Аккумуляторы всегда работали на так называемых водных растворах, которые и являются электролитом. Энергетические потери при прохождении через него электрического тока весьма велики, стойкость же этих систем, как известно, мала. Работы электрохимиков в области неводных растворов позволили существенным образом изменить ситуацию: разработаны ХИТ — химические источники тока, — в которых может быть использован такой активный металл, как литий, и такие недефицитные окислители, как SО2, сульфит меди и другие. Их удельная энергия в четыре-восемь раз выше удельной энергии батарей обычных элементов и аккумуляторов, и они могут работать при значительно более низких температурах, даже при 50-градусных морозах. В лабораториях сейчас ведутся работы по созданию новых аккумуляторов: сернонатриевых с твердым электролитом, сульфидно-литиевых с расплавленным электролитом, хлор-цинковых с водным электролитом.
Я говорю сейчас об аккумуляторах и батареях элементов потому, что их производство тоже весьма значительно, а суммарная их мощность не уступает мощности всех ныне действующих электростанций. И здесь скрыт пока немалый резерв экономии электроэнергии. Повышение КПД этих установок малой энергетики, как принято их называть, так же, как химических источников тока и топливных элементов, существенным образом может сказаться на общем энергетическом балансе страны. Увеличение срока их действия, замена дефицитных материалов распространенными, уменьшение веса и габаритов — все это очень важно для дальнейшего развития целого ряда отраслей техники, промышленного производства, а в конечном счете для экономики нашего хозяйства.
В связи с энергетическими трудностями, а также экологическими проблемами на химические источники тока возлагают большие надежды. Поэтому хотелось бы сказать о тех важнейших направлениях, в которых ведется поиск новых возможностей. Начну с электромобиля, который стал уже «притчей во языцех». По этому поводу состоялось много устных и письменных дискуссий, высказано самых противоречивых мнений. Между тем работы по созданию эффективных источников энергообеспечения электромобиля продвигаются довольно медленно. Уже встретилось немало трудностей, причем весьма серьезных. Чтобы преодолеть их, потребуется время и проведение фундаментальных исследований. Тут следует отметить вот что.
Совершенно напрасно иные приверженцы электромобиля полагают, что вся проблема развития этого вида транспорта упирается в то, что до сих пор не удалось создать малогабаритные, обладающие малым весом и большой энергоемкостью аккумуляторы, имеющие к тому же достаточную долговечность. Все это так и не так. Разумеется, электромобиль, приводимый в движение от аккумулятора, решает экологическую проблему, избавляет окружающую среду от ядовитых выхлопов, уменьшает уровень шума. Но если обратиться к элементарной экономике, то окажется, что в данном случае электромобиль экономически не столь и целесообразен. Дело не только в том, что при массовом производстве этих машин придется строить сеть зарядных станций, а во время зарядки аккумуляторных батарей в электросети возникнут пиковые нагрузки, с которыми и без того приходится бороться разными способами. Главное заключается в том, что аккумуляторы потребляют наиболее дорогой и дефицитный вид энергии, а расходуют ее далеко не оптимальным образом. И экономико-энергетическая проблема в связи с этим обостряется еще больше.
В какой-то мере она может быть решена, если необходимую электроэнергию мы будем получать из угля. Расчеты показывают, что этот энергоисточник питания электромобили смогут использовать более эффективно, нежели автомобили, работающие на жидком топливе, приготовленном из угля. Но такое преимущество электромобиля может проявиться лишь в конце нынешнего или в начале следующего века. А для этого предстоит разрешить еще немало трудностей.
Я полагаю, что наиболее радикальное решение проблемы электромобиля нужно искать все же в другом направлении: в области топливных элементов (тэ), работающих на дешевом водороде. Как показали расчеты, даже при современном уровне разработок замена обычного двигателя на электрогенератор с батареей из среднетемпературных топливных элементов, а также замена преобразователя топлива и свинцового аккумулятора (он нужен для запуска) хотя и превышают вес автомобиля на триста килограммов, тем не менее дают выигрыш в использовании топлива. Эта система была бы эффективнее вдвое, чем бензиновый двигатель внутреннего сгорания, и на 47 процентов — чем дизельный двигатель.
В связи с истощением ресурсов нефти и природного газа перед электрохимиками с особой остротой встала проблема повышения коэффициента полезного действия при превращении химической энергии этих видов ископаемого топлива в электрическую. Анализ показывает, что весьма реальным, хотя и трудным, решением этой задачи может стать строительство крупных электростанций, работающих на основе электрохимических генераторов — топливных элементов. Такая задача вполне может быть поставлена уже в наше время. Я не имею в виду рабочее проектирование и немедленное строительство, но вот основа для экономико-технических проработок уже имеется. Проектирование же следующая стадия. Каковы предпосылки к этому?
Дело в том, что в последние десятилетия электрохимиками созданы низко- и среднетемпературные топливные элементы с щелочными и твердыми электролитами. Мощность их невелика, и используют их пока в изделиях специального назначения. Они весьма эффективны, КПД превращения ими химической энергии топлива в электрическую весьма высок и достигает 70 процентов. Но стабильно и долго они могут работать лишь в том случае, если будут использовать чистый водород, а он, как известно, пока еще очень дорог. По чисто экономическим причинам большая энергетика не может позволить себе такой роскоши, она должна работать на дешевом топливе, ибо потребности ее слишком велики.
Тем не менее уже сейчас можно считать весьма перспективными три типа топливных элементов: один так называемый среднетемпературный (рабочая температура составляет 200—220 градусов) и два высокотемпературных (650 и 850—1000 градусов). Эти топливные элементы так же, как и те, что придут им на смену, в ближайшем будущем смогут работать на синтетических продуктах, таких, как метанол, гидразин, или на водороде, очищенном от каталитических ядов. Кстати, возможность получать дешевый и чистый водород уже просматривается, ибо в последнее время были созданы высокотемпературные электролизеры.
Итак, уже сейчас можно предположить, что будет представлять собою электростанция на топливных элементах. Это блоки батарей; система обслуживания; установки конверсии или газификации исходного природного топлива; система очистки газов. По имеющимся оценкам, общий КПД такой системы в расчете на выработку только электроэнергии составляет 35—42 процента для среднетемпературных установок и 40—50 процентов для высокотемпературных.
Между тем энергоблок современной тепловой электростанции, работающий на нефти или природном газе, имеет КПД 30—40 процентов. Таким образом, сегодня системы, работающие даже на среднетемпературных элементах, не уступают лучшим тепловым электростанциям. Высокотемпературные элементы еще более эффективны. По предварительным данным, они позволят экономить около 20 процентов топлива при выработке электроэнергии. Есть все основания полагать, что результаты эти далеко не конечны и по мере усовершенствования как самих элементов систем, так и технологий экономические показатели будут улучшаться.
Скорее всего такого рода системы найдут первоочередное применение в крупномасштабном накоплении электроэнергии для выравнивания суточных и недельных колебаний нагрузок в системах большой энергетики. Они станут как бы резервуарами — накопителями энергии, как это происходит в водохранилищах, а в нужные периоды сами станут источниками этой энергии.
Проблема использования топливных элементов становится тем актуальнее, чем большее развитие приобретает атомная энергетика, ибо АЭС особенно плохо переносят работу в переменных режимах.