Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра
Придумано очень много подобных термохимических циклов разложения воды, когда не нужно использовать электроэнергию, а только тепло - например энергию атомных реакторов. Применяя цепочки в три или четыре реакции, максимальную температуру можно понизить еще больше при КПД около 50 процентов.
Увы, реальные технологические цепочки еще очень сложны. Природа расставила немало преград. Так, необходимы громоздкие и дорогие теплообменные устройства. Не так просто разделить вещества, участвующие в реакции. Довольно велики потери материалов. Существуют и другие трудности. Ныне ведется отработка различных предложенных схем и поиск новых.
Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.
О реальном соотношении стоимостей производства водорода различными способами сообщается в монографии "Введение в водородную энергетику", изданной под редающей академика В. Легасова. Оказывается, е"сли пересчитать затраты на тонну условного топлива, то производство тонны водорода из природного газа обойдется в 80-150 рублей, при электролизе воды - в 90-200, в термохимических циклах - в 200-300; из воды с помощью энергии угля - в 100 рублей.
Обращает на себя внимание большой разброс в цифрах. Он отражает и неопределенность в технологиях, которые еще нужно осваивать, и разницу в цене на сырье (газ, уголь) или электроэнергию.
Не во всех случаях водород способен удачно заменить современные виды топлива, особенно жидкое. В последние годы у энергетиков широкое развитие получили работы по созданию синтетического жидкого топлива (СЖТ). Его можно получать из газа, угля, сланцев. Весьма заманчиво делать искусственное жидкое топливо из угля, запасы которого велики. Придумано несколько способов превращения угля в жидкую массу. В Швеции уже работает опытный завод по производству "флюидкарбона", который состоит из 65-80 процентов угля, 20- 35 - воды и небольшого количества различных химических добавок - органических полимеров, полисахаридов.
Институт КАТЭКНИИуголь совместно с Институтом химии и химических технологий Сибирского отделения АН СССР предлагает растворять угли низшими алифатическими спиртами. Кстати, в этих процессах угольная масса существенно очищается от примесей серы.
К сожалению, жидкий уголь и жидкое углеводородное топливо - не одно и то же. В двигателях автомобилей и самолетов нужно топливо, подобное тому, которое получают из нефти, в нем на один атом углерода приходится около двух атомов водорода. Чем меньше атомов водорода приходится на один атом углерода, тем, как правило, при более высоких температурах углеводороды становятся жидкими.
В углях водорода меньше. В антраците его совсем мало, а в бурых углях типа канско-ачинских на атом углерода приходится всего лишь один атом водорода. Чтобы повысить содержание водорода в угольной массе, уголь измельчают и смешивают со специальной углеводородной жидкостью, которую выделяют из конечного жидкого продукта, а затем в эту пасту подают водород. При высокой температуре и давлении разрываются угольные кольцеобразные структуры, и к ним присоединяются дополнительные атомы водорода.
Такие процессы были изобретены давно. Еще в 20- 30-е годы в Германии, Англии, СССР работали опытные установки. А во время второй мировой войны в Германии уже производилось несколько миллионов тонн синтетического бензина иа угля; для этого требовалась очень дорогостоящая аппаратура. Особенно много проблем доставляло высокое (около 700 атмосфер) давление, при котором идет этот синтез.
В Институте горючих ископаемых благодаря использованию нового эффективного катализатора удалось снизить давление до 100 атмосфер. КПД такого процесса - около 50 процентов, а это значит, что из шести тонн канско-ачинского угля можно получить тонну СЖТ. Построены первые опытные установки. Однако нерешенные проблемы остаются. Например, неясно, удастся ли избежать больших потерь дорогого молибденового катализатора. Производительность установок еще мала. А ведь на их изготовление уходит большое количество высококачественных сталей. Пока неутешительны и оценки ожидаемой стоимости такого СЖТ.
Может быть, выгоднее окажутся способы непрямого сжижения угля? Например, сначала уголь газифицируется, а затем полученный газ в виде смеси СО, СН4 и Ш превращается либо в метанол (его уже можно использовать вместо бензина), либо в жидкие углеводороды.
Из метанола дегидрированием можно получить и высокооктановый бензин. Сколько же это будет стоить?
Пока ответ очень приблизителен - от 60 до 300 рублей за тонну жидкого топлива. Нужно точнее? Для этого и продолжаются исследования, создаются новые и новые установки.
Предлагаются и полуфантастические способы получения водорода - например закачивать воду через скважины в магму. При взаимодействии воды с железом (если магма богата им) выделится водород. Но мало, очень мало. Даже по расчетам энтузиастов (как правило, завышенным), при закачке 70 тонн воды получим всего 230 килограммов водорода из 8 тонн, содержащихся в воде.
Японские и американские специалисты выдвинули менее сложный, но столь же впечатляющий проект. Представим в океане платформу площадью 10 квадратных километров, которая заполнена солнечными панелями, конденсаторами солнечной энергии, паровыми котлами, турбогенераторами и электролизерами. Производительность такого завода - 600 тонн водорода в сутки. Разложение морской воды не простая задача. Очень мешает растворенный хлор, соли, для выделения которых из воды предстоит еще разработать технологию.
Почему платформы размещаются в море? Там не нужно искать охлаждающую воду для турбин. Это уже выигрыш. Кроме того, там гораздо меньше пыли и грязи, между тем как солнечные панели, установленные на суше, требуют чуть ли не ежедневной очистки, иначе КПД их падает.
Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем "ядерный реактор - водородный генератор" претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века.
Флагман энергетики
Передо мною страница служебного документа более чем тридцатилетней давности - "Оперативные записи начальника смены". Читаем:
Сме"на с 8.00 до 24.00; 26.04.54; принял Б. Батуров.
N тепл. = 15,8 МВт; N электрическая =1,5 МВт; КПД -10%.
Так в апреле 1954 года впервые в истории человечества был получен в атомной электростанции ток от энергии атома.
Электрическая мощность первой АЭС была невелика - всего 5000 киловатт. Новых турбин такой малой мощности в то время уже не выпускали. Как быть?
Монтажникам повезло: подходящую турбину нашли на одной из московских электростанций, но у ней оказался погнутым вал. Президент Академии наук СССР Анатолий Петрович Александров вспоминает, что нашелся тогда умелец, который выправил вал. Как показал первый же пуск, ремонт удался на славу турбина исправно закрутилась.
Спустя несколько недель мощность электростанции подняли до проектной, и в газете "Правда" 1 июля 1954 года на первой полосе появилось сообщение:
"В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт".
Успешное создание и работа этой АЭС стали важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер предубеждение людей против атомной энергии вообще. Пуск АЭС имел и политическое значение. Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов: не на создание все более совершенных видов ядерного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь пуск ознаменовал новый рывок научно-технического прогресса - первая атомная электростанция открыла путь десяткам других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.
Сейчас, по истечении более трех десятков лет, атомная энергетика технически повзрослела, стала надежнее, а общая ее мощность в нашей стране достигла почти 30 миллионов киловатт. Предусматривается убыстрение темпов ее дальнейшего развития. Уже к 1990 году энерговыработка атомных электростанций должна вырасти до 390 миллиардов киловатт-часов. К 2000 году атомные электростанции должны вырабатывать энергии в 5-7 раз больше. Согласно Энергетической программе "ускоренное развитие в европейской части страны ядерной энергетики позволит на рубеже XX и XXI веков в основном остановить рост трансконтинентальных потоков органического топлива с востока на запад".
