Знание-сила, 2003 № 05 (911)

Знание-сила, 2003 № 05 (911)

Издается с 1926 года

«ЗНАНИЕ — СИЛА» ЖУРНАЛ, КОТОРЫЙ УМНЫЕ ЛЮДИ ЧИТАЮТ УЖЕ 77 ЛЕТ!

Александр Волков

Позади зима. Впереди век водорода?

Уильям Роберт Грев, изобретатель топливного элемента

Зима кончилась даже в Сибири. Она еще долго не наступит.

О ней не будут вспоминать три летних месяца, три осенних месяца... Сколько же нужно времени, чтобы совсем не подготовиться к зиме?

Когда она опять внезапно нагрянет, нам останется лишь ждать милостей от природы. Не надеяться же на ведомство энергетиков!

Как хорошо было нашим предкам: печь, камин, костер...

Каждый мог сам обогреть жилище. Теперь мы угодили в паутину теплотрасс и по полгода мучаемся в зябких квартирах от летнего головотяпства властей. Что остается делать? Хоть оборудуй каждую многоэтажку маленькой электростанцией, чтобы ни от кого не зависеть! А ведь так оно и будет в XXI веке — иначе не жить нам в тепле и при электрическом свете. Ради подобных станций — домашних котельных, — без которых прошлой зимой мерзли многие тысячи россиян, вспомнили одну старую идею: открытие, о котором забыли.

Более полутора веков назад, в 1839 году, английский изобретатель Уильям Роберт Гров придумал «гальваническую газовую батарею», или, как назвали ее позже, «топливный элемент» (ТЭ). Эта батарея вырабатывала электрический ток за счет соединения водорода с кислородом.

Открытие было сразу замечено. В ближайшие месяцы о нем сообщили научные журналы Швейцарии, Франции, Германии и Италии — сообщили и забыли. Для электрификации Европы эта курьезная батарея не понадобилась. Напрасно немецкий физик Вильгельм Оствальд в конце XIX века убеждал «в преимуществах топливного элемента над электрогенератором», добавляя, что последний «пора бы сдать в музей». Его похвалы не услышали.

Прошло еще полвека. Лишь с развитием космонавтики, когда понадобился легкий и эффективный источник тока, выбор пал на ТЭ. В 1965 году бортовая аппаратура американского корабля «Джемини» работала от ТЭ мощностью 1 киловатт. Позднее аналогичный источник питания использовали на кораблях «Аполлон», участвовавших в «лунной программе» США, а также на космических челноках.

И вот на рубеже XXI века изобретение Грова — экологический чистый и эффективный источник энергии — обретает новую жизнь. Давний курьез находит широкое применение. Появились экспериментальные модели автомобилей, телефонов, ноутбуков и даже подводных лодок, оснащенных ТЭ. С его помощью можно отапливать и освещать коттеджи и многоэтажные дома. С ним не страшны даже сибирские холода.

Что же такое топливный элемент? Это — батарея, которая преобразует химическую энергию топлива сразу и в тепловую, и в электрическую, например греет трубы и тут же освещает дом.

Состоит батарея из двух емкостей с водородом и кислородом, разделенных электролитом. Эта «перегородка» мешает образованию гремучей смеси. Реакция протекает под контролем; ее называют «холодным сжиганием водорода». Его молекулы благодаря катализатору теряют свои электроны. Зато, лишившись их, ионы водорода проникают сквозь электролит и соединяются с кислородом. В емкости с кислородом электроны оказываются в дефиците, а с водородом — в избытке. Появляются положительный и отрицательный полюса. Возникает электрический ток. Основным побочным продуктом этого технологического процесса является вода. Что же касается безопасности ТЭ, то, по оценкам экспертов, привычное для нас бытовое топливо — пропан и бутан — взрывоопаснее водорода.

Со временем водород и кислород могут стать неисчерпаемым источником тепла и света. На смену «углеродному веку» — эпохе нефти, бензина и угля — грядет «водородный век». Но тут начинаются проблемы.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Однако в природе он встречается в основном лишь в виде различных соединений, и главное из них — вода. Получать водород можно путем электролиза воды — ее разложения на водород и кислород, — но этот процесс очень энергоемкий. Поэтому в выигрыше окажутся страны, обладающие запасами возобновляемой энергии. Так, экспортерами водорода могут стать страны Азии и Африки, если использовать для его электролиза солнечную энергию. На специальных танкерах водород будут доставлять в Европу для заправки автомобилей и домашних котельных.

В Исландии планируют приступить к промышленному электролизу воды, используя геотермальную энергию, которой страна изобилует. Власти Исландии надеются, что со временем все ее жители будут пользоваться лишь автомобилями, работающими на водороде. Излишки его станут важной статьей экспорта. Чем не пример для Камчатки с ее Долиной гейзеров?

Пока же водород можно получать за счет переработки (риформинга) природного газа, ведь этот газ содержит метан (СН₄). При его реакции с горячими водяными парами образуется смесь, насыщенная водородом. Этот технологический цикл намного дешевле электролиза. Поначалу домашние электростанции будут работать именно на метане.

Такая электростанция невелика она чуть больше холодильника. Ее подключают прямо к газовой колонке. Сейчас в ряде стран ведутся эксперименты по отапливанию домов подобными агрегатами. Так, в нидерландском Арнхейме вот уже шестой год действует домашняя электростанция мощностью 100 киловатт. В немецком Эссене похожая станция проработала более 20 тысяч часов, обогревая один из местных павильонов. Это — рекордный показатель! Свои опытные образцы «водородных котельных» есть в Торонто, Милане, Марбахе, Нюрнберге.

Так выглядит топливный элемент

1 - он представляет собой батарею из двух емкостей с водородом и кислородом, разделенных электролитом (в рамочке показан топливный элемент в разрезе по линии 1);

2 - биполярная пластина;

3 - газодиффузионный слой;

4 - катализатор;

5 - полимерноэлектролитическая мембрана;

6 - ионы водорода проникоют сквозь электролит и соединяются с кислородом

В 2005 году планируется начать серийный выпуск домашних миниэлектростанций. Немецкая фирма «Vaillant», один из пионеров этой отрасли, надеется уже к 2010 году продать около 100 тысяч подобных агрегатов, рассчитанных, как минимум, на 40 тысяч часов работы. К этому времени в Германии, например, каждый десятый дом можно будет отапливать с помощью ТЭ.

Со временем мини-электростанции станут доступны каждому, как в наши дни — мобильные телефоны. Основным топливом для них будет биомасса, например навоз или силос, ведь при ее брожении выделяется метан.

Кстати, домашние ТЭЦ могут вырабатывать гораздо больше тока, чем нужно в обычном хозяйстве. Ведь даже топливный элемент мощностью 5 киловатт покроет вашу обычную потребность в горячей воде и электроэнергии примерно на 80 процентов. Очевидно, излишки тока будут перераспределять, связав в единую сеть десятки тысяч топливных элементов. Так образуется виртуальная электростанция — назовем ее «Интертэц».

Массовое внедрение домашних котельных позволит децентрализовать энергетическую систему и защитит население от диктата крупных компании-монополистов и просчета городских и областных коммунальных служб. В энергетике возобладает та же тенденция, что в информатике (появление сети персональных компьютеров, потеснивших прежние ЭВМ) и в связи (появление сотовой связи).

Переносной топливный элемент

Исландские траулеры будут оснащены топливными элементами