Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

дорогие цветные металлы: свинец, кадмий, цинк, никель, марганец а иногда и серебро. Ежегодно одних только свинцовых автомобильных аккумуляторов во всем мире производится более 100 миллионов штук. Если так пойдет и дальше, то лет через сто или даже раньше запасы свинца на нашей планете будут исчерпаны. Тем не менее аккумуляторы, накапливающие электрическую энергию в виде химической и отдающие энергию, когда нам потребуется, очень удобны и весьма перспективны, особенно с экологической точки зрения. Кто не слышал о проблеме электромобиля, 104

который перестал бы загрязнять воздух, как это делают сейчас миллионы автомобилей!

Самое интересное, что первый электромобиль появился за четыре года до первой машины с двигателем внутреннего сгорания. И однако вот уже более ста лет человечество делает для себя автомобили с бензиновым и дизельным двигателем. Они пока выгодны во всех отношениях, хотя расходуют на движение всего 15 процентов становящегося все дороже углеводородного топлива (запасы нефти тоже не бесконечны, и в ней нуждается химия) и несут ответственность за 35 процентов загрязнения атмосферы. Вдобавок двигатель внутреннего сгорания за тысячу километров пробега потребляет столько же кислорода, сколько один человек на протяжении всей своей жизни. Отработанные газы способствуют образованию кислотных дождей, губящих леса, посевы и сады, а шумовые нагрузки в городах исходят прежде всего от автомашин.

Можно ли создать электромобиль на аккумуляторах, который бы выдержал конкуренцию с автомобилем? Можно. Вот реальный проект электромобиля, простого по устройству и эксплуатации, не имеющего ни коробки скоростей, ни стартера (а с несколькими электродвигателями— и дифференциала), бесшумного и комфортабельного. Для работы ему потребуется батарея, обеспечивающая удельную энергию 56 ватт-часов на килограмм своей массы и выдерживающая 800 циклов заряда-разряда, что вполне могут обеспечить нынешние никельжелезные, никель-цинковые и даже свинцовые аккумуляторы, соответствующим образом усовершенствованные. Пробежать такой электромобиль от подзарядки до подзарядки сможет 160 километров.

Но этого всего мало. Чтобы электромобиль мог конкурировать с автомобилем, нужно, чтобы удельная энергия была в 3—4 раза выше и составляла не менее 200 ватт-часов на килограмм массы. Поэтому сейчас выпускаются только электромобили для коммунальных нужд с дальностью пробега меньше 100 километров. Например, в аэропорту Атланты (США) работает более сотни электромобилей разного назначения — они передвигают самолеты и трапы, возят багаж и тому подобное. Для личного же электромобиля (пробег до подзарядки 320 километров), для городского автобуса (пробег 200 километров) и для такси разрабатываются новые аккумуляторы: воздушно-

железные, хлор-цинковые, серно-литиевые. Они обладают высокими удельными характеристиками, у них большой срок службы и они недороги, так как строятся не на дефицитных материалах. Накопительная мощность у серно-натриевого аккумулятора в 4 раза превышает мощность обычных свинцовых аккумуляторов, а долговечность вдвое больше.

Сегодняшние экспериментальные электромобили, имея свинцовую батарею весом 400 килограммов, могут без подзарядки преодолеть всего 100 километров. Серно-натри-евый аккумулятор такой массы увеличил бы пробег до 250 километров. Вместо жидких электролитов (серной кислоты в обычных аккумуляторах) и твердых электродов (свинцовых пластин) в серно-натриевых аккумуляторных батареях применены твердые электролиты (окись алюминия) и жидкие электроды (натрий и сера). Отрицательным электродом служит расплавленный натрий, а положительным — расплавленная сера. Но для работы такого аккумулятора нужен разогрев до 300 °С — это единственный, но очень серьезный недостаток. Если электромобиль долгое время остается без движения, завести его тут же невозможно. Перед стартом понадобится аккумулятор разогреть. Правда, с этим справится обычный малый аккумулятор или ток от сети: при пропускании тока ячейки батареи нагреются, подобно спирали обычного кипятильника. При нынешних ценах на электричество и бензин эксплуатация такого электромобиля была бы вдвое дешевле; его «мотор» — электродвигатель не нуждался бы в уходе и практически не изнашивался. Эксплуатация, но не сам автомобиль! Серно-натриевый аккумулятор еще очень дорог. И не ясно, к сожалению, когда эти аккумуляторы подешевеют, войдут в производство и эксплуатацию. Но зато ясно, что господству свинцовой аккумуляторной батареи рано или поздно наступит конец.

Можно предполагать, что в ближайшие годы появятся автобусы на аккумуляторах, сочетающихся с двигателем внутреннего сгорания. По городу они будут ходить на аккумуляторах, а за городом — на двигателе, который будет заодно использоваться для подзарядки аккумуляторов. Уже сейчас на ВАЗе делают опытные партии «Жигулей» на аккумуляторах.

Электрохимические аккумуляторы применяются сейчас весьма широко: они служат для питания аппаратуры на самолетах, для освещения, сигнализации, связи и электро-106

блокировки в метро, как резервные источники тока в вагонах поездов на железных дорогах, в подводных лодках. Они являются основным тяговым средством в шахтах и все шире и шире применяются в аэропортах. Интерес к аккумуляторам не ослабевает: количество патентов на аккумуляторы не уменьшается, а их выпуск пока растет.

Космическая электростанция

Еще до свинцового аккумулятора был создан элемент, в котором электрическая энергия генерировалась за счет окисления горючего. В 1839 г. английский исследователь Уильям Гроув (1811 —1896) доказал возможность получения электрического тока путем окисления водорода кислородом: электрический ток получался сразу же из химической энергии.

Много сил отдал химическим источникам тока Павел Николаевич Яблочков, впервые широко поставивший задачу о превращении химической энергии топлива в электрическую. Яблочков писал: «Уголь, сжигаемый в паровой машине, производит работу, которая, будучи превращена в электричество с помощью магнита электрических машин, дает электричество по гораздо более дешевой цене, чем все химические источники тока, существовавшие до нашего времени. Это соображение толкнуло меня на мысль получить электричество, химически действуя непосредственно на уголь». Для решения этой задачи Яблочков использовал гальванические элементы различной конструкции, составленные из сочетания угольного и железного электродов, погруженных в расплавленные нитраты или сульфаты. Может быть, такой элемент и окажется когда-нибудь перспективным, если будут преодолены некоторые технические трудности. Но еще более заманчивой является сама идея использовать химическую энергию топлива сразу же для получения электрического тока.

Сегодня переход химической энергии топлива в электрическую осуществляется в несколько стадий: химическая энергия — тепловая — механическая — электрическая. Особенно большие потери происходят на стадии перехода тепловой энергии в механическую. Даже по самому термодинамически выгодному циклу Карно коэффициент полезного действия турбин не превышает 45 процентов, дизельных установок — 30 и бензиновых двигателей — 20 процентов. Общий средний КПД большинства элект-

Схема водородно-кислородного топливного элемента

водородно-кислородные, или ливные элементы. Топливом

ростанций составляет всего 25 процентов. Если для производства 1 киловатт-часа энергии на тепловой электростанции требуется 1,5 килограмма угля, то в элементе, работающем по схеме химическая энергия — электричество, для этого понадобилось бы немногим более 500 граммов топлива.

Такие элементы, в которых химическая энергия преобразуется