«Костер» из электричества

Несколько лет назад, общаясь с одним ученым из НГТУ, я получил любопытный прогноз относительно ближайших инновационных преобразований в мировой энергетике. По словам собеседника, возобновляемые источники энергии уже не рассматриваются в качестве основного направления развития. Дескать, здесь уже «порезвились» и успокоились. Реальное будущее связывают теперь с топливными элементами, подчеркнул ученый. Эта тема, отметил он, весьма «свежая» и перспективная.

Как мы уже неоднократно убеждались, очень часто всё «свежее» -  при тщательном изучении темы - оказывается хорошо забытым старым.  Помню, как в середине «нулевых» мы у себя в Новосибирске «открыли» тему тепловых насосов. Как заявил тогда один московский специалист, посетивший у нас в городе строительную ярмарку, тепловые насосы – это современное изобретение, которые уже вовсю применяют в развитых странах и о котором у нас пока еще плохо знают даже строители. Однако, как потом выяснилось при изучении подшивки старых научных журналов, в США тепловые насосы выпускались серийно уже в 1930-е годы. В Советском Союзе об этих устройствах также были хорошо осведомлены. В конце 1950-х годов у нас даже были опытные образцы тепловых насосов. Мало того, в научной периодике тех лет обсуждался вопрос их массового применения. Почему они стали для нас «диковинкой» в XXI веке – вопрос отдельный.

То же самое мы видим и в случае с топливными элементами. Их история началась даже раньше, чем история тепловых насосов. Еще в 1839 году английский естествоиспытатель Уильям Грове создал химическую батарею, в которой обычная реакция образования воды из водорода и кислорода вырабатывала электрический ток. Пять лет спустя появился новый вариант подобного устройства, который и был назван «топливным элементом». Эксперименты продолжались как минимум сто лет. И где-то после войны, с середины 1940-х годов, началось бурное развитие этой темы.

Топливным элементам уже тогда прочили большое будущее, связывая с ними настоящую революцию в сфере электрической генерации. Сейчас об этом странно читать, но к концу 1950-х годов ученые укреплялись во мнении, что традиционный способ выработки электроэнергии с помощью турбин и прочих тепловых машин сильно устарел и нуждается в радикальном пересмотре. Даже освоение энергии атомного ядра ничего по существу не меняло, поскольку и здесь использовались всё те же турбины, вращающие генератор. Как раз в те годы ученые начали поговаривать о необходимости сломать «громоздкую и малоэкономичную» систему косвенного получения электричества из тепловой и химической энергии. Прямо так и говорили: «громоздкая и малоэкономичная». По их мнению, инженерная культура достигла такого уровня, когда старые формы выработки электроэнергии вошли в противоречие с требованием резкого, революционного повышения КПД генераторов тока. Так, ученых не устраивало, что из 10 тонн угля полезную работу совершают только 3 – 4 тонны, в то время как остальные семь тонн выбрасывают свою энергию в воздух. Если в 1920-х годах о таком КПД можно было только мечтать, то в начале 1960-х годов это уже считалось расточительством.

Ключевая проблема диктовалась здесь самой природой, ее фундаментальными законами. Согласно второму принципу термодинамики, не вся тепловая энергия нагревателя может быть превращена в полезную работу. КПД теплового двигателя тем выше, чем больше разность температур начала и конца цикла его работы. Источники тепловой энергии вполне позволяли достигнуть температур до 2500 градусов Цельсия, и чисто теоретически КПД может находиться в диапазоне от 0,75 до 0,9. Но реально, на практике, КПД был в два раза ниже, поскольку техника в то время не располагала материалами, способными выдержать столь высокие температуры, обладая при этом высокой механической прочностью. Поэтому на практике верхний предел не превышал 800 – 1000 градусов Цельсия. Можно, конечно, двигаться и этим проторенным путем, создавая новые высокопрочные и жаропрочные материалы (что как раз и происходило до последнего времени, если взять эволюцию тепловых электростанций). Ученых же не устраивал сам «трехступенчатый» процесс получения электроэнергии, когда вначале мы производим тепло, затем это тепло превращаем в механическую энергию турбины, с помощью которой мы и вырабатываем электрический ток.

В головах ученых возникла дерзкая мысль «обмануть» природу, создав устройство, позволяющее получать электричество напрямую из топлива, когда вас уже не связывает так жестко второй принцип термодинамики. Если перейти от роторных двигателей к генераторам, где тепловая или химическая энергия ПРЯМО преобразуется в электрическую, то можно применять материалы, хорошо переносящие сильное нагревание, но не обладающие высокой прочностью. Это позволит увеличить верхний предел температуры, а, стало быть, и КПД машины. Ученые рассматривали как минимум четыре направления, где применялся данный эффект. Одним из таких направлений как раз и были топливные элементы. 

В принципе, в «сухих» батареях (вроде гальванических элементов) химическая энергия также непосредственно производит электричество. Однако такие батареи используют слишком дорогое «топливо» - цинк, свинец, ртуть. Считалось, что «сжигать» такие металлы – слишком дорого. Не лучше ли, рассуждали ученые, заставить вырабатывать электричество реагирующие между собой газы? Прежде всего, речь идет о водороде и кислороде. Именно с этими газами, как мы указали выше, работали ученые XIX века, создавшие первые образцы топливных элементов.

Мы сейчас не будем вдаваться в конкретную «начинку» таких устройств, поскольку, чтобы понять принцип их работы, надо хорошо помнить хотя бы базовый школьный курс физики. В общих словах: топливный элемент сконструирован таким образом, что в нем - вместо немедленного преобразования химической энергии в тепло - значительная часть этой энергии переносится электронами. Образно говоря, здесь создается «костер» из электричества. В те годы уже были разработаны различные виды топливных элементов. Были такие, что работали при обычных температурах, были и «горячие» (более мощные) устройства, работающие при температуре 250 градусов Цельсия. Самое интересное, что на этот счет высказывалось достаточно много идей. По сути, открывалось широкое поле для творческих поисков. Интерес к топливным элементам был настолько высок, что некоторые ученые связывали с ними энергетику будущего. И не только энергетику. Здесь вполне напрашивался вопрос об электрификации транспорта и полной замене двигателей внутреннего сгорания! Ученые грезили о том дне, когда появятся бесшумные электрические автомобили и тракторы, полагая, что этот день не за горами.

Подчеркиваю, что такие ожидания имели место более полувека назад. Больше всего ученых воодушевлял высокий КПД топливных элементов. По тем временам он был просто громаден – порядка 75 процентов. При этом уже тогда, в конце 1950-х, ставился вопрос о том, чтобы «сжигать» не кислород и водород, а более дешевое топливо – природный газ, пары бензина. В этом случае КПД мог стать еще выше.

Применительно к вопросам энергетики высказывались идеи, которые даже по нынешним меркам кажутся футуристическими. Например, водородно-кислородные топливные элементы предлагали совместить с солнечной энергетикой. В Стэнфорде был разработан каталитический метод разложения воды на кислород и водород с помощью солнечных лучей (так называемый «фотолиз»). В соединении с топливными элементами, возвращающими кислород и водород обратно в воду, фотолизные установки площадью в два квадратных километра, размещенные в пустыне, могли (теоретически) давать столько же энергии, сколько ее дает ТЭС мощностью 100 МВт.

Было еще одно оригинальное предложение: внести некоторые корректировки в устройство кислородно-водородного топливного элемента, чтобы вместо водорода использовать этиловый или метиловый спирт. Выходная мощность устройства несколько понизится, однако в качестве «компенсации» мы получим на выходе практически беспримесный продукт окисления спиртов, например, уксусную кислоту, являющуюся важнейшим сырьем в производстве пластмасс и лаков.

В общем, оригинальных (и даже головокружительных) идей, связанных с разработкой и использованием топливных элементов, было много. К сожалению, прогресс на этом направлении слегка затянулся. И если в наши дни обнаружилась актуальность данной темы, то это случилось отнюдь не потому, что кого-то совсем недавно озарила совершенно свежая мысль. По сути дела, мы в очередной раз становимся свидетелями творческого переосмысления старых идей и разработок, не совсем справедливо выдаваемых за продукт нынешней эпохи.

Николай Нестеров