Текст книги "...И до 1990 года"
Автор книги: В. Федченко
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)
Начну с самого многотоннажного электрохимического производства, с производства так необходимых во всевозрастающих количествах хлора и каустической соды. Сама по себе технология получения этих чрезвычайно нужных нашему народному хозяйству продуктов может быть отнесена к категории традиционных, так как используется она давно. Мировая промышленность ежегодно производит около двадцати пяти миллионов тонн хлора и примерно столько же каустической соды. Для ведения этих процессов извечно применялись графитовые электроды (аноды). Они имели весьма существенные недостатки: быстро изнашивались, а по мере их износа увеличивалось потребление электроэнергии. Кроме того, износ анодов влиял на качество самого процесса, делал его нестабильным. Электроды сохраняли работоспособность примерно полгода, износ же их начинался с первого момента работы. Замена электродов на установке дело небыстрое и непростое. Систему приходилось отключать, тем самым прекращая выпуск продукции, и проводить сложный ремонт.
Проблемы и надежды
В последние годы были созданы новые, так называемые малоизнашивающиеся аноды. Их изготавливают на основе смешанных окислов титана и рутения, и называются они аноды ОРТА. Продолжительность работы этих новых анодов около пяти лет. Но преимущества их не только в том, что при них значительно сокращаются простои оборудования, но и в том, что сам процесс протекает в стабильных условиях, а следовательно, не требует дополнительных затрат электроэнергии, расход которой по мере износа графитовых электродов постоянно увеличивался. И еще одно преимущество у ОРТА: продукция, полученная при их участии, отличается большой чистотой и обладает более высоким качеством.
По имеющимся данным, уже к началу 1978 года на такие аноды в США и Канаде было переведено примерно 55 процентов мощностей хлорных предприятий, а это, кроме всего прочего, позволило сэкономить 3,2 миллиарда киловатт-часов электроэнергии. Нашей промышленности также необходимо шире использовать ОРТА.
Важным направлением технического прогресса в хлорном производстве является и широкое использование мембранных электролизеров взамен ныне применяемых ртутных. На ртутных электролизерах получают чистый каустик – весьма необходимый продукт для работы многих производств. Но именно ртутные установки являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды ртутью.
Сложность положения здесь в том, что хотя и созданы работоспособные мембранные электролизеры, однако до сих пор нет основ теории мембранных технологий. А ведь хорошая теория всегда освещает путь, по которому должна двигаться практика.
Еще одна проблема, над решением которой электрохимикам предстоит серьезнейшим образом поработать, – электролиз воды. В свое время наша страна была пионером в разработке промышленного производства электролитического водорода. Но жизнь не стоит на месте, и успехи, достигнутые когда-то, перестают постепенно быть успехами. Если прежде нас вполне устраивали созданные установки, то теперь ситуация переменилась: потребность в водороде и кислороде, добываемых электролитическим путем, сильно увеличилась. И тот и другой продукты все в больших объемах используют разные отрасли промышленности. Но производство их далеко не совершенно, оно обходится дорого, требует больших энергозатрат. В то же время известно, что дефицит в энергетических источниках с годами не уменьшается, а, наоборот, имеет отчетливо выраженную тенденцию к обострению. Задача теперь заключается не только в том, чтобы повысить производительность действующих установок, а и в том, чтобы получить качественно новые установки, на которых можно было бы получать достаточно дешевый и чистый водород – топливо будущего. Научные предпосылки к созданию таких процессов довольно обнадеживающи, и они могут быть реализованы, если, конечно, электрохимики предпримут Целенаправленные усилия для решения проблемы.
Крупная проблема, которую нужно решать не откладывая, касается производства алюминия – этого чудесного, легкого, противостоящего коррозии металла. Среди электрохимических производств оно занимает большое место. Мировая промышленность ежегодно выпускает около 15 миллионов тонн алюминия (как видите, немало). Но здесь мы сталкиваемся с таким вот парадоксом. Сырья для того производства вполне достаточно, и добыча обходится сравнительно недорого. Тем не менее потребители алюминия как конструкционного материала испытывают постоянный дефицит в нем. Почему? Неужели нельзя быстрыми темпами развивать производство этого металла, если исходного сырья много и добыча его не составляет особых трудностей? Откуда же берется дефицит? Что мешает, допустим, конструктору автомобиля спроектировать алюминиевый кузов и другие узлы, в которых металл этот может заменить сталь?
Дело в том, что производство алюминия чрезвычайно энергоемко и, следовательно, дорого. Именно повышенный расход электроэнергии в значительной степени сдерживает развитие этого производства и сужает сферы его применения. Чтобы получить тонну первичного алюминия, нужно затратить около 16—18 тысяч киловатт-часов энергии.
Между тем науке известны пути, которые могли бы сделать это производство менее энергоемким. Известны и направления, в которых следовало бы вести поиск более рациональных технологий.
Наконец, проблема, которую требуется решить ускоренными темпами, – гальванотехника. В нашей стране действует около 4 тысяч гальванических цехов, где ежегодно наносят более 300 миллионов квадратных метров защитных и декоративных покрытий из чистых металлов и сплавов. Но на большинстве машиностроительных предприятий гальванические цехи, хотя и являются цехами конечной отделки продукции, тем не менее совершенно недостаточно автоматизированы и механизированы. Да и сама технология нанесения покрытий требует дальнейшего совершенствования (исключение составляют лишь крупные автомобильные предприятия, где положение в этом смысле несколько лучше). Здесь уместно отметить, что благодаря усилиям Института химии и химической технологии Литовской АН ситуация начала меняться в лучшую сторону. Там разработаны экономичные и эффективные способы нанесения металлопокрытий.
Все направления, о которых я упомянул и где необходимо активизировать научные исследования, не являются новыми. Это уже сложившиеся производства, которые теперь остро нуждаются в модернизации.
Успехи теоретической электрохимии, а также прогресс в исследовании твердых электролитов, ионных расплавов и неводных растворов открыли новые перспективы для дальнейшего прогресса электрохимической технологии и особенно электрохимической энергетики. Всем известно, что традиционно выпускаемые промышленностью электрические элементы и аккумуляторы имеют серьезные недостатки: относительно невысокую энергию на единицу массы и объема, большой удельный расход цветных металлов – свинца, никеля, кадмия, марганца. Некоторые из этих металлов довольно дефицитны.
Аккумуляторы всегда работали на так называемых водных растворах, которые и являются электролитом. Энергетические потери при прохождении через него электрического тока весьма велики, стойкость же этих систем, как известно, мала. Работы электрохимиков в области неводных растворов позволили существенным образом изменить ситуацию: разработаны ХИТ – химические источники тока, – в которых может быть использован такой активный металл, как литий, и такие недефицитные окислители, как SО2, сульфит меди и другие. Их удельная энергия в четыре-восемь раз выше удельной энергии батарей обычных элементов и аккумуляторов, и они могут работать при значительно более низких температурах, даже при 50-градусных морозах. В лабораториях сейчас ведутся работы по созданию новых аккумуляторов: сернонатриевых с твердым электролитом, сульфидно-литиевых с расплавленным электролитом, хлор-цинковых с водным электролитом.
Я говорю сейчас об аккумуляторах и батареях элементов потому, что их производство тоже весьма значительно, а суммарная их мощность не уступает мощности всех ныне действующих электростанций. И здесь скрыт пока немалый резерв экономии электроэнергии. Повышение КПД этих установок малой энергетики, как принято их называть, так же, как химических источников тока и топливных элементов, существенным образом может сказаться на общем энергетическом балансе страны. Увеличение срока их действия, замена дефицитных материалов распространенными, уменьшение веса и габаритов – все это очень важно для дальнейшего развития целого ряда отраслей техники, промышленного производства, а в конечном счете для экономики нашего хозяйства.
В связи с энергетическими трудностями, а также экологическими проблемами на химические источники тока возлагают большие надежды. Поэтому хотелось бы сказать о тех важнейших направлениях, в которых ведется поиск новых возможностей. Начну с электромобиля, который стал уже «притчей во языцех». По этому поводу состоялось много устных и письменных дискуссий, высказано самых противоречивых мнений. Между тем работы по созданию эффективных источников энергообеспечения электромобиля продвигаются довольно медленно. Уже встретилось немало трудностей, причем весьма серьезных. Чтобы преодолеть их, потребуется время и проведение фундаментальных исследований. Тут следует отметить вот что.
Совершенно напрасно иные приверженцы электромобиля полагают, что вся проблема развития этого вида транспорта упирается в то, что до сих пор не удалось создать малогабаритные, обладающие малым весом и большой энергоемкостью аккумуляторы, имеющие к тому же достаточную долговечность. Все это так и не так. Разумеется, электромобиль, приводимый в движение от аккумулятора, решает экологическую проблему, избавляет окружающую среду от ядовитых выхлопов, уменьшает уровень шума. Но если обратиться к элементарной экономике, то окажется, что в данном случае электромобиль экономически не столь и целесообразен. Дело не только в том, что при массовом производстве этих машин придется строить сеть зарядных станций, а во время зарядки аккумуляторных батарей в электросети возникнут пиковые нагрузки, с которыми и без того приходится бороться разными способами. Главное заключается в том, что аккумуляторы потребляют наиболее дорогой и дефицитный вид энергии, а расходуют ее далеко не оптимальным образом. И экономико-энергетическая проблема в связи с этим обостряется еще больше.
В какой-то мере она может быть решена, если необходимую электроэнергию мы будем получать из угля. Расчеты показывают, что этот энергоисточник питания электромобили смогут использовать более эффективно, нежели автомобили, работающие на жидком топливе, приготовленном из угля. Но такое преимущество электромобиля может проявиться лишь в конце нынешнего или в начале следующего века. А для этого предстоит разрешить еще немало трудностей.
Я полагаю, что наиболее радикальное решение проблемы электромобиля нужно искать все же в другом направлении: в области топливных элементов (тэ), работающих на дешевом водороде. Как показали расчеты, даже при современном уровне разработок замена обычного двигателя на электрогенератор с батареей из среднетемпературных топливных элементов, а также замена преобразователя топлива и свинцового аккумулятора (он нужен для запуска) хотя и превышают вес автомобиля на триста килограммов, тем не менее дают выигрыш в использовании топлива. Эта система была бы эффективнее вдвое, чем бензиновый двигатель внутреннего сгорания, и на 47 процентов – чем дизельный двигатель.
В связи с истощением ресурсов нефти и природного газа перед электрохимиками с особой остротой встала проблема повышения коэффициента полезного действия при превращении химической энергии этих видов ископаемого топлива в электрическую. Анализ показывает, что весьма реальным, хотя и трудным, решением этой задачи может стать строительство крупных электростанций, работающих на основе электрохимических генераторов – топливных элементов. Такая задача вполне может быть поставлена уже в наше время. Я не имею в виду рабочее проектирование и немедленное строительство, но вот основа для экономико-технических проработок уже имеется. Проектирование же следующая стадия. Каковы предпосылки к этому?
Дело в том, что в последние десятилетия электрохимиками созданы низко– и среднетемпературные топливные элементы с щелочными и твердыми электролитами. Мощность их невелика, и используют их пока в изделиях специального назначения. Они весьма эффективны, КПД превращения ими химической энергии топлива в электрическую весьма высок и достигает 70 процентов. Но стабильно и долго они могут работать лишь в том случае, если будут использовать чистый водород, а он, как известно, пока еще очень дорог. По чисто экономическим причинам большая энергетика не может позволить себе такой роскоши, она должна работать на дешевом топливе, ибо потребности ее слишком велики.
Тем не менее уже сейчас можно считать весьма перспективными три типа топливных элементов: один так называемый среднетемпературный (рабочая температура составляет 200—220 градусов) и два высокотемпературных (650 и 850—1000 градусов). Эти топливные элементы так же, как и те, что придут им на смену, в ближайшем будущем смогут работать на синтетических продуктах, таких, как метанол, гидразин, или на водороде, очищенном от каталитических ядов. Кстати, возможность получать дешевый и чистый водород уже просматривается, ибо в последнее время были созданы высокотемпературные электролизеры.
Итак, уже сейчас можно предположить, что будет представлять собою электростанция на топливных элементах. Это блоки батарей; система обслуживания; установки конверсии или газификации исходного природного топлива; система очистки газов. По имеющимся оценкам, общий КПД такой системы в расчете на выработку только электроэнергии составляет 35—42 процента для среднетемпературных установок и 40—50 процентов для высокотемпературных.
Между тем энергоблок современной тепловой электростанции, работающий на нефти или природном газе, имеет КПД 30—40 процентов. Таким образом, сегодня системы, работающие даже на среднетемпературных элементах, не уступают лучшим тепловым электростанциям. Высокотемпературные элементы еще более эффективны. По предварительным данным, они позволят экономить около 20 процентов топлива при выработке электроэнергии. Есть все основания полагать, что результаты эти далеко не конечны и по мере усовершенствования как самих элементов систем, так и технологий экономические показатели будут улучшаться.
Скорее всего такого рода системы найдут первоочередное применение в крупномасштабном накоплении электроэнергии для выравнивания суточных и недельных колебаний нагрузок в системах большой энергетики. Они станут как бы резервуарами – накопителями энергии, как это происходит в водохранилищах, а в нужные периоды сами станут источниками этой энергии.
Проблема использования топливных элементов становится тем актуальнее, чем большее развитие приобретает атомная энергетика, ибо АЭС особенно плохо переносят работу в переменных режимах.
Нужно в этой связи сказать, что в ряде стран станции на топливных элементах проектируют и строят в масштабах крупных национальных программ. Накапливается опыт экспериментальной эксплуатации. Например, на одной из таких станций отдельные блоки уже отработали более четырех лет, причем, по имеющимся данным, мощность систем, как находящихся в экспериментальной эксплуатации, так и проектируемых, быстро растет.
Теперь вернемся к проблеме получения водорода, который некоторые склонны считать топливом будущего, идущим на смену ископаемым его видам.
Электрохимическая наука давно уже знает некоторые способы получения этого продукта. Способы эти, однако, недостаточно эффективны по производительности, а также и по экономическим показателям. Установки дают мало продукции, да и обходятся они довольно дорого. Но вот появились некоторые надежды, позволяющие с известной долей оптимизма смотреть в будущее. Я имею в виду работы последних лет и успехи в исследованиях высокотемпературных твердых электролитов. На основе этих работ появилась возможность создать технологию получения дешевого и чистого водорода.
Как показывает изучение проблемы, высокотемпературные электролизеры целесообразно размещать неподалеку от атомных электростанций, которые в достаточной мере обеспечат теплом, водой и электроэнергией такие установки.
Науке известны и другие способы получения водорода. Таков, например, цикл на основе серной кислоты. Под действием тепла ее разлагают на воду, кислород и сернистый газ. Последний снова разлагают и получают серную кислоту и водород. Его отбирают, а серную кислоту опять разлагают с помощью электролиза. Циклы повторяют до тех пор, пока не удастся отобрать весь водород.
В связи с тем что топливно-энергетическая проблема приобретает все большую остроту, перед электрохимией возникли задачи, целью которых является не только увеличение КПД действующих систем, поиск новых эффективных аккумуляторов и источников энергии. Одна из задач состоит еще и в том, чтобы с максимальной эффективностью использовать те продукты, которые являются побочными при работе основных производств. Одного примера, вероятно, будет достаточно, чтобы получить представление о том, какие могут быть пути решения этой задачи.
Выше мы упоминали хлорное производство, говорили, что это самое крупное из электрохимических производств. Но о том, что побочным продуктом этого производства является водород, тот самый водород, который может служить отменным топливом для электрохимических источников тока, вот об этом не было сказано.
Между тем есть идеи, касающиеся того, как лучше использовать водород, выделяющийся в хлорном производстве. Отбирая его, утилизируя и превращая в топливо, как показывают предварительные расчеты, мы можем получить дополнительный источник энергии, достаточный для обеспечения электричеством и теплом жилых домов заводского поселка, детских садов и больниц, предприятий бытового обслуживания и т. п.
Электростанция на топливных элементах, работающая на водороде, выделяемом хлорным производством, достаточно выгодна в условиях отдаленных районов. Она выгодна по нескольким соображениям. Во-первых, потому, что прокладка линий электропередачи, особенно дальних, дело довольно дорогое, а во-вторых, передача энергии в химическом виде значительно дешевле, чем передача электроэнергии. При этом нужно еще учесть, что КПД электрохимических установок высок, да и экологически электрохимические источники тока не представляют опасности.
Есть и другие варианты решения задачи, например, топливные батареи, работающие на отходах угольного производства.
Я говорил уже, что есть в электрохимии устоявшиеся направления, традиционные. Кроме уже упоминавшихся производств, к традиционным относятся и многие другие. Ведь в электрохимических циклах, производятся и весь фтор, и надсерная кислота, и кислородные соединения хлора, и соединения хрома с марганцем, и некоторые органические и металлорганические соединения. Электрохимическая технология лежит также в основе процессов, дающих нам медь и цинк, свинец и магний и т. д.
В связи с истощением залежей богатых цветными и благородными металлами руд перед электрохимической наукой была поставлена задача найти способы получать эти металлы из малоконцентрированных растворов. Можно считать ее решенной. И это очень важно не только для металлодобывающей промышленности, но и для решения проблем, связанных с охраной окружающей среды.
Раз уж мы коснулись этой весьма болезненной теперь темы, позволю себе несколько слов сказать о том, какие надежды можно возлагать здесь на электрохимию. Как известно, системы, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию, несут в себе тайную или явную опасность живому миру. Уровень опасности от различных энергетических установок неодинаков, но опасность существует, хотя и предпринимаются соответствующие защитные меры. Электрохимические источники в этом смысле могут считаться исключением в той же примерно степени, как если сравнивать аккумулятор с двигателем внутреннего сгорания. Невидимые глазу, бесшумные и бездымные процессы вырабатывают источники энергии и саму энергию в наших установках. Более того, электрохимия и сама может прийти на помощь живой природе, защитить ее там, где никто не сумеет защитить. Дело в том, что вредные вещества чаще всего находятся в смеси с веществами безвредными. Электрохимическими способами можно разрушать такие соединения, извлекая из них вредоносные компоненты, либо разрушать их структуру. Такие установки уже достаточно эффективно работают в разных отраслях промышленности.
Рассказывая о прошлом, настоящем и будущем науки, в которой я многие годы работаю, говоря о прикладном ее значении, о том, как укрепилась она, как продолжает набирать силы, а набрав, двигаться по новым направлениям, считаю нужным вкратце познакомить читателя еще с одной немаловажной областью, в которую проникает электрохимия. С нею тоже связаны немалые надежды, причем достаточно обоснованные. Я имею в виду преобразование солнечной энергии в химическую или электрическую, но преобразование не через каких-то посредников, с которыми всегда связаны избыточные потери, а напрямую.
Проблема эта хотя и сложная, но, согласитесь, очень привлекательная. Добавлю, что в принципе такое прямое преобразование энергии возможно, и это можно считать доказанным, хотя практические результаты очень незначительны. Пока что коэффициент преобразования всего лишь 1—3 процента. Но ведь все-таки получилось!
С помощью электрохимического процесса, используя энергию не ископаемого топлива, а солнца, можно, оказывается, получать водород и кислород. Понятно, говорить о какой-либо экономической эффективности преждевременно. В этом смысле более уместным было бы говорить об отрицательном экономическом эффекте. Но разве мало примеров знает история развития науки, когда еще менее значительные на первых порах результаты давали затем могучий импульс движению человеческой мысли. Отрицательный результат полезен тем, что предупреждает последующих исследователей не ходить этим путем, а искать новый. В нашем случае получен хотя и скромный, но все же положительный результат. Значит, нужно двигаться дальше.
Задача теперь – отыскать новые электроды, а точнее, материал для них, но такой, чтобы был он недефицитен, дешев, обладал бы достаточной коррозионной стойкостью и наилучшей для солнечной радиации спектральной областью поглощения. Как видите, задача в известной степени определилась, а это вселяет надежду, что со временем удастся ее решить. Кстати, поиски материалов, обладающих оптимальными характеристиками в условиях различных технологических процессов, и приготовленные из них электроды – центральная проблема во всей электрохимической технологии.
Размышляя о путях развития как теоретической, так и прикладной электрохимии, о тех жгучих проблемах, которые ставит жизнь, нельзя не подумать о том, как велики еще резервы и возможности. Нельзя не подумать и о том, что не всегда еще прикладная электрохимия идет путем, который освещается прожектором теоретической науки, а потому путь этот становится в иных случаях непозволительно долгим.
Сила науки в непрерывном творческом взаимодействии ее теоретических и прикладных разделов. Весь опыт жизни науки показывает, что отсутствие такого взаимодействия одинаково пагубно влияет на их прогресс. Без ориентации на достижения фундаментальной науки невозможно обеспечить быстрое движение вперед по пути технического прогресса, да и сам прогресс, если его удается достигнуть, становится слишком дорогим и малоэффективным. В свою очередь, уход от решения задач, выдвигаемых практикой, неизбежно приводит к измельчению теоретических исследований. Лишенная питательной среды теория неизбежно вырождается и превращается в «вещь в себе». В связи с этим уместно вспомнить слова известного электрохимика прошлого века В. Оствальда, который, рассматривая задачи теоретических исследований, писал: «Любая самая отвлеченная наука видит оправдание своего существования в надежде оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной».
XXVI съезд КПСС поставил перед отечественной наукой, в том числе перед электрохимией, новые крупные задачи. В свете этих задач и предстоит действовать, объединив усилия специалистов, работающих в области теоретической и прикладной электрохимии.
