Юрий Чирков - Занимательно об энергетике

В электромобиле на топливных элементах заливать горючее и окислитель не надо. Баки с горючим заменяет газовый баллон с водородом. А окислитель — обычный атмосферный воздух, очищенный особым образом. Замена баллона с водородом отнимает считанные минуты, тогда как зарядка аккумуляторов потребовала бы нескольких часов. Да на аккумуляторах и не убежишь далеко, максимум (если взять наиболее перспективные никель-цинковые системы) на 130 километров.

В 1980 году электромобили на топливных элементах успешно прошли дорожные испытания. Расчеты показывают, что пока перевозки грузов на автомобилях с ЭХГ будут лишь на 40 процентов дороже, чем на машинах с бензиновым двигателем.

У ЭХГ большие перспективы в железнодорожном деле — например, автономные установки для автоматической сигнализации. Малая и средняя (установки от 1 до 100 киловатт) энергетика успешно развивается в СССР, но большая делает лишь первые шаги. И конференция в МЭИ показала: все необходимые предпосылки для ее создания у нас в стране есть. Имеются несомненные успехи в различных областях — электрокатализе, теории сильных электролитов и других дисциплинах, образующих фундамент для быстрого развития электрохимической энергетики.

Но, спрашивается, так ли уж необходима электрохимическая энергетика, и если да, то в каких областях? И почему?..

Энергетика — большая и малая

У каждой науки есть своя мечта. Такой мечтой, «синей птицей» для электрохимии стала задача создания совершенных топливных элементов. И построенной на них особой электрохимической энергетики.

Мы перегораживаем реки огромными плотинами, строим мощные атомные электростанции. И все же на долю энергии падающей воды или атомного распада в общем балансе приходится всего лишь несколько процентов. Энергетику, связанную со сжиганием природного топлива, естественно назвать «большой энергетикой». Но рядом с ней существует также «малая энергетика». Для питания переносной радиоаппаратуры, различных приборов на самолетах, автомашинах необходимы особые источники тока. Ими стали десятки типов гальванических элементов и аккумуляторов — устройств сугубо электрохимических.

От батареек для карманных фонариков до топливных элементов, действующих на космических кораблях, — таков диапазон применения электрохимических источников тока. Ежегодно во всем мире их выпускают около 10 миллиардов единиц, а суммарная мощность таких элементов и аккумуляторов уже соизмерима с мощностью всех электростанций мира. Вот! Такова так называемая «малая энергетика». В ней, правда, до недавнего времени не было гигантов, установок большой мощности, но, как вскоре увидит читатель, и они, видно, скоро появятся.

Однако в электрохимических источниках тока не все просто. Например, в гальванических элементах, скажем, в батарейке для карманного фонарика, топливом служит такая «экзотика» (с экономической точки зрения), как цинк, магний, свинец. Эти вещества получают после сложной и долгой переработки природных руд, что требует опять же больших затрат электроэнергии. Чтобы получить, скажем, тонну цинка, надо затратить до 3,5 тысячи киловатт-часов электроэнергии Ясно, что никакой КПД не окупит расходов на такое «топливо».

Другой недостаток гальванических элементов — краткий срок их действия. В элемент заложен определенный запас активного материала — топлива и окислителя. Запас израсходован — и элемент выходит из строя, его надо заменять другим. Тепловые же машины работают без перебоев, топливо и окислитель к ним можно подводить непрерывно.

А что, если создать гальванический элемент, действующий по такому же принципу — с непрерывным подводом топлива и окислителя? Тогда новое устройство, обладая очень высоким коэффициентом полезного действия, значительно увеличит и срок службы. Это, собственно, и есть основная идея топливного элемента, преимущества которой еще в начале нашего века разглядели лучшие «электрохимические умы». В частности, В. Оствальд. Но, ярко вспыхнув, новая звезда энергетики быстро угасла. Причин было много, мы рассказывали о них в прошлой главе. Топливные элементы пошли в ход только тогда, когда разработка этих источников энергии стала составной частью космических программ. Нужны были большие средства и мощные научные и инженерные силы. Только на этом пути можно было надеяться на успех в этой трудной проблеме. Но пока топливные элементы были слишком дорогостоящими. И вот энтузиазм 60-х годов сменился в 70-х годах сначала осторожным оптимизмом, а затем и вовсе унынием и пессимизмом.

Да, топливные элементы известны давно. Но прежде, когда органическое топливо было баснословно дешевым, большая эффективность топливных элементов особой роли не играла. Однако то, что было дешево еще в 60-х годах, резко подорожало в 70-е! Энергетический кризис обновил взгляды. И идея топливного элемента вновь стала актуальной, ибо это был реальный путь экономии все дорожающей органики. Так топливные элементы получили «путевку» в большую энергетику.

Рожденный для города

«Приводят все дороги в Город» — так писал в конце прошлого века бельгийский поэт Эмиль Верхарн.

Города — средоточие нашей цивилизации. Ее барометр, пульс. Достижения и просчеты здесь особенно рельефны, обнажены.

Город — это «остров тепла». Средняя температура тут может быть на десять градусов выше, чем вне городской черты. Здесь иной воздух, не так светят солнечные лучи, чаще и обильнее выпадают дожди.

Деревья в городе — о, это целая проблема! Сильное загрязнение воздуха в Токио вынудило муниципальные власти принять программу «скорой помощи» зеленым насаждениям. Так, все деревья старше 15 лет должны быть зарегистрированы специальной службой. Это молодые «старцы», оказывается, уже требуют особого ухода.

Но в городе нелегко жить не только деревьям, но и людям. Полицейские в противогазах на улицах Токио, зловещие смоги над Лондоном и Лос-Анджелесом — об этом много писали. Как же совместить в городах экологическую чистоту и непрерывный рост энергопотребления? И вновь вспомнили про топливые элементы. Ведь у электрохимических генераторов есть и еще одно важное достоинство — экологическая чистота. Они выбрасывают в атмосферу почти исключительно углекислый газ и воду. Поэтому их можно использовать непосредственно там, где они нужнее всего, — в крупных городах и промышленных центрах.

Да, топливные элементы как бы рождены для города. Они бесшумны (химическая энергия здесь непосредственно преобразуется в электричество, минуя стадию, связанную с механическим движением). Далее, низкотемпературные топливные элементы практически не потребляют воды. Они занимают гораздо меньше места, нежели традиционные ТЭЦ. А в переуплотненных городах проблема территории крайне остра. Так вот: предварительные оценки показывают, что электростанция на топливных элементах мощностью в 20 мегаватт будет занимать участок размером лишь в 15X25 квадратных метров.