Энергохимия — слово неновое
Теперь даже ребенок знает: энергетика — это когда сжигают нефть или уголь, а полученное тепло превращают в электричество. Непременная деталь — дым из труб: это газы, продукты сгорания.
Дым вовсе не обязательно лишь отбросы, загрязняющие атмосферу. Есть тут и ценные вещества: из них можно получать химические продукты.
Столь же наивно можно представить себе и химический завод. Ему нужно сырье — какие-то органические газы — и энергия, чтоб добиться определенных химических реакций. Отходом же становится тепло.
Легко видеть: энергетическое и химическое производства — они словно свет и тень или негатив и позитив. В самом деле, в энергосхеме, скажем, энергия — это продукт, результат превращений, а в химической установке она, так сказать, исходное сырье, «полуфабрикат». То же можно сказать и про газы, что бесполезно выбрасываются из труб тепловых электростанций. А из тепла химических предприятий можно было бы в принципе получать дополнительную энергию.
Мечта ученого и прожекты фантазера — это вещи разные. Первое рано или поздно становится реальностью, основой технологии завтрашнего дня. Энергохимия — мечта об объединении энергетики и химических производств. Эту идею еще в 1934 году пытался реализовать профессор МГУ Н. Кобозев.
Мысль Н. Кобозева отталкивалась от следующего факта. При неполном сгорании угля или нефти в особых условиях образуются как «отходы» водород и окись углерода. А из этих элементов-кирпичиков можно построить любое химическое вещество. Синтезировать все, вплоть до бензина.
В 1940 году Н. Кобозев превратил обычный двигатель внутреннего сгорания (мощностью в 65 л. с.) в первую в мире энергохимическую установку. Он сжигал в двигателе горючий газ — метан. Получал энергию и попутно ценнейшие химические продукты.
К сожалению, широкого развития энергохимия тогда не получила — началась жестокая война с фашизмом... Но мечта об энергохимии не умерла, она ждала своего часа, ждала могучих союзников, ждала, пока наберет силу еще одна давняя плодотворная идея.
Что мешает истинному возрождению угля, его быстрой победе в споре с нефтью? Мешает несовершенство тепловых машин: их низкий КПД. Первобытный человек собирал лишь крохи тепла (чтобы изжарить мамонта, изводили, видимо, целую рощу). Современная ТЭС или ГРЭС способна усвоить гораздо больше: из каждого килограмма угля — 300, даже 400 граммов. Прогресс! Но ведь и масштабы изменились: ежегодно в мире сжигают миллиарды тонн угля!
Вот если бы мы умели более экономно сжигать уголь, угольный ренессанс не заставил бы себя долго ждать. Но как этого добиться? Как сделать так, чтобы возвращение к углю стало еще одним «витком спирали» — новым этапом земной энергетики?
Такие средства есть. Это прежде всего топливные элементы, о которых мы подробно рассказывали выше. Устройства, осуществляющие «холодное» горение топлива. Однако горение обычное, так сказать «горячее», также еще не исчерпало всех своих ресурсов.
Еще в 1831 году знаменитый английский физик Фарадей показал, как можно более экономно извлекать энергию из топлива.
Нужны высокие температуры: не сотни, а тысячи (как на поверхности Солнца!) градусов. Но в этих условиях продукты сгорания угля уже не могут быть паром — здесь электроны отрываются от атомов, нейтральные молекулы дробятся на заряженные ионы: образуется не газ, а звездное вещество — электропроводная плазма.
Ну а желанный электрический ток можно было бы получить, если поток мчащейся с огромными скоростями горячей (бывает и холодная!) плазмы пропустить сквозь магнитное поле...
То устройство, о котором мы рассказываем, называется сейчас магнитогидродинамическим генератором, или кратко МГД-генератором. Ни этих слов, ни понятия о плазме, о сложности строения атомов и так далее Фарадей, конечно, не мог знать. И все же — о, прозрение гениев! — он не только заложил основу всей современной энергетики, но и наметил направления будущих научных поисков.
Фарадей пытался гениально просто доказать свою правоту. Нужна плазма? поток ионов? — их даст соленая морская вода, поступающая во время прилива в Темзу (Лондон расположен почти на побережье Северного моря, в эстуарии Темзы). Магнитное поле? — его создаст сам земной шар! Дело оставалось за малым: проверить — пойдет ли гок? Фарадей перекинул провод через один из мостов Темзы. И вот тут-то, как говорится, техника подвела.
Стрелка амперметра не двигалась. Ток возникал, но ничтожно слабый. С помощью тогдашних примитивных приборов зарегистрировать его было невозможно. Мечта о высокоэффективных преобразователях тепловой энергии топлива непосредственно в электрический ток опередила свое время.
Однако опыт на Темзе не давал покоя ученым многих поколений. Фарадей пользовался простейшими подручными средствами, теперь же в распоряжении ученых камеры сгорания, способные извергать мощные сверхзвуковые потоки плазмы, раскаленной до тысяч градусов. Есть и сильные магнитные поля.
Успехи в теплофизике, физике твердого тела, газо- и гидродинамике позволили наконец создать огнеупорные материалы, которые могут работать при звездных температурах и удерживать поток огненной струи и электроды, отбирающие у плазмы электрический ток.
Еще лет пятнадцать назад казалось: на создание МГД-генераторов уйдут многие десятилетия — столь фантастических условий требовало техническое воплощение плазменной энергетики. Однако уже в 1971 году в СССР впервые в мировой практике было завершено создание опытно-промышленной МГД-установки У-25.
И наступил долгожданный вечер, когда электропитание от МГД обеспечило электроэнергией большой район Москвы. Правда, проработала установка всего лишь неделю, но и это был беспрецедентный результат!
Опыт советских исследователей (здесь велики заслуги академиков В. Кириллина и А. Шейндлина) дает возможность уже сейчас перейти к проектированию и созданию МГД-электростанций первого поколения. Они в сравнении с «классическими» энергоустановками позволят поднять КПД с 30 до 50 процентов!
В настоящее время в СССР закончено технико-экономическое обоснование первого промышленного блока с МГД-генератором мощностью 500 мегаватт, предназначенного для Рязанской ГРЭС.
Его выпуск, намеченный на конец 11-й пятилетки, станет днем рождения крупной МГД-энергетики. Она сыграет прогрессивную роль в улучшении топливно-энергетического баланса нашей страны.
Сибирский вариант
Эффективно сжигать канско-ачинский бурый уголь в МГД-генераторах заманчиво. Но где же тут место для химии, точнее, углехимии, а еще более точнее и новее — для энергохимии?
В 1628 году московский воевода Андрей Дубенский привел в урочище Красный Яр триста казаков — так у Енисея, в том месте, где в него втекает своенравная речка Кача, возник острог Красный, прадед современного, почти миллионного Красноярска. В 1978 году, в августе, город торжественно праздновал свой 350-летний юбилей.
Похоже, что в какой-то мере история повторяется: многие ученые-москвичи открывают сейчас Красноярск как новую научную столицу. Среди них и бывший москвич, доктор химических наук С. Губин. Он директор-организатор нового Института химии и химической технологии, он же председатель научного совета «Угли Канско-Ачинского бассейна» (одного из пунктов комплексной суперпрограммы «Сибирь»). Он и один из авторов энергохимического проекта.
Н. Кобозев, о котором мы уже говорили, сжигал метан. Сжигал в двигателе внутреннего сгорания: жечь в нем уголь невозможно. Но это прекрасно умеет делать МГД-генератор! Так будущее углей планеты тесно сплелось с судьбой МГД-установок — детища самых новейших достижений науки и техники.
Сибирским ученым хочется, так сказать, убить сразу трех зайцев: сделать бурые угли не просто топливом, но и ценнейшим химическим сырьем, которое могло бы не просто конкурировать, но и заменить нефть и природный газ. И при этом сберечь природу: создать технологию безотходную, с минимальным потреблением воды и загрязнением атмосферы. Вот тут начинает прорисовываться совершенно новый подход к делу — то, что можно было бы назвать энергохимическим вариантом.
