Чирков Ю. Занимательно об энергетике

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 4
ДИНОЗАВРЫ ЭНЕРГЕТИКИ?

Скажи, как ты используешь топливо, и я скажу — в каком веке ты живешь!
Примерно сто миллионов лет назад, в мезозойскую эру, лик Земли был иным.
В это первое великое сплошное лето жизни Земля была покрыта роскошной, сочной растительностью тропиков. Среди оранжерейной флоры бродили сказочные звери. Самыми удивительными среди них были динозавры (буквально: «удивительные, необыкновенные, ужасные ящеры»; название 140 лет назад предложил знаменитый английский палеонтолог Р. Оуэн) — одна из самых разнообразных и загадочных групп рептилий, или пресмыкающихся.
Внешний облик динозавров подчас кажется фантастическим — настолько они непохожи на известных нам животных. Но, пожалуй, больше всего поражает их громадный рост.
То были гиганты с телом длиной до 25 метров и более. Подобная махина могла бы запросто перегородить улицу Горького в Москве или, скажем, Калининский проспект. Динозавр мог свободно заглянуть в окно 5-го этажа...
Развитие гигантизма у хищных динозавров («ящер-разбойник» тиранозавр и другие), по-видимому, было связано с параллельным развитием гигантизма и у растительноядных динозавров — этой пищи хищников.
Для хищников крупный размер означал возможность большой добычи так же, как для растительноядных животных крупный размер был одной из форм защиты от хищников.
Так и началось (а пищи в ту пору был вдоволь!) это соревнование в росте, хотя, конечно, всегда был какой-то предел, определявшийся комплексом биохимических и физиологических закономерностей.
Но вот климат начал меняться, суроветь. И к началу кайнозойской эры (тому 70 миллионов лет, в этой эре живем и мы, люди, уже один миллион лет) произошло «великое вымирание» динозавров: они исчезли. Причины вымирания и сейчас до конца не ясны. Динозавров, видимо, убил холод, но почему им не удалось приспособиться к новым условиям? Почему, скажем, уцелели крокодилы, жившие одновременно и рядом с динозаврами?
На это есть особая теория ортогенеза, или прямолинейной эволюции: эволюция видов по предопределенному прямому пути, направление которой не зависит от естественного отбора.
Согласно этой теории динозавры были тупиком в эволюции, поскольку эволюционный механизм, приводивший к выживанию наиболее крупных животных, вместе с тем закрывал путь для их дальнейшего совершенствования.
Читатель вправе спросить: а какое все это имеет отношение к энергетике? Где они — динозавры энергетики? Что это за странная аналогия?..
Вопросы справедливые —  на  них  нужно отвечать.
Энергетическое похолодание
Вряд ли можно утверждать, что еще вчера на планете царил «энергетический мезозой», но сравнительно недавно имелась масса неиспользованных возможностей и ресурсов, казалось, неисчерпаемых для развития общества.
Экологических и прочих ограничений для научно-технического прогресса было немного. Во всяком случае, эти проблемы не волновали человечество. И, как следствие, энергетика землян была энергетикой расточительной. Потребление энергии неуклонно росло, но геологи открывали все новые и новые кладовые нефти и природного газа. Но аппетит человечества рос стремительно, и сегодня энергетический рай грозит стать энергетическим адом. И теперь за рубежом нередко высказываются (чаще всего спекулятивные и антинаучные) пророчества о наступлении Энергетического Судного Дня человечества. Во всяком случае, получает все большее распространение концепция так называемого «нулевого роста» в производстве энергии на душу населения.
Многие специалисты (в том числе и советские) считают, что рост потребления энергоресурсов уже в ближайшем будущем будет идти медленнее, чем в последние десятилетия, а затем, вероятно в конце XXI века, постепенное замедление роста приведет к практически постоянному уровню мирового потребления энергоресурсов. Еще недавно идею нулевого роста встречали, как некогда приверженцы системы Птолемея встретили теорию Коперника. «Традиционалисты» объявили подобные мысли необоснованными, а высказывающих их ученых — некомпетентными.
Однако число сторонников нового взгляда на развитие энергетики растет. В августе 1979 года школа бизнеса Гарвардского университета, далеко не чуждая интересам деловых кругов США, дала «благословение» экономии энергии.
Свой отчет, озаглавленный «Будущее энергетики», авторы заключили следующими слешами: «Соединенные Штаты способны потреблять на 30—40 процентов меньше энергии, чем сейчас, без каких-либо неблагоприятных последствий для образа жизни американцев. Наоборот, будут сэкономлены миллиарды долларов, меньше бремени ляжет на окружающую среду, воздух будет меньше загрязняться, уменьшится растущая и тревожащая зависимость от нефти ОПЕК, и общество меньше будет страдать от внутреннего и внешнего напряжения».И все же удивительно! Еще недавно энергетики утверждали: пусть нефти мало, да, ее хватит лишь на десятки лет, но угля — уже на сотни, а энергии атомного ядра — на тысячелетия. Природные запасы энергии практически бесконечны. Так в чем же дело? Нет ли здесь противоречия? Оказывается, нет. Оказывается, природные запасы энергии и энергетические ресурсы — это не одно и то же. Тут в дело вступают экономические соображения. Они-то и ограничивают энергетические ресурсы Прежде всего растут затраты на поиск и разработку энергоресурсов и материалов, на преобразование, транспорт и использование энергии. Не последнюю роль играют тут экологические ограничения. Важно принять в расчет и то, что сроки создания и освоения новых, как правило, более сложных и дорогостоящих энергетических технологий и отраслей велики — они исчисляются десятками лет. Огромны также затраты на доведение новых энергетических технологий до степени технической и экономической зрелости. И получается: возможности человека далеко не безграничны, как это может показаться с первого взгляда. Известна,  говорят  некоторые  специалисты,   экономическая закономерность: чем выше комфорт, тем дороже он обходится. Та же связь в производстве и потреблении электроэнергии: за потребление весьма удобного и исключительно комфортного вида энергии мы платим при его производстве довольно дорогой и всевозрастающей эколого-экономической ценой.
Проблемы экономии энергии обсуждают члены многих американских обществ. «Союз встревоженных ученых» — организация, объединяющая поборников охраны окружающей среды, «Друзья Земли» — тут изучается экономика энергоресуров, и так далее.
Они говорят: «Экономия обходится вовсе не дешево — просто это дешевле, чем не экономить». И еще: «Экономить куда дешевле, чем строить новые электростанции».
Ну' что ж: на протяжении своей истории человечество множество раз меняло взгляды и привычки, в зависимости от наличия или недостатка того или иного природного ресурса.
Видимо, в будущем нам придется менять свою энергопотребительскую психологию и привычки. Кто знает, может быть, скоро модными станут, как в старину, вечера при стеариновых свечах...
Пока же, если по-прежнему говорить о США, американцы пересаживаются в малолитражные автомобили (они экономнее тратят бензин), улучшают теплоизоляцию в домах, рационализируют (с точки зрения энергетики) технологические процессы и предусматривают в проектах зданий средства для отражения солнечных лучей летом и сбора солнечной энергии зимой. Полагают, что новые небоскребы, которые там сейчас строят, смогут обеспечить комфорт не хуже, чем здания, проектировавшиеся в 60-х годах, но — и это главное! — при вдвое меньших затратах энергии. Среди прочих нововведений в них предусмотрено вторичное использование отработанного тепла компьютеров, ламп освещения и даже тел обитателей! Этих бесценных калорий, которыми когда-то так пренебрегали, хотя бойлеры в котельных не уставали пожирать топливо для их возмещения.
И при социализме
Цена нефти на мировом рынке за последние годы многократно возросла. В богатейших капиталистических   странах   мира   три   миллиона   человек   лишились работы    только    по    причинам    энергетического    кризиса.
Но мы, люди иного социального строя, не платим дороже за электроэнергию, отопление или за билет в автобусе. И никого это не удивляет. Мы родились при социализме и не можем себе представить, чтобы нас не защитили от любых ударов такого рода.
У нас нет кризиса. Но это не означает, что энергию можно беззаботно транжирить. Тут следует напомнить, чего стоит добыча каждой тонны нефти, каждого кубометра газа там, среди болот, тайги и тундры, на мерзлоте.
Освоение Западной Сибири зовется подвигом не зря. Добывать нефть на тюменской земле — совсем не то, что в Баку и Поволжье. Еще не раз будут писать о подвигах тех, кто добывает нам нефть, уголь и газ. Но никому не придет в голову сочинить оду экономии электроэнергии или, скажем, написать об этом рассказ.
А ведь простое рассуждение показывает: гораздо выгоднее уменьшить расход топлива на тонну, чем на ту же тонну увеличивать ее добычу. Хотя бы потому, что эту тонну невозобновимого природного горючего мы сохраним!
Так что тема экономии энергии вполне достойна пера поэта или прозаика. Нет героизма? Борьбы? Преодоления трудностей? А вот и ошибка: помех и трудностей тут сколько угодно.
Экономия энергии дается гораздо труднее, чем рост энергодобычи. Ведь нужно «перековать» психологию потребительства — а потребители все! (Не то, что добыча энергии — этим делом занимаются немногие.)
Люди никогда не отличались единством взглядов, но в вопросах экономии энергии требуется единодушие. Такое же, как у пассажиров, едущих на одном корабле. Как будет решена проблема экономии энергии, как удастся изменить людскую психологию, сделать экономность непреходящей модой, привить к этому делу вкус. — сказать сейчас трудно. А пока?
Пока в социалистических странах принимаются простые и конкретные меры.
По расчетам ученых, превышение установленной в помещении температуры на 1 градус увеличивает расход энергии на отопление на 3—5 процентов. Поэтому постановлением Совета Министров ГДР введены нормы отопления для зданий разного назначения. Для квартир норма — 19—21 градус. Ночью подача тепла в дома уменьшается.
Другая возможность экономии — сдвигать, сообразуясь с сезоном, ритм жизни людей (время работы, отдыха).
В Чехословакии обычное время начала утренней смены — 6—7 часов, учреждения работают с 7—8-ми. В 6—7 открываются продовольственные магазины.
В ГДР с 1980 года введено «летнее время»: с 6 апреля по 28 сентября все часы переводятся на час вперед. Это ведь и здоровее: пользоваться солнечным светом вместо электрического. А экономия немалая. Четыре таких электростанции, какой станет по проекту Саяно-Шушенская, надо пустить на полную мощность, чтобы в наших квартирах зажглись лампочки по скромной норме — 100 ватт на человека.
В нашей стране, с ее громадными размерами, одним простым переводом часов по сезону не обойдешься. Ведь когда в Москве полночь, во Владивостоке начинается рабочий день.
Более действенная мера — собрать по возможности всю энергию страны, так сказать, в один кулак и, умело маневрируя ею, бороться за экономию.
Такое централизованное энергоснабжение осуществляет Единая энергосистема страны (ЕЭС СССР). Это крупнейшее в мире энергообъединение: оно простирается на территории 7 часовых поясов, охватывая более 700 электростанций общей мощностью свыше 210 миллионов киловатт.
Более того: в ЕЭС СССР на параллельную работу соединены Монголия, а также объединенные энергосистемы Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Румынии и Чехословакии. Это первый этап образования гигантского энергообъединения социалистических стран общей мощностью около 300 миллионов киловатт.
Кроме того, из ЕЭС СССР электроэнергию получают Финляндия, Норвегия и Турция.
Хозяйство большое и сложное. Организовать такую работу непросто. Но и результат ощутим: уже сегодня ЕЭС СССР выигрывает до 12 миллионов киловатт энергетических мощностей лишь от использования ее маневренных возможностей. Распределение мощного потока энергии, контроль за ним осуществляются из одного пункта — центрального диспетчерского управления (ЦДУ). В ЦДУ всегда знают, какая из телевизионных программ самая популярная. Когда разом включаются все телевизоры нашей страны, надо включить не менее двух Братских ГЭС...
Конечно, в странах СЭВ проводятся и более простые средства экономии энергии. Вот некоторые из них. В Польше для экономии бензина скорость движения автотранспорта на дорогах ограничена. То же сделано и в ГДР. По оценкам, в масштабах ГДР это даст экономию 70 миллионов литров горючего в год. В Польше, кроме того, ограничена и мощность двигателей легковых автомобилей.
Во всех европейских социалистических странах не раз за последние годы повышались розничные цены на бензин.
В Болгарии цена теперь 1 лев за литр — это примерно 1 рубль 10 копеек. Думаете, частники покупают «левый» бензин у шоферов государственных машин? Нет. Бензин для общественных машин подкрашивают. И если автоинспекция обнаружит подкрашенный бензин в бензобаке личной машины, ее тут же конфискуют. А шофера, пойманного на продаже государственного бензина, увольняют с потерей права вождения машины на три года.
В Болгарии же введены ограничения на движение слабо загруженных автомашин и автобусов, легковых служебных машин. Запрещено использование персональных служебных машин в нерабочие дни, кроме поездок для служебных целей с разрешения руководителя.
В Венгрии с января 1981 года в панельных зданиях будет использоваться более толстый слой теплоизоляционного материала. Каждые 10 кубометров такого материала экономят энергию, эквивалентную 1 тонне нефти в год.
Список энергонововведений, экономящих калории и топливо, можно было бы продолжить. (Штрафы за растрату энергии — разбавление бензина водой: бензин, оказывается, в присутствии воды сгорает лучше...) Но полезнее осознать и запомнить простую истину.
Время — это не только деньги, как мы привыкли повторять Ибо в этой пословице ценность времени выражена все-таки недостаточно хлестко. Время — это энергия. Как показывает последний опыт человечества, энергию, как и время, часто не купишь ни за какие деньги.

Телега с восьмицилиндровым двигателем
До сих пор мы рассуждали об экономии уже готовой энергии. Ну а ее получение — насколько эффективны подобные процессы? Насколько рационально используются еще остающиеся в земных закромах органические топлива? Увы, картина тут не очень отрадная.
Костяк современной нашей энергетики — тепловые паротурбинные электростанции — ТЭС. Они работают на угле, нефти, газе, мазуте. Система превращения топлива в электрическую энергию, на которой основаны ТЭС, многоступенчата. Тепло сгорающего топлива нагревает воду в котле, вода превращается в пар высокого давления, пар приводит в движение огромную турбину, которая, в свою очередь, передает вращение на ротор электрического генератора, находящегося в сильном магнитном поле. От этого движения в медных обмотках ротора и возникает электрический ток.
Громоздко, многоступенчато, а значит, и не без потерь. Но современные электростанции создавались во времена, когда считалось, что запасы топлива на Земле практически неисчерпаемы. Не имело особого значения, сколько его будет потрачено, лишь бы получить желаемое — электрический ток. Что и было достигнуто с высокой для тогдашнего положения степенью совершенства.
Sed alia tempora! (Иные времена!) Сейчас, в эпоху энергетического похолодания, когда калории стали считать, должны измениться и требования к ТЭС и другим поставщикам энергии. Эффективность превращения энергии должна поневоле стать в энергетике проблемой номер один.
Чем выше коэффициент полезного действия (КПД) энергетической установки — отношение полученной электроэнергии к теплотворной способности топлива (тому запасу энергии, которое в нем заключено), — тем меньше отходов, меньше загрязняется окружающая среда, меньше расход топлива.
Но ТЭС, говорят нам, доживают свой век. Уже и замена готова — атомные электростанции. У них, видно, все будет по-иному. И вновь увы! Промышленное освоение ядерной энергетики не привело и вряд ли приведет к сколько-нибудь кардинальному снижению расходов  на  производство  электроэнергии.   Цены  энергии тепловой (ТЭС) и ядерной (АЭС) оказались примерно одинаковы.
В чем причина? В том, что нынешняя атомная и даже будущая термоядерная электростанции, по существу, тоже являются электростанциями тепловыми. Только в них топка парового котла (источник тепла) заменена  ядерным или термоядерным  реактором.
Но это значит: все недостатки, присущие паротурбинному способу (а его преимущественное использование сейчас и в предвидимом будущем, видимо, сохранится) преобразования тепла в электроэнергию, останутся.
И хотя одни недостатки, связанные со сжиганием органического топлива (например, выбросы золы и вредных газов в атмосферу) устраняются, появляются новые. И борьба с ними или сведение к минимуму их действия (скажем, проблема радиации на АЭС) требуют значительных усилий, затрат и времени.
Создавшуюся ситуацию очень хлестко охарактеризовал известный популяризатор науки профессор А. Китайгородский. «Пусть простят меня технологи, — пишет он, — но сегодняшняя атомная электростанция напоминает мне телегу, которую движет великолепный восьмицилиндровый двигатель.
«Порок» современной атомной электростанции заключается в том, что мы еще не умеем преобразовывать энергию атомного ядра непосредственно в электрическую. Приходится сначала получать тепло, а затем превращать его в движение теми же дедовскими способами, которые существуют с момента изобретения паровой машины. Из-за этого невысок и коэффициент полезного действия атомной электростанции. И хотя это является общим дефектом всех тепловых станций, но все-таки досадно, что проблема отъема тепла и из ядерного реактора должна решаться громоздкими, технически несовершенными средствами.
Не это ли является причиной того, что доля энергии, которую дает расщепленный атом, в общем энергетическом балансе измеряется всего несколькими процентами? Это несмотря на то, что атомная техника существует уже 35 лет!»
Карно
Чтобы отчетливо понять настоящее, полезно сделать временной (исторический) разбег. Сейчас стоило бы поговорить о том, отчего тепловые машины столь несовершенны. Что это? Недоделки, недоработки инженеров? Или, напротив, фундаментальный принцип, перешагнуть который нельзя?
И тут нам трудно обойти молчанием, не помянуть имени Карно.
Карно (1796—1832), французский физик, сын Л. Карно (крупного государственного и военного деятеля эпохи французской революции и времен Наполеона I). Шестнадцати лет Карно поступил в Политехническую школу, окончил ее через два года и получил назначение в инженерные войска. С большим рвением занимался он делами, далекими от военного: математикой, физикой, химией, биологией, политэкономией, музыкой. Видимо, поэтому в 1828 году Карно оставил военную службу. За всю свою жизнь он опубликовал лишь одно, но гениальное произведение: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». 1824 год. Это был, по существу, пролог новой важной науки — термодинамики (хотя Карно ошибочно рассматривал теплоту как некоторую невесомую жидкость — теплород). Можно только гадать, как много мог дать науке гений Карно, ибо он скончался в возрасте 36 лет во время эпидемии холеры.
Паровую машину, прабабушку всех ТЭС и ГРЭС, изобрел, как известно, англичанин Д. Уатт. В 1769 году он получил английский патент № 013, где уже были изложены почти все его основные идеи.
Первые паровые машины были крайне несовершенны. Во времена Карно их коэффициент полезного действия — та часть энергии, выделяющейся при сжигании топлива, которая реально могла пойти в дело, на совершение полезной работы, — составлял лишь от 5 до 7 процентов. Это значило, что от 93 до 95 процентов энергии тратилось впустую. Отчего так мал КПД тепловой машины? Можно ли его повысить? Где лежат пределы максимальной производительности железных помощников человека?
Все эти вопросы волновали военного инженера, сотрудника генерального штаба Франции Никола Леонарда Сади Карно. И он в своей книге дал на них точный и однозначный ответ.
Суть единственной работы Карно его потомки ухитрились ужать, уложить в одну-единственную формулу. Вот она:
? = 1-Т2/Т1,
где ? — максимальный коэффициент полезного действия (теоретический, идеальный, выше этой величины уже невозможно подняться!) паровой (тепловой) машины, а Т1 и Т2 — максимальная и минимальная температуры тепловой машины: температура самой горячей ее точки (пар, нагретый газ) и самой холодной — соответственно на входе в машину и на выходе из нее.
Карно, несомненно, был одним из первых физиков-теоретиков. Он ставил вопрос в самой общей форме: «О получении движения из тепла». При анализе работы паровой машины он не учитывал никаких специфических свойств рабочего тела (пара) и самой паровой машины. Поэтому и выводы его универсальны: их можно распространить на любой тип тепловой машины — дизельного двигателя, турбины...
Любой агрегат, где тепловая энергия превращается з механическую (к примеру, в движение поршня при расширении нагретых газов), должен подчиняться ограничениям Карно. А теперь поиграем с цифрами. Взглянем на формулу Карно. В ней температуры Т1) и Т2 должны быть взяты в градусах Кельвина. (Напомним, что температура таяния льда — ноль градусов по Цельсию — есть плюс 273 градуса по Кельвину, а абсолютный ноль по Кельвину есть минус 273 градуса по Цельсию.)
Итак, глядя на формулу, мы видим, что все тепло удалось бы превратить в работу, если бы можно было получать на выходе из машины продукты, охлажденные до абсолютного нуля, то есть иметь Т2 = 0.
Увы, это невозможно. Минимум температуры задается окружающей нас средой: это, скажем, 20 градусов по Цельсию, или 293 по Кельвину. Вот и получается железный вывод: принципиально нельзя построить тепловую машину, в которой все тепло превращалось бы в работу.
Что же остается? Остается ради увеличения КПД в формуле Карно по возможности поднимать температуру Т1. Ведь при ее неограниченном увеличении, очевидно, КПД машин будет стремиться к 100 процентам! Но и тут нас ждет разочарование.
В современных паротурбинных (на смену паровым машинам Уатта лет через сто пришли более совершенные турбины) блоках тепловых и атомных электростанций температура водяного пара не превышает 600 градусов Цельсия. Или 873 градуса Кельвина. И получается, что идеальный КПД для этих установок есть
873 — 293/873 = 0,6 (60%).
Но 60 процентов — это оценка сверху! Реальные цифры оказываются значительно меньше. Их можно получить не по Карно, а из цикла Ренкина.
Куда теряется 60—70 процентов первоначально извлеченных (скрытых в топливе) запасов энергии? О, тут масса лазеек! Трудно добиться полного сгорания топлива, достичь полного охлаждения горячих газов. Часть энергии уходит на трение и необратимый переход тепла. И так далее.
Вот и результат: для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания реальный КПД не превышает 30 процентов, а для более совершенных устройств — паровых и газовых турбин — 40 процентов. Следует еще раз подчеркнуть, что цифра эта вряд ли изменится в будущем. За два века изобретатели и инженеры «выжали» из тепловых машин все! И их КПД достиг предела.
Вот почему с таким энтузиазмом были, например, приняты работы по созданию МГД-генераторов. Ведь в них поток горячей плазмы нагрет до 2500—3000 градусов Цельсия. Температура Т1 в формуле Карно резко возрастает!
Но опять неувязка! Одновременно в этих устройствах растет и температура Т2: плазма на выходе из магнитогидродинамического генератора все еще остается очень горячей (те же тысячи градусов). Поэтому МГД-генераторы могут эффективно работать лишь в сочетании  с  обычной   паротурбинной  установкой.
И суммарный выигрыш в КПД оказывается не таким уж великим. Удается достичь лишь цифры в 50 процентов. (Со временем исследователи, работающие над усовершенствованием МГД-установок, надеются получить показатели повыше: 60 процентов.)
Однако будем справедливы: и этот вроде бы небольшой привесок в 10 процентов (от 40 до 50) в масштабе, скажем, такой страны, как наша, дает колоссальный прирост энергии Если бы все ГРЭС СССР удалось перевести на МГД-метод, то был бы достигнут громадный экономический эффект.
Гигантизм поневоле
Сто лет назад изобретатель электрического освещения П. Яблочков мечтал о времени, когда электричество будут вырабатывать на особых «фабриках» и затем распределять по домам подобно тому, как водопровод распределяет воду.
Эти фабрики электричества — ТЭС, ГРЭС, АЭС — уже построены и становятся все мощнее.
Огромный зал Чудовищной величины узлы монтируемой турбины и маленькие фигурки людей, собирающих эту махину.
Современные ТЭС — с чем сравнить эти колоссы? С мамонтом, динозавром?.. Отчего эти железные «звери» энергетики, пожирающие астрономические количества угля и нефти, становятся с каждым годом все крупнее? Оправдывается ли тяга к гигантизму?
У  нас  в  стране  в   1913  году  единичная  мощность турбоагрегата составляла всего лишь 500 киловатт. Через 40 лет на Черепетской ГРЭС был уже пущен турбоагрегат мощностью 150 тысяч киловатт.
А за последние 20 лет единичная мощность турбогенератора возросла с 200 до 1200 мегаватт (1200 тысяч киловатт).
Машины стали столь крупными, что возникла проблема: как перевозить их по железной дороге? Проектировщики вынуждены «вписывать» все более мощные турбогенераторы в практически неизменный объем.
О размерах энергоагрегатов говорят хотя бы следующие цифры. Для размещения уникального энергоблока-гиганта мощностью 1200 тысяч киловатт на Костромской ГРЭС пришлось возвести машинный зал длиной свыше 80 метров и высотой, равной 15-этажному дому!
От ГРЭС не отстают и атомные гиганты. Так, корпус третьего энергоблока Белоярской АЭС взметнулся ввысь на 60 метров!
Что дает гигантизм? Прежде всего более высокие значения КПД.
Вспомним формулу Карно. Поднять температуру пара (Т1) можно, повышая его давление. Но внедрение агрегатов с высокими параметрами пара немыслимо без резкого увеличения их мощности.
В 20-х годах нашего века температура пара не превышала 350 градусов (по Цельсию) при давлении до 15 атмосфер. Сейчас же на современных электростанциях температура пара уже достигает 500—600 градусов, а давление — нескольких сот атмосфер.
Пробиться к более высоким показателям трудно. Мешает «тепловой барьер». При таких громадных давлениях и температурах паропроводящая труба будет нагреваться до свечения.
Нужны особые теплоустойчивые сплавы. Тут не годится даже металл, идущий на двигатели реактивных самолетов и ракет. В этих двигателях он работает при температуре около тысячи градусов всего лишь 100— 200 часов, а в турбинах и котлах электростанций он должен выдерживать 600—700 градусов уже 100 тысяч и более часов!
Итак, энергетические гиганты требуют миллионы тони высокожаропрочных специальных сплавов. Но стоимость материалов, способных сохранить работоспособность в таких трудных условиях —  влажность, высокие температуры, высокие скорости вращения — сегодня непомерно велика.
Это и ограничивает максимальный КПД ТЭС цифрой в 40 процентов. И если в начале тридцатых годов перспективы развития энергетики многие связывали с использованием высоких давлений, то теперь так не думают.
Однако гигантизм энергетических машин привлекателен еще и по другим причинам. Полезно сопоставить технико-экономические показатели ТЭС различной мощности. При увеличении мощности станции с 200 до 1200 мегаватт стоимость одного киловатта мощности снижается со 150 до 80 рублей. Численность обслуживающего персонала на каждую тысячу киловатт, или так называемой «штатный коэффициент», уменьшается с 4 до 0,5 человека. Почти вдвое сокращается удельный объем главного корпуса станции: число кубометров здания, приходящееся на один киловатт установленной мощности.
Давно подсчитано: на изготовление агрегата мощностью в 300 тысяч киловатт затрачивается в полтора раза меньше труда, нежели на изготовление трех турбин по 100 тысяч киловатт каждая. Еще пример: при одинаковых затратах металла и труда и при равноценной экономичности можно построить три агрегата по 500 тысяч киловатт вместо четырех агрегатов по 300 тысяч киловатт, выиграв, таким образом, производительность целого агрегата.
Эти и другие доводы и вынуждают энергетиков строить все более и более мощные фабрики энергии. Но есть ли пределы гигантизма?
Недавно в ленинградском объединении «Электросила» был изготовлен самый мощный в мире двухполюсный турбогенератор на 1200 мегаватт со скоростью вращения ротора 3000 оборотов в минуту.
Специалисты считают: видимо, предельные мощности турбогенератора — 2500 мегаватт (3000 оборотов в минуту).
Напряженность механических конструкций возрастет настолько, что центробежные силы разорвут узлы даже из самой прочной стали. Понадобятся непомерно большие роторы.
Но, прибавляют те же специалисты (ведущий среди них академик И. Глебов), более мощные машины все же возможны,  но они  будут работать уже  на других физических принципах. С использованием сверхпроводимости.
Специалисты обещают создать промышленные криотурбогенераторы мощностью в 3000 мегаватт на рубеже нового века.
Так что соревнование исполинов энергетики в силе и размерах продолжается!
Баллада о паровозе и ящере
Жил-был паровоз. Когда-то он был маленький и только еще учился ходить.
Изобретатели пытались поставить его на ноги в буквальном смысле слова. История техники знает несколько моделей паровозов, снабженных ногами. Ведь паровоз вроде бы должен  был заменить лошадь...
Паровоз рос, мужал, вошел в моду. Но и тогда, когда он был в зените славы, находились люди, скептически смотревшие на могучего красавца. Они говорили:
— Со странным чувством смотрю я на эту машину. Испытываю такие же ощущения, как если бы мне пришлось видеть мамонтов и знать, что скоро они все до единого вымрут. И только в слоях вечной мерзлоты (читай: в музеях истории техники) будут изредка встречаться их поросшие рыжим волосом огромные туши (огромные железные тела, в которых давно погас огонь)...
Ученые еще спорят, кто извел мамонтов, но почему исчез паровоз, тут нет разногласий. Он, оказывается, ел за десятерых, а работал вполсилы. И человек отказался от него.
Из каждого килограмма угля, что поедал бедолага-паровоз, на пользу ему шло всего-навсего 70—80 граммов. Другими словами, лишь 7—8 процентов энергии топлива шло в дело, остальное вместе с дымом вылетало в трубу.
Паровоз сменили тепловозы, вооруженные уже не паровой машиной, а двигателем внутреннего сгорания. Главным достоинством тепловоза был его КПД — 28 процентов
История паровоза (нынешние дети его совсем не знают, путают с тепловозом) печальна и поучительна. Особенно в наш век всепроникающей экономии, пользы и   эффективности... А мощь Тепловых электростанций или действующих во многом по тем же рецептам атомных все растет.
Тепловая мощность реакторов двух блоков крупиейшей в мире (видимо, и сегодня) АЭС «Библис» (ФРГ) составляет 7800 мегаватт, крупнейшей в нашей стране Нововоронежской АЭС — порядка 5000 мегаватт. Для реакторов РБМК, преобладающих в ядерно-энергетической программе десятой пятилетки, характерна величина от 3,2 до 6,3 тысячи мегаватт.
Гигантизм (мы убедились в этом выше) ведет к экономии, если исходить из существующих, пока еще далеких от совершенства приемов расчета экономических показателей или экономического эффекта при энергетическом производстве.
Однако в этих показателях не заложен (конечно, это очень трудно сделать!) экологический коэффициент. Строго говоря, надо было бы действовать не так. Следовало бы рассматривать современное энергетическое производство как функционирование единой и сложной эколого-экономической системы.
Надо было бы оценить рублем, скажем, тепловые сбросы. К примеру, на АЭС.
На первый взгляд проблема тепловых сбросов с АЭС внимания не заслуживает. Широкую общественность по чисто психологическим мотивам («синдром атомной бомбы») больше беспокоят проблемы радиации. Однако на деле биосфера надежно защищена от радиационного воздействия АЭС: их дозы на фоне естественного облучения, выражаясь языком Лескова, и «в мелкоскоп не увидишь».
А вот реки тепла, которые ежесекундно извергают фабрики электричества, — это уже дело более серьезное!
Для борьбы со сбросовым теплом сооружаются пруды-охладители с большой поверхностью зеркала. К примеру, только для создания пруда-охладителя станции нынешней типовой мощности 4 миллиона киловатт (типа, скажем, Ленинградской АЭС, состоящей из 4 блоков) требуется водоем с акваторией примерно 20—25 квадратных километров. При этом, как правило, используется пойма реки, то есть наиболее плодородные земли.
Если учесть, что только к началу следующего века потребуется освоить или начать осваивать под станции десятки площадок, в сумме получится территория более чем внушительная.
Но есть еще и другая сторона этой же проблемы. Уже сегодня тепловые и атомные электростанции ежегодно потребляют на охлаждение сотни кубических километров воды. Эти цифры близки к среднегодовому стоку такой крупной реки, как, скажем, Днепр.
Где взять столько воды? И какие это будет иметь экологические последствия?
Но главное все же в другом. В том, что в соответствии с законом, установленным Карно, из каждых трех калорий, полученных при сгорании топлива (или ядерного «горючего»), в дело идет только одна: две остальные безвозвратно теряются.
Факт этот ненов, известен давно. Однако прежде, когда энергетика земля и была еще не столь могуча, когда о проблемах экологии никто не подозревал, а топлива было вдоволь, с этим мирились как с неизбежным злом.
Но теперь при наступившем энергетическом похолодании, когда экономить стало дешевле, чем строить новые электростанции, вряд ли человечество будет долго терпеть подобное положение вещей.
Вот и напрашивается гипотеза: не «вымрут» ли скоро гиганты теплоэнергетики, как некогда вымерли динозавры? Слишком уж прямолинейно, негибко происходит их приспособление   к   быстро   изменяющемуся   энергетическому климату!
Динозавры исчезли 70 миллионов лет назад. Сначала погибли растительноядные формы (пищи стало мало для столь крупных тел), а потом и динозавры-хищники.
Воображение рисует пустынный берег моря. Вечер. Закат солнца. К прибрежным скалам вышел и застыл уродливый неуклюжий великан.
Длинные черные тени побежали по земле. Тревожно-красными стали камни на берегу лагуны. Красные лучи отразились в глазах великана. Ожили, задвигались огромные, как ветви мертвого дерева, лапы. Резкий тоскливый клекот одиноко полетел над водой и смолк в тишине прозрачного вечера.
Никто не откликнулся, никто не пришел. Только маленькие проворные зверьки вылезли из-под камня и забегали в поисках добычи. Им не было дела до одинокого ящера, который каждый день приходил сюда на закате и безнадежно ждал ответа на свой призыв. Они привыкли к нему, как привыкли к шершавым камням и запаху водорослей.
Великан тоже не замечал малышей. Где ему было догадаться, что его время уже прошло и что у ног его бегают прапрадедушки слонов, носорогов и китов, которые со временем на долгие тысячи лет станут хозяевами Земли?...
Динозавры энергетики. Кто придет им на смену?
И есть ли она? Тепловоз и электровозы заменили паровоз, а кто заменит ТЭС? Есть ли более соответствующие новому энергетическому климату устройства, сжигающие
топливо более эффективно?          Да, есть! Вот один из достойных претендентов. Имя ему — топливный элемент. Эти устройства умеют преобразовывать химическую энергию органического топлива непосредственно в электрический ток. Они неподвластны ограничению Карно. Их КПД может приближаться к 100 процентам.
Заслоненные могучими телами ТЭС и ГРЭС, их величием и авторитетом, они пока мало кому известны, еще не пользуются должным почетом.
Но это, несомненно, явление временное: скоро придет и их черед. Тем более что созданы эти устройства не вчера и уже успели пройти долгий путь совершенствования. Они вполне могут стать конкурентами энергетики традиционной.

ГЛАВА 5

«ХОЛОДНОЕ» ГОРЕНИЕ

Бесконечные явления, которые представляются нам в настоящее время новыми, были предметом размышлений и опытов прежних исследователей, и, с другой стороны, в старой литературе заключены бесконечные наблюдения и мысли, которые могут воскреснуть к новой жизни...
В.   Оствальд (1896 г.)
Однажды Фарадей читал лекцию об электромагнитной индукции. Когда он кончил, присутствующий на лекции будущий премьер-министр Англии Гладстон спросил ученого:
— Скажите, сэр, какую практическую пользу может принести ваше открытие?
— Этого я и сам еще не знаю, — ответил Фарадей. — Но не сомневаюсь, что еще при моей жизни вы обложите его налогом...
Увы! Не всякое значительное научное открытие оказывается таким везучим: на явлении электромагнитной индукции покоится теперь вся электротехника и многое иное, что прочно вошло в бытие современного человека.
В этом смысле топливный элемент (а именно о нем сейчас пойдет рассказ) можно смело сравнить с миной замедленного действия. «Взрыв» состоялся лишь спустя полтора столетия после открытия. Только тогда (в наши дни) достоинства топливного элемента заговорили о себе в полный голос.
Что «горит» в топливном элементе
Гров (1811—1896), английский электрохимик, адвокат по профессии (закончил Оксфорд в 1835 г.), слабый здоровьем, он не желал заниматься адвокатской практикой: предпочел тишину кабинета и занятия джентльмена-экспериментатора. Изобретенный им в 1839 году «элемент Грова» сделал его членом Лондонского королевского общества. Гров был ярым сторонником закона сохранения энергии (видимо, поэтому в справочниках он всюду значится как английский физик), профессорствовал в лондонском институте. В зрелые годы здоровье Грова окрепло настолько, что он вернулся к адвокатской деятельности. В 1871 году был назначен судьей, а год спустя возведен в рыцарское достоинство (knight, род личного дворянства с титулом «сэр»).
Сейчас, когда наука требует долгого обучения, дорогостоящего оборудования, коллективных усилий и многого иного, нам трудно себе это представить: профессиональный юрист, успешно (в часы досуга!) подвизавшийся на ученом поприще. И даже внесший значительный вклад в исследования.
Да, днем заседания в суде, дела клиентов. А по вечерам, сбросив судейскую мантию, Уильям Роберт Гров отдавал свой досуг любимой науке — электрохимии.
И занятия эти шли столь успешно, что сейчас, собственно, помнят не юриста Грова, а Грова-электрохимика.
В 1839 году в январском номере «Философского журнала» Гров описал опыт: стрелка гальванометра отклонялась, когда его соединяли с двумя платиновыми полосками, полупогруженными в сосуд с разбавленной серной кислотой; одна полоска обдувалась водородом, другая — кислородом. Так был создан первый топливный элемент — водородно-кислородный.
Открытие было сделано, по-видимому, случайно. Ведь первоначальной целью Грова было произвести разложение воды (точнее, раствора серной кислоты) на водород и кислород.
Тот факт, что процесс может идти и в обратную сторону и что при этом образуется электрический ток, то было для Грова явлением побочным. И сообщение об этом было помещено в постскриптуме к статье, как бы между прочим. Не сразу ученый и его современники осознали, что з науке произошло событие значительное.
Электрохимические элементы (батареи), генерирующие ток, были известны и до этого. Но в них «сжигались» довольно дорогие металлы: цинк, свинец, никель. Насколько дешевле было бы электрохимически жечь водород, лучше натуральный газ, еще лучше уголь. Так же, как издревле привык человек жечь хворост и дрова.
А ведь именно эту возможность, казалось бы, и предоставлял элемент, предложенный Гровом. В нем топливо (водород) сжигалось (соединялось с кислородом) до конечного продукта — воды. И — что самое удивительное — человек впервые получил при сжигании обычного топлива не тепло, а сразу электрический ток. Однако опыты Грова не произвели тогда на ученых большого впечатления: слишком ничтожны были снимаемые с элемента токи. Элемент выглядел лабораторным курьезом, не более. Любопытно, занимательно, но практического применения не имеет!
А теперь о том, что, собственно, и как горит в топливном элементе.
...Яростное пламя клокочет в топке гигантского — высотой с десятиэтажный дом — парового котла электростанции. А что такое пламя? В чем физическая сущность процесса горения?
Топливо (дрова в костре, разведенном туристами, уголь, газ, нефть) состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны. Атомы кислорода (окислитель, необходимая компонента процесса горения), наоборот, приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения — молекулы углекислого газа.
Все эти процессы, изложенные очень упрощенно, идут весьма энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает сильное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, а это и есть пламя.
Обмен электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в неполноценную (в смысле эффективности дальнейших преобразований) тепловую энергию. Все это очень похоже на явление «короткого замыкания», когда электрическая энергия преобразуется в тепловую. Провод при этом плавится.
Горение — обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток — тоже движение электронов, только упорядоченное! И вот возникает еретическая мысль: а нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получать электрический ток? Добиться управления движением электронов. Не дозволять электрически заряженным ионам в хаосе столкновений растрачивать свою электрическую энергию, не дать ей превращаться в тепло. Итак, возможно ли «холодное» горение? Организованное и упорядоченное? Оказывается, да
Вспомним опыт Грова. Он сжигал водород (топливо вовсе не обязано быть только углеродом, как и окислитель — кислородом) в кислороде: Этот процесс известен нам еще со школьной скамьи. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом. При поджигании огнем или искрой эта смесь взрывается.
Пока это обычное горение водорода. Продуктом является вода. Химик запишет эту реакцию так:
2Н2 + О2 = 2Н2О + тепло.                                                            (1)
Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла. (Химическая энергия превращается в тепловую, и ее можно при желании преобразовать в ток, правда, с существенными потерями.)
Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировалось электричество — электроны (их будем обозначать символом е-)? Можно ли, скажем, обеспечить протекание такого процесса:
2Н2 +4ОН-->4Н2О+4е-.         (2)
Да, отвечает наука. Для этого надо свести вместе три фазы: газ водород, источник ионов ОН- — электролит (раствор щелочи в воде) и кусок металла, который и примет образующиеся в реакции (2) электроны. (Процесс   (2)  и ему подобные, идущие в месте стыка трех фаз, на так называемой «трехфазной границе», изучает особая наука — электрохимия.)
Так получать электроны громоздко, неуклюже? Возможно. Однако, чтобы получить желаемое — электрический ток, схему приходится усложнить еще больше. Ведь чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела металл (в электрохимии его называют «электродом») — электролит — газ необходимо непрерывно подводить ионы и отводить электроны. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь.
Будем ко второму электроду (специально подобранному) подавать кислород или воздух, чтобы там шла реакция
4е- + О2 + 2Н2О->4ОН-.                                                                (3)
Очевидно, что в сумме реакции (2) и (3) — это можно легко проверить! — дают реакцию (1). И вроде бы мы вернулись к простому горению. Однако в устройстве, которое осуществил впервые Гров — в водородно-кислородном топливном элементе (именно в нем идут процессы (2) и (3), — энергия химической реакции преобразуется уже не в тепло, которое трудно использовать, а непосредственно в энергию бегущих по проволоке электронов.
Включенная во внешнюю цепь «газового элемента Грова» лампа горит! Горение в ней поддерживают электроны, выделяющиеся на одном электроде («водородном», реакция (2): сюда подается водород) и поглощаемые на другом («кислородном», реакция  (3).
Но электрохимическое горение замечательно не только тем, что может идти даже при комнатных температурах («холодное» горение). Главное его достоинство, столь важное для технических приложений, в другом: это горение очень эффективно, идет практически без потерь.
Экономная энергетика живого
Замечательный советский электрохимик академик А. Фрумкин, создавший Институт электрохимии Академии наук СССР в Москве, где проблема топливного элемента одна из ведущих, как-то беседовал с журналистами. Обсуждая недостатки традиционной тепловой энергетики, он нарисовал яркий образ:
— Представьте себе мучимого жаждой человека. Он добрался наконец до воды, зачерпнул полный стакан, но... к губам ему удается донести лишь треть!.. А ведь именно в таком положении находится человечество: из наполненного до краев кубка энергии ему удается полезно использовать лишь малую часть. Две трети добытой из-под земли тяжким трудом людей химической энергии топлива пропадает зря...
Не то «холодное» горение, оно выгодно отличается от обычного: лишено ограничений, установленных Карно, здесь КПД может даже превысить 100 процентов!
Секрет прост: энергия черпается из окружающей среды и добавляется к химической энергии сжигаемого топлива. Но это экзотика. Правило же таково, что при «холодном» горении удается почти всю химическую энергию непосредственно превратить в очень удобную для использования энергию электричества. И доказал то впервые немецкий ученый Нернст.
В 1893 году Нернст вывел теоретическую формулу (она носит его имя), определяющую величину электродвижущей силы электрохимического элемента. Внешне она кажется простой, так же, как и формула Карно. Однако простота эта обманчива.
Мы не будем ни приводить, ни обсуждать формулу Нернста. Нам важно другое: те выводы, которые ученый из нее сделал. В том же 1893 году Нернст рассчитал величину электродвижущей силы гальванического элемента и то количество электрической энергии, которое получается при электрохимическом соединении угля с кислородом. Результат был ошеломляющим. Нернст показал, что если бы удалось превратить химическую энергию угля в электричество электрохимическим путем (читай, в топливных элементах!), то максимальный теоретический КПД такого процесса составил бы 99,75 процента!
Почти сто процентов! Вот оно, первое из многих достоинств топливных элементов. В них в отличие от паровой и прочих тепловых машин энергия практически не теряется.
Любопытно, что очень схоже решила энергетическую проблему и живая природа. Здесь также, минуя малоэффективную тепловую стадию с очень высоким КПД и в поразительно мягких условиях (комнатные температуры, нормальные давления, водная среда), химическая энергия может быть преобразована в механическую энергию (мышцы, сердце, жгутики бактерий), осмотическую работу (секреция желез, всасывание в кишечнике), электричество (нервные клетки, электрические органы некоторых рыб), свет (светляки) и так далее.
Но самое удивительное то, что все эти превращения содержат в качестве обязательного звена «холодное» горение водорода с кислородом. Биохимики установили' биологический водородно-кислородный топливный элемент как бы «вмонтирован», «впечатан» в каждую живую клетку. Не вдаваясь в биохимические тонкости, укажем лишь, откуда в организме человека берется водородное топливо (окислитель же — кислород из воздуха, — попадая через трахеи и легкие, всасывается в кровь, соединяется с гемоглобином и так разносится по всем тканям).
Источником водорода служит пища — жиры, углеводы, белки. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном итоге дробится до элементарных кирпичиков — так называемых жирных кислот, которые, в свою очередь, распадаются в клетке до воды, углекислого газа и атомарного водорода.
Этот-то водород, соединяясь с кислородом в процессе «холодного» горения, и составляет основу биоэнергетики организма. А образующийся в этой реакции электрон запускает все идущие в живом организме процессы.

Предвидение Оствальда
Большую роль в судьбе топливных элементов сыграл немецкий ученый Вильгельм Оствальд.
Сейчас Оствальдом интересуются в основном лишь историки науки, а ведь когда-то он был притчей во языцех, главой громадной, созданной им самим школы физикохимиков.
Оствальд сразу же раскусил, какие большие возможности для энергетики сулят топливные элементы. Одно дело, когда о неоспоримых достоинствах топливных элементов в своем учебнике «Теоретическая химия» написал молодой, еще мало кому известный Нернст, и совсем другое, если рекламированием топливных элементов занялся Вильгельм Фридрих Оствальд, всемирно известный ученый, организатор и первый президент только что созданного в Касселе Немецкого электрохимического общества.
В 1894 году на одном из первых собраний этого общества Оствальд произносит речь во славу топливных элементов. Она была затем опубликована в первом номере тоже только что основанного «Электрохимического журнала». Оствальд писал: «Я не знаю, достаточно ли ясно представляют себе, сколь несовершенен для нашего времени высоко развитой техники важнейший источник энергии, которым мы сейчас пользуемся, — паровая машина...»
Да, в то время еще господствовали пар и уголь (не нефть!), и на тепловых электростанциях КПД преобразования энергии достигал только 10 процентов.
В. Оствальд продолжал: «...Путь, которым можно решить самый важный из всех технических вопросов — вопрос получения дешевой энергии, должен быть теперь найден электрохимией. Если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию непосредственно из угля и кислорода воздуха в количестве, более или менее соответствующем теоретическому, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины... Как будет устроен такой гальванический элемент, в настоящее время можно только предполагать... В таком элементе происходили бы те же самые химические процессы, что и в обычной печи: с одной стороны засыпался бы уголь, с другой — подавался кислород, а удалялся бы продукт их взаимодействия — углекислота... Однако здесь не место обсуждать возможные технические подробности, которые могли бы привести к цели, так как, прежде чем серьезно возьмутся за выполнение этой задачи, пройдет еще некоторое время. Но с тем, что здесь не идет речь о лишенной практического смысла идее ученого, я думаю, можно наверняка согласиться. Ведь практически мы имеем дело со случаем, где подобно какой-либо механической задаче можно предсказать полный успех, и техника должна только в наиболее дешевой и лучшей форме разрешить эту проблему...»
Так, почти столетие назад, Оствальд предсказал топливным элементам великое будущее.
С момента, когда Оствальд произнес свою знаменитую речь, прошло 86 лет (1980 год!). За это время преимущества топливных элементов стали еще более очевидны. Способность работать при комнатных температурах (не тысячи градусов, как, например, в МГД-генера-торах, где любой материал быстро выходит из строя), отсутствие вредных выбросов (в водородно-кислородном топливном элементе в процессе работы выделяется лишь чистейшая водица)  и многое другое.
Отчего же до сих пор топливные элементы все еще не введены в широкий обиход? Причин было много.
Многие изобретатели (и до пророчества Оствальда и после него), пытаясь создать приемлемый для практического применения вариант топливного элемента, отдали этому делу многие годы своей жизни. Среди них был и наш выдающийся соотечественник П. Яблочков.
И успехи были: КПД этих устройств действительно приближался к 100 процентам.
В 1897 году Жако разработал электрическую батарею мощностью в 1,5 киловатта, которую поспешили объявить решением проблемы топливного элемента.
Устройство было таким: железный и угольный стерженьки (электроды) погружали в электролит — расплавленную (температуры 400—500 градусов Цельсия) едкую щелочь (NaOH).
Характеристики элемента Жако были прекрасны: КПД — 82 процента, плотность тока — 100 миллиампер с каждого квадратного сантиметра электродов. Этого было достаточно, чтобы демонстрировать техническую реализуемость и экономичность топливного элемента.
Работа Жако наделала много шума. Изобретатель строит установку, в ней последовательно включенные топливные элементы приводили в действие мотор.
В том же 1897 году Жако публикует в журнале «Harper's Magazine» сенсационную статью о своих работах. Там он детально описывает проект океанского лайнера, бороздящего волны Атлантики и несущего в своем чреве-трюмах движущую его электростанцию из топливных элементов. Автор скрупулезно высчитывает выгоды такого предприятия. Насколько меньше угля потребовалось бы взять на борт такого корабля, если бы простое горение топлива заменило горение электрохимическое... Увы, этим проектам не суждено было осуществиться. Установка Жако проработала с перерывами лишь около полугода.
Поначалу столь успешный опыт был заранее обречен на неудачу: при таких высоких температурах происходило быстрое окисление угольного стерженька, получающаяся при этом углекислота карбонизировала электролит (щелочь NaOH превращалась в соль Na2СО3), делала электролит непригодным для нормального функционирования элемента.
И все же изобретатели не сдавались. В то время у топливного элемента, казалось, были реальные шансы занять свое почетное место в энергетике. Ведь в отличие от паровой машины они могли непосредственно генерировать электрический ток.
Пессимизм Баура
Вопрос стоял остро. Шла конкурентная борьба между различными способами получения столь желанного электричества. Источником энергии (тут мнения тогда не расходились) должен был быть дешевый уголь. Но извлекать из него химическую энергию можно было различными приемами.
Первый путь — о нем мы уже много говорили — это топливные элементы. Но был и второй путь, в отличие от первого окольный, многоступенчатый (он успешно практикуется и до сего дня). Это путь прямого сжигания топлива, то, что сейчас называется тепловой станцией.
Тепловые станции возникли не за один день. Это длинная цепочка процессов: сожгли уголь — нагретый пар приводит в действие лопасти паровой турбины (или толкает поршень паровой машины), а уж ее механическая энергия, в свою очередь, побуждает к работе электрический генератор. Вот этой-то последней стадии лет этак сто назад не было и в помине. И здесь-то для топливных элементов и был тот самый шанс, о котором мы упоминали выше.
Но времена менялись. Еще в 1830-х годах Фарадей показал, как можно продуцировать электричество при помощи механического движения проводника, пересекающего силовые линии магнитного поля. В таком «электрическом генераторе», или «динамо», кинетическая энергия движения превращалась в электрическую. И это могло стать хорошим дополнением к паровой машине. Дело стало за достаточно мощным магнитом, ибо чем интенсивнее силовые линии магнитного поля, тем больше возникающий в проводнике ток.
И эта техническая задача была вскоре решена.
В 1831 году Генри создал крошку электромагнит, который тем не менее мог поднять целую тонну железа!
Дальнейшие события не заставили себя долго ждать. В 1872 году немецкий электротехник Ф. фон Хефнер-Альтенек (1845—1904), ведущий конструктор и главный инженер фирмы «Сименс и Гальске», сконструировал первый эффективно действующий генератор постоянного тока. То был для сторонников, поборников электрохимического способа получения энергии Си для топливных элементов, делающих лишь первые робкие шаги) сокрушительный удар. Вскоре за ним последовал другой, не менее внушительный
Второй нокдаун топливному элементу нанесли двигатели внутреннего сгорания. Интересно поразмыслить над тем, как выглядела бы сегодня энергетика, если бы на рубеже XX века двигатели внутреннего сгорания развивались, бы не столь стремительно, как это было в действительности. Возможно, уже давно бы по дорогам планеты бегали бесшумные, экономичные, не загрязняющие атмосферу электромобили, получающие энергию от топливных элементов...
Динамомашина торжествовала. Новый способ обладал неоспоримым преимуществом: он позволил в широких масштабах начать быстрое внедрение электроэнергии в промышленность и быт. Усилия ученых и инженеров были всецело направлены на развитие этого метода. Топливными же элементами продолжали заниматься только «чудаки». Для электрохимиков эти устройства вообще превратились в нечто вроде «пугала» — столько усилий и такие скромные плоды. Но так, исподволь, трудами многих поколений скромных подвижников идеи топливного элемента, ее рядовых солдат, незаметно, по капелькам, по кирпичику закладывался фундамент последующих успехов.
Типична фигура швейцарского исследователя Э. Баура, отдавшего проблеме топливного элемента 40 лет своей жизни. Баур понимал стоявшие перед ним трудности. Он писал: «Как свинцовый, так и железо- (или кадмиево-) никелевый аккумулятор потребовали долгих лет для своего оформления. Поэтому нельзя ожидать, что для создания топливных элементов потребуются незначительные усилия...»
И все же (слаб человек!) к концу своей жизни Баур приходит к пессимистическим выводам. Отдав делу 40 лет труда, он заявляет публично: использовать топливные элементы невозможно. Его горькие слова — естественное следствие объективных трудностей, мешавших осуществлению мечты о топливных элементах. Поразительно другое: тут есть и некоторая вина самого Оствальда, человека, так много сделавшего для научного рекламирования проблемы. Он ведь ратовал за топливный элемент, в котором бы происходило сжигание угля!    Вдохновленные    его    призывом,    исследователипрежде всего обратились именно к этой проблеме. Однако электрохимическое горение угля (теперь это отчетливо видно) и оказалось самым крепким орешком. Задача не решена до сих пор. Трудности таковы.
Как это ни удивительно на первый взгляд, но согласно законам термодинамики печь должна гореть тем лучше, чем она холоднее. Ибо, утверждают химики, равно весие реакции С + О2 = СО2 — сжигание углерода в кислороде — при этом сдвигается в правую сторону. Однако простой опыт — количество угля при хранении на складах явно не убывает — убеждает: при низких температурах все идет муравьиным шагом. Так и получается, что термодинамика говорит «да», а кинетика этого процесса отвечает «нет». И побеждает второе: уголь горит хорошо лишь при температурах примерно 1000 градусов (по Цельсию). Баур (и другие имярек) по рецепту Оствальда и делали ставку на уголь и высокие температуры. Но здесь их ждали неприятные сюрпризы. Высокие температуры вызывали сильную коррозию электродов и других деталей топливных элементов — элементы оказывались недолговечными. Кроме того, на искусственное поддержание таких температур тратилась львиная доля электроэнергии, снимаемой с топливного элемента. Овчинка не стоила выделки! Так и получилось, что многие исследователи и изобретатели «сломали себе шею», доверившись рекомендациям Оствальда. Но не только в этом было дело. Сейчас, оглядываясь назад, видно, что Нернст и Оствальд слишком далеко опередили свое время. Тогда не было еще ни теоретических, ни экспериментальных, ни технологических средств решения этой большой задачи. Недоставало многого — детальных знаний по катализу (они сейчас есть благодаря развитию химической промышленности), современных материалов (металлов, пластмасс), не было знания квантовой теории (ее разработка была начата Планком двумя десятилетиями позже выступления Оствальда) и так далее. Какими бы гениальными ни были изобретатели времен Оствальда, они не могли справиться с проблемой, стоящей на стыке нескольких областей знания, задачей, требующей организации совместной работы ученых разных специальностей — электрохимиков, физиков, математиков, специалистов по электронике, пластмассам, химической технологии, электротехники. Всему этому — новому стилю работы — научились позже: при работе над атомными и космическими проектами. Как бы предчувствуя все трудности, Оствальд недаром назвал проблему топливного элемента «философским камнем электрохимии».
Замкнутый круг
Но время работало на топливные элементы. Прошли 30-е годы нашего века. Техника требовала все новых и новых типов автономных электрохимических источников тока. Поэтому накануне второй мировой войны исследователи вновь обратились к простейшему топливному элементу — водородно-кислородному.
Весомую лепту в разработку и создание таких топливных элементов внесли и советские исследователи.
...Я держу в руках старый журнал «Советская наука». Март 1941 года. Этот журнал (так же, видимо, как и государственное издательство «Советская наука»), созданный в 1941-м, просуществовал лишь четыре месяца — началась война.
В мартовском номере было опубликовано постановление Совета Народных Комиссаров Союза ССР о Государственных премиях. В разделе «За выдающиеся изобретения» премии третьей степени (25 тысяч рублей) был среди прочих удостоен и П. Спиридонов, научный сотрудник физико-химического института имени Л. Я. Карпова. Награжден за изобретение нового типа элемента воздушной деполяризации — так говорилось в постановлении. Фактически же тут речь шла все о том же топливном элементе...
В СССР этими работами начали заниматься совсем недавно. Но успехи уже были, и немалые. В институте имени Карпова в лаборатории академика А. Фрумкина работала группа «Новых источников тока». Руководил ею инженер П. Спиридонов.
Было бы слишком сложно излагать суть работ П. Спиридонова. Важно другое. Его работы уже показывали реальную возможность практического использования топливных элементов (во всяком случае, водород-нокислородного варианта). Элементы Спиридонова, созданные в 1939—1941 годах, имели значительную плотность тока — 30 миллиампер с квадратного сантиметра поверхности электродов. Эти значения были для того времени довольно высокими (сейчас удается получать токи в десятки-сотни раз больше) и в противовес пессимистическим взглядам Баура показывали перспективность дальнейших изысканий в этом направлении.
Но вновь слепые, стихийные силы вмешались в судьбу топливного элемента. Началась война. Исследования (с таким блестящим стартом) были свернуты.
Примерно в те же годы, перед войной (хотя и в несколько ином плане), подобными работами в СССР успешно занимался еще один наш соотечественник — О. Давтян. В энергетическом институте исследования велись под руководством академика Г. Кржижановского.
Один из недостатков созданного Гровом водородно-кислородного топливного элемента состоит в том, что он работает на чистом водороде, который слишком дорог. (Дорог и кислород: предпочтительнее элемент, работающий на воздухе.) Заманчивее было бы использовать дешевые газообразные топлива, в первую очередь генераторный газ (газ, получаемый путем газификации твердого топлива). Такую установку для электрохимического сжигания горючего газа и построил О. Давтян.
Уже после войны, в 1947 году, эти работы были со
браны О. Давтяном и опубликованы в первой, посвя
щенной топливному элементу, монографии, она называлась «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую». Книга вызвала за рубежом большой интерес. Так, трудами советских ученых началась новая эра в развитии топливных элементов.
Вера движет горами, как известно. В злоключениях топливного элемента бывало всякое — насмешки критиков (крохотные токи), рекламные моменты, истовость изобретательского пыла и многое другое. Не было, кажется, только несокрушимой, все отметающей, все преодолевающей веры, веры в успех этого научно-изобретательского мероприятия. Пришло и это. В лице английского инженера Фрэнсиса Томаса Бэкона (родился в 1905 г.), создателя первого, уже реально работающего образца топливного элемента. «Мне хочется еще раз подчеркнуть, — сказал он недавно, — что не логические рассуждения, а убежденность в правоте идеи топливного элемента руководила мной все эти годы...»
В 1959 году Бэкон сконструировал и построил целую батарею из 40 топливных элементов общей мощностью в 6 киловатт (КПД 80 процентов).
Итак, (через 120 лет после открытия Грова) был создан работающий топливный элемент. Батарея Бэкона могла приводить в действие электрокар, циркульную пилу и сварочный аппарат.
Почти одновременно, в октябре 1959 года, в США представителям печати и общественности был продемонстрирован двадцатисильный электротрактор на топливных элементах (американцы давно уже закупили патент Бэкона), спроектированный и построенный фирмой «Аллис-Чалмерс».
Все говорило за то, что топливные элементы вышли из стадии лабораторных исследований. Но где и как их использовать? и можно ли? и стоит ли?
Транспорт? Да, батареи Бэкона было достаточно, чтобы привести в движение небольшой автомобиль. По своим размерам батарея была примерно такой же, как и автомобильный двигатель (76х38х30 см).
Однако общий вес установки, вместе с баллонами газа и вспомогательным оборудованием (автоматика, удаление воды — продукта реакции, поддержание стабильной температуры), необходимым для управления работой батареи, составлял около 300 килограммов, для ее размещения потребовался бы грузовик. Таким образом, общее соотношение мощности к весу у детища Бэкона оказалось все же слишком низким, чтобы его можно было, скажем, использовать на транспорте.
Может быть, энергетика? На стационарные генераторы, предназначенные для электрических станций, не налагается жестких (земля все выдержит!) требований в отношении веса и компактности. Но поскольку они должны вырабатывать много энергии, в них должно использоваться доступное, дешевое (например, горючие газы) топливо. А батарея Бэкона эффективно работала только на водороде, степень чистоты которого равнялась 99,5 процента! А столь чистый водород и стоит крайне дорого, и производство его ограничено (тогда еще о водородной энергетике и слыхом не слыхали).
Металлы-катализаторы, используемые в элементе Бэкона, были крайне чувствительны к малейшим загрязнениям как топлива (водород), так и окислителя (кислород). Примеси выводили их из строя. А ведь в идеале (вспомним Оствальда) грезилось, что топливные элементы будут способны работать на кислороде воздуха (без разделения газов) и на неочищенных углеродистых газах (скажем, на пропане — газообразном углеводороде, который можно получить, например, при переработке углей). Лучшим катализатором здесь, видно, была бы платина (мы помним, что еще электроды элемента Грова были собраны из чистой платины). Но затраты большого количества (массовое производство!) дорогостоящей, дефицитной платины низвели бы топливный элемент опять на уровень лабораторной игрушки.
Вот и получился замкнутый круг. И выхода, казалось бы, не было никакого. Практическое использование топливного элемента вновь откладывалось на неопределенный срок.
С Земли на Луну
Оставив за собой гигантский огненный хвост, космический корабль устремился ввысь... Вот отделяется ракета-носитель... и космонавты берут курс на цель (Марс? Венеру?)...
Представим теперь себе, читатель, что мы находимся в кабине космического корабля. Первое бы, что нам бросилось в глаза, — это, видимо, мягко светящийся главный пульт управления: светло-серая приборная доска, полумесяцем огибающая всю кабину. Со множеством различных переключателей, датчиков, счетчиков, циферблатов, шкал, индикаторов и других приборов... Даже стены космической каюты усеяны сотнями разных переключателей и кнопок.
Сложное хозяйство у космонавтов! Необходимо собирать и передавать на Землю разнообразные данные. Должны быть на борту также устройства, поддерживающие в кабине тепло и уют (хотя снаружи температура может колебаться от плюс 120 до минус 150 градусов Цельсия). И все это множество приборов — питание радиоприемного и радиопередающего оборудования, приборы для научных исследований и контроля параметров самого корабля, бортовая ЭВМ и так далее — требует электроэнергии.
Где ее взять? Какой тип бортового источника энергии выбрать? Непростые вопросы! Элементарные оценки показывают: чем длительнее полет, тем (если ориентироваться, скажем, на обыкновенное химическое топливо) больший запас «горючего» должны брать с собою космонавты. Для полета к Марсу бортовые источники электрического питания (БИЭП) потребовали бы 200 тонн ракетного топлива!
Когда 4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник, более 38 процентов его общего веса составили химические источники тока. И все же этих запасов хватило только на три недели.
Для маленьких спутников, весящих сотни граммов, требовались ватты энергии. Космические же корабли — «Восход» и «Аполлон» — с человеком на борту нуждаются в гораздо большем: в десятках киловатт, а обитаемые космические станции будут (и уже!) требовать сотни и тысячи киловатт энергии. Где ее черпать?
И вот получилось так, что всех других конкурентов обошел и стал своеобразным чемпионом топливный элемент! Жалкая пария на земле, он расцвел в космосе. Там его достоинства засверкали яркими красками.
Когда в США встал вопрос о выборе энергоустановки для космических кораблей «Джемини» — они должны были крутиться вокруг Земли в течение двух недель — все решили сравнительно простые оценки. Космический полет требовал двухсот киловатт-часов электроэнергии. Чтобы ее обеспечить, самая совершенная батарея аккумуляторов — серебряно-цинковых — должна была весить 1,5 тонны. Батарея солнечных элементов — 335 килограммов, а вот энергоустановка из водородно-кисло-родных топливных элементов имела расчетный вес лишь 225 килограммов. Эти цифры (в космосе каждый килограмм на учете) и склонили чашу весов в пользу топливных элементов.
Конечно, топливные элементы имели в космосе и другие преимущества: играл роль не только их малый вес. В отличие от солнечных батарей они вырабатывают электроэнергию в любое время суток, независимо от освещенности. Топливные элементы компактны, могут иметь любую геометрическую конфигурацию в соответствии с требованиями космического аппарата. Они нечувствительны к ударам, вибрации, радиации, вакууму, невесомости, выдерживают кратковременные перегрузки до 100 процентов номинальной мощности, не имеют вредных выбросов (вселенная космической кабины очень мала: ее нельзя загрязнять!), бесшумны, не дают радиопомех и излучений, действуют при температурах, близких к комнатной...
Вот так и получилось, что первое практическое применение топливные элементы нашли не на Земле, а в космосе!
Наконец-то для топливных элементов наступили славные денечки. В 1963—1964 годах только в США (а исследования велись во всех развитых странах мира) на топливные элементы ежегодно шли десятки миллионов долларов. Все былые преграды: дороговизна платины, чистота водорода и кислорода... — все, что мешало широкому распространению топливного элемента на Земле, теперь в космосе, когда необходимо было изготовить для дела лишь несколько образцов, стало помехой небольшой: денег не жалели!
Теперь события развивались стремительным темпом: топливные элементы побывали даже на Луне! Причем топливные элементы не только снабжали космические экипажи электроэнергией, но и буквально поили их. И в этом был большой резон.
Ежедневно космонавту нужно от 4 до 14 (в зависимости от длительности полета и гигиенического режима) литров воды. Эту потребность могут обеспечить водородно-кислородные топливные элементы, так как в них при выработке каждого киловатт-часа электроэнергии в качестве побочного продукта выделяется что-то около литра чистейшей, годной для питья воды. Нетрудно подсчитать, что при месячном полете космического экипажа экономия массы корабля за счет запасов воды будет исчисляться тоннами!
...И Армстронг, и Олдрин, и Коллинз пили воду, которая синтезировалась в топливных элементах корабля «Аполлон». Правда, на первых порах американские космонавты испытывали некоторое неудобство. Вода напоминала газировку: только вместо углекислого газа она была насыщена водородом. Это вызывало необычные и малоприятные ощущения.
Причина явления проста. В топливном элементе вода выделяется — испаряется — с той стороны, где происходит подача в элемент топлива — водорода. Естественно, пары воды смешиваются с газообразным водородом. Но в дальнейшем удалось получить воду без растворенного в ней водорода. Для улавливания в питьевой воде пузырьков газа на краны надевались специальные фильтры.

ГЛАВА 6

ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ

Основное занятие ученого состоит в том, чтобы найти, как сделать вещь, а дело инженера — создать ее.
Дж.  Б е р на л
Теперь можно рассказать о том, как уже из космоса топливные элементы спустились на Землю. Про открывающиеся для них тут большие возможности.
В Московском энергетическом
Для СССР топливные элементы давно не новинка. На стендах ВДНХ посетители могут увидеть электрохимические генераторы тока (сокращенно ЭХГ, так еще называют топливные элементы, если их рассматривать вкупе с автоматикой, системами отвода тепла, продуктов реакции и прочими вещами, неизбежными, если речь идет о достаточно мощных источниках энергии) ЭХГ, созданные во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока (ВНИИТ) под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Н. Лидоренко. Правда, прежде основной упор в этих работах делали на создание автономных источников энергии небольших мощностей. К примеру, созданы во-дородно-воздушные ЭХГ для питания переносного телевизора (мощность 15 ватт, срок службы 2 тысячи часов). Поэтому с таким большим интересом электрохимики страны собирались в сентябре 1979 года на свой очередной форум. Тогда в Москве проходила Всесоюзная научная конференция: ее гема была необычной — электрохимическая энергетика!
Судьба топливных элементов полна парадоксов. Экзотика, можно сказать, вывела топливные элементы «в люди». Необычные обстоятельства вне Земли и глубоко под водой требовали и незаурядных источников питания электроэнергией. И вот там, где спасовали традиционные средства, выручил топливный элемент.
Казалось бы, топливные элементы годятся лишь для особых случаев, для спецтехники, и их удел — малые масштабы производства. Потому-то и был столь удивительным большой научный разговор об электрохимической энергетике, который состоялся в 1979 году в Москве.
Знаменательно, что электрохимики страны собрались в стенах Московского энергетического института (МЭИ), где имеется положительный опыт подготовки специалистов по электрохимической энергетике. Тем самым как бы скрепляя союз электрохимиков и энергетиков.
На конференции в МЭИ было продемонстрировано много примеров того, как ЭХГ постепенно входят в нашу жизнь и быт. Так, эти устройства снабжали электроэнергией действующий в Черном море подводный дом «Черномор» (Академия наук СССР). Но наиболее впечатляет создание советскими учеными и инженерами, сотрудниками ВНИИТ, электромобиля на топливных элементах.
На первый взгляд машина как машина. Сзади вроде бы обычная выхлопная труба, из нее тянет дымок. Однако, оказывается, это не ядовитые выхлопы, а безобидный водяной пар. Второе, что удивляет, — машина не издает никакого звука, не фырчит, не тарахтит, бесшумна, как сова.
Заглянув внутрь машины, невольно ищешь (электромобиль!) традиционную батарею аккумуляторов, а ее нет! Взамен «ящик» размером примерно с две домашние стиральные машины. Это и есть электрохимический генератор на топливных элементах. От него ток поступает к двигателю.
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.
Причины компактности этих энергоустановок станут понятны, если  мы  представим себе, как они устроены.
При хрестоматийной подаче топливный элемент изображают так. В сосуд с водным раствором электролита (кислоты или щелочи) погружены два металлических, например, из платины, стержня — их называют электродами.
К одному из электродов (аноду) подводят газообразное топливо, скажем, водород, другой электрод (катод) омывается окислителем, обычно кислородом или воздухом (так дешевле). Если теперь электроды замкнуть на внешнюю цепь, в ней пойдет электрический ток.
Примерно в таких тонах расскажет о топливном элементе ученый-электрохимик. Технолог же, обуреваемый желанием сэкономить пространство и материал и жаждущий высоких удельных мощностей, представил бы топливный элемент по-иному.
Это сандвич, сказал бы он, где роль ломтей хлеба играют два пористых (внутренняя поверхность велика, велик и ток) электрода, а кружочка колбасы — пропитанная раствором электролита также пористая матрица (да, хотя б и промокашка, лишь бы тоненькой была!).
Но, добавит технолог, один такой электрохимический «бутерброд» энергией не насытит. Тут уже нужна стопка, этакий «слоеный пирог» из множества топливных элементов.
Толщина отдельного топливного элемента — миллиметры, снимаемая мощность — сотни ватт. Батарея же высотой в несколько метров (из многих сотен отдельных, повторяющихся, однотипных, правильно чередующихся топливных элементов) способна дать сотни киловатт энергии. Мегаватты же, если заводить речь об электрохимической энергетике всерьез, получатся, коль на сравнительно небольшой площадке взгромоздятся сотни таких слоеных электрохимических «колонн». Это и будет (как бы ее назвать?) электрохимической электростанцией (ЭЭС). Одна из многих ячеек электрохимической энергетики (ЭХЭ).
Важное достоинство этих источников энергии еще и в том, что в основе их построения лежит принцип «модульности». Стопка или набор топливных элементов — модуль — может быть любого размера, а стало быть, и мощности. Так сказать, на любой вкус и потребность!
В каждом доме можно поставить свою котельную, но никак не электростанцию! (Так же, как вряд ли в будущем появятся автомобили с атомным реактором.) Это если говорить о традиционных источниках энергии в городе. Не то ЭЭС. Сейчас создаются проекты небольших (от 25 до 200 киловатт) автономных электрохимических генераторов на природном газе (а он есть в каждой кухне!), которые бы обслуживали отдельные микрорайоны или даже большие жилые дома. При этом можно утилизировать еще и тепло, выделяемое топливными элементами. И при тех же затратах топлива не только снабжать дома электричеством, но и отапливать их.
Но можно строить ЭЭС и больших мощностей — от 5 до 25 мегаватт. Однако работа для них в городе будет уже иная. Ритмы города — «прилив», «отлив». Часы «пик» с толчеей в метро и автобусах. Как громадный зверь, город спит ночью (потребляя мало энергии), но утром, проснувшись, он выказывает всю свою силу (требуя всю доступную ему энергию).
Энергетика города вынуждена работать очень неравномерно и, как сейчас увидим, неэкономично. Эффективность использования топлива на ТЭЦ сильно зависит от нагрузки: если при работах на полную мощность такая ТЭЦ на жидком топливе потребляет около 2150 килокалорий на 1 киловатт-час электроэнергии, то при 40-процентной загрузке — уже 2800 килокалорий. А электрохимический генератор независимо от нагрузки будет потреблять 2270—2330 килокалорий на киловатт-час. (Еще одно замечательное свойство топливных элементов — сколько их мы уже перечислили!)
Нетрудно понять, какие можно получить выгоды, если использовать топливные элементы в коммунальном электроснабжении. В первую очередь как вспомогательные генераторы, подключаемые в часы пиковых нагрузок. Подстраиваясь под прихотливые ритмы городов, очень выгодной окажется комбинация из рассчитанной на средние нагрузки обычной ТЭЦ, постоянно работающей в оптимальном режиме, — на полную мощность, и батареи топливных элементов, принимающей на себя увеличение нагрузки в часы «пик».
Мысль о выравнивании нагрузок в больших энергетических системах: аккумулирование энергии при «спадах» и выдача ее в сеть при «подъемах» — мысль старая. Подсчитано, например, что создание таких аккумулирующих станций общей мощностью от 200 до 400 миллионов мегаватт сэкономило бы в год 50 миллионов тонн нефти!
Как это осуществить? Способов было предложено много. Можно сжимать воздух, хранить его в кавернах, например, под землей, а затем использовать механическую энергию движущихся воздушных потоков. Другой путь — гидроаккумулирующие устройства: вода закачивается в поднятый высоко резервуар, сброшенная оттуда, она возвращает энергию.
У нас в стране первый такой гидроаккумулирующий комплекс сооружается под Москвой, неподалеку от Загсрска. В двух километрах от устья небольшой речки Куиьи строится водоем, в котором весной будет собираться до 37 миллионов кубометров воды. А на отметке, находящейся на 100 метров выше, располагается другой бассейн почти такой же емкости. В ночное время насосные агрегаты будут из нижнего водоема перекачивать в верхний 22 миллиона кубометров воды. На это и уйдет излишек электричества.
Водохранилища соединены шестью водоводами диаметром 7,5 метра. Днем откроются их затворы, и мощные водопады устремятся к ГАЭС. В московскую городскую систему она передаст 1,2 миллиона киловатт электроэнергии. Столько же, сколько вырабатывается Саратовской ГЭС. А без ГАЭС излишек энергии пока приходится направлять (и получать) в другие отдаленные районы страны. При этом часть электроэнергии теряется   в   пути.
Проблему выравнивания энергии можно решать и другими способами, но, как правило, у них у всех один общий недостаток — большая инерционность процессов: ими трудно управлять. А электрохимические генераторы лишены этого недостатка. Только вот «маленькая» загвоздка — для выравнивания ритмов городской энергетики необходимы ЭЭС-гиганты: мощностью в десятки мегаватт. А их пока еще нет.
Да, таких электрохимических исполинов пока нет, но когда их начнут монтировать, это будет необычный процесс. Непривычный. ЭЭС можно, оказывается, собирать на специальных заводах. Так же, как, скажем, автомобили. (Автомобиль вовсе не обязательно собирать на дворе того дома, где он будет парковаться!) Строительство ТЭЦ требует места, и немалого, большого времени, капитальных вложений. Массовое же производство электрохимических «бутербродов», их быстрый монтаж в модули и «колонны» можно осуществить поточно. И доставить быстро в любую точку города. Соответственно  и  стоимость  ЭЭС  должна   быть  ниже.
Важность проблемы энергоснабжения городов быстро возрастает.  По данным ООН, к концу века в городах будет жить вдвое больше людей, чем сейчас. В развитых странах на долю городов придется три четверти всего населения, в развивающихся странах — около половины. Причем города достигнут грандиозных, умопомрачительных размеров. В 2000 году список их будет, очевидно, возглавлять Мехико с населением 31 (!) миллион человек. Далее будут следовать Сан-Пауло (25,8 миллиона), Токио (24,2 миллиона), Нью-Йорк (22,8 миллиона), Шанхай (22,7 миллиона). Как следствие такой урбаакселерации резко пойдет вверх и необходимость в ЭЭС, этих легко откликающихся на потребу городов новых источников электроэнергии.
«Тарджет» и другие
Кто-то должен начать! Самая блестящая идея останется фантазией, пока за нее не возьмется инженер. И вот в последние годы за рубежом в различных журналах, связанных с энергетикой, техникой, замелькали непривычные, броские заголовки статей. «Использование топливных элементов для выработки электроэнергии — мечта или реальность?» «Топливные элементы — фаворит в энергетической скачке?»... И тому подобное. В условиях достаточно резко выраженного энергетического кризиса, экологических и прочих неурядиц в ведущих капиталистических странах — США, ФРГ, Японии — начаты серьезные исследования вопроса о возможной роли топливных элементов в Большой Энергетике. Особый размах эта деятельность получила в США.
В 1967 году, когда многие организации, занимающиеся топливными элементами и работающие на космос, начали свертывать свою деятельность и дух уныния воцарился над этой проблемой, американская фирма «Юнайтед технолоджи корпорейшн», объединившись с консорциумом газовых и электрических компаний (электроэнергия из газа), создала проект «Тарджет» («Цель»). Организаторы проекта, что называется, смотрели в корень. Природный газ становится в энергетике самой перспективной фигурой. Использовать его высокоэффективно, экологически чисто — то была достойная задача.
Проект «Тарджет» действует более 20 лет. Исследования велись с постепенным наращиванием мощности установок. В 1972—1973 годах было изготовлено более 60 модулей — 12,5 киловатт каждый. Теперь же взят курс на 40-киловаттные устройства. 50 таких станций пройдут испытания в период с 1979 по 1981 год, чтобы к 1982 году можно было выработать окончательные рекомендации по их практическому использованию. Конечная цель работ — создание предпосылок для использования газа в качестве единственного носителя энергии.
«Тарджет» не единственный проект такого рода. В 1971 году была принята другая программа — «РСО» (первые буквы слов «Fuel Cell Generator» — генераторы на топливных элементах).
Если проект «Тарджет» поддерживали в основном газовые компании, то программу РСО финансировали компании электрические. И цели тут покрупнее — построить в начале 80-х годов уже 27-мегаваттную (!) установку на топливных элементах.
В 1976—1977 годах была построена и успешно испытана станция мощностью в 1 мегаватт. А в мае 1980 года в густонаселенном районе Нью-Йорка (Нижний Манхаттан, это место выбрано, чтобы показать преимущества использования топливных элементов: бесшумность, бездымность, «безводность») начато испытание электростанции на топливных элементах мощностью в 4,8 мегаватта. Она дает ток в городскую сеть.
Если эксплуатация этой демонстрационной энергоустановки — пока идет очень дорогостоящий и сложный технический эксперимент! — окажется успешной (планируется, что станция проработает 2000 часов: в октябре 1981 года предполагается выпустить заключительный отчет по данному проекту), то в начале 80-х годов, возможно, будет построена электростанция уже на 27 мегаватт.
Согласно предварительным расчетам такая станция сможет обеспечить электроэнергией жилой массив (или город) с населением в 20 тысяч человек. Все оборудование такой ЭЭС может быть размещено в одноэтажном строении, занимающем порядка двух тысяч квадратных метров земли.
Чтобы ощутить размах дела, полезно вспомнить события не столь далекие: историю развития атомной энергетики. Первая в мире АЭС опытно-промышленного назначения мощностью в 5 мегаватт (какое совпадение: ЭЭС в Нью-Йорке рассчитана примерно на ту же мощность!) была пущена в СССР 27 июня 1954 года. А в 1958 году была введена в эксплуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью 100 мегаватт (Мвт) — полная проектная мощность 600 Мвт. Так начиналась эра атомной энергетики. Не стоим ли мы сейчас на пороге энергетики электрохимической?
Третье поколение
Широкая река научно-технического прогресса. Ее стремительные повороты, странные и порой необъяснимые. Скажем, М. Фарадей (1791 —1867), так много сделавший для развития электрохимии. (Достаточно вспомнить открытые им законы электролиза.) Но он же в 1831 году открыл и принцип электромагнитной индукции. К чему это привело? К созданию электрических генераторов. К забвению электрохимических устройств, которые до этой поры (до 60-х годов XIX века) являлись основным источником электричества. Но сейчас, кажется, ситуация вновь меняется. Восстанавливается (увы, спустя примерно столетие) исходная позиция.
«Загнанные в резервации», «истребленные» для нужд Большой Энергетики, электрохимические устройства в образе топливных элементов собираются теперь дать бой тепловым машинам на их же собственной территории.
Третья американская долговременная программа «Utility» («Польза») поставила своей целью осуществить заветную мечту электрохимиков — поставить на промышленную основу, «холодное» (на топливных элементах) горение угля в кислороде воздуха. И не в виде лабораторных образчиков, дразнящих воображение, но не выдерживающих практической проверки. Где-то в 1990-х годах должна быть построена электростанция мощностью в 635 мегаватт!
Человек редко живет настоящим. Тело — да, но разум всегда устремлен в будущее. Видно, тому серьезные биологические причины: тысячелетняя борьба за существование, шлифующая наш мыслительный аппарат. Столь жизненная необходимость — умение предвидеть! Каков завтрашний день земной энергетики? Тут нет особых разногласий. Уже проглядываются три этапа.
Ближайший — эра нефтепродуктов и природного газа. Их хватит человечеству еще лет на 20—30. Следующий, второй этап — посленефтяной или угольный. Запасы угля обильны: ими можно «кормиться» 1,5— 2 столетия. Третий этап развития энергетики начнется, когда вся ископаемая органика будет исчерпана. Тогда пойдут в ход на полную мощность солнечные, атомные и термоядерные установки.
А электрохимическая энергетика? Привязана ли она к быстро исчезающей органике? Вовсе нет. Если, как утверждают футурологи, грядет эра водородной энергетики, топливным элементам всегда найдется дело, ибо это лучший инструмент для сжигания  водорода.
Электрохимическая энергетика только начинается, но ученые уже размышляют об энергоустановках второго и третьего поколений.
Пока идет работа с топливными элементами первого поколения. С фосфорнокислым электролитом, элементами, функционирующими при температуре около 210   градусов   Цельсия.
Отдельные электрохимические ячейки устроены так. Концентрированным водным раствором кислоты пропитывается тонкий слой пористого вещества-носителя. Оно заключено между пористыми же угольными электродами, на которые нанесен тонкий слой катализатора •— платины   (0,3—0,8 миллиграмма на квадратный сантиметр внешней поверхности электрода). Мощность такого элемента 0,1—0,2 ватта с квадратного сантиметра площади электродов, напряжение — 0,64 вольта. Вот характеристики отдельного электрохимического «бутерброда».
По предварительным подсчетам, при массовом производстве (не менее 500 мегаватт в год) такие установки — модули, собранные из отдельных топливных элементов, — будут обходиться по 350 долларов за киловатт мощности.
Теперь о КПД. Увы, у первого поколения энергоустановок на топливных элементах он не очень высок: около 40 процентов. Это еще не резкий скачок в сравнении с традиционными устройствами, где при использовании паровой турбины КПД колеблется от 23 до 38 процентов.
Где же обещанные почти 100-процентные значения КПД? — вправе спросить читатель. Так выгодно отличающие топливный элемент от тепловой машины? Для ответа на этот вопрос придется войти в некоторые подробности.
Энергоустановки на основе топливных элементов состоят из трех главных и непременных компонентов: системы подготовки топлива, собственно электрохимического генератора (ЭХГ) и преобразователя тока. (Топливный элемент генерирует постоянный ток, его надо преобразовать в переменный.)
В системе подготовки топлива нефть или природный газ сначала очищают от серы, а затем подают в каталитический паровой риформер. Так образуется смесь газов — водорода (топлива) и углекислого газа: они-то и поступают в анодные камеры топливных элементов.
КПД всей системы, естественно, зависит от КПД каждой из трех ее составляющих. Часть энергии уходит на приготовление водорода, оттого-то общий КПД энергоустановки и оказывается невысоким.
Но и в таком виде эти установки обладают рядом несомненных достоинств. Вредные выбросы (окислы азота и серы) от топливных элементов составляют лишь 0,1 до 0,00002 от выбросов обычных электростанций, работающих на природном топливе. Для работы топливных элементов первого поколения не требуется воды для охлаждения. Они не производят заметного шума. От размещения этих электростанций в населенных пунктах не может быть никаких вредных последствий. Еще достоинства. Уменьшение капитальных затрат и потерь при передаче энергии, так как эти станции можно расположить в непосредственной близости от потребителей. Блочный (модульный) подход существенно повышает эксплуатационную надежность таких электростанций и позволяет производить текущий ремонт без остановки всей станции.
Если бы удалось электростанции на топливных элементах объединить с каким-нибудь вторичным устройством, например, с тепловым насосом, который бы утилизировал выделяющееся при работе топливных элементов тепло, то можно было бы получить суммарный КПД системы до 94 процентов. Используемое тепло компенсировало бы энергетические затраты на конверсию исходного топлива. Но сделать это на установках первого поколения трудно: их температура низка. И специалисты начали работу над вторым поколением. Тут в качестве электролита уже будут использоваться расплавы карбонатов. Топливные элементы будут поэтому работать при температурах 500—750 градусов Цельсия (водные растворы электролитов выдержать подобных условий, очевидно, не могут). С суммарным КПД уже в 40—55 процентов. Другое достоинство высокотемпературных систем — способность работать на топливе, не очищенном от примесей, возможность обходиться без дорогостоящих катализаторов из благородных металлов.
Но ученые и инженеры смотрят еще в более далекое будущее. В угольную эпоху, когда нефть и газ истощатся. Видимо, лет через 10—20 появится и третье поколение ЭХГ — с твердым окисным электролитом, — работающих при температурах выше 750 градусов. Эти установки будут иметь КПД больше 60 процентов и смогут действовать совместно с газификаторами угля. Это будут уже мастодонты электрохимической энергетики мощностью в сотни мегаватт.