Основания для подобных надежд породило открытие английского электрохимика Уильяма Грова. Когда он в 1839 году погрузил в банку с серной кислотой два платиновых электрода и один из них стал обдувать водородом, а другой - кислородом, то между электродами, как показала отклонившаяся стрелка гальванометра, стал течь электрический ток. Значит, в этом топливном элементе, а теперь электрохимическом генераторе (ЭХГ)
при соединении водорода и кислорода энергия связи атомов превращается непосредственно в электрическую энергию.
Открытие не оценили тогда по достоинству, потому что примерно такие же электрохимические батареи, какие мы используем и сейчас, существовали и в те времена и в них тоже получали электрический ток. Источником энергии в батареях является окисление ценных металлов: никеля, свинца, цинка. Но для производства этих чистых металлов тратится энергии гораздо больше, чем затем удается высвободить в виде электроэнергии. С энергетической точки зрепия процесс оказывается невыгодным.
Над проблемой экономии энергии тогда особенно не задумывались. Да и величина мощности топливного элемента была ничтожной. В итоге опыт У. Грова не" произвел впечатления.
Однако к концу XIX века отношение к топливным элементам изменилось. По словам ученого Вильгельма Освальда, "если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию прямо из угля и кислорода воздуха, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины".
Действительно, в таком элементе энергия электронов, выделяющаяся при связывании атома топлива (водорода, угля) с кислородом, выделится не в виде тепла, а даст электрический ток. Поскольку отсутствует тепловая стадия, то коэффициент преобразования энергии может быть очень высоким, равным почти 100 процентам.
Первые топливные элементы, появившиеся в конце XIX века, представляли собой угольный и железный электроды, которые погружались в расплавленную щелочь. При температуре 400-500°С элемент вырабатывал электроэнергию.
Однако создать надежный и экономичный топливный элемент на угле не удается до сих пор. Возникает много технических проблем: коррозия электродов, большие потери энергии на подогрев электролита и т. д. Пока нет топливных элементов с использованием природного газа.
Вперед вышли водородные топливные элементы, которые и были открыты У. Гровом.
Электрохимические генераторы на водороде раоотают ныне в космосе. Там они очень удобны, потому что в результате соединения водорода и кислорода образуется не только электрический ток, но и необходимая космонавтам вода. Во Всесоюзном институте источников тока испытываются ЭХГ и как источники энергии на электромобилях, в которых в качестве топлива применяется водород.
Заманчивее всего использовать в энергетике ЭХГ на природном газе. Для этого нужно сначала природный газ конвертировать в водород, который и сжигать затем как топливо. КПД существующих установок мощностью в десятки киловатт еще не очень высок, но если обогревать жилища выделяющимся теплом, то эффективность генератора может возрасти.
По мнению многих специалистов, ЭХГ особенно эффективны как пиковые электростанции. Уже созданы опытные системы мощностью в несколько мегаватт. Что же представляет собой электрохимическая энергетика?
Откуда взять водород? Об этом пойдет речь дальше.
Водородная энергетика
На наших глазах набирает силу новая отрасль промышленности - водородная энергетика и технология.
Потребность экономики в водороде идет по нарастающей.
Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.
Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель - тот же водород.
Водород - идеальный экофпльный вид топлива.
Очень высока и его калорийность - 33 тысячи килокалорий на килограмм, что в три раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 метра с ним передается 20 тысяч мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500 километров почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухнях для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы продемонстрировать его возможности, американские энтузиасты построили "водородный дом", в котором даже для освещения используется водород.
Передавать водород в жидком виде - удовольствие очень дорогое, потому что для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, гак как температура жидкого водорода очень низка.
Но предположим, мы решили качать по трубам жидкий водород. Один из путей снижения затрат - одновременно передавать электроэнергию по водородному сверхпроводнику. Чтобы поддерживать неизменной очень низкую температуру - минус 250°С, придется создавать дорогостоящую теплоизоляцию. Но вот удивительно простое решение. Через определенное расстояние предлагается производить отбор из трубопровода образующегося газообразного водорода для потребителей, расположенных вдоль трассы, а часть жидкости испарять, отнимая тепло, и тем самым поддерживать необходимую температуру водородопровода.
Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода.
Его можно использовать ц как топливо для авиационного транспорта.
Водородная энергетика сулит ряд выгод. Поэтому за последние десять лет появилось много энтузиастов водородной энергетики, возникли их ассоциации, в том числе международная. В Советском Сог.зе работы по данной тематике координирует Комиссия по водородной энергетике АН СССР.
Десятки молодых ученых и специалистов собираются каждые два года в организованной ЦК ВЛКСМ школе "Атомно-водородная энергетика и технология". Школы проводились в Северо-Донецке, Ионаве в Литве, Туле и Баку, где обсуждались вопросы использования водорода в промышленности и быту. В работе школ участвуют ведущие специалисты, которые рассказывают об основных методах получения водорода, его хранения и транспортировки, а молодые ученые обмениваются опытом работы в этой интересной и перспективной области науки и техники. Так готовятся кадры для будущего. Работы специалистов публикуются в журналах и сборниках под названием "Атомно-водородная энергетика и технология".
Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20-30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода - природный газ - на более дешевое и доступное сырье - на воду. Здесь возможны два пути.
Первый путь - традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. В последние годы электролизеры существенно усовершенствованы. Созданы установки с КПД до 70-80 процентов. Однако они пока еще дороги. Хотя не все ресурсы на этом пути исчерпаны, здесь неустраним принципиальный недостаток - низкий общий КПД производства водорода. Если КПД производства электроэнергии равен 35 процентам, а электролизера - 70 процентам, то полный КПД составит около 23 процентов.
Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500° С, то водные молекулы развалятся сами собой. Однако смущает слишком высокая температура, неприемлемая для промышленного производства. Попробуем провести реакцию разложения воды не в один этап, а в несколько. Например, при невысокой температуре проведем реакцию взаимодействия кадмия с водой. В результате получим свободный водород и окись кадмия. Затем нагреем окись кадмия до 1200-1300° С (а не до 3000-3500° С, как это нужно было для прямого разложения воды) и при ее разложении получим кислород и кадмий, который снова можно использовать для реакции с водой. Таким образом, вода разложилась на водород и кислород в ходе двухступенчатой химической реакции.
Придумано очень много подобных термохимических циклов разложения воды, когда не нужно использовать электроэнергию, а только тепло - например энергию атомных реакторов. Применяя цепочки в три или четыре реакции, максимальную температуру можно понизить еще больше при КПД около 50 процентов.
Увы, реальные технологические цепочки еще очень сложны. Природа расставила немало преград. Так, необходимы громоздкие и дорогие теплообменные устройства. Не так просто разделить вещества, участвующие в реакции. Довольно велики потери материалов. Существуют и другие трудности. Ныне ведется отработка различных предложенных схем и поиск новых.
Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.
О реальном соотношении стоимостей производства водорода различными способами сообщается в монографии "Введение в водородную энергетику", изданной под редающей академика В. Легасова. Оказывается, е"сли пересчитать затраты на тонну условного топлива, то производство тонны водорода из природного газа обойдется в 80-150 рублей, при электролизе воды - в 90-200, в термохимических циклах - в 200-300; из воды с помощью энергии угля - в 100 рублей.
Обращает на себя внимание большой разброс в цифрах. Он отражает и неопределенность в технологиях, которые еще нужно осваивать, и разницу в цене на сырье (газ, уголь) или электроэнергию.
Не во всех случаях водород способен удачно заменить современные виды топлива, особенно жидкое. В последние годы у энергетиков широкое развитие получили работы по созданию синтетического жидкого топлива (СЖТ). Его можно получать из газа, угля, сланцев. Весьма заманчиво делать искусственное жидкое топливо из угля, запасы которого велики. Придумано несколько способов превращения угля в жидкую массу. В Швеции уже работает опытный завод по производству "флюидкарбона", который состоит из 65-80 процентов угля, 20- 35 - воды и небольшого количества различных химических добавок - органических полимеров, полисахаридов.
Институт КАТЭКНИИуголь совместно с Институтом химии и химических технологий Сибирского отделения АН СССР предлагает растворять угли низшими алифатическими спиртами. Кстати, в этих процессах угольная масса существенно очищается от примесей серы.
К сожалению, жидкий уголь и жидкое углеводородное топливо - не одно и то же. В двигателях автомобилей и самолетов нужно топливо, подобное тому, которое получают из нефти, в нем на один атом углерода приходится около двух атомов водорода. Чем меньше атомов водорода приходится на один атом углерода, тем, как правило, при более высоких температурах углеводороды становятся жидкими.
В углях водорода меньше. В антраците его совсем мало, а в бурых углях типа канско-ачинских на атом углерода приходится всего лишь один атом водорода. Чтобы повысить содержание водорода в угольной массе, уголь измельчают и смешивают со специальной углеводородной жидкостью, которую выделяют из конечного жидкого продукта, а затем в эту пасту подают водород. При высокой температуре и давлении разрываются угольные кольцеобразные структуры, и к ним присоединяются дополнительные атомы водорода.
Такие процессы были изобретены давно. Еще в 20- 30-е годы в Германии, Англии, СССР работали опытные установки. А во время второй мировой войны в Германии уже производилось несколько миллионов тонн синтетического бензина иа угля; для этого требовалась очень дорогостоящая аппаратура. Особенно много проблем доставляло высокое (около 700 атмосфер) давление, при котором идет этот синтез.
В Институте горючих ископаемых благодаря использованию нового эффективного катализатора удалось снизить давление до 100 атмосфер. КПД такого процесса - около 50 процентов, а это значит, что из шести тонн канско-ачинского угля можно получить тонну СЖТ. Построены первые опытные установки. Однако нерешенные проблемы остаются. Например, неясно, удастся ли избежать больших потерь дорогого молибденового катализатора. Производительность установок еще мала. А ведь на их изготовление уходит большое количество высококачественных сталей. Пока неутешительны и оценки ожидаемой стоимости такого СЖТ.
Может быть, выгоднее окажутся способы непрямого сжижения угля? Например, сначала уголь газифицируется, а затем полученный газ в виде смеси СО, СН4 и Ш превращается либо в метанол (его уже можно использовать вместо бензина), либо в жидкие углеводороды.
Из метанола дегидрированием можно получить и высокооктановый бензин. Сколько же это будет стоить?
Пока ответ очень приблизителен - от 60 до 300 рублей за тонну жидкого топлива. Нужно точнее? Для этого и продолжаются исследования, создаются новые и новые установки.
Предлагаются и полуфантастические способы получения водорода - например закачивать воду через скважины в магму. При взаимодействии воды с железом (если магма богата им) выделится водород. Но мало, очень мало. Даже по расчетам энтузиастов (как правило, завышенным), при закачке 70 тонн воды получим всего 230 килограммов водорода из 8 тонн, содержащихся в воде.
Японские и американские специалисты выдвинули менее сложный, но столь же впечатляющий проект. Представим в океане платформу площадью 10 квадратных километров, которая заполнена солнечными панелями, конденсаторами солнечной энергии, паровыми котлами, турбогенераторами и электролизерами. Производительность такого завода - 600 тонн водорода в сутки. Разложение морской воды не простая задача. Очень мешает растворенный хлор, соли, для выделения которых из воды предстоит еще разработать технологию.
Почему платформы размещаются в море? Там не нужно искать охлаждающую воду для турбин. Это уже выигрыш. Кроме того, там гораздо меньше пыли и грязи, между тем как солнечные панели, установленные на суше, требуют чуть ли не ежедневной очистки, иначе КПД их падает.
Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем "ядерный реактор - водородный генератор" претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века.
Флагман энергетики
Передо мною страница служебного документа более чем тридцатилетней давности - "Оперативные записи начальника смены". Читаем: