Как сообщается в иностранной печати, группа сотрудников Национального центра атмосферных исследований США изучила воздействие судовых двигателей на состав и свойства воздуха. Объектом исследований ученые США избрали судовые двигатели, так как они легко прослеживаются с искусственных спутников Земли по длинному «кильватерному следу» выхлопа. Возникающие вследствие этого облака искусственного происхождения легко отличить от незагрязненных, естественных путем сопоставления отражающей способности. И, наконец, в открытом море отсутствуют иные источники промышленного и транспортного загрязнения атмосферы, которые на суше искажают картину изучаемого явления.
Установлено, что продукты сгорания в значительной мере меняют характер облачности. Она начинает сильнее (почти на 4%) препятствовать уходу тепловой энергии с поверхности водоема во внешнее пространство. В результате усиливается известный «парниковый эффект», вызываемый концентрацией двуокиси углерода в атмосфере и являющийся одной из основных причин наблюдаемого ныне общего потепления климата.
Говорят, что земной шар — это «одиноко несущийся в космическом пространстве автомобиль без выхлопной трубы». Образное и весьма невеселое сравнение. В редкие погожие выходные дни, прорвавшись через дымовые завесы автомобильных трасс, бледные, измученные горожане стремятся к спасительным водоемам. Сотни озер и рек обещают общение с первозданной природой, шепот листвы, мерное покачивание волн, покой и радость... Но не тут-то было. Резко остановив у берега элегантный автомобиль, несгибаемый горожанин снимает с прицепа катер и ловко заводит проворный «Вихрь».
Конечно, мне могут возразить: что там выделяет одни несчастный «Вихрь», по сравнению с огромным количеством более солидных двигателей? Что же, видимо, действительно немного, но дело не в сравнении удельных количеств, дело в принципе: человек в быту уверенно освоил только двигатель внутреннего сгорания и не желает с ним расставаться. Дело зашло так далеко, что уже поговаривают о печальной альтернативе: «Либо люди сделают все возможное чтобы в воздухе стало меньше дыма, либо дым сделает так, чтобы на Земле стало меньше людей».
Кажется, вопрос можно решить просто: заменить двигатель внутреннего сгорания на что-то иное, более приемлемое для биосферы. Но на что? Весь вопрос сводится к поиску наиболее экологически чистого источника энергии.
Представим такую картину: от пирса совершенно бесшумно отошел небольшой катер с синевато-фиолетовой крышей, разделенной тонкими прожилками на равные сегменты, в которых отражается яркий солнечный свет. Что это? Кадр из фантастического фильма? Вовсе нет это вполне реальный гелиокатер или катер с энергетической установкой на солнечных элементах, преобразующих энергию излучения светила в электрическую.
Идея использования энергии Солнца для получения электричества возникла, видимо, с открытием накануне XX века немецким ученым Г. Герцем нового физического явления, которое в дальнейшем исследовал русский физик А. Г. Столетов. Результаты этих работ серьезно озадачили ученый мир. И было чем. Оказалось, что, если осветить отрицательно заряженную пластину, она разряжалась. Более того, вылетавшие под действием света с ее поверхности электроны можно было собирать положительно заряженной пластинкой и получать электрический ток.
Честь открытия законов нового эффекта и его математического описания принадлежит А. Эйнштейну, удостоенному за эту работу Нобелевской премии.
В 1939 году под руководством академика А. Ф. Иоффе в Ленинградском физико-техническом институте создали фотоэлемент из сернистого таллия. КПД этого элемента на прямом солнечном свету превысил один процент. Казалось бы, такая малая величина, но это была большая моральная победа. Она показала, что «фантазия» ученых основана на прочном научном фундаменте. Ведь, по сравнению с селеновыми фотоэлементами, способность вырабатывать электричество увеличилась более чем в сто тысяч раз! Значит, можно «выжать» и еще.
Новый шаг был сделан в 1952 году, когда американские ученые Г. Пирсон и К. С. Фулер создали так называемый электронно-дырочный переход. КПД таких устройств сразу же вырос и сейчас доходит до 15%. Таким образом, если соединить в цепь много таких элементов, можно получить достаточно электроэнергии, чтобы заставить двигаться катер. Такие суда построены в Японии и ФРГ.
В 1985 году японец Кеничн Хори пересек на таком катере Тихий океан Австралийский журнал «Australian Nautical News» в июле 1988 года опубликовал рекламу морских солнечных модулей, имеющих улучшенные массогабаритные к энергетические показатели. Сейчас конструкторы хотят оснастить такой катер «парусом»-батареей и разворачивающей я батареей на стоянке для пополнения запасов энергии в электрический аккумулятор. Получится двойная выгода: улавливаются не только солнечные лучи, но и ветер. Однако в настоящее время солнечная энергетика широко применяется лишь в космической технике; кроме того с ее помощью в наших солнечных районах пополняют запасы энергии.
Но у солнечных батарей есть несколько существенных недостатков: это, в первую очередь, все еще низкий КПД, значительные габариты солнечных модулей, постоянная зависимость от погоды — если день выдался пасмурный, гелиокатер становится лишь дорогой игрушкой.
Так все-таки, быть может, есть смысл еще раз взглянуть с экономической точки зрения на всем привычный ДВС?
Как-то раз приехав в Харьков и подойдя к остановке такси, я был несколько удивлен, когда любезный водитель положил мой чемодан в багажник машины, в котором находился большой металлический сосуд с красной полосой и значком «На». Оказалось, что двигатель этой машины работал не на чистом бензине, а на его смеси с водородом.
Как известно, основным недостатком ДВС с искровым зажиганием (бензиновых, газовых) является их низкая топливная экономичность и высокая токсичность отработавших газов. Максимальный КПД современных двигателей этого типа составляет около 30%, а при отклонениях от оптимального режима, особенно в области частичных нагрузок, КПД снижается еще больше.
Применение водорода в качестве как основного, так и дополнительного топлива для этих двигателей позволяет поднять топливную экономичность на 30—40% за счет работы на бедных смесях при качественном регулировании мощности, а также значительно снижает уровень токсичности отработавших газов (подробнее см. «КиЯ» №108).
Однако низкая плотность водорода как в жидком, так и в газообразном состоянии создает ряд трудностей, связанных с размещением систем его хранения на борту катера. В связи с этим особое место в проблеме использования водорода для двигателей внутреннего сгорания заняли вопросы создания компактных и безопасных способов хранения газа на борту катера. Наиболее перспективным следует считать хранение водорода в металлогидридах. Этот эффект был обнаружен и зарегистрирован фирмой «Филипс».
Суть его в следующем. Некоторые гексагональные интермеаллические соединения типа RNi5H7 (R — редкоземельный элемент, Ni — никель или кобальт) эффективно поглощают и выделяют водород, причем процесс выделения протекает при сравнительно невысоких температурах (50—100 °С). Например, LaNi5H6, аккумулирует при давлении 0,4 МПа столько же водорода, сколько его могло бы храниться в эквивалентном по объему баллоне при давлении 100 МПа.
Таким образом, водород, «заливается» не в бак, а в специальный «аккумулятор», где он мгновенно связывается металлогидридом и прочно удерживается в нем, став абсолютно взрывобезопасным.
Во время работы двигателя водород выделяется из металлогидрида при изменении давления или температуры и в строгой дозировке, контролируемой приборами, вместе с бензином подается в камеру сгорания двигателя. Это позволяет более чем на одну треть сократить расход бензина и резко снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах. Такой двигатель разработан учеными Института проблем машиностроения Академии наук Украины и Харьковским автодорожным институтом.
Ну что же, кажется проблема решена, но... бензин все равно приходится жечь!
Так где же выход? Может быть, пора опять вспомнить про электроход? О первых электролодках Б. С. Якоби, которые появились в Санкт-Петербурге полтора века назад, мы уже рассказывали в №139 «КиЯ». Однако случилось так, что широкое признание и распространение «электрических судов» не состоялось. Главной причиной этого стало изобретение и внедрение двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Тяжелые аккумуляторные батареи еще могли конкурировать с ненасытными паровыми машинами, но соревнования с ДВС выдержать уже не могли.
После широкого внедрения ДВС в судовую энергетику и довольно спокойного периода их использования казалось, что уже ничто не может омрачить их уверенную победу в соревновании с электроходами.
Информация об изображении
Устройство катера с энергетической установкой на водородно-воздушных топливных элементах
Но оказалось, что, обладая компактностью, высокой энергоемкостью, ДВС имеют невысокий КПД, используют дефицитное органическое топливо, отличаются высокой шумностью и загрязняют окружающую среду. Поэтому сегодня ученые многих стран вновь и вновь возвращаются к идее электрической лодки. Минули многие десятилетия со дня первых испытаний электрических судов но аккумулятора, способного конкурировать с бензиновым двигателем внутреннего сгорания, все еще нет. Первые аккумуляторы имели удельную энергоемкость 15 Вт·ч/кг. Для лучших современных аккумуляторов эта величина сегодня, через сто лет, составляет до 100 Вт·ч/кг. Для конкуренции жесбензиновым двигателем она должна достичь хотя бы 900 Вт·ч/кг.
Устройство катера с энергетической установкой на водородно-воздушных топливных элементах
Создается впечатление, что аккумуляторному делу не хватает какого-то революционного скачка, позволяющего создать источник электрической энергии, сочетающий в себе высокие значения энергоемкости, КПД, бесшумность в работе приемлемые массогабаритные показатели и экологическую чистоту. В принципе, если бы не нужно было часто заряжать аккумулятор или менять гальваническую батарею, суда с электродвижением несомненно выиграли спор с любой другой энергетикой. Так в чем дело, что заставляет так часто менять химические источники тока?
В процессе их работы постоянно расходуются активные вещества электродов, которые закладываются заранее; срок действия таких источников определяется именно запасом активных компонентов непосредственно в элементе. А что если создать такой электрохимический элемент, в котором можно было бы постоянно пополнять необходимые компоненты?
Такой элемент был создан, и прежде все о заметим, что создан был совершенно случайно, отнюдь не для энергетических целей. В 1839 году английский электрохимик Уильям Роберт Гров в январском номере «Философского журнала» описал опыт по разложению серной кислоты.
Стрелка гальванометра отклонилась, когда его соединяли с двумя платиновыми полосками, наполовину погруженными в сосуд с разбавленной серной кислотой; одна полоска обдувалась водородом, другая кислородом. То, что процесс разложения может идти в обратную сторону (водород и кислород, соединившись, образуют воду) и что при этом получается электрический ток, для Грова было побочным явлением. И сообщение об этом было помещено в постскриптуме к статье, как бы между прочим.
Открытия Грова не произвели тогда на ученых большого впечатления — слишком ничтожны были снимаемые с элемента токи. Элемент выглядел лабораторным курьезом: любопытно, занимательно, но практического применения не имеет! Вначале новинку окрестили «элементом Грова». Но затем, когда выяснилось, что «сжигать» в нем можно не только водород, но и уголь, другие виды топлива, ему было дано название — «fuel cell», что в переводе с английского звучит как «топливный элемент».
Итак, уже с современных позиций, топливный элемент — это устройство, в котором энергия взаимодействия топлива и окислителя, непрерывно и раздельно подводимых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. Топливный элемент преобразует химическую энергию в электрическую до тех пор, пока в него поступают топливо и окислитель. Таким образом, срок службы топливных элементов определяется уже не запасом активных веществ, как в гальваническом элементе, а другими факторами.
На основе соединения необходимого количества топливных элементов в дальнейшем были созданы электрохимические генераторы. Такая установка состоит из батареи топливных элементов, систем для подвода топлива и окислителя, систем отвода продуктов реакции, систем термостатирования и т. д.
Вот теперь проанализируем указанную ранее «победу» ДВС над аккумуляторными батареями. ДВС хотя и имел невысокий КПД, но на продолжительных режимах сохранял свои преимущества. Аккумуляторные батареи лишь на коротких режимах разряда, когда высокий КПД является достоинством схемы непосредственного преобразования, при равной мощности и энергии могут конкурировать по удельным энергетическим и массогабаритным характеристикам с ДВС. Электрохимический же генератор имеет теоретический КПД, приближающийся к 100%, и весьма эффективен при долговечности в диапазоне 100—10 000 ч.
Таким образом, эти генераторы подобны машинным схемам и сохраняют при этом присущий схеме прямого преобразования энергии высокий КПД. На созданных в СССР водородно-кислородных электрохимических генераторах практический КПД достигает 70—80%.
Начало широким инженерным разработкам в СССР положено в 50—60 годах. К 1968 г. они были существенно расширены и завершились к 1970 г. созданием действующих образцов и разработкой полупроизводственной технологии для ряда проектов.
К этому же периоду (50-е годы) относится и широкое развитие проблемы в ряде стран (США, ФРГ, Англии, Франции и др.). В США создание электрохимических генераторов стимулировалось потребностью развития космических программ «Джемини», «Аполлон», «Шаттл». Фирма «Аллис-Чалмерс» демонстрировала трактор, тележку, одноместный подводный аппарат, работающие на этом принципе. Фирмы «Кордеш», «Юнион-карбайд» создали опытный образец электромобиля. На фирме «Сименс» (ФРГ) разрабатываются генераторы на гидразине, водород-кислороде.
В 1973 г. СССР демонстрировал электрокар с электрохимическим генератором, работающий на водороде и воздухе. В 1980 году у нас успешно прошли дорожные испытания электромобиля на топливных элементах. В условиях, близких к дорожным (на стендах с частыми запусками и остановками, цикличными нагрузками, перепадами температур, включая и отрицательные), электрохимический генератор доказал, что он способен обеспечить 100 тысяч километров пробега. «Сердце» этого автомобиля создано во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока и названо разработчиками «Исток».
Баллоны с водородом помещены в специальном отсеке, устроенном с внешней стороны «рафика», все же остальные части генератора надежно спрятаны от постороннего глаза.
Масса электрохимического генератора в сравнении, скажем, с батареей свинцовых аккумуляторов не очень велика. Это одно из важных достоинств топливных элементов — низкая металлоемкость конструкции. Удельная металлоемкость водородно-воздушных генераторов в 100 раз меньше, чем гальванических элементов, и в десятки раз меньше, чем свинцовых или щелочных аккумуляторов. А ведь масса свинцовых аккумуляторов, к примеру, прямо пропорциональна дальности пробега и может составлять более половины массы электромобиля. Оснащенный электрохимическим генератором электромобиль может пройти без подзаправки водородом до 600 км. А пополнение газа займет самое большее 30 минут. (Напомним: кислотным аккумуляторам нужно для подзарядки 90 часов.) Лучшие ЭХГ уже сейчас имеют удельный вес 5 кг на кВт — такой же, как у дизельного двигателя.
До сих пор при создании ЭХГ основной помехой оставалась дороговизна топливных элементов: в их электродах обычно используют редкие и драгоценные металлы — платину, серебро (хотя и в небольших количествах).
Теперь давайте пофантазируем. На первый взгляд, катер как катер. На кормовом срезе, вроде бы, обычная выхлопная труба, из нее струится «дымок». Однако это не ядовитые выхлопы, а всего-навсего безобидный водяной пар.
Второе, что удивляет: двигатель катера не фырчит и не тарахтит — он бесшумен. На борту катера написана формула водорода, а так катер ничем не отличается от любого из своих собратьев. Заглянув внутрь, невольно ищешь аккумуляторную батарею, но ее, если не считать стартерной никель-цинковой, нет. Вместо нее стоит «ящик» размером в половину домашнего холодильника. Это и есть 20-киловаттный электрохимический генератор От него ток поступает к электродвигателю постоянного тока. Традиционные баки с горючим заменяют два баллона с водородом; специальный прибор показывает водителю, сколько водорода осталось на борту. А окислитель — обычный атмосферный воздух, очищенный особым образом.
Принципиальных трудностей в деле создания подобного судна нет. Первые промышленные образцы электрохимических генераторов созданы, теперь их надо лишь совершенствовать: найти замену дорогостоящим катализаторам, увеличить срок службы, эффективность, надежность. Все это будет сделано, поскольку уже возникает жизненно острая необходимость в бесшумных, экологически безвредных, простых в управлении и обслуживании, экономичных электролодках, не говоря уже об электромобилях...
Таким образом, человечеству потребовалось почти полтора века чтобы снова восторжествовала идея «электрического бота» Якоби и стало технической реальностью создание судна с «магнитной машиной» в 40—50 л. с.