Рожденный для города

"Приводят все дороги в Город" - так писал в конце прошлого века бельгийский поэт Эмиль Верхарн.

Города - средоточие нашей цивилизации. Ее барометр, пульс. Достижения и просчеты здесь особенно рельефны, обнажены.

Город - это "остров тепла". Средняя температура тут может быть на десять градусов выше, чем вне городской черты. Здесь иной воздух, не так светят солнечные лучи, чаще и обильнее выпадают дожди.

Деревья в городе - о, это целая проблема! Сильное загрязнение воздуха в Токио вынудило муниципальные власти принять программу "скорой помощи" зеленым насаждениям. Так, все деревья старше 15 лет должны быть зарегистрированы специальной службой. Это молодые "старцы", оказывается, уже требуют особого ухода.

Но в городе нелегко жить не только деревьям, но и людям. Полицейские в противогазах на улицах Токио, зловещие смоги над Лондоном и Лос-Анджелесом - об этом много писали. Как же совместить в городах экологическую чистоту и непрерывный рост энергопотребления? И вновь вспомнили про топливные элементы. Ведь у электрохимических генераторов есть и еще одно важное достоинство - экологическая чистота. 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 (химическая энергия здесь непосредственно преобразуется в электричество, минуя стадию, связанную с механическим движением). Далее, низкотемпературные топливные элементы практически не потребляют воды. Они занимают гораздо меньше места, нежели традиционные ТЭЦ. А в переуплотненных городах проблема территории крайне остра. Так вот: предварительные оценки показывают, что электростанция на топливных элементах мощностью в 20 мегаватт будет занимать участок размером лишь в 15X25 квадратных метров.

Причины компактности этих энергоустановок станут понятны, если мы представим себе, как они устроены.

При хрестоматийной подаче топливный элемент изображают так. В сосуд с водным раствором электролита (кислоты или щелочи) погружены два металлических, например, из платины, стержня - их называют электродами.

К одному из электродов (аноду) подводят газообразное топливо, скажем, водород, другой электрод (катод) омывается окислителем, обычно кислородом или воздухом (так дешевле). Если теперь электроды замкнуть на внешнюю цепь, в ней пойдет электрический ток.

Примерно в таких тонах расскажет о топливном элементе ученый-электрохимик. Технолог же, обуреваемый желанием сэкономить пространство и материал и жаждущий высоких удельных мощностей, представил бы топливный элемент по-иному.

Это сандвич, сказал бы он, где роль ломтей хлеба играют два пористых (внутренняя поверхность велика, велик и ток) электрода, а кружочка колбасы - пропитанная раствором электролита также пористая матрица (да, хотя б и промокашка, лишь бы тоненькой была!).

Но, добавит технолог, один такой электрохимический "бутерброд" 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 сотни киловатт энергии. Мегаватты же, если заводить речь об электрохимической энергетике всерьез, получатся, коль 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 этих источников энергии еще и в том, что в основе их построения лежит принцип "модульности". Стопка или набор топливных элементов - модуль - может быть любого размера, а стало быть, и мощности. Так сказать, на любой вкус и потребность!

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 ЭЗС. Сейчас создаются 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 можно строить ЭЭС и больших мощностей - от 5 до 25 мегаватт. Однако работа для них в городе будет уже иная. Ритмы города - "прилив", "отлив". Часы "пик" с толчеей в метро и автобусах. Как громадный зверь, город спит ночью (потребляя мало энергии), но утром, проснувшись, он выказывает всю свою силу (требуя всю доступную ему энергию).

Энергетика города вынуждена работать очень неравномерно и, как сейчас увидим, неэкономично. Эффективность использования топлива на ТЭЦ сильно зависит от нагрузки: если при работах на полную мощность такая ТЭЦ на жидком топливе потребляет около 2150 килокалорий на 1 киловатт-час электроэнергии, то при 40-процентной загрузке - уже 2800 килокалорий. А электрохимический генератор независимо от нагрузки будет потреблять 2270 - 2330 килокалорий на киловатт-час. (Еще одно замечательное свойство топливных элементов - сколько их мы уже перечислили!)

Нетрудно понять, какие можно получить выгоды, если использовать топливные элементы в коммунальном электроснабжении. В первую очередь как вспомогательные генераторы, подключаемые в часы пиковых нагрузок. Подстраиваясь под прихотливые ритмы городов, очень выгодной окажется комбинация из рассчитанной на средние нагрузки обычной ТЭЦ, постоянно работающей в оптимальном режиме, - на полную мощность, и батареи топливных элементов, принимающей на себя увеличение нагрузки в часы "пик".

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

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

У нас в стране первый такой гидроаккумулирующий комплекс сооружается под Москвой, неподалеку от Загорска. В двух километрах от устья небольшой речки Куньи строится водоем, в котором весной будет собираться до 37 миллионов кубометров воды. А на отметке, находящейся на 100 метров выше, располагается другой бассейн почти такой же емкости. В ночное время насосные агрегаты будут из нижнего водоема перекачивать в верхний 22 миллиона кубометров воды. На это и уйдет излишек электричества.

Водохранилища соединены шестью водоводами диаметром 7,5 метра. Днем откроются их затворы, и мощные водопады устремятся к ГАЭС. В московскую городскую систему она передаст 1,2 миллиона киловатт электроэнергии. Столько же, сколько вырабатывается Саратовской ГЭС. А без ГАЭС излишек энергии пока приходится направлять (и получать) в другие отдаленные районы страны. При этом часть электроэнергии теряется в пути.

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 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. Так же, как, скажем, автомобили. (Автомобиль вовсе не обязательно собирать на дворе того дома, где он будет парковаться!) Строительство ТЭЦ требует места, и немалого, большого времени, капитальных вложений. Массовое же производство электрохимических "бутербродов", их быстрый монтаж в модули и "колонны" можно осуществить поточно. И доставить быстро в любую точку города. Соответственно и стоимость ЭЭС должна быть ниже.

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.