khimie.ru

«Приводят все дороги в Город». Так писал в конце прошлого века бельгийский поэт Эмиль Верхарн. Города − средоточие нашей цивилизации. Достижения и просчеты здесь особенно рельефны, обнажены.

Для огромного числа людей город с его каменными громадами, заслоняющими небо,− это и есть их планета, вторая природа со своеобразными «климатом».

Город − это «остров тепла». Средняя температура тут из-за огромного энергопотребления, обилия всевозможных установок, машин, приборов, аппаратов, выбрасывающих в виде отходов в атмосферу не только газообразные продукты, но и тепло, наконец из-за жизнедеятельности большого количества людей может на 10 градусов быть выше, чем вне городской черты.

В городе иной воздух, не так светит солнце. В городах-миллионерах, по данным австрийских экспертов, продолжительность светового дня в среднем на час короче, чем за городом; интенсивность ультрафиолетового облучения почти наполовину меньше; сила ветра тут на 20-30 процентов меньше, чем в деревне; туманы наблюдаются вдвое чаще.

В воздухе, которым дышат жители города с населением в миллион человек, в 10 раз больше пыли, в 5 раз больше двуокиси серы, в 10 раз больше углекислоты, в 25 раз больше окиси углерода.

Когда-то города были лишь мишенью для острот. Жан Кокто, французский писатель: «Разница между большим городом и городом маленьким заключается в том, что в большом можно больше увидеть, а в маленьком − больше услышать». Теперь же слышатся нотки горечи. Арнольд Тойнби, американец: «Город, размеры которого превышают возможности пешехода, является настоящей ловушкой для человека».

Во второй половине XX столетия Земля людей с болью в сердце навсегда, видимо, рассталась с идеей «возврата к природе», которую страстно проповедовал Руссо. Увы, города наступают на планету; скажем, в Англии ими покрыто уже около 15 процентов территории.

Как же совместить в городах экологическую чистоту и непрерывный рост энергопотребления? Поначалу казалось, что проблема снимется сама собой, когда тепловые станции перейдут на менее дымящие топлива (природный газ, например) или будут приняты меры по очистке дымовых выбросов. Еще один путь − вынести энергетические объекты за черту города (и подальше!) и передавать электроэнергию в город по проводам.

Проблема, однако, сама собой не снялась. Строительство линий электропередач (тем более дальних) обходится дорого, да и велики потери энергии на пути к потребителю. Очистные сооружения стоят тоже недешево, а менее дымящие топлива не вечны − их запасы истощаются.

И тогда вновь вспомнили про топливные элементы. Мы не раз уже говорили, что у электрохимических генераторов есть одно важное достоинство: они экологически чисты. Они выбрасывают в атмосферу почти исключительно углекислый газ и воду. Поэтому их можно использовать непосредственно там, где они нужнее всего,− в крупных городах и промышленных центрах.

Да, топливные элементы как бы рождены для города. Они бесшумны, гак как химическая энергия здесь непосредственно преобразуется в электричество, минуя стадию, связанную с механическим движением. Низкотемпературные топливные элементы практически не потребляют воды. Они занимают гораздо меньше места, нежели традиционные тепловые электростанции − ТЭС, а в переуплотненных городах проблема территории крайне остра. Предварительные оценки показывают, что электростанция на топливных элементах мощностью в 20 мегаватт, способная обеспечить электроэнергией жилой массив или город с населением в 20 тысяч жителей, будет занимать участок размером лишь в тысячу примерно квадратных метров, а все ее оборудование может быть размещено в одноэтажном строении.

Причины компактности электрохимических энергоустановок ясны. Отдельный топливный элемент − это как бы сандвич, где роль ломтей хлеба играют два пористых электрода, а кружочки колбасы − пропитанная раствором электролита также пористая матрица. Конечно, один такой электрохимический сандвич энергией не насытит. Тут уже нужна стопка, этакий слоеный пирог из множества топливных элементов.

Толщина отдельного топливного элемента − миллиметры, снимаемая мощность − сотни ватт. Батарея же высотой в несколько метров, из многих сотен отдельных, повторяющихся, однотипных, правильно чередующихся топливных элементов способна дать согни киловатт энергии. Мегаватты же − если вести речь об электрохимической энергетике всерьез − получатся, когда на сравнительно небольшой площадке взгромоздятся сотни таких слоеных электрохимических колонн. Это и будет (как бы ее назвать?) электрохимической электростанцией (ЭЭС). Одна из многих ячеек электрохимической энергетики (ЭХЭ).

Важное достоинство таких источников энергии еще и в том, что в основе их построения лежит принцип модульности. Стопку или набор топливных элементов» модуль, можно сделать любого размера, а стало быть, и любой мощности − в зависимости от потребностей.

В каждом доме можно поставить свою котельную, но никак не электростанцию. (Так же как вряд ли в будущем появятся автомобили с атомным реактором.) Это если говорить о традиционных источниках энергии в городе. Не то − ЭЭС. За рубежом обсуждаются уже проекты небольших (от 25 до 200 киловатт) автономных электрохимических генераторов на природном газе (а он есть в каждой кухне), которые бы обслуживали отдельные микрорайоны или даже большие жилые дома. При этом можно утилизировать еще и тепло, выделяемое топливными элементами. И при тех же затратах топлива не только снабжать дома электричеством, но и отапливать их.

Но благодаря модульности можно представить ЭЭС и больших мощностей − от 5 до 25 мегаватт. Однако работа для них в городе будет уже иная.

Ритмы города — «прилив» и «отлив». Часы пик с толчеей в метро и автобусах. Ночью город спит, потребляя мало энергии, но, проснувшись, он в течение дня забирает все, что ему предназначено, а предназначенного уже бывает мало, удовлетворяются далеко не все его нужды.

Энергетика города вынуждена работать очень неравномерно, потребление энергии изменяется не только в течение суток, но и на неделе − простои в субботу и воскресенье, в зависимости от времени года − летом меньше, зимой больше. К тому же, как сейчас увидим, не экономично. Кто-то остроумно заметил: «Энергия похожа на деньги, ее можно накапливать, но пользу она приносит лишь, когда ее расходуют».

Эффективность использования топлива на ТЭС сильно зависит от нагрузки, а электрохимический генератор независимо от нагрузки потребляет одно и то же количество топлива на производство киловатт-часа электроэнергии. Это тоже замечательное свойство топливных элементов − сколько их мы уже перечислили.

Нетрудно представить, какие можно получить выгоды, если использовать топливные элементы в коммунальном электроснабжении. В первую очередь в качестве вспомогательных генераторов, подключаемых в часы пиковых нагрузок. Учитывая прихотливые ритмы городов, очень выгодной окажется комбинация из ТЭС, рассчитанной на средние, базовые, нагрузки и постоянно работающей в оптимальном режиме, на полную мощность, и батареи топливных элементов, принимающей на себя пиковые нагрузки.

Мысль о выравнивании нагрузок в больших энергетических системах: аккумулирование энергии при спадах и выдача ее в сеть при подъемах — мысль старая. Подсчитано, что, скажем, в США создание таких аккумулирующих станций общей мощностью от 200 до 400 миллионов мегаватт сэкономило бы в год 50 миллионов тони нефти.

Как это осуществить? Способов было предложено много. Можно сжимать воздух, хранить его, например, в пустотах под землей, а затем использовать механическую энергию движущихся воздушных потоков. Другой путь − гидроаккумулирующие сооружения: вода закачивается в поднятый высоко резервуар (водохранилище), сброшенная оттуда, она возвращает энергию.

Проблему выравнивания энергии можно решать и другими способами, но, как правило, у них у всех один общий недостаток − большая инерционность процессов: ими трудно управлять. А вот электрохимические генера­торы лишены этого недостатка. Только вот маленькая загвоздка − для выравнивания ритмов городской энергетики необходимы ЭЭС-гиганты: мощностью в десятки мегаватт. А их пока еще нет.

Да, таких электрохимических исполинов пока нет, но, когда их начнут монтировать, это будет необычный процесс. Непривычный. ЭЭС можно, оказывается, собирать на специальных заводах, как, скажем, автомобили.

Строительство мощной тепловой электростанции требует места, и немалого, большого времени, больших капиталовложений. Массовое же производство электрохимических бутербродов, их быстрый монтаж в модули и колонны можно осуществить на заводе поточно. И быстро доставить к месту практически готовую электростанцию. Ясно, что и стоимость такой ЭЭС должна быть значительно ниже. Модульная структура существенно повысит эксплуатационную надежность таких электростанций и позволит производить текущий ремонт без остановки всей станции.

Важность проблемы энергоснабжения городов быстро возрастает. По данным ООН, к концу века в городах будет жить вдвое больше людей, чем сейчас. В развитых странах на долю городов придется три четверти всего населения, в развивающихся странах − около половины.

Причем города достигнут грандиозных, умопомрачительных размеров. В 2000 году список их будет, очевидно, возглавлять Мехико с населением 31(!) миллион человек. Далее будут следовать Сан-Пауло (25,8 миллиона), Токио (24,2 миллиона), Нью-Йорк (22,8 миллиона), Шанхай (22,7 миллиона). Как следствие такой урбаакселерации резко пойдет вверх и необходимость в ЭЭС, этих легко откликающихся на потребу городов новых источников электроэнергии.