Занимательно об энергетике

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».