В чем тут дело? Казалось бы, электродвигатель обладает всеми положительными качествами, необходимыми для автомобиля, – способностью переносить перегрузки, удобством управления, экономичностью. Троллейбус, который приводится в движение электромотором, при разгонах оставляет далеко позади себя автобусы с двигателем внутреннего сгорания, перегоняет их при движении на подъемах. Почему же электромобиль отстает от троллейбуса?
Да потому, что троллейбус получает энергию извне, от электросети, а электромобиль – от собственной батареи. А электроаккумуляторы, даже с большой плотностью энергии, обеспечивающей долгий пробег, имеют очень небольшую плотность мощности. Этот показатель у электроаккумуляторов во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей.
Например, хороший двигатель массой в сто килограммов может развить до 80...100 киловатт мощности. А аккумуляторная батарея той же массы – не более восьми киловатт! И то при этом она достаточно быстро разрядится. Для того чтобы полностью сравняться с автомобилем, электромобиль должен иметь аккумулятор, основные показатели которого – плотность энергии и мощность – в пять – десять раз выше. Что ж, видимо, этим и придется заняться специалистам.
Водородные генераторы
В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в других его произведениях встречается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова.
Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика.
А что, если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.
В таком примерно виде этот метод был разработан полвека назад известным изобретателем А.Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же А.Г. Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 процентов. К тому же на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей работать не будет – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет нам желаемого результата, отдача энергии здесь будет очень мала.
Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или подсоленная, является здесь проводником тока, электролитом. Нельзя ли, подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?
Оказывается, ученые работают над этим давно. Еще в прошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток. Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.
Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100...200 градусов по Цельсию. Электролитами могут служить и щелочь и кислота, причем в твердом и жидком виде.
Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 процентов, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.
Как же все-таки работает современный топливный элемент?
В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии.
Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль. Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.
Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около мегаджоуля на килограмм. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.
Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 50 ватт на килограмм массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.
Накопители энергии, имеющие в основе своей работы принцип водородного аккумулирования, могут появиться в промышленности и на транспорте в лучшем случае к самому концу нашего века.
Очень уж сложна и трудоемка их разработка, слишком дорогими получаются пока составляющие их устройства.
Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб: например, электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.