Классический способ добывания электричества на борту судна, как известно, базируется на двухэтапной процедуре: вначале "химическая энергия превращается в механическую", затем "механическая в электрическую". Так вот, пробивающая себе дорогу технология ТЭ приводит к тому же итогу лишь за один шаг. В ходе превращений, протекающих в объеме ТЭ, химическая энергия непосредственно преобразуется в энергию электрическую. Аля конечного потребителя это означает превращение ее в электрическое напряжение, электрический ток.
Сама технология ТЭ мало-помалу перестает быть сугубой новинкой. Достаточно заметить, что ряд недавних "вероятных противников" России не первый год занимается идеей перевооружения подводных флотов своих стран на базе энергетики ТЭ. Но на борту мирного прогулочного судна — яхты (германской, кстати сказать, с претенциозным названием "№ 1") — топливные элементы появились впервые совсем недавно, чуть более полугода тому назад.
Электричество-то откуда?
Профессиональный химик может посмеяться над приводимым ниже толкованием принципа действия ТЭ. Многие потенциальные пользователи, однако, готовы обойтись и малым. В деталях такое "малое" сводится к следующему.
Электрическое напряжение на выходных клеммах ТЭ, отражающее его способность питать бегущими по проводам электронами осветительную лампу или электрический мотор, возникает в связи с обстоятельствами, развивающимися в такой последовательности: в потоке водорода (топлива), направляемого на анодную пластину ТЭ, происходит главное: молекулы водорода в присутствии катализатора расщепляются на составляющие. Вместо электрически нейтральной молекулы водорода на свет появляются два положительных иона и две отрицательно заряженные частицы — электроны.
Принципиально важно, что вслед за этим положительно заряженные ионы начинают дрейфовать в среде электролита к близлежащему катоду который в то же время омывается потоком кислорода (окислителя). В этой зоне осколки молекул водорода случайным образом соединяются с атомами кислорода в пропорции "два к одному", в результате чего тал возникают известные школьник) соединения Н2О — молекулы воды в нашем случае побочного продукта работы ТЭ как миниатюрной электростанции.
Но главное здесь — это образование свободных электронов. Их наличие объясняет факт возникновения напряжения на клеммах ТЭ, а их последующее прохождение через нить накаливания или обмотки электродвигателя обеспечивает свечение электрической лампочки либо вращение гребного винта.
"HotModule", РЕМ, "CoolCell"
Поскольку технология ТЭ родилась, к сожалению, не в России, потенциальному пользователю-россиянину волей-неволей следует познакомиться с терминами, без которых не обходятся ни научные дискуссии, ни строки рекламы, ни соответствующая техническая документация.
Так, полезно знать, что fuel cell это и есть "топливный элемент" в английском написании. В немецком варианте то же самое обозначается как Brennstoffzelle. Исторически вначале возникли и по настоящее время действуют ТЭ в образе HotModule. Появление здесь английского hot объясняется тем, что в границах ТЭ те самые положительные ионы блуждают в среде расплава карбонада, разогреваемого до 650°С. Пластину катода такого ТЭ имеет право омывать только химически чистый кислород.
Ввиду того, что столь высокая температура допустима далеко не на всяком подвижном объекте, не так давно была разработана технологически эффективная схема РЕМ (по разным источникам, Protone Exchange Membrane или Polymer-Elektrolyt-Membran). В устройствах подобного типа положительные ионы водорода "плавают" уже в среде электролита с полимерной основой при существенно более низкой рабочей температуре, не превышающей скромных 65°С.
Именно это изобретение позволило создать ТЭ следующего поколения — "CoolCell", чуть менее совершенные в части коэффициента полезного действия, но более пригодные, например, к работе на борту яхты. И еще одна важная деталь: катод модуля "CoolCell" допускается омывать не чистым кислородом, но атмосферным воздухом. Что это означает для условий крейсерских плаваний, объяснять излишне.
Что дает применение ТЭ?
Внимания заслуживает тот факт, что использование ТЭ позволяет сделать одношаговой процедуру получения электричества. Чем короче путь, тем меньше промежуточные потери и выше эффективность системы в целом. Это впечатляет, но так ли это существенно для практики плаваний на малом судне, и не кроется ли еще что-то иное, важное, за возможностью применения технологии ТЭ?
Наблюдается, и много чего: прежде всего возможность красивого решения проблемы шумности на борту судна. Именно практическая бесшумность ТЭ подвигает создателей новейших подводных лодок на придание своим детищам пропульсивных комплексов, действующих на основе ТЭ. Проверено: такие подлодки "шумят" намного меньше и атомных, и дизельных лодок.
Еще один фактор — полное отсутствие у ТЭ подвижных механических частей. В отличие от дизель-генераторов, ТЭ не имеют в своем составе никаких шатунов и кривошипов, никаких поршней, шестерен, распределительных валов, кулачков и клапанов. Соответственно, здесь нет трения, износа, нет и печально известных резонансных частот. Косвенным следствием отсутствия у ТЭ подвижных частей является также отсутствие на судне с такой энергетикой источников возбуждения вибрации судовых конструкций. Еще одно, не первого ряда важности обстоятельство: на таком судне нет запахов бензина, солярки, во многом и машинного масла, что способствует немалому повышению уровня комфорта
И последнее, что следовало бы поставить на первое место: экологическая чистота энергетики ТЭ. Дело не только в том, что вблизи судна, несущего на себе модули ТЭ, на воде в принципе не должны появляться радужные разводы известного происхождения. Намного больше по нашим временам ценится и еще больше будет цениться впоследствии то, что девственно чист "выхлоп" такой системы. Напомним: единственный побочный продукт работы системы, базирующейся на ТЭ, есть вода, на практике — чистейший водяной пар за кормой яхты.
Опыт создания яхты "№ 1"
После того, как отмечены значимые достоинства энергетики ТЭ, следует сказать о ней и что-нибудь отрезвляющее. Лучше всего для такого дела подходит справедливый упрек по поводу неважных массогабаритных характеристик подобных систем. Попросту говоря, велики эти массы, а значит, не так скоро эти замечательные ТЭ появятся на борту малой яхты. Эту перспективу подтверждает следующее наблюдение: общая масса системы "CoolCell", установленной на 12-метровой яхте "№ 1" (серийная "First" фирмы "Beneteau", составляет ни много ни мало 700 кг).
В ее состав входят:
- четыре модуля ТЭ, каждый мощностью 1.2 кВт;
- буферная система, составленная из девяти свинцово-гелевых аккумуляторов;
- несколько баллонов высокого давления, емкостей для хранения бортового запаса водорода;
- маршевый электродвигатель;
- электронные средства управления работой системы.
Комплекс "модули ТЭ — батарея аккумуляторов" яхты "№ 1" способен развивать мгновенную мощность до 20 кВт (мощность 15 кВт в течение одного часа, мощность в экономическом режиме работы системы — 4 кВт). Не пополняя запасов водорода, яхта "№ 1" может совершать плавания со скоростью 3 уз дальностью 120 миль, со скоростью 6 уз — дальностью 60 миль (в печати мелькают и более оптимистичные оценки1).
Естественно, что производимая системой "CoolCell" энергия может использоваться как для придания хода яхте, так и для обеспечения прочих судовых нужд. Считается, что электродвижение применительно к "№ 1" и подобным малым судам имеет смысл, по крайней мере, в двух случаях: в условиях безветрия, при движении по тихой воде; при маневрировании в узкостях, например, в тесной гавани.
Серийной продукцией подобные установки могут стать уже в 2006 г.
Авторы
Поскольку слов уважения заслуживают инициаторы и исполнители проекта "№ 1", работы над которым еще будут продолжаться, имеет смысл назвать имена "виновников" технологического торжества:
- канадская компания "Ballard Power Systems" — производитель модулей ТЭ (эти же элементы поставляются для использования на автомобилях "Мерседес-Бенц" класса А — с гибридным двигателем);
- германская компания "MTU Friedrichshafen" (Гамбург) — известный производитель традиционных систем судовой энергетики (50 % рынка энергетических установок для мегаяхт, в частности), разработчик и изготовитель системы "CoolCell";
- германская компания "IPF" — исполнитель монтажа системы "CoolCell" на борту яхты, она же владелец "№ 1";
- "Germanischer Lloyd" — классификационное общество, соответствующим сертификатом удостоверившее право эксплуатировать систему "CoolCell" на борту яхты.
В настоящее время экологически суперблагополучная яхта "№ 1" совершает опытные плавания в акватории озера Констанц, одного из самых крупных европейских резервуаров, стратегических источников пресной воды.
Валентин Митрофанов. Статья подготовлена с использованием материалов пресс-релиза фирмы "MTU" и журнала "Мест & Yachten" (No 2, 2004)
Примечания
1. На сайте фирмы MTU были указаны меньшие значения.