На одной воде

Идешь порой вдоль берега, смотришь на горизонт и думаешь: какое же оно огромное, это море! И сколько там воды. Ничего бы без нее не было – а за тысячи лет ее использование почти не изменилось: пьем, путешествуем, добываем энергию. На радость человечеству, «почти» не значит «совсем», и однажды на воде смогут работать даже телефоны.

4090 0 1

отправить по e-mail

КОГДА НАДО ПЕРЕСТАТЬ ЖЕЧЬ

КАКОЙ БЫ СОБЛАЗНИТЕЛЬНОЙ ни казалась идея применять воду в качестве топлива – как есть, просто залив ее в какой-либо контейнер, – по большому счету, это пока фантастика. Выделяемой энергии достаточно, чтобы работали небольшие настольные часы или калькулятор, но слишком мало, чтобы запитать ноутбук или телефон. В таких шутливых устройствах используется гальванический элемент из школьной программы. Где-то внутри них спрятаны медный и цинковый стержень, а электролитом является вода, которую периодически надо менять.

Но если из воды извлечь водород, желательно без примесей других элементов, его можно использовать с большой эффективностью. Первая мысль – сжечь. Водород отлично горит, поэтому в качестве горючего его применять очень заманчиво – правда, опасно хранить в баллонах, как пропан. И это не соответствует нашим ожиданиям от высокотехнологичного будущего. Так что пусть сожжение остается в Средних веках, а мы будем использовать водород для создания топливных элементов на основе химических реакций. Принцип работы такой же, как и в водном калькуляторе: это классический гальванический элемент, в котором в ходе химической реакции образуется электрическая энергия.

У нас есть водород, который фактически является топливом, анод, где происходит окисление водорода, катод для восстановления кислорода, мембрана, которая пропускает протоны, и средства доставки кислорода и водорода к электродам – чтобы те не смешивались. В качестве электрода выступают угольные пластины, на которые нанесена платина. Когда мы собрали все элементы и обеспечили подачу газа, происходит следующая реакция: водород окисляется на аноде, освободившиеся протоны отправляются к катоду через мембрану, а электроны – по внешней цепи, благодаря чему и возникает электрический ток. Когда протон и электрон достигают катода, они объединяются с кислородом и образуют молекулу воды.

Получение водорода путем электролиза воды www.melscience.com

Эффективность таких топливных элементов гораздо выше обычного горения водорода: КПД может достигать 80 %, в то время как тепловые машины для генерирования тока выдают в среднем около 40 %. А реакция может протекать до тех пор, пока в элемент поставляется водород, в отличие от классических аккумуляторов, которые необходимо перезаряжать за счет электричества либо менять в них электролит, если он слишком загрязнен. Еще одно неоспоримое преимущество – экологичность такого источника энергии: в процессе работы не выделяется ни углекислый, ни угарный газ. Так возникло целое направление – водородная энергетика.

Несмотря на то что первые водородные топливные элементы использовались еще во время космической программы «Аполлон», широкого распространения они пока не имеют из-за высокой стоимости получения водорода. Но есть возможность увидеть их в работе в потребительском секторе. Например, немецкий междугородний поезд Coradia iLint, который будет курсировать между Букстехуде и Куксхафен в 2018 году: источником энергии для него как раз является водородный элемент. Для любителей личного транспорта существует Toyata Mirai с запасом хода около 500 км при полном баке. Стоимость топлива в год – около $1250, что гораздо экономичнее бензиновых двигателей.

К концу 2017 года в Германии запустят первый в мире пассажирский поезд на водородных топливных элементах. www.meteoweb.eu

С электроникой дела обстоят немного сложнее, потому что источник энергии очень ограничен в размерах. Уже сегодня на Amazon можно заказать внешний источник электроэнергии со сменными водородными картриджами от производителей Brunton, Kraftwerk и Intelligent Energy. Но заменить литий-ионный аккумулятор в телефоне водородные элементы пока не в состоянии. Конечно, разработки в этом направлении ведутся. Например, японские ученые экспериментируют с гидридом кальция: их устройство состоит из резервуара с несколькими пластинами гидрида кальция, туда попадает вода, и в ходе химической реакции выделяется водород. А дальше уже по рабочей схеме. Правда, размер таких источников питания все еще велик, чтобы поместиться в смартфон толщиной 5 мм, но перспективы есть. Остается разработать удобную систему перезарядки или замены, и новая энергетическая эра у нас в кармане!

ТУРБИНА В РЮКЗАКЕ

В конце концов, можно пользоваться водой, как в старые добрые времена: установить в ней турбину. Например, власти ирландского городка Баллибофи планируют запитать городские фонари от течения реки Финн. Там уже установили один тестовый фонарь LH Ecotech, который получает электроэнергию от турбины, расположенной в самой реке. Одной турбины должно хватить на три фонаря. Для любителей турбин поменьше есть устройство Waterlily. Эта малышка 18 см в диаметре может выдавать достаточную силу тока и напряжения для зарядки телефона в потоке воды со скоростью от 1 до 11 км/ч. Для сравнения, средняя скорость течения Невы в пределах Санкт-Петербурга – как раз 1 км/ч.

Проточная вода обеспечивает бесперебойное энергоснабжение. www.viertel-vor.com

КАК БЫ ЗАМАНЧИВЫ НИ БЫЛИ новые технологии, современная цивилизация весьма инертна: стремится сохранить и закрепить достигнутые вершины, а значит – пока есть чему гореть и есть где это сжигать, водородным топливным элементам придется туго. К тому же в лабораториях вовсю ищут другой окислитель, который будет добываться дешевле, чем водород. Но переломный момент на рынке нефти близок, и если повезет, нам предстоит увидеть энергетическую революцию. А пока залейте мне полный бак бензина.

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Технологии

Игорь Зубов

Машины и Механизмы