«ЯЧЕИСТАЯ» ЭНЕРГЕТИКА

Для начала представьте, что вы в классической сельской хате. Присмотритесь внимательно к печке. Сварная панель сделана из чугуна или циркониевой керамики. Подсоедините проводки от «лампочки Ильича» к этой сварной панели. Растопите печку. Когда чайник на ней закипит — внимательно следите за лампочкой. Если она не зажглась — ваша плита чугунная. А если зажглась, не сомневайтесь: печка сделана из диоксида циркония.

Циркониевая керамика — единственный пока известный человечеству материал, обладающий уникальной способностью превращать тепловую энергию в электрическую с коэффициентом полезного действия 60—65 процентов.

Разведите яркое пламя в топке. Потом прекратите подачу кислорода — закройте дверку и поддувало. В чугунной и каменной печи пламя сразу погаснет. В циркониевой топке видим... огонь. Откуда же кислород для него? Оказывается, керамический цирконий в нагретом состоянии пропускает кислород, ионизируя его.

Как раз благодаря этому в пластине появляется электрический ток. Выбросы такой топки — углекислый газ и водяной пар (да и того минимальное количество, ведь нет сильной тяги).

Что мы имеем? Электростанцию. Но на этой печи, как и раньше, можно варить борщ и кашу. Используя и тепловой, и электрический эффект, получим прибор, КПД которого равен 83%. Для сравнения — двигатель автомобиля имеет КПД 30—40%. Лучшие современные ТЭС не способны дать более 40 процентов и не смогут конкурировать по за экологической чистоте с циркониевыми генераторами.

В мире уже работает более 150 станций (больших и маленьких: от 2 кВт для туристов, 20 кВт для электромобилей до 600 МВт для целых городов) по аналогичному принципу. Преимущественно — в США. Автономные циркониевые генераторы можно установить прямо в доме на правах водонагревательного сундука, вместо дымящего и стучащего дизеля. Топить можно газом или любым органическим топливом, даже навозом.

По информации правительственных учреждений США, циркониевое электричество на 20—30 процентов дешевле обычного. Автономные системы для дома, квартала, поселка дают возможность экономить прежде всего на линиях электропередач, их медных проводах, опорах, усилителях. Ведь как раз эти провода составляют 15 процентов стоимости нашего электротока.

Кроме диоксида циркония, в распоряжении инженеров есть несколько типов электрохимических генераторов, или, как их еще называют, «топливных ячеек» (fuel cell). Если нагреть фосфорную кислоту до 200 градусов, как это делает генератор, созданный фирмами «Сименс» и «Вестинхауз», она тоже будет вырабатывать ток. В Москве офис компании «Газпром» с 1995 года потребляет электричество как раз из такой фосфорной топливной ячейки мощностью 250 кВт. Крупнейшая в мире (11 мегаватт) фосфорная электростанция работает в Токио.

Другая технология, имеющая коэффициент полезного действия выше «топливной ячейки» с фосфорной кислотой, использует расплавы карбонатов (типа К2СО3). Впрочем, обе они связаны с использованием чрезвычайно агрессивных веществ, при соприкосновении с которыми все соединения и детали быстро портятся.

Французские, американские и японские промышленники уже продали первые партии электромобилей на так называемых протон-обменных мембранах. Это третий вид топливных ячеек в виде особой пластмассы. Есть еще один, «космический» тип щелочных генераторов под общим названием «технология Алкалайн».

По выводам ученых и инженеров, все эти четыре типа ячеек-генераторов не могут дать более 45 процентов коэффициента полезного действия. Кроме того, трудности в подготовке топлива (все они очень «привередливы» относительно него) и слишком короткий безремонтный цикл делают их слабыми соперниками диоксиду циркония — твердого, чрезвычайно крепкого, инертного электролита с большим собственным КПД, а если после ячейки пустить топливо через газовую турбину, а потом еще и на парогенератор, то он возрастает вдвое (80—85 процентов). Кроме того, диоксид циркония позволяет нагревать себя любым топливом. Да хоть сухим навозом!

Интерес к топливным ячейкам возник лет пятнадцать назад, поскольку они практически не выбрасывают в атмосферу углеводорода. По международной конвенции о мерах против глобального потепления, подписанной в Киото, государства-участницы поддерживают у себя развитие таких экотехнологий, даже если они сегодня не очень рентабельны.

Американцы, обязавшиеся помогать Украине в решении чернобыльских проблем, ныне заинтересованы в проекте сжигания в топливных ячейках быстрорастущих растений, собранных на радиоактивных территориях (ячейки, разрабатываемые для этого фирмами «Сименс» и «Вестинхауз», могут задержать в себе радионуклиды, не выпуская их с дымом в воздух). Этот проект стоимостью 40 миллионов долларов, кроме очищения Украины от радиоактивной грязи, мог бы стать полигоном для апробации «ячеистых» технологий.

Экономисты уверяют: электричество и фосфорных, и карбонатных, и циркониевых топливных ячеек неустанно дешевеет (у первых двух видов она немного дороже традиционной), ведь ученые, в том числе и украинские, активно ищут для этого новые возможности.

Доктор наук Александр Васильев из Института проблем материаловедения им. И.Францевича НАНУ сегодня лидер движения за развитие украинской циркониевой энергетики. Он и его коллеги из Киева, Днепропетровска, Донецка, Сум и Луганска создали ряд проектов: от развития (на базе циркониевого комбината в городе Антрацит) современной технологии получения высококачественного порошка, пригодного для применения в нанотехнологиях (сегодня комбинат дает порошок низкого сорта) до создания линии производства настоящих конкурентоспособных электрогенерирующих элементов из циркония. Украинские научные работники, объединенные в ООО «Цирконий Украины», могли бы предложить «Сименсу» и «Вестинхаузу» циркониевые ячейки, более дешевые и качественные, чем имеется на рынке, и вместе с иностранцами создать полный технологический цикл генератора, что, конечно, значительно сложнее сельской печи.

По прогнозам, первые немецко-американские циркониевые генераторы появятся в продаже через год-два и будут весьма дорогими. Электромобили на 20-киловаттных протон-обменных мембранах уже бегают по дорогам Европы и Америки. Но мировая индустрия ждет кардинальных изменений в упрощении технологии производства и сервиса для электрохимической энергетики. Собравшись в конце апреля на заседание комиссии Верховной Рады Украины по науке и образованию под председательством Игоря Юхновского, ученые из Института проблем материаловедения НАНУ, Института физики конденсированных систем, Института прикладной физики, Днепропетровского химико- технологического института определились в главном: у национальной науки есть чем удивить более благополучных финансово иностранных партнеров. И не только удивить, но и предложить свеженькие ноу-хау. Если добавить принципиальную возможность получать в Украине все необходимое сырье, то шанс стать полноправными партнерами мы, безусловно, имеем.

— В мире нарастает новая энергетическая революция, — сказал академик, народный депутат Украины И.Юхновский. — Что касается Украины, то скептическое отношение к нетрадиционным источникам энергии было связано с существовавшим до недавних пор экономическим порядком. Без частной инициативы, частной заинтересованности мы не сможем и сейчас производить циркониевые генераторы.

Должны быть изготовлены действующие макеты установок для показа их государственным и частным производственным предприятиям. И я считаю, что за считанные годы Украина имеет шанс сделать важный рывок в циркониевой энергетике.