Рассуждая о закате эпохи двигателя внутреннего сгорания, мы привыкли говорить об электромоторах и гибридах, которые придут на смену ДВС. Но есть у него еще одна альтернатива, изобретенная намного раньше и незаслуженно забытая – это двигатель Стирлинга. Наступит ли эпоха его возрождения? Об этом издатель «ММ» Александр Новиков расспросил изобретателя, академика, главного эксперта инновационного центра «Энергоэффективные и энергосберегающие техника и технологии» Николая Кириллова.
Александр Новиков: Николай Геннадьевич, многие люди, интересующиеся техникой, слышали, что такое двигатель Стирлинга. Тем не менее, я, например, никогда его не видел. Почему?
Николай Кириллов: Вы правы, с конструктивной точки зрения этот двигатель довольно прост, и есть огромное количество роликов в Интернете, когда умельцы буквально на коленях делают разные его модификации, работающие от горячего чая или от солнечной энергии. Но у них невысокая эффективность.
Впервые промышленный двигатель Стирлинга был сделан в 1834 году. Паровые машины появились чуть раньше, но широкого распространения не получили – автомобилестроение только начинало развиваться. И двигатель Стирлинга появился как один из вариантов паровых машин. То и другое – двигатели с внешним подводом теплоты. В паровой машине мы подводим тепловую энергию, вода испаряется, образуется пар и более высокое давление, которое срабатывает на каком-то рабочем органе, и вы получаете механическую энергию. В двигателе Стирлинга рабочее тело – газ. Это может быть азот, а в те времена – и просто воздух. Так вот, первый промышленный двигатель Стирлинга был достаточно мощный – 50 лошадиных сил, это даже по нынешним меркам прилично! И начиная с этого времени он серийно производился в европейских странах. Были разные модификации и мощности. Самая большая мощность – около мегаватта – размещалась на одном из пароходов; это была одна из разновидностей двигателя Стирлинга – двигатель Эриксона. Тогда не было технологии расчета двигателей, поэтому все, что выпускалось серийно, имело невысокий КПД, максимум 10–12 %. Естественно, при таких КПД, с учетом использования воздуха в качестве рабочего тела, для получения приемлемой мощности на валу должны были создаваться большие диаметры и большие ходы поршней. Машины получались не очень эффективные, но громоздкие. Топливо могло быть любое – уголь, древесина, – так что они были надежны в работе и просты в эксплуатации. Но это были мастодонты! Большущие машины, которые применялись в различных отраслях.
АН: Значит, расчет больших машин все-таки был?
НК: Расчет был. Но в 1894–1895 годах появился первый дизель, который по массогабаритным характеристикам и эффективности оказался лучше. А к началу 1900-х появились нефтепродукты и двигатель внутреннего сгорания, которые за 10 лет выдавили двигатели Стирлинга с рынка. Но у тех было неоспоримое преимущество – возможность использования любого топлива, актуальная для солнечных стран Африки или Южной Америки. И эту особенность с успехом использовала голландская компания «Филипс», которая поставляла энергобытовое оборудование в эти страны. В 1957 году на рынке было порядка 30 модификаций двигателя Стирлинга. В это же время созданы так называемые криогенные поршневые машины Стирлинга.
Есть огромная ниша потребителей, не имеющих доступа к централизованному энергоснабжению, в России они живут на 70 % территории. Стоимость электроэнергии очень высока, поскольку доставка дизельного топлива практически в шесть раз дороже, чем само топливо. И в то же время «под ногами» огромный местный ресурс – торф, древесина.
С начала 1960-х и почти до конца века нефть была дешевой, и никто не был заинтересован в том, чтобы расширять линейку двигателей Стирлинга. Зачем, если есть дешевая нефть? Соответственно, все предприятия были «заточены» под это.
Но сейчас начинается эра возвращения двигателей Стирлинга. Доказательство тому – интерес к ним многих зарубежных компаний. Это ответ на потребность рынка: необходимы компактные, высокоэффективные преобразователи энергии, которые могут работать на местных ресурсах.
АН: Насколько эффективен двигатель Стирлинга по сравнению с ДВС?
НК: Первый двигатель, который я привез в Россию в 2006-м, был 10 КВт. Эффективный КПД – 26 %, причем он мог работать с падением от номинальной мощности почти в пять раз, а эффективность уменьшалась только на 2 %. Это говорит об уникальных свойствах: ни один ДВС не может работать в таких пределах. В двигателях Стирлинга отрегулированы как подача топлива, так и внутренний контур по количеству рабочего тела. Надо отдать должное компании «Филипс», которая создала высокоэффективные машины с КПД 30–35 %.
Еще двигатели Стирлинга имеют такое преимущество, как высокий ресурс. У первой машины, которую я привез в Россию, он составлял 60 тысяч часов работы. Если учесть, что в год тратится 8 тысяч часов, то это примерно 8 лет работы, при этом расхода масла почти нет: всего пол-литра на 15 тысяч часов, и оно никогда не попадает во внутренний контур – соответственно, на выходе нет всех этих «прелестей», которые есть в дизельном топливе или в карбюраторах. Двигатели Стирлинга экологически чистые, потому что процесс горения идет в отдельной топке, его можно регулировать.
АН: Мне кажется, наоборот: как раз в ДВС подачу топлива можно регулировать точнее. При внешнем сгорании как вы отрегулируете – если дровами греть?
НК: Ну, смотрите. Если бензин или дизельное топливо отправляется внутрь цилиндра, то по ходу его сгорания вы все время черпаете масло из картера. И у вас получается богатая, с точки зрения углеводородов, смесь, там очень много примесей. Причем надо обратить внимание на то, что до сих пор нет общепринятой теории горения топлива в дизеле.
Процесс возгорания в дизеле – это взрыв, соответственно, не всегда происходит полное сгорание топлива, много чего выбрасывается в выхлопную трубу. А в камере сгорания двигателя Стирлинга можно создать идеальные условия для любого вида топлива. Причем сейчас есть двигатель с беспламенным горением.
Ну и, безусловно, это двигатель с внешним подводом теплоты, то есть можно преобразовывать энергию из источников, которые недоступны или немыслимы для ДВС.
АН: Тем не менее, двигателя Стирлинга я так и не вижу в житейском обиходе. Почему?
НК: До 1991 года его исследовали около 20 научных организаций. Тогда эти темы широко не освещались, потому что разработки были связаны с военно-промышленным комплексом (их делали для подводных лодок). С 91-го года в России почти не осталось таких организаций. В политехнических вузах курса по двигателям Стирлинга нет, читаются одна-две лекции, чисто информационные.
Некоторые компании пытались создавать двигатели Стирлинга, например, на «Арсенале» был создан двигатель для МКС. Но, как правило, эти установки не доводилось до конца, так как финансирование прекращалось. Да и специалистов, способных посчитать контур двигателя, было мало. Причем это свойственно не только российскому рынку. Когда мы привезли в Россию несколько немецких машин, то одну разобрали – посмотреть, как работает европейская инженерная мысль. Парадоксально, но там было много совершенно нелогичных технических решений. Я задавал вопросы на мировых форумах по двигателям Стирлинга, ответ был всегда один: «Мы эту часть взяли у американцев, не считая ее». А американцы взяли в свое время у голландцев, и вот идет такая перекладка.
АН: До сих пор?
НК: До сих пор. Я недавно ездил в компанию «Стирлинг Криогенис», которая сейчас серийно производит криогенные машины Стирлинга. И мне показали большой проект – Т-образную криогенную машину для ксеноновой ванны. Ее сделала немецкая компания, а проверить, правильно или нет, никто не может – нет подходящих специалистов. Я нашел в установке несколько ошибок. Предложил переговорить с инженерами, на что мне сказали: «А это не наше, это нам делали в университете в Эссене. Мы платим деньги, но не понимаем, как они делают». Я убедился, что у них тоже нет науки. Когда они отпочковывались от «Филипса», то просто поставили в серийное производство удачные образцы, закрыв научно-исследовательские подразделения. И превратились в простых производителей. Конечно, у них есть определенный навык, инженерная сноровка, но пересчитать, скажем, тот же двигатель или криогенную машину они не могут. И это характерно практически для всех компаний.
АН: Есть ли сегодня математическая теория расчета двигателя Стирлинга, чтобы можно было его тиражировать с разной мощностью и разным КПД?
НК: Есть, но, как правило, это засекречено. В Интернете можно найти различные методики расчета, но это либо публикации уровня студентов третьего-пятого курсов, либо упрощенные модели. Вы сможете произвести по ним расчеты, но эффективность вашего двигателя составит 12–15 %.
АН: А в ДВС сколько?
НК: Все зависит от мощности. Если берем до 100 киловатт, то процентов 18–20. Любые двигатели на наших обычных автомобилях – это порядка 18 %.
АН: Получается, что, если двигатели Стирлинга догоняются до 20 %, они могут конкурировать с ДВС.
НК: Да. Есть сегменты, где их потребительские свойства превосходят свойства конкурентов. Если его использовать для запуска вентиляции, то ни вибрации, ни шума не будет. Почему такие двигатели стали широко применяться в подводных лодках?
АН: Но мы-то не применяем пока?
НК: Мы – нет, но другие страны используют. Подводная лодка расположена в плотной среде, и, если работает дизель, ее легко обнаружить по механическим вибрациям. А Стирлинг не шумит, не гремит; нет клапанов, нет взрывных эффектов.
АН: Давайте разберемся, что такое низкотемпературные и высокотемпературные двигатели, альфа-, бета- и гамма-Стирлинги.
НК: С точки зрения эффективности разницы почти нет. В альфа-схеме оба поршня рабочие, практически как у V-образного ДВС. Бета-схема – это когда в одном цилиндре два поршня, один рабочий, а другой – вытеснитель, и они работают синхронно, перекачивая рабочее тело. Гамма-схема почти не применяется, по ней работают только несколько образцов.
При выборе схемы учитываются нюансы – мощность, требования к вибрации, массе и т. д. Бета-схема более сложная с точки зрения расчета и конструктивного исполнения. Альфа-схема проще, большинство двигателей идут именно по ней, но если взять криогенику, то там практически все машины сделаны по бета-схеме.
Я вообще считаю, что двигатель Стирлинга – это русская машина.
АН: Хорошее заявление!
НК: Потому что у него есть еще одна особенность, про которую практически никто не говорит, а она очень существенная.
АН: Разность температур?
НК: Совершенно верно. Если я в системе охлаждения понижаю уровень системы на 10 °С, это соответствует тому, что я уменьшил температуру в верхнем цикле на 100 °С. У двигателя Стирлинга чем ниже температура охлаждения, тем лучше! Чем меньше топлива, тем меньше температура в камере сгорания.
АН: Тогда почему у нас это не разрабатывают?
НК: Мы говорим, что наша страна энергозатратная, потому что у нас холодно. Но холод получить сложнее, чем тепло. А у нас его предостаточно, особенно на Севере. Если мы поставим двигатель Стирлинга в районе, где температура воздуха –20–30 °С, это нам даст огромную экономию топлива.
АН: А мы как раз топливо тратим на борьбу с этим холодом.
НК: Я недавно был в Красноярске и встречался там с главами муниципальных образований маленьких поселков. И они говорят: эти регионы не развиваются потому, что нет электроэнергии. Даже если взять то же самое дизельное топливо в качестве топлива для сжигания…
АН: На обогрев верхней части, тепловой – эффективность будет.
НК: Правильно, мы берем двигатель Стирлинга и, используя окружающую среду, вместо воды запускаем тосол, и у нас уже нижняя температура цикла будет –15–20 °С. Если дельта с окружающей средой в районе –25 °С, можем подать на двигатель. А поскольку меньше подаем топлива, соответственно, там меньше температура держится.
АН: Ну, понятно, что холод – это тоже энергия, как и тепло.
НК: А он даровой! И если нам дан такой колоссальный энергетический потенциал, надо его использовать.
АН: Николай Геннадьевич, слушая вас, я загораюсь и думаю: ну вот же оно – на поверхности лежит! Прогресс виден или нет? Или все это военные поглотили?
НК: Знаете, шила в мешке не утаишь… Я думаю, в ближайшее время появятся двигатели Стирлинга мощностью и 600, и 800 киловатт, которые стоят сейчас на подводных лодках Японии и Швеции. Технологии ВПК, в конце концов, переходят и на гражданское применение. Если говорить о перспективах в России, я не знаю, что здесь нужно предпринять. Может, просто начать производить двигатели?
АН: Кстати, в Китае используют двигатели Стирлинга?
НК: Я дважды был в Китае, консультировал одну компанию. В первый раз я к ним приехал где-то в 2008-м; тогда они купили американские двигатели двойного действия, разобрали их и созвали инженерный состав из разных стран, чтобы узнать теорию расчетов, какую литературу использовать. Две недели я там провел и, уезжая, подумал: «Ну, ребята, вам еще очень далеко до нас!» Но когда я к ним приехал через три года, меня поразило, что у них уже был свой, китайский двигатель.
И буквально в течение года я узнал, что китайцы сделали подводную лодку со Стирлингом. Они поступили просто: взяли нашу «Варшавянку», 636-й проект, разрезали на две части, вставили девятиметровый отсек с двигателем Стирлинга, соединили, и получилась новая лодка «Юань»! Я не удивлюсь, если скоро у них появятся двигатели Стирлинга в серийном производстве. Во всяком случае, шведская компания уже заключила контракты на их производство именно в Китае – для снижения себестоимости.
А почему бы этот подход не использовать для российского рынка? Хотя бы воспроизвести в чистом виде.
АН: Получается, что мы умничаем, но ничего не производим. А они потихоньку и в Америке, и в Швеции, и в Китае это дело внедряют. Пусть бестолково, не до конца разбираясь в деталях, но у них есть, а у нас нет. И мы отстаем. Почему?
НК: И не только в этом направлении. Двигатели Стирлинга идут у нас со скрипом. Я с нашими подводниками разговаривал лет пять-шесть назад, когда «Ладу» сдавали и позиционировали ее как лодку четвертого поколения. А лодка четвертого поколения – это лодка с анаэробной установкой, которой и в помине не было на «Ладе». Да, какие-то модификации, вооружение более совершенное, но по тактике применения, если у вас нет анаэробной установки, вы через два дня всплываете, вытаскиваете перископ и начинаете дышать, чтобы зарядить аккумуляторы и батареи. Такая подлодка теряет главную функцию – она становится заметной. А лодка четвертого поколения, скажем, у шведов, работает 20 суток под водой на двигателях Стирлинга. И в качестве окислителя там не воздух, а емкости с жидким кислородом. Шведы нырнули в районе боевого патрулирования, все дизели отключили и идут малым ходом, и вся энергетика у них работает на двигателе Стирлинга. Нет шума, нет следности и нет перископа. И альтернативы Стирлингу здесь нет.
Ему практически нет конкурентов и при освоении лунных баз. Все американские лунные программы строятся только на Стирлинге.
АН: Тогда я не понимаю, почему мы не занимаемся двигателями Стирлинга. У нас же тоже есть космические программы и все остальное. Да быть такого не может, чтобы мы это игнорировали!
НК: Подводные лодки – характерный пример. До 1991 года мы занимали 40 % этого рынка, а сейчас его потеряли. А подводный флот – это визитная карточка страны. И наш провал здесь говорит о том, что какая-то отрасль у нас начала выпадать.
АН: К сожалению, мы потихоньку выпадаем из всех отраслей.
НК: Да. А сделать можем все. Совсем недавно, 5 ноября, мы испытали на Волге новое судно-газоход на сжиженном природном газе, СПГ. В последнее время его активно начали применять. Это наш природный газ – метан, который мы поставляем в Европу. Американские и европейские машиностроители переходят на производство автомобилей на СПГ. От Аляски и до Невады все грузовики сейчас ходят на нем. Если сравнивать с дизельным топливом, в эквиваленте получается почти в два раза дешевле.
АН: А почему мы этого не делаем до сих пор?
НК: А это ответ на тот же самый вопрос – почему у нас не делаются Стирлинги. Первые грузовики на СПГ были сделаны еще в 1985 году, и парадокс в том, что эту технологию разработали мы, а сейчас ее развивают зарубежные страны. Крупные компании-моторостроители – «Вольво», «Мерседес» – уже выпускают грузовики на сжиженном природном газе. Порядка семи тысяч китайских автобусиков «Ютонг» тоже на нем. В Китае три тысячи заправок СПГ, и китайцы же собираются построить у нас завод грузовиков на сжиженном природном газе. Экономия – раз, экология – два. Есть жесткие законодательные требования, под которые предприятия начинают подстраиваться, их заставляют заниматься инновациями.
В Испании, например, есть проект использования двухкиловаттных двигателей Стирлинга в квартирах. У них нет централизованного теплоснабжения, и возникает проблема: утром и вечером электричества не хватает, а днем – избыток. Для устранения проблемы нужно построить несколько крупных ТЭЦ на территории, и предлагают вместо этого поставить в домах двигатели Стирлинга. Те два киловатта, которых не хватает утром, люди будут производить у себя дома, а электроэнергию, которая будет вырабатываться в их отсутствие, государство выкупит. Все равно в каждом доме есть газовый котел для горячего водоснабжения – так давайте сжигать газ в двигателе Стирлинга. Это только одно из направлений. И я считаю, что это неплохо. Не шумит, не гремит… Холодильник работает громче, чем Стирлинг.
АН: Но пока это только разговоры. Есть ведь и другая точка зрения: строительство одной большой электростанции дешевле с точки зрения трудозатрат и эксплуатации. Есть тут еще и политические моменты, и экономические. Но мы их затрагивать не будем. Поживем, увидим.