Manager - КОМПЬЮТЕРРА
Нюанс второй заключается в водороде и кислороде — откуда их брать? В космосе все работает отлично: там используются тщательно очищенные заранее водород и кислород, не содержащие примесей, «убивающих» катализатор и «отравляющих» электролит. Поэтому на орбите применялись щелочные элементы (AFC), электролит — раствор или расплав гидроксида калия (КОН), Для раствора требуется температура 80 °С, для расплава — около 200 °С. Между прочим, первый щелочной ТЭ был разработан русским ученым П. Яблочковым (тем самым, который осветил Париж «свечами Яблочкова») еще в 1887 году. Подобные элементы надежны, долговечны, обладают высокими удельными энергетическими характеристиками, имеют КПД преобразования до 70% и не требуют платины в качестве катализатора. Но как только мы спускаемся с небес на землю, все становится гораздо хуже: примесь углекислого газа из воздуха охотно реагирует с КОН, превращая щелочь в поташ. Приходится делать электролит проточным, отчего характеристики элемента ухудшаются'.
Да и сам чистый водород в качестве топлива далеко не сахар: эта проблема широко обсуждалась еще применительно к автомобилям на водородном горючем. Его приходится хранить либо сжатым до 700 атмосфер (что метко обозвали «мечтой ша-хида»), либо в сжиженном виде при температуре, близкой к абсолютному нулю (при атмосферном давлении — минус 252 °С), тратя на это немалую часть вырабатываемой энергии.
Тем не менее производители электромобилей все же остановились в основном на чисто водородном горючем для топливных элементов: они используют описанные выше ТЭ типа РЕМ в силу их простоты и надежности (нет ничего текучего и ядовитого, что могло бы разлиться при аварии), высокой плотности тока и низкой рабочей температуры (ниже 100 °С). Упомянутый выше автопробег в США (тот, что закончился конфузом) и был задуман ради агитации за создание водородных заправок.
Конечно, заманчиво использовать в качестве топлива обычное горючее. Есть схемы энергоустановок на основе ТЭ, где, например, природный газ, состоящий в основном из простейшего углеводорода метана (СН4), сначала подвергают реформингу — газ или другое водородсодержащее топливо взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °С) и высоком давлении в присутствии катализатора (никеля).
В результате получается водород и оксид углерода. Правда, оксид углерода может отравлять катализатор ТЭ и к тому же ядовит, поэтому его приходится превращать в безопасный диоксид (тот самый парниковый газ).
Для щелочных элементов и диоксид углерода смертелен, поэтому в установках применяют элементы с кислотным электролитом (ортофосфорной кислотой). Такие элементы (PAFC) работают при 150-200 °С, их надо охлаждать в процессе работы, и это даже выгодно: КПД таких энергоустановок в целом невелик, на уровне 40%, но его можно довести до 85%, если где-то использовать получаемую горячую воду и пар. Из этого обстоятельства и относительной «навороченное™» всей конструкции вытекает основная область применения PAFC: в качестве автономных энергетических установок для зданий. Например, один из новых небоскребов Манхэттена, 48-этажный Conde Nast Building® Four Times Square на углу Бродвея и 42-й улицы, построенный в 2000 году, снабжается теплом и электричеством от двух установок PAFC мощностью по 200 кВт каждая, работающих на природном газе. Интересно, что ради экономии проектировщики установили на здание и солнечные батареи — в дневное время от топливных элементов поступает не больше 5% необходимой электрической энергии.
Все это выглядит красиво, но на самом деле такие экологические развлечения влетают в копеечку: стоимость энергоустановок на ТЭ составляет 1-3 тысячи долларов за киловатт мощности. В частности, проектировщики небоскреба не ожидали окупаемости ранее, чем через десять лет, и то при условии, что природный газ не слишком подорожает.
Есть и такие ТЭ, которые позволяют направлять на электроды непосредственно органическое топливо, без промежуточной конверсии в водород. Все они требуют высокой температуры: так, ТЭ на основе расплава карбонатных солей (MCFC) могут «кушать» даже обычный бензин и использовать никель в качестве катализатора, но работают при 650 °С. Еще большей температуры — свыше 1000 °С — требуют ТЭ на твердой керамике (SOFC), зато питаться они могут даже загрязненными продуктами газификации каменного угля. Общий недостаток всех таких элементов — значительное время подготовки к работе: пока «оно там» раскочегарится...
Конечно, компьютерщиков особо интересуют упоминавшиеся мини-элементы на метаноле (DMFC), ибо они являются пока единственным кандидатом на устройства питания электроники. Нередко их еще пытаются приспособить в качестве автономных зарядных устройств для обычных аккумуляторов. DMFC впервые (в конце 1980-х) построил Роберт Хокадэй, физик Лос-Аламосской национальной лаборатории. Метанольные ТЭ относятся к элементам с ионообменной мембраной (РЕМ), классической платиной в качестве катализатора (несколько миллиграмм на кубический сантиметр) и рабочей температурой мембраны около 120 °С.
Их КПД невелик, около 35%, но главный недостаток DMFC — в сложности конструкции: как минимум должен присутствовать насос для топлива, кулер для отвода тепла, электронный регулятор и накопитель энергии (ТЭ не умеют отдавать большую мощность при пиковых нагрузках, см. врезку). В качестве накопителя приходится применять обычный алюминиевый электролитический конденсатор большой емкости, отчего габариты еще больше возрастают. Причем здесь перечислены только основные узлы типичного DMFC, а на самом деле их гораздо больше.
Поэтому DMFC чересчур велики (энергоемкость 200-300 Вт-ч/л), шумны, относительно ненадежны и дороги. Тем не менее они, по уверениям производителей, позволяют мобильным устройствам работать в несколько раз дольше, чем от аккумуляторов, что само по себе неплохо. Если будут решены проблемы с метанолом, как пугалом для авиаперевозчиков и борцов с терроризмом, DMFC, несомненно, пойдут в массы. К числу экзотических предложений относится идея питать ТЭ сухим метанолом в таблетках (компания Kurita Water Industries), но генеральный путь, видимо, в том, чтобы отказаться от ядовитого метанола и придумать что-нибудь другое. Есть уже ТЭ с прямым использованием топлива, работающие и на бутане (как в зажигалках), и на обычном этаноле, и на чистом водороде, хранящемся в специальных картриджах (Canon), но пока все застряло на уровне исследований. ■
ТЭ И УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
тавная проблема, стоящая перед конструкторами электромобилей на I ТЭ, заключается в следующем. Обладая очень высокой энергоемкостью — до 400-600 ВТ'Ч/кг (у лучших литий-ионных аккумуляторов, имеющихся на прилавках, — 150-160 Вт-ч/кг), ТЭ пасуют при необходимости отдать большой ток за короткое время: их удельная мощность не превышает 60 Вт/кг. Поэтому, например, для электроавтобуса с потребной мощностью 200 кВт нужно больше трех тонн топливных элементов, что превышает его собственный вес вместе с электродвигателями. Проблему пока решают в основном установкой второго — обычного бензинового — двигателя, отчего большинство современных электромобилей с приемлемыми ходовыми качествами являются гибридными. В предложениях решить проблему кардинально недостатка нет: одним из перспективных выходов представляется установка балластного маховика, запасающего энергию в виде кинетической энергии вращения (правда, после длительной остановки, придется ждать раскрутки маховика — этакий своеобразный «прогрев»),
Интересную, хоть и не имеющую отношения к автомобилям, систему на топливных элементах предложила Золу. На одной из выставок она вы-
катила полностью автономные 10-ваттные акустические колонки, сигнал на которые подается по беспроводной связи, а питание осуществляется от топливного элемента на метаноле. Причем одной зарядки в 270 кубиков горючего хватает, по утверждениям компании, на год при двухтрех часах звучания в неделю (кино в выходные посмотреть). Собственно ТЭ обеспечивает лишь чуть более полуватта мощности, а при превышении этой величины (что в обычном акустическом сигнале занимает относительно небольшое время) в дело вступают литий-ионные аккумуляторы, которые в остальное время подзаряжаются от ТЭ.
К сожалению, для электромобилей такое решение с накопительными аккумуляторами неприемлемо — габариты и стоимость только растут. Зато нет недостатка в предложениях приспособить к делу батареи конденсаторов или ионистороа. Последние могут запасать и хранить энергию даже лучше аккумуляторов (например, с большим КПД), но объемны {имеют удельную энергоемкость раз в сто меньше, чем литий-ионные аккумуляторы) и взрывоопасны в случае перегрева от частых экстремальных нагрузок. ■
Третий из могикан
«ОБ ИНТЕРФЕЙСЕ» (ABOUT FACE 3), АЛАН КУПЕР, ИЗДАТЕЛЬСТВО «СИМВОЛ-ШЮС», 2009
Мы давно хотели реанимировать рубрику «Книги», которая в отсутствие заинтересованных редакторов потихоньку сошла на нет, но все время натыкались на объективные препятствия. То книг хороших не выпускают, то читать некогда, то погоды стоят не те, то книжки на рецензии не привезли, А когда все, наконец, сложилось, выяснилось, что книжка Алана Купера «Об интерфейсе», с которой мы решили начать, мягко говоря, не самый легкий объект для рецензирования — это объемный труд, рассчитанный на разные категории читателей и по-разному ими воспринимаемый. Поэтому рецензия разбита на несколько независимых разделов, в каждом из которых книжка рецензируется с чужой колокольни.
