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 зрения 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 °C 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 работают 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.
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 экофильный 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 °C, 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 и 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 Союзе 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 °C, 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 °C (а не до 3000–3500 °C, 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.
