Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра

Многие слышали про автомобиль японской фирмы «Исудзу» с двигателем из керамики. Достоинства его отнюдь не исчерпываются уменьшением расхода металла. Главное — существенное повышение КПД.

В двигателях внутреннего сгорания можно превратить в полезную работу около 70 процентов энергии израсходованного топлива, однако на практике эффективный КПД равен всего 28–38 процентам, то есть вдвое меньше. Большая часть тепла теряется с охлаждающей водой, маслом, выхлопными газами. Эффективность термодинамического цикла существенно возрастает при повышении температуры газов в цилиндрах двигателя. Однако при перегреве стенок цилиндров двигателя падает их прочность и стойкость. Можно охлаждать стенки, усилив наружное охлаждение, но тогда опять возрастут потери. Идеален так называемый адиабатный двигатель, от цилиндров которого не нужно отводить тепло. Применение керамических материалов и позволяет приблизиться к идеалу.

Дело в том, что керамические материалы наподобие соединений кремния с углеродом или азотом (карбиды и нитриды кремния) способны выдерживать температуры до 1500 градусов. Ныне уже научились изготовлять детали требуемой формы путем спекания и прессования керамических порошков.

Остается еще добавить, что при температуре в камере сгорания 1200 градусов двигатель становится многотопливным. В нем можно использовать также керосин, различные спирты, синтетические соединения из угля и даже некоторые сорта мазута.

КПД керамического двигателя удается поднять до 45–50 процентов, а при использовании тепла отходящих газов и полном устранении потерь на охлаждающую жидкость — даже до 55–60 процентов. Всем хорош этот двигатель, кроме одного, но очень важного показателя — ресурса работы. Пока он еще очень мал. Разные модели выдерживают всего от 50 до 500 часов.

Привлекательно уменьшить расход бензина и дизельного топлива, заменив их другими энергоносителями — дровами, водородом, различными синтетическими веществами, природным газом, электроэнергией.

Даже солнечные автомобили уже перекочевали со страниц научных журналов на гоночные трассы. Не так давно в Швейцарии состоялась 365-километровая гонка.

Победу одержал «гелпомобиль» с поэтическим именем «Солнечная серебряная стрела». Вес его — 180 килограммов. Серебряно-цинковые аккумуляторы заряжаются от 432 солнечных элементов, размещенных на его крыльях. Скорость — до 70 километров в час.

«Гелиомобилп» — это возможное будущее, а сейчас неплохо зарекомендовали себя двигатели на природном газе. Если в металлических баллонах сжать газ до 200 атмосфер, то на одной заправке такси проедет 200, а грузовой автомобиль 300 километров.

Применение природного газа высокого давления связано с рядом недостатков и трудностей. Нужно создать широкую сеть специальных газозаправочных станций, а это требует больших капиталовложений.

Еще один недостаток — понижение грузоподъемности автомобиля из-за большого веса баллонов. Однако и тут возможны усовершенствования. Так, баллоны из низколегированной стали весят в 1,5, а из композитных материалов — даже в 6–7 раз меньше. В таких баллонах давление можно существенно повысить.

Природный газ обладает важными достоинствами, которые также должны приниматься в расчет. У него высокие антидетонационные свойства. Поскольку газ не смывает смазку в двигателе, межремонтный пробег увеличивается в 1,3–1,5 раза.

Мы рассмотрели два вида транспорта средней скорости — железнодорожный и автомобильный. Народному хозяйству необходимы также как медленные (морские и речные), так и более быстрые (авиационные) виды перевозок. Но везде важнейшей задачей остается изыскание наиболее эффективных путей сбережения горючего, экономии энергии.

В глубине тропических лесов Цейлона расположилась небольшая, но очень необычная деревня. Все ее потребности в тепле, энергии, электричестве удовлетворяют солнечные лучи. Значит, энергетические проблемы могут быть в принципе решены с помощью солнечной энергии?

Не будем спешить с таким выводом. Деревня на Цейлоне экспериментальная. Она создана под эгидой ООН и на деньги международных фондов. До полной окупаемости этому солнечному комплексу еще далеко. Множество подобных исследовательских центров работает ныне в разных концах земного шара.

Например, один из них открыт в городе Сантьяго-де-Куба. Здесь при содействии советских ученых создана электростанция на фотоэлементах, которая может снабжать энергией жилые дома.

В нашей стране построены опытные солнечные центры вблизи Дербента, в Узбекистане, под Киевом, в Таджикистане. Каковы же перспективы использования солнечной энергии у нас в стране?

Оценим сначала ее количество, доступное человеку.

Ежегодно солнечные лучи доносят до Земли энергию, эквивалентную 50 триллионам тонн топлива, а это в несколько тысяч раз больше, чем потребляет человечество.

Но плотность ее на поверхности земного шара невелика — 600-1000 ватт, а в среднем с учетом суточно-годовых колебаний и облачности — всего 150–250 ватт на квадратный метр. Для сравнения: когда домашний чайник стоит на газовой плите, плотность поступающей в него энергии в тысячу раз больше. Другими словами, рассеянные солнечные лучи трудно и потому дорого использовать для получения необходимого тепла и электричества.

Тем не менее заманчиво научиться собирать и утилизировать энергию нашего светила. Ведь Солнце — это неиссякаемый, или, как говорят энергетики, возобновляемый источник энергии. Когда сжигают органическое топливо, извлекаемое из недр, оно не восполняется, а если и возобновляется, то очень медленно, даже по геологическим меркам, тогда как термоядерный реактор у нас нал головой будет действовать еще миллиарды лет.

Его лучи не перегревают Землю, являются «недобавляющим» источником энергии. Они не нарушают тепловой баланс всей планеты. Вероятно, это качество окажется важным в перспективе, когда деятельность человека начнет сказываться на тепловом режиме всего земного шара или какого-либо отдельного его региона.

Солнечная топка порождает и поддерживает другие виды возобновляемых энергетических ресурсов, например ветра. Если бы направить все ветры в турбины электрогенераторов, то удалось бы сэкономить 40–80 миллиардов тонн условного топлива в год. Ведь мощность ветрового потока в среднем на планете — больше 500 киловатт на квадратный километр площади.

Приливы и потоки в морях и океанах, если их полностью утилизировать, позволили бы сэкономить около 4 миллиардов тонн условного топлива в год. Зато фотосинтез может дать до 200 миллиардов тонн условного топлива. Из них только на долю лесов приходится около 25 миллиардов тонн.