Значит, осуществить получение металлического водорода в земных условиях невозможно? Зачем же тогда говорить о нем? Но физики считают, что надежда не окончательно потеряна, что в конце концов будут созданы на основе алмаза такие камеры или «наковальни», которые не потекут при давлениях больше 2-3 миллионов бар. Или, может быть, удастся использовать метод ударных волн, защищая холодный твердый молекулярный водород от нагрева с помощью «магнитных подушек». Академик В.Л. Гинзбург считает, что если в ближайшие годы исследования по созданию металлического водорода почему-либо не будут приостановлены, то имеется основание считать, что металлический водород будет получен и исследован еще в этом веке.
Сегодня к водороду вообще приковано внимание специалистов разных отраслей техники, как к одному из самых перспективных источников энергии. Действительно, запасы его даже на нашей планете практически неограниченны. А ведь — он в единице веса содержит втрое больше тепловой энергии, чем бензин. Более того, широкое применение водорода в качестве энергетического сырья будет способствовать и решению экологической проблемы — загрязнения атмосферы, потому что отходами от его сгорания являются лишь пары чистой дистиллированной воды.
Если начать рассматривать водород как топливо, то легко обнаружить массу его достоинств; даже кажущиеся на первый взгляд трудности могут обернуться преимуществами. Скажем, такой вопрос, как транспортировка водорода. Она вполне возможна по обычным трубопроводам. И, согласно расчетам, даже обойдется дешевле, чем передача электроэнергии по проводам мощных ЛЭП. Вы скажете — водород летуч! Правильно, но это означает лишь то, что его надо тщательно хранить. А делать это можно в любых резервуарах, в том числе и в резервуарах природных газов под землей.
В ракетной технике — водородное топливо уже давно вышло из стадии экспериментов. Предстоит переход на него aвиации. Испытываются автомобильные двигатели, работающие как на чистом водороде, так и на обычном топливе, обогащенном водородом. И здесь даже 5-10 процентов добавок водорода к бензину, как показывают ходовые испытания, дают 40-45 процентов увеличения коэффициента полезного действия двигателя. И в 100 раз нсижают токсичность выхлопных газов. Все происходит за счет более полного сгорания топливаа.
А какие перспективы открывает применение водорода в металлургии! И не только-как источника тепла, но и как заменителя угля и кокса в процессе восстановления железа. При этом резко снижаются "вредные выбросы газов в атмосферу.
В чем же дело? Почему водородное топливо не шагнуло до сих пор широко в промышленность? Причин несколько. И прежде всего — экономика. Пока еще водород дороже традиционных ископаемых видов топлива. Добыча угля, нефти, газа имеет на Земле большие и старые традиции. Люди, общество привыкли к ним…
Но нам нужно иметь в виду, что с ростом энерго-насыщенности нашей жизни, в частности с увеличением количества атомных, солнечных и приливных электростанций, получение водорода будет становиться все дешевле, тогда как ископаемое топливо в связи с оскудением его запасов должно дорожать.
Наконец, преодоление психологического барьера… Да, жидкий водород сохраняется лишь при температурах ниже минус 253° С, а твердый — ниже минус 259° С, и чтобы сохранить его от испарения, нужна специальная тепловая защита. Сложно! Но ведь мы не задумываемся о сложности, когда берем с собой на работу или в поездку термос с горячим чаем. Не пугаемся трудностей, — прокладывая трубопроводы от теплоэлектроцентралей, с горячей водой и паром. Не шарахаемся от батарей парового отопления у себя дома. А ведь горячая вода обжигает примерно так же, как и жидкий, водород.
Криогенные емкости — те же термосы. Они существуют много лет и прошли всестороннюю проверку." Недавно в секторе механики-неоднородных сред АН СССР был проведен такой эксперимент: на серийном микроавтобусе РАФ-2203 в багажнике были установлены два криогенных бака с жидким водородом. Под давлением 1, 5 атмосферы водород перекачивался в испаритель, — где превращался в газ и по трубке поступал в карбюратор. Здесь, смешиваясь с обычным бензином, он поступал в двигатель. Установка прекрасно работала. «Рафик» бегал куда бодрее, чем на обычном бензине. И при этом «чихал» менее удушливо.
Опытный автолюбитель осторожно спросит: «А если авария?» Ну и что, что авария? Жидкий водород выльется из баков на землю и тут же испарится, тогда как бензину при горячем моторе вспыхнуть в сходной ситуации ничего не стоит.
В общем, серьезных недостатков у водородного топлива по сравнению с традиционным нет! Зато какие преимущества! Очень хотелось бы надеяться, что уже в ближайшие годы экологически чистое водородное топливо серьезно потеснит своих ископаемых конкурентов. И нет сомнения, что развитие этой промышленности продвинет вперед и положение дел с металлической фазой водорода.
Глава 2

Время свершений
Сегодня много говорят о получении энергии с помощью Солнца, ветра, морских волн, об извлечении энергии из недр, за счет использования внутреннего тепла Земли, о приручении морских приливов и о выведении электростанций за пределы атмосферы. Но пока… Пока что более 80 процентов всей электрической энергии дают обыкновенные тепловые станции — ТЭС, ГРЭС и ТЭЦ, работающие на сжигаемом топливе и выбрасывающие в атмосферу не только газы и вредные примеси, но и большую часть получаемого тепла. И у специалистов есть предположение, что в предвидимом будущем, в ближайшие 20-25 лет, существующее положение в энергетике практически не изменится. А если и изменится, то незначительно.
У нас в стране долгое время развитие сети тепловых, электростанций осложнялось тем, что промышленные центры — главные потребители энергии были сосредоточены в европейской части государства, а энергетические ресурсы — преимущественно в азиатской. Поэтому топливный баланс был очень напряженным. Экономисты старались ориентировать его на большее потребление нефти и газа, а также мазута. Их легче было доставлять.
В последние годы положение изменилось. Газ и нефть все больше используются на технологические нужды промышленностью. Вместе с тем осваиваются топливные ресурсы Тюменской области, Канско-Ачинские разработки для энергетики Сибири. Значит снова должен повыситься интерес строителей электростанций к углю. Тем более что геологические ресурсы твердого топлива почти в Зо раз превосходят запасы нефти. Но жидкое топливо во всех отношениях лучше твердого. В нем меньше вредных примесей, больше водорода. Да и сжигать жидкое топливо значительно удобнее. Не говоря уж о том, что оно не оставляет после себя гор золы и шлака. Все эти соображения привели к тому, что уже чуть не полвека назад был в принципе известен пропдес получения из угля синтетического топлива. Напомню, что для превращения органической массы угля в вещество подобное нефти специалистам-химикам пришлось последовательно решать три задачи: первая заключалась в удалении лишнего кислорода, а вместе с ним и таких вредных для топлива примесей, как сера и азот; второе — добавление в органическую массу водорода, до соотношения водорода и углерода, имеющихся в нефти; третья аадача заключалась к разукрупнении больших молекул, составляющих органическую массу угля.
Все эти обстоятельства, требовавшие достаточно сложной технологии, приводили к росту себестоимости синтетического топлива. В 40-х годах способ был признан нерентабельным. Большинство предприятий реконструировали в нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы.
Но прошло время, и ситуация изменилась. Природное жидкое топливо дорожает. И снова на повестку дня встает синтетическое топливо. Конечно, промышленные предприятия по его производству целесообразно строить только в районах месторождений угля, позволяющих организовать дешевую открытую добычу. В нашей стране создана программа использования дешевых углей Канско-Ачинского бассейна и в этом направлении. Она предусматривает в течение 80-х годов разработку технико-экономических обоснований на сооружение первого крупного промышленного предприятия, с тем чтобы приступить к его строительству в двенадцатой пятилетке.
Ну, а что же представляет собой современная теплоэлектростанция? Давайте вспомним ее упрощенную схему: прежде всего — топка, в нее подаются топливо и окислитель. Затем — котел. В нем вода превращается в пар с температурой около 550° С. Этот температурный предел считается наиболее выгодным. Пар под высоким давлением поступает в неподвижно укрепленные металлические каналы сопла турбины. В них температура и давление пара уменьшаются, но зато увеличивается скорость движения его потока. Теперь струя пара с огромной скоростью, часто превышающей скорость звука, вырывается из coпел и, меняя направление по криволинейному каналу, давит на лопатки турбины, приводя весь ротор во вращение. На одном валу с ротором турбины сидит и ротор электрического генератора. Следовательно, приходит во вращение вся система и раскручивается до постоянной скорости, равной, как правило, 3 тысячам оборотов в минуту. Такая скорость определяется выбранным стандартом частоты переменного тока. В нашей стране она равна пятидесяти периодам в секунду. Пятьдесят периодов, помноженное на шестьдесят секунд, как раз и дают 3 тысячи оборотов в минуту. Все понятно.
Сейчас паровые турбины стали настолько быстроходны, высокозкономичны и обладают таким значительным ресурсом работы, что они вполне конкурентоспособны с гидрогенераторами, работающими в значительно более щадящем режиме. Мощность современных паровых турбин в одновальном исполнении достигает 1 миллиона 200 тысяч киловатт! И это еще не предел…
После турбогенератора, совершив полезную работу, пар уже под низким давлением уходит в конденсатор, охлаждается, превращается в воду и снова насосами подается в котел. Обычно тепловые электростанции строят поблизости от крупных водных источников — рек или озер, Дело здесь в том, что на каждый килограмм конденсируемого пара приходится расходовать около 60 килограммов холодной воды. Когда впервые знакомишься с этими цифрами, то думаешь — какая расточительность! Получается, что мы сжигаем драгоценное топливо, чтобы большую часть тепла не превратить в полезные виды энергии, а выбросить в атмосферу, нагреть воздух. Невольно возникает вопрос: неужели ничего нельзя сделать, чтобы уловить это тепло и все, до последней, калории использовать по назначению? Увы, сначала опыт, а потом и наука дают на этот вопрос категорический ответ: всю полученную от сгорания топлива тепловую энергию превратить полностью ни в какой иной вид энергии невозможно! На этом настаивает второй закон термодинамики,
В начале XIX века во Франции жил гениальный ученый Сади Карно. В 1824 году он написал любопытное сочинение — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Никого из современников его работа особенно не заинтересовала, и автору пришлось издавать ее за собственный счет.
Но прошли годы, и выводы Карно приобрели статут закона природы, одного из тех, что лежат в основе существования окружающего нас мира — от космической пылинки и до галактик. В те времена ученые представляли себе тепло в виде некоторой невесомой, невозникающей и неуничтожимой жидкости — теплорода. Перетекая от одного тела к другому, теплород охлаждал первое и нагревал второе. И чем больше его накапливалось в теле, тем горячее оно становилось. В общем, теплород был похож на воду, которая под действием сил земного притяжения способна течь только в одном направлении — с высоких гор в низины и по пути производить работу механическую. Точно так же, по мнению Карно, должен был производить механическую работу и теплород. И как для того, чтобы поднять воду на гору, нужно затратить энергию, так и для передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому требовалась затрата энергии. Сам по себе теплород мог переходить лишь от горячего тела к холодному.
Прошло время, и идея теплорода была отвергнута наукой. Но выводы Карно остались. Они прочно вошли в теорию и сыграли важную роль в развитии тепловых двигателей. По современным взглядам, тепловая энергия — это просто сумма энергий мельчайших частиц вещества. И в этом кроется сущность отличия тепловой энергии от энергии других видов. Частицы вещества, например горячего пара или газа, непрерывно движутся. И тепловая энергия пара не что иное, как результат этого неупорядоченного движения его частиц. А возьмем, к примеру, электрическую энергию: это результат строго упорядоченного движения электронов. Ощущаете разницу? Так же и любые другие виды энергии — результат движения всегда строго упорядоченного.
Вы понимаете, что превратить порядок в беспорядок, в хаос — проще простого. И совсем не так легко этот хаос упорядочить. Вот вам и причина, по которой так легко любой вид энергии перевести в тепловую и так трудно, а порой и невозможно, превратить тепло в иные виды энергии. Тем более полностью.
Термодинамика учит, что для получения механической энергии из тепловой нужно иметь прежде всего источник тепла, приемник с разностью температур и, кроме того, рабочее тело. Рабочее тело переносит тепло от источника к приемнику, превращает тепловую энергию в механическую, но само по себе никаких изменений не претерпевает. Оно лишь инструмент, с помощью которого происходит преобразование энергий, и теоретически процесс этого преобразования не должен зависеть от того, какое вещество мы в качестве рабочего тела возьмем. Но это — теоретически. На практике же свойства его весьма ощутимо влияют на коэффициент полезного действия системы.
За каждый цикл рабочее тело — будь то пар или газ в турбине, продукты сгорания в двигателе внутреннего сгорания или фреон и аммиак в холодильниках — переносит часть тепла от источника к приемнику. Процесс этот происходит непременно с потерями (вспомните хорошо всем знакомый пример с трением). Из-за потерь реально получаемая механическая энергия оказывается всегда меньше разности количеств тепла, участвующих в процессе.
Коэффициент полезного действия при этом зависит от разности температур источника и приемника тепла. С приемником дело обстоит однозначно — это, в конечном счете, окружающая среда. А вот источник желательно подогреть посильнее. Например, если принять температуру окружающей среды равной 20° С, то от источника, нагретого до 120° С, из одного джоуля тепловой энергии можно получить не более 0, 25 джоулей энергии механической. Семьдесят пять процентов уйдут в воздух. Если источник будет нагрет до 720° С, из одного джоуля тепловой энергии можно будет уже получить до 0, 7 джоуля энергии механической. Получается, что тепловые электростанции — устройства неэкономичные и довольно консервативные, не говоря уж обо всех других недостатках экологического характера, И все-таки их строят и будут строить. Потому что пока они самые экономически рентабельные сооружения. Пока их энергия дешевле любой другой, и строительство ТЭС окупается раз в десять быстрее, чем строительство, например, гидроэлектростанций.
Ну а есть ли какие-нибудь перспективы их развития? Конечно, есть. Прежде всего — повышение КПД за счет увеличения начальной температуры водяного пара. Я уже говорил, что сейчас стандарт 540° С. А вот если бы повысить температуру до 1000, 1500° С? Что мешает? Прежде всего прочность материалов. Пока нет металлов, способных достаточно надежно длительное время работать при таких высоких температурах в условиях больших механических нагрузок. Вы скажете: делают же двигатели ракет из жароупорных сплавов. Но двигатели ракет работают короткое время и к тому же стоят значительно дороже. Нет, для турбин нужны качественные, но дешевые материалы, так же как для топок котлов тепловых электростанций нужно дешевое, недефицитное топливо.
Большое значение имеет также и комплексное использование топлива и самого тепла. В нашей стране энергостроители добились больших успехов в проектировании и сооружении теплоэлектроцентралей — ТЭЦ. От обычных тепловых электростанций они отличаются тем, что снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Скажем, так: «температурный интервал» от 540° С и до 100° С используется для выработки электрической энергии, а остывшую воду отправляют для отопления. На этом примере особенно хорошо должен быть понятен выигрыш от повышения верхнего температурного предела.
ТЭЦ значительно экономичнее обычных тепловых электростанций. Коэффициент использования топлива на них приближается к 60-70 процентам, тогда как коэффициент полезного действия ТЭС не выше 40 процентов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31