Знание-сила, 2003 № 05 (911)

Позади зима. Впереди век водорода?

Уильям Роберт Грев, изобретатель топливного элемента

Зима кончилась даже в Сибири. Она еще долго не наступит.

О ней не будут вспоминать три летних месяца, три осенних месяца... Сколько же нужно времени, чтобы совсем не подготовиться к зиме?

Когда она опять внезапно нагрянет, нам останется лишь ждать милостей от природы. Не надеяться же на ведомство энергетиков!

Как хорошо было нашим предкам: печь, камин, костер...

Каждый мог сам обогреть жилище. Теперь мы угодили в паутину теплотрасс и по полгода мучаемся в зябких квартирах от летнего головотяпства властей. Что остается делать? Хоть оборудуй каждую многоэтажку маленькой электростанцией, чтобы ни от кого не зависеть! А ведь так оно и будет в XXI веке — иначе не жить нам в тепле и при электрическом свете. Ради подобных станций — домашних котельных, — без которых прошлой зимой мерзли многие тысячи россиян, вспомнили одну старую идею: открытие, о котором забыли.

Более полутора веков назад, в 1839 году, английский изобретатель Уильям Роберт Гров придумал «гальваническую газовую батарею», или, как назвали ее позже, «топливный элемент» (ТЭ). Эта батарея вырабатывала электрический ток за счет соединения водорода с кислородом.

Открытие было сразу замечено. В ближайшие месяцы о нем сообщили научные журналы Швейцарии, Франции, Германии и Италии — сообщили и забыли. Для электрификации Европы эта курьезная батарея не понадобилась. Напрасно немецкий физик Вильгельм Оствальд в конце XIX века убеждал «в преимуществах топливного элемента над электрогенератором», добавляя, что последний «пора бы сдать в музей». Его похвалы не услышали.

Прошло еще полвека. Лишь с развитием космонавтики, когда понадобился легкий и эффективный источник тока, выбор пал на ТЭ. В 1965 году бортовая аппаратура американского корабля «Джемини» работала от ТЭ мощностью 1 киловатт. Позднее аналогичный источник питания использовали на кораблях «Аполлон», участвовавших в «лунной программе» США, а также на космических челноках.

И вот на рубеже XXI века изобретение Грова — экологический чистый и эффективный источник энергии — обретает новую жизнь. Давний курьез находит широкое применение. Появились экспериментальные модели автомобилей, телефонов, ноутбуков и даже подводных лодок, оснащенных ТЭ. С его помощью можно отапливать и освещать коттеджи и многоэтажные дома. С ним не страшны даже сибирские холода.

Что же такое топливный элемент? Это — батарея, которая преобразует химическую энергию топлива сразу и в тепловую, и в электрическую, например греет трубы и тут же освещает дом.

Состоит батарея из двух емкостей с водородом и кислородом, разделенных электролитом. Эта «перегородка» мешает образованию гремучей смеси. Реакция протекает под контролем; ее называют «холодным сжиганием водорода». Его молекулы благодаря катализатору теряют свои электроны. Зато, лишившись их, ионы водорода проникают сквозь электролит и соединяются с кислородом. В емкости с кислородом электроны оказываются в дефиците, а с водородом — в избытке. Появляются положительный и отрицательный полюса. Возникает электрический ток. Основным побочным продуктом этого технологического процесса является вода. Что же касается безопасности ТЭ, то, по оценкам экспертов, привычное для нас бытовое топливо — пропан и бутан — взрывоопаснее водорода.

Со временем водород и кислород могут стать неисчерпаемым источником тепла и света. На смену «углеродному веку» — эпохе нефти, бензина и угля — грядет «водородный век». Но тут начинаются проблемы.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Однако в природе он встречается в основном лишь в виде различных соединений, и главное из них — вода. Получать водород можно путем электролиза воды — ее разложения на водород и кислород, — но этот процесс очень энергоемкий. Поэтому в выигрыше окажутся страны, обладающие запасами возобновляемой энергии. Так, экспортерами водорода могут стать страны Азии и Африки, если использовать для его электролиза солнечную энергию. На специальных танкерах водород будут доставлять в Европу для заправки автомобилей и домашних котельных.

В Исландии планируют приступить к промышленному электролизу воды, используя геотермальную энергию, которой страна изобилует. Власти Исландии надеются, что со временем все ее жители будут пользоваться лишь автомобилями, работающими на водороде. Излишки его станут важной статьей экспорта. Чем не пример для Камчатки с ее Долиной гейзеров?

Пока же водород можно получать за счет переработки (риформинга) природного газа, ведь этот газ содержит метан (СН₄). При его реакции с горячими водяными парами образуется смесь, насыщенная водородом. Этот технологический цикл намного дешевле электролиза. Поначалу домашние электростанции будут работать именно на метане.

Такая электростанция невелика она чуть больше холодильника. Ее подключают прямо к газовой колонке. Сейчас в ряде стран ведутся эксперименты по отапливанию домов подобными агрегатами. Так, в нидерландском Арнхейме вот уже шестой год действует домашняя электростанция мощностью 100 киловатт. В немецком Эссене похожая станция проработала более 20 тысяч часов, обогревая один из местных павильонов. Это — рекордный показатель! Свои опытные образцы «водородных котельных» есть в Торонто, Милане, Марбахе, Нюрнберге.

Так выглядит топливный элемент

1 - он представляет собой батарею из двух емкостей с водородом и кислородом, разделенных электролитом (в рамочке показан топливный элемент в разрезе по линии 1);

2 - биполярная пластина;

3 - газодиффузионный слой;

4 - катализатор;

5 - полимерноэлектролитическая мембрана;

6 - ионы водорода проникоют сквозь электролит и соединяются с кислородом

В 2005 году планируется начать серийный выпуск домашних миниэлектростанций. Немецкая фирма «Vaillant», один из пионеров этой отрасли, надеется уже к 2010 году продать около 100 тысяч подобных агрегатов, рассчитанных, как минимум, на 40 тысяч часов работы. К этому времени в Германии, например, каждый десятый дом можно будет отапливать с помощью ТЭ.

Со временем мини-электростанции станут доступны каждому, как в наши дни — мобильные телефоны. Основным топливом для них будет биомасса, например навоз или силос, ведь при ее брожении выделяется метан.

Кстати, домашние ТЭЦ могут вырабатывать гораздо больше тока, чем нужно в обычном хозяйстве. Ведь даже топливный элемент мощностью 5 киловатт покроет вашу обычную потребность в горячей воде и электроэнергии примерно на 80 процентов. Очевидно, излишки тока будут перераспределять, связав в единую сеть десятки тысяч топливных элементов. Так образуется виртуальная электростанция — назовем ее «Интертэц».

Массовое внедрение домашних котельных позволит децентрализовать энергетическую систему и защитит население от диктата крупных компании-монополистов и просчета городских и областных коммунальных служб. В энергетике возобладает та же тенденция, что в информатике (появление сети персональных компьютеров, потеснивших прежние ЭВМ) и в связи (появление сотовой связи).

Переносной топливный элемент

Исландские траулеры будут оснащены топливными элементами

Топливный элемент — универсальный источник питания. Он не только обогреет ваш дом, но и способен на многое другое.

*Так, американская фирма «Моторола» разработала ТЭ, который может служить раз в десять дольше, чем обычный аккумулятор мобильного телефона. Заряжают его сжиженным метанолом.

*В Германии создан миниатюрный ТЭ для ноутбука. Он рассчитан на десять часов непрерывной работы — аккумулятор сядет быстрее.

*Фирма «Боинг» ведет испытания ТЭ, которые могли бы питать бортовую аппаратуру самолета в случае ее аварийного отключения.

*В июне 2000 года со стапелей верфи в Гамбурге сошло на воду прогулочное судно «Гидра», работающее на ТЭ. Оно может принять на борт до 22 пассажиров. Запасов водорода на нем хватит на двухдневную морскую экскурсию.

*В марте 2002 года в Германии была спущена на воду первая в мире подводная лодка, оснащенная ТЭ. До 2006 года планируется выпустить шесть подводных лодок U31. Подобное судно может неделями находиться под водой. Его двигатели работают бесшумно, и потому противник не так легко обнаружит его, как обычную подлодку. Интерес к новой технике уже проявляют в Южной Корее, Испании, Португалии, Греции.

*В настоящее время в Японии ведется разработка ТЭ, которыми будут оснащены исландские траулеры. Сейчас 30 процентов всей нефти, закупаемой Исландией, идет на нужды рыболовного флота. Стремясь сэкономить на импорте нефти, власти страны обратились с необычной просьбой к японским инженерам.

Так выглядит домашняя электростанция

«Мерседес», работающий на товарных элементах, развивает спорость до 120 километров в час

Топливными элементами можно оснастить любые виды транспорта: мотоциклы, велосипеды, автобусы. Так, американская фирма «Palcan» выпускает ТЭ мощностью до одного киловатта, рассчитанные на любителей поберечь силы во время поездки на велосипеде. В некоторых городах США и Европы в последние годы появились автобусы, оснащенные ТЭ мощностью свыше 200 киловатт. Подобный транспорт может преодолевать расстояния до двухсот километров без всякой подзарядки. И конечно, нельзя забывать про обычные автомобили!

Правда, для них, по большому счету, нужно менять всю инфраструктуру, созданную в XX веке: вместо сети бензоколонок — строить такую же сеть станций, где заправляют водородом. По оценкам экспертов, только в Германии на это придется потратить около ста миллиардов евро. Пока там имеются всего две «водородные» колонки: в Мюнхене и Гамбурге. Не лучше положение и в других странах.

Получается замкнутый круг. На автомобили, работающие на водороде, нет спроса, потому что с ними мороки не оберешься — сервис для них не создан. А инвесторы не хотят вкладывать деньги в развитие сервиса, потому что на эти машины нет спроса. Впрочем, оптимисты считают, что уже лет через десять начнется серийный выпуск «водородных авто».

Выход все же есть: автомобиль — как и домашняя «котельная» — должен сам вырабатывать водород. В принципе, топливом для такой машины может стать любое вещество, содержащее атомы водорода: природный газ, метанол, бензин. Надо лишь оснастить ее «риформером», преобразующим соединения водорода в чистый водород.

В 2004 году фирмы «Опель», «Даймлер-Крайслер» и «Тойота» намерены начать выпуск электромобилей, работающих на топливных элементах. Так, «HydroGen 1» фирмы «Опель» успешно выдержал серию испытаний. Например, осенью 2001 года он участвовал в США в ралли для автомобилей с альтернативными двигателями, причем преодолел трассу длиной 442 километра, лишь однажды остановившись на заправку. «HydroGen 3» развивает скорость до 150 километров в час. Вместо выхлопных газов подобные машины выбрасывают в воздух клубы водяных паров.

Когда-то в романе «Таинственный остров» Жюль Верн предсказывал, что вода станет «углем будущего», «неисчерпаемым источником тепла и света». В ту пору эти слова казались фантастикой, но в XXI веке им наконец суждено сбыться.

Оптимисты добавляют: «Зачем цепляться за старые технологии? Если бы наши предки не изобретали ничего нового, а жили по старинке, мастеря каменные топоры да уповая на то, что запасов камня хватит надолго, мы бы все еще жили в каменном веке». Эта эпоха, как и многие другие, пройдена нами. Мы спешим навстречу «водородному веку».

Вехи внедрения топливных элементов

1839 — сэр Уильям Гров открывает принцип работы топливного элемента.

1965 — американский космический корабль «Джемини» впервые оснащен топливными элементами.

Середина 1980-х годов — в научных кругах пробуждается интерес к топливным элементам.

1991 — американская фирма ONSI впервые приступила к коммерческому выпуску топливного элемента тепловой мощностью 220 киловатт.

1999 — в США начато использование автобусов, работающих на топливных элементах. В 2003 году подобные автобусы появились на улицах восьми европейских городов: Амстердама; Барселоны, Гамбурга, Лондона, Люксембурга, Стокгольма и Штутгарта.

2001 — начаты испытания мини-электростанций (топливных элементов мощностью до пяти киловатт), рассчитанных на отопление и снабжение электрическим током многоквартирных домов и коттеджей.

2002 — в Германии начат выпуск подводной лодки U31 — первой серийной подлодки, оснащенной топливными элементами.

2006 — планируется закончить испытания миниэлектростанций и приступить к их серийному выпуску. 2010 — ожидается заметный рост интереса к домашним мини-электростанциям.

Все о топливных элементах: www.initiative-brennstofTzelle.de

Транспорт, работающий на топливных элементах: www.fuelcelltoday.com

www.daimlerchiysler.de/news/- top/2002/t20204a_jg.htm (автобусы)

www.isi.fhg.de/pi/bz/index.htm (автомобили)

Подводные лодки, оснащенные топливными элементами: www.hdw.de/bau/marine.html

Игорь Андрианов