу активированных веществ, состоящую из разрушенного клеточного материала, получаемого при помощи подходящей механической, акустической, химической, тепловой или радиационной обработки в устройстве переработки 1136b. Указанное активированное органическое сырье вносят в накопитель 1108b для пропускания его через фильтр 1110b и трехходовый клапан 1112b на насос 1114b для введения в нагнетаемый электролизер 1102b, как показано на чертеже.

[00302] Работа системы 1100b обеспечивается контроллером 1101b в качестве ответа на показатели датчиков давления, температуры и уровня pH 1142b, 1144b, 1146b, а также датчиков химически активных агентов 1140b и 1150b, как показано на чертеже. Это позволяет вводить корректирующие вещества через 1118b для обеспечения поддерживаемых условий для энзимов, желательных для оптимальной производительности.

[00303] В другом варианте выполнения, подходящие электроды включают системы, выполненные из круглых или иных поперечных сечений проволоки, таких как квадратные или различные звездчатые формы, или плоские полосы для обеспечения выполняемых пластически витых вариантов выполнения или спиральных вариантов, описанных в настоящем раскрытии. Выбранные материалы, такие как железо или другие сплавы на основе переходных металлов, затем термически обрабатывают для обогащения углеродом и получения различных количеств углерода в твердом растворе, включая насыщенные участки, которые дополнительно определяют или выращивают посредством дальнейшей термической обработки для обеспечения роста указанных насыщенных зон, в особенности рядом с поверхностью. Развивающиеся углеродные участки ускоряют отложение дополнительного углерода при разложении донора углерода, такого как углеводород или угарный газ, на таких поверхностях. Уравнения 10 и 11 отображают подобные общие процессы обеспечения теплом субстрата, подвергающегося термической обработке, в количестве, равном или превышающем температуру формации донора углерода:

CxHy+Тепло→xC+0,5yH2 CO+Тепло→C+0,5O2

Уравнение 10 Уравнение 11

[00304] Согласно некоторым аспектам, желательно продолжать отложение углерода для образования углеродной пленки, по сути покрывающей весь электрод на достаточную глубину со связыванием на исходных участках насыщения, с целью получения очень прочного композита желаемой формы и отношения поверхности к объему.

[00305] В другом варианте выполнения, изначальная подготовка и ориентация богатых углеродом участков, приближающихся к насыщению, модифицируется посредством горячей или холодной обработки варианта выполнения для обеспечения по существу единообразной ориентации кристаллической структуры углерода с целью обеспечить значительно эпитаксиальное отложение последующего углеродного отложения. Выполненное таким образом ориентированное отложение углерода, например, с преимущественно открытым краем или в виде слоев графена, более параллельных исходной поверхности, тестируют наряду с другими образцами для обеспечения поддержки желаемых микробных процессов. Это позволяет выбрать "конструкторский углерод" для каждого вида желательного микробного процесса.

[00306] Обращаясь к фиг.10B, согласно другому аспекту, раскрыто изготовление углеродных/стальных электродов, используемых в раскрытых вариантах выполнения. Указанные электроды могут содержать обработанный поверхностный углерод для прикрепления выбранных энзимов, микробов или других катализаторов, обеспечивающих лучшую работу электролизера. Для изготовления электродов согласно данному варианту выполнения, субстрат из стали или сплава стали насыщают углеродом. Зерна насыщенного углерода выравнивают, например, путем термической обработки индукцией, для обеспечения желаемой ориентации зерен углерода, как показано на этапе I. Может использоваться другой способ термической обработки. На этом этапе электрод можно также охлаждать посредством жидкости для предотвращения повреждения электрода или получения других преимуществ.

[00307] Как показано на этапе II, электрод затем формуют посредством известных процессов, включая листовую дрессировку. Формование может быть выполнено таким образом, чтобы обеспечить дальнейшее выравнивание, уплощение или модификацию ориентированных зерен углерода.

[00308] Как показано на этапе III, углерод затем наносят на электрод с использованием известных приемов нанесения углерода, включая нанесение паром, при помощи которых углерод наносят или выращивают на поверхности электрода. На этом этапе углерод можно наносить или выращивать таким образом, чтобы обеспечить дальнейшее выравнивание зерен, либо избирательно наносить углерод в выбранных точках на электроде, в зависимости от желаемого использования электрода. Например, в одной точке может быть нанесен энзим, микроб или катализатор, а другой энзим, микроб или катализатор может быть нанесен в другой точке для обеспечения управляемого использования энзимов, микробов или катализаторов. В дополнение, электрод с нанесенным углеродом может быть далее обработан путем нагревания индукцией или иными средствами для дальнейшего выравнивания или ориентировки зерен, и вновь может быть использовано охлаждение жидкостью. Процесс можно повторять до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое количество углерода и/или ориентация зерен и/или местоположение зерен.

[00309] Как показано на этапе IV, по завершении поверхностной обработки электрод подвергают воздействию одного или нескольких энзимов, микробов или катализаторов, выбранных для конкретной сферы применения электрода, например энзимов, способствующих производству желаемых соединений при электролизе, таких как водород. На любом из предыдущих этапов способ может быть нацелен на определенные точки на электроде. Кроме того, в разных точках могут быть использованы разные условия обработки, благодаря чему в разных точках могут быть нанесены различные энзимы или энзимы в различных концентрациях, в зависимости от желаемой конфигурации или области применения электрода. Таким образом, электрод изготавливается с включением углеродных структур, имеющих сродство с определенными энзимами, микробами или катализаторами, и с возможностью прикрепления энзимов, микробов или катализаторов к электродам в желаемых точках с целью постоянного или существенного сохранения энзимов в желаемых точках для использования при электролизе или ином виде работы электрода.

[00310] Несмотря на то, что изобретение было описано в отношении определенных вариантов выполнения и примеров, специалисту будет очевидно, что в изобретение могут быть внесены различные изменения и модификации при условии, что они не выходят за рамки объема настоящего изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения ограничен лишь нижеследующей формулой изобретения.

1. Способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий:
обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии;
подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза;
избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и
подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии,
причем первый источник возобновляемой энергии, электролизер или энергоноситель получает дополнительное тепло от первого источника тепла; и
первый источник тепла выбран из группы, состоящей из геотермального и солнечного источника тепла.

2. Способ по п. 1, при котором первый источник возобновляемой энергии представляет собой солнечную энергию, а этапы реверсирования электролизера с целью его использования в качестве топливного элемента и обеспечения энергоносителя для электролизера с целью выработки энергии выполняются, когда первый источник возобновляемой энергии доступен в недостаточном количестве.

3. Способ по п. 1, при котором первый источник возобновляемой энергии выбран из группы, состоящей из солнечного, ветрового, текущей воды, органического или геотермального источников энергии.

4. Способ по п. 1, при котором энергоноситель содержит водород.

5. Способ по п. 1, при котором энергоноситель содержит материал на основе углерода.

6. Способ по п. 1, при котором энергоноситель содержит материал на основе азота.

7. Способ по п. 1, при котором энергоноситель содержит аммиак.

8. Способ по п. 1, при котором энергоноситель содержит углеводороды.

9. Способ по п. 1, при котором первый источник тепла содержит второй источник возобновляемой энергии.

10. Способ по п. 9, при котором второй источник возобновляемой энергии содержит геологическую формацию.

11. Способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий:
обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии;
подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза;
хранение энергоносителя в геологической формации;
избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и
подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии.

12. Способ по п. 11, при котором этап хранения энергоносителя в геологической формации также включает получение энергоносителем дополнительного тепла от геологической формации.

13. Способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий:
обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии;
подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза;
избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и
подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии,
обеспечение расширителя, выполненного с возможностью поглощения работы расширения, причем расширитель соединен с электролизером или накопителем энергоносителя;
подачу энергоносителя на расширитель под давлением; и
поглощение работы расширения энергоносителя.

14. Способ по п. 13, при котором накопитель энергоносителя подает тепло на энергоноситель до поглощения работы расширения энергоносителя.

15. Способ по п. 14, при котором накопитель энергоносителя содержит геологическую формацию.

16. Способ по п. 15, при котором теплота сгорания энергоносителя повышается при хранении энергоносителя.

17. Способ по п. 15, при котором теплота сгорания энергоносителя повышается при хранении энергоносителя путем добавления тепла к энергоносителю от геологической формации.

18. Способ по п. 15, при котором теплота сгорания энергоносителя при хранении энергоносителя повышается за счет добавления к энергоносителю, вымытому из геологической формации, углеводородов или иных соединений, имеющих некоторую теплоту сгорания.

19. Способ по п. 1, также включающий обеспечение источника органических материалов для электролизера с целью осуществления электролиза органических материалов.

20. Способ по п. 19, при котором источник органических материалов содержит биомассу или биологические отходы.

21. Система обеспечения, по существу, непрерывной подачи электроэнергии при помощи возобновляемых энергетических ресурсов, включающая:
первый источник возобновляемой энергии;
электролизер, соединенный с первым источником возобновляемой энергии для формирования энергоносителя, причем электролизер выполнен с возможностью избирательной реверсивной работы в качестве топливного элемента, используя энергоноситель в качестве топлива;
накопитель энергоносителя, соединенный с электролизером для получения энергоносителя от электролизера или подачи энергоносителя на электролизер; и
накопитель энергии, соединенный с первым источником возобновляемой энергии и электролизером для выборочного получения энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера, а также для выборочной подачи энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера.

22. Система по п. 21, в которой первый источник возобновляемой энергии выбран из группы, состоящей из солнечного, ветрового, текущей воды, органического и геотермального источников энергии.

23. Система по п. 21, в которой энергоноситель содержит водород.

24. Система по п. 21, в которой энергоноситель содержит материал на основе углерода.

25. Система по п. 21, в которой энергоноситель содержит водород.

26. Система по п. 21, в которой энергоноситель содержит материал на основе азота.

27. Система по п. 21, в которой энергоноситель содержит аммиак.

28. Система по п. 21, в которой по меньшей мере один из первого источника возобновляемой энергии, электролизера или энергоносителя выполнен с возможностью получения дополнительного тепла от первого источника тепла.

29. Система по п. 28, в которой первый источник тепла содержит первый источник возобновляемой энергии или электролизер.

30. Система по п. 28, в которой первый источник тепла выбран из группы, содержащей геотермальный, солнечный или иной тепловой двигатель.

31. Система по п. 28, в которой первый источник тепла содержит геологическую формацию.

32. Система по п. 28, в которой первый источник тепла содержит второй источник возобновляемой энергии.

33. Система по п. 21, в которой накопитель энергоносителя выполнен с возможностью подачи тепла на энергоноситель.

34. Система по п. 33, в которой накопитель энергоносителя выполнен таким образом, что теплота сгорания энергоносителя повышается при хранении энергоносителя.

35. Система по п. 34, в которой накопитель энергоносителя выполнен таким образом, что теплота сгорания энергоносителя повышается при хранении энергоносителя путем добавления тепла к энергоносителю в ходе хранения энергоносителя.

36. Система по п. 35, в которой накопитель энергоносителя содержит геологическую формацию.

37. Система по п. 21, также содержащая расширитель, выполненный с возможностью поглощения работы расширения энергоносителя, причем расширитель соединен с электролизером или накопителем энергоносителя.

38. Система по п. 21, также содержащая расширитель, выполненный с возможностью выработки энергии расширения энергоносителя, причем расширитель соединен с электролизером или накопителем энергоносителя.

39. Система по п. 21, также включающая источник органических материалов, причем источник органических материалов соединен с электролизером с целью осуществления электролиза органических материалов.

40. Система по п. 37, в которой источник органических материалов содержит биомассу или биологические отходы.

41. Система обеспечения, по существу, непрерывной подачи электроэнергии при помощи возобновляемых энергетических ресурсов, включающая:
первый источник возобновляемой энергии;
электролизер, соединенный с первым источником возобновляемой энергии для выработки метана, причем электролизер выполнен с возможностью избирательной реверсивной работы в качестве топливного элемента;
накопитель метана, соединенный с электролизером для получения метана от электролизера или подачи метана на электролизер; и
накопитель энергии, соединенный с первым источником возобновляемой энергии и электролизером для выборочного получения энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера, а также для выборочной подачи энергии от первого источника возобновляемой энергии и электролизера.