Человечество с каждым годом потребляет все больше энергии – для отопления, нужд транспорта и промышленности. Электрические приборы неудержимо вторглись в нашу повседневную жизнь; электричество, словно покорная служанка, всегда к нашим услугам – стоит лишь подключить прибор к розетке или нажать выключатель. Но смогут ли нынешние способы производства энергии удовлетворять постоянно растущий спрос? И как скажется это на экологии? В конечном итоге необходимость снабжения энергией все большего числа устройств может стать для человечества невыносимым бременем. Давайте обсудим несколько путей, которые позволят этого избежать.
Страна перед лицом энергетической проблемы
В середине XX века нашим предкам рассказывали в школе, что во Франции есть угольные шахты, а также гидроэлектростанции. Шестьюдесятью годами позднее шахты были закрыты, а плотины, хотя их число возросло, обеспечивают лишь небольшую долю энергии, необходимой для экономического роста. Во Франции автомобили потребляют топливо, закупаемое в других странах, что является главной причиной дефицита торгового баланса. Сжигание этого топлива способствует усилению парникового эффекта (см. главу 7, «Температура Земли»). Электроэнергия во Франции вырабатывается главным образом атомными электростанциями. Они также используют импортируемое «топливо» – уран. Но и мировые запасы урана, которыми пользуется человечество, ограничены, их хватит примерно на столетие… Как и многие другие страны, Франция находится в состоянии полной энергетической зависимости, что, наряду с постепенным истощением мировых ресурсов, вызывает тревогу. К каким еще источникам энергии можно обратиться? Первое, что приходит на ум, – это солнечная энергия (см. главу 28). К сожалению, у нее есть существенный недостаток – она недоступна в ночное время. Энергия ветра, на которую сильно полагается Дания, также непостоянна… Заманчивым решением, которое уже практикуется в некоторых странах, представляется производство ядерного топлива «дома», на атомных электростанциях, действующих на так называемых реакторах-размножителях (илл. 1). Этот удивительный метод не может не вызывать интерес, но, как мы увидим, увы, и он имеет свои недостатки.
1. Атомная электростанция «Суперфеникс» (1200 МВт) в Крей-Мальвиль, между Лионом и Шамбери, работавшая некоторое время в конце XX века
Как использовать ядерную энергию?
В настоящее время использование ядерной энергии в основном осуществляется следующим образом. В реакторе происходит преобразование топлива, урана, в более легкие элементы – точнее, каждое ядро урана расщепляется на два легких ядра; этот процесс называется делением. В процессе реакции деления выделяется огромное количество энергии, в чем и состоит наша выгода. Если сравнить энергию, высвобождаемую при ядерном делении, с энергией, получаемой при сжигании нефти, грамм урана сопоставим… с более чем тонной нефти!
В ядерном реакторе (илл. 2) получаемое в процессе деления ядер тепло передается первой жидкости, называемой теплоносителем, которая, в свою очередь, отдает его воде, а та уже испаряется. Образовавшийся пар, воздействуя на лопасти турбины, приводит ее в движение; по тому же принципу были устроены и паровозы первой половины XX века, двигатель которых работал благодаря давлению пара на поршень! Механическая энергия турбины далее преобразуется в электрическую посредством генератора переменного тока. Полученная электроэнергия доставляется потребителям, находящимся порой за сотни километров от АЭС.
2. Принцип действия реактора, охлаждаемого водой под давлением. Слева, в ядерном реакторе (желтый), выделяется тепло. Оно передается жидкому теплоносителю, показанному красным цветом, который, в свою очередь, передает тепло воде. Та испаряется, приводя в действие турбину, подключенную к генератору переменного тока, который уже преобразует механическую энергию в электрическую. После турбины пар в конденсаторе снова обращается в воду. Неиспользованное тепло отводится через охладитель
Ядро атома состоит из частиц, называемых нуклонами. Существует два вида нуклонов, почти идентичных по массе: несущие положительный заряд протоны и лишенные электрического заряда нейтроны. Число протонов Z (или атомное число) является характеристикой химического элемента. Общее число нуклонов A называется массовым числом. Два ядра одного и того же элемента, для которых числа A различны, называются изотопами. Таким образом, углерод (Z = 6) имеет несколько изотопов, каждый из них имеет 6 протонов, но разное количество нейтронов. Два изотопа углерода, с массовыми числами 12 и 13 соответственно, являются стабильными; их записывают как 12С и 13С. Еще один изотоп, углерод-14 (14С), является нестабильным. Он, испуская электрон, произвольно превращается в ядро азота 14N (Z = 7): говорят, что он радиоактивен.
Типы распада различаются в зависимости от характера частиц, испускаемых при ядерной трансформации. Испускание электрона или позитрона (частицы, идентичной электрону, но с противоположным зарядом) называется бета-распадом. Другой тип радиоактивности относится к «тяжелым» ядрам и соответствует испусканию ядра гелия – это альфа-распад. Наконец, гамма-распад означает излучение ядром фотона с очень высокой энергией. Излучение, испускаемое радиоактивными элементами, способно проникать в большей или меньшей степени сквозь любую материю. В зависимости от характера и интенсивности оно может представлять угрозу для здоровья.
Схема радиоактивного распада углерода-14. Нейтроны представлены красным цветом, протоны – синим
Проникающая способность различных радиоактивных излучений
Не любой изотоп урана способен подвергаться ядерному делению; расщепляется только 235U (илл. 3). При этом находящийся в природных минералах уран содержит только 0,71 % этого изотопа, а наиболее распространенным изотопом является 238U, который расщеплению не подвержен. Такой природный уран перед подачей в реактор должен быть обогащен 235U, что осуществляется на заводах по обогащению урана.
3. Принцип цепной реакции. Бомбардировка расщепляемого ядра нейтронами приводит к его делению на два более легких ядра. При этом расщепление сопровождается выделением тепла, а также испусканием излучения и одного или нескольких нейтронов, которые могут привести к последующему делению ядер
Ядерная безопасность требует значительных мер предосторожности, потому что перегруженный реактор сравним по разрушительному воздействию с… атомной бомбой!
Мы уже знаем, что в реакторе тепло выделяется при расщеплении ядра урана-235 на два более легких ядра. Это деление не спонтанно: его вызывает бомбардировка нейтронами (илл. 3). Деление ядра сопровождается испусканием нескольких нейтронов (обычно двух-трех). При этом испущенные нейтроны с большой вероятностью вызывают последующие расщепления, которые, в свою очередь, высвободят новые нейтроны, и так далее: таким образом запускается цепная реакция. Это происходит только в том случае, если масса расщепляемого урана превышает определенную «критическую массу» (см. главу 13, врезку «Рождение атомной бомбы»): действительно, для небольшого блока урана-235 испускаемые нейтроны с высокой вероятностью покинут его раньше, чем успеют столкнуться с другим ядром и вызвать новое деление. Когда расщепляющаяся масса оказывается выше критической (несколько десятков килограммов чистого урана-235), то цепная реакция выходит из-под контроля: с течением времени происходит все большее число делений, в результате которых выделяется все больше тепла и радиоактивных элементов.
Как избежать превращения ядерного реактора в атомную бомбу? Для предотвращения неконтролируемой цепной реакции в реактор вводятся так называемые стержни управления, изготовленные из поглощающего нейтроны материала (например, сделанного на основе кадмия, карбида бора, серебра или индия). Некоторые из этих стержней висят над топливом и в случае неисправности падают, чтобы остановить цепную реакцию. Помимо этих поглощающих стержней, в большинстве ядерных реакторов, используемых в настоящее время (и во всех реакторах во Франции), топливо окружено «замедлителем» (обычно водой), роль которого заключается в торможении нейтронов, высвобожденных при расщеплении. Такое замедление нейтронов повышает их способность производить новые деления, что позволяет использовать уран с низкой степенью обогащения 235U (порядка 4 %). Для создания атомной бомбы такой низкообогащенный уран не подходит. Если в реакторе с замедленными нейтронами начнется неконтролируемая реакция, то последующий взрыв рассеет расщепленный материал и быстро остановит цепную реакцию. Именно это произошло в Чернобыле в 1986 году: после серии совершенных людьми ошибок начавшаяся в реакторе неконтролируемая реакция вызвала его разрушение, к счастью, не высвободив всю запасенную в топливе энергию. Иначе развернулись события при аварии на Фукусиме, спровоцированной цунами в 2011 году (илл. 4): цепная реакция была остановлена устройствами безопасности, тем не менее прекращение охлаждения реакторов вызвало взрыв.
4. Авария на АЭС Фукусима-1, Япония, март 2011 года. Различные повреждения, вызванные цунами, привели к прекращению охлаждения реакторов. В результате интенсивно выделяемое продуктами распада тепло инициировало химическую реакцию, которая привела к выделению охлаждающей жидкостью водорода H2. Затем этот водород взорвался, выбросив радиоактивные продукты в атмосферу
Оценка критической массы урана-235, необходимой для начала цепной реакции, была важной задачей физиков во время Второй мировой войны. По всей вероятности, немцы, особенно Вернер Гейзенберг, завысили ее, потому и не стали прилагать много усилий к созданию атомной бомбы: они сочли ее слишком тяжелой для транспортировки самолетом. Тем не менее на другой стороне Ла-Манша Рудольф Пайерлс (также немец по происхождению, поселившийся в Великобритании после прихода Адольфа Гитлера к власти в 1933 году) нашел верный способ рассчитать критическую массу. Он даже опубликовал его, не понимая, какое военное применение может получить это открытие! Зато это хорошо понимал эмигрировавший в Британию австриец Отто Фриш. В 1940 году Фриш и Пайерлс составили меморандум, на этот раз весьма секретный, который был передан британским властям: ученые описали в нем процесс создания атомной бомбы и обрисовали вероятные разрушительные последствия. К этому очень серьезно отнеслись американцы, и с 1942 года в США была запущена грандиозная программа ядерных исследований, «Проект Манхэттен», с привлечением таких известных ученых, как Энрико Ферми и Роберт Оппенгеймер. В конце концов это привело к атомной бомбардировке японских городов Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 года.
Итак, перед отправкой в реактор топливо должно быть обогащено ураном-235 за счет урана-238. Выходит, последний – лишь ненужные отходы? Необязательно! На самом деле в обогащенном уране, который помещают в реактор, преобладающий изотоп 238U не остается без дела. Он поглощает нейтроны и частично превращается в плутоний, 239Pu. Однако этот плутоний, как и 235U, способен подвергаться делению и, следовательно, производить энергию. Это свойство используется в размножителях – реакторах, топливом для которых может быть смесь 239Pu (не менее 10 %) и 238U. Эти реакторы используют расщепление плутония, одновременно превращая неделимый уран-238 в плутоний. Таким образом, реакторы-размножители вырабатывают ядерного топлива больше, чем потребляют! Если бы Франция использовала для производства энергии такие реакторы, то имеющегося на ее территории урана-238 хватило бы, чтобы удовлетворять национальный спрос на электроэнергию в течение нескольких тысячелетий!
Размножитель является реактором на быстрых нейтронах, то есть реактором, в котором нет модератора (замедлителя). Использование быстрых нейтронов усложняет конструкцию реактора. В реакторах, находящихся в эксплуатации в большинстве стран, особенно во Франции, тепло, выделяемое в результате ядерных реакций, поглощается водой. В размножителях, к сожалению, воду использовать нельзя, ведь она замедлит нейтроны. Какой же теплоноситель можно использовать в этом случае? Из всех рассмотренных наименее сложным в обращении оказывается жидкий натрий. Но у натрия есть очень неприятное свойство: он самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом и вступает в бурную реакцию с водой! Даже в отсутствие воздуха и воды предрасположенность натрия к химическим реакциям ограничивает и без того узкий выбор материалов, с которыми он должен соприкасаться: ведь эти материалы должны быть способны выдерживать воздействие чрезвычайно высоких температур.
Нужно отметить, что в прошлом на территории Франции работало несколько реакторов-размножителей. Последняя такая АЭС, «Суперфеникс» (илл. 1), была закрыта в 1997 году после недолгого периода работы. Этот реактор можно считать весьма достойным прототипом, однако его работа все же сопровождалась серьезными инцидентами. Разработка надежного размножителя откроет огромные возможности для масштабного использования реакторов нового поколения.
К перечисленным трудностям добавляется еще одна, общая для всех существующих атомных электростанций, – утилизация отходов. Отработанное топливо представляет собой ужасную смесь радиоактивных продуктов, которая ко всему прочему на выходе из реактора имеет очень высокую температуру. Поэтому для охлаждения ее помещают в своеобразный «бассейн», наполняемый свежей водой. Когда радиоактивность различных продуктов в достаточной степени уменьшится, то можно выбрать один из двух вариантов: либо переработку для извлечения плутония, например как это делается на заводе города Ла-Аг в Нормандии, либо их немедленное захоронение. При переработке отходы гораздо быстрее, чем в естественных условиях, теряют свою радиактивность (илл. 5). В качестве топлива для реакторов будущего также могут использоваться и другие радиактивные элементы (нептуний, америций, кюрий). В этом футуристическом варианте радиоактивность значительно уменьшилась бы. Таким образом, реакторы-размножители частично могли бы решить и проблему утилизации отходов.
В более отдаленном будущем представляется возможным производство энергии с помощью ядерного синтеза, то есть путем слияния легких ядер в более тяжелое, – в настоящее время в этом направлении проводятся исследования (см. главу 25, «ИТЭР: энергия XXII века?»).
5. Сравнение изменения радиоактивности отходов, образующихся при выработке одного и того же количества электроэнергии, с использованием реактора-размножителя и без него. Показанная на оси ординат величина представляет собой выделяемую в виде тепла остаточную мощность в ваттах, приходящуюся на тераватт-час вырабатываемой электроэнергии. Представленные на рисунке способы обработки включают: захоронение радиоактивных отходов без переработки (красная кривая), их переработку с повторным использованием плутония в реакторе-размножителе (зеленая кривая), переработку отходов с повторным использованием плутония и других образующихся при делении радиоактивных элементов с долгими периодами полураспада (синяя кривая)
Экономия энергии для отопления
Электричество, вырабатываемое на электростанции, как правило, используется за несколько сотен километров от нее, обеспечивая, например, работу холодильника, стиральной машины или обогревателя. Повторное преобразование электрической энергии в тепло – это настоящее расточительство, поскольку бóльшая часть теплоты, полученной при расщеплении урана, уже была отведена в окружающую нас природу (илл. 2). К сожалению, на большие расстояния куда легче перенести электричество, чем тепло. Можно ли потреблять меньше энергии, чтобы ограничить эту бездумную растрату?
Самым энергоемким сектором во Франции является недвижимость: только отопление жилых домов составляет почти три четверти всего потребления энергии. Способы утепления зданий совершенствуются, однако не менее важным является и то, как мы обогреваем дома. Наши предки традиционно получали тепло путем сжигания дров, что высвобождало содержащуюся в древесине химическую энергию в виде тепла. В XIX и XX веках древесина постепенно была заменена на ископаемое топливо, такое как уголь, природный газ или мазут. Затем появились электрические обогреватели, в которых тепло выделяется в резисторе при протекании через него электрического тока благодаря эффекту Джоуля – Ленца (см. главу 16, «Чугунные электрические плиты»).
Какой будет в самом благоприятном случае минимальная энергия, которую нужно потратить для передачи энергии от холодного тела с температурой T1 более горячему с температурой T2?
Чтобы определить эту нижнюю границу, опишем идеальный цикл. Представим себе цилиндр с поршнем, который содержит определенное количество газа (см. илл.). Это устройство позволяет осуществлять передачу тепла от холодного тела (синее) к горячему (красное). Начнем с того, что поместим цилиндр в холодильную камеру и охладим его содержимое до температуры T1. Затем потянем поршень, сохраняя тепловой контакт с холодильной камерой, так, чтобы температура газа по-прежнему оставалась равной T1. Для того чтобы газ не остыл, он должна получить от холодильной камеры количество тепла Q1. Теперь адиабатически (то есть без теплообмена с внешней средой) сжимаем газ, доводя его до температуры T2, после чего помещаем цилиндр в горячую камеру с температурой T2. Вновь, уже в горячей камере, сжимаем газ. При этом, для того чтобы он не нагревался, газ должен отдать горячей камере количество тепла Q2. Наконец, мы замыкаем цикл, доводя газ адиабатическим расширением до температуры T1 вне горячей камеры.
Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия замкнутой системы уменьшаться не может, то есть разница (Q2/T2) – (Q1/T1) должна всегда быть неотрицательной. В принципе, она могла бы оказаться и равной нулю, но только в том случае, если бы все операции цикла выполнялись столь осторожно, что они были бы обратимыми, то есть в любой момент можно было бы изменить направление стрелок на схеме. На практике это невозможно.
Движение поршня требует затратить механическую энергию W. Поскольку изменение энергии в замкнутом цикле равно нулю, то энергетический баланс приводит к равенству: W = Q2 – Q1. В идеальном случае, когда все процессы являются обратимыми, мы также можем записать (Q2/T2) = (Q1/T1) и в результате найти, что W = Q2 (1 – T1/T2) = Q1 (T2/T1 – 1).
Этот цикл является наиболее эффективным циклом для передачи тепла от холодного тела горячему с выделением механической энергии. Обратный цикл (получаемый путем изменения направления стрелок на схеме) называется, в честь физика Сади Карно, циклом Карно (см. главу 7, «Формула Планка»).
Холодильное устройство. Газ (обозначен желтым цветом) помещается в холодную камеру (синяя). Там он получает количество тепла Q1 и далее перемещается в горячую (красную) камеру, где отдает количество тепла Q2. Изотермический процесс подразумевает «при постоянной температуре» адиабатический процесс – «без теплообмена с внешней средой». Устройство представляет собой холодильник, если оно используется для охлаждения холодной камеры, или тепловой насос, если цель заключается в нагревании горячей камеры
Совершенно иным способом нагрева является тепловой насос, впрочем, также питаемый электричеством. Он забирает тепло оттуда, где оно не нужно, и переносит туда, где в нем есть необходимость. Для выполнения подобного теплопереноса, согласно второму началу термодинамики (см. главу 7, «Формула Планка»), необходимо расходовать энергию. Замечательное свойство теплового насоса заключается в том, что расход этой энергии меньше, чем в случае отопления традиционным нагревателем! Но насколько именно?
Показано (см. главу 13, врезку «Передача тепла от холодного источника горячему»), что для поддержания в квартире температуры T2 при наружной температуре T1 тепловой насос для компенсации потери тепла Q2 затратит электрическую энергию W:
W = Q2 (1 – T1/T2),
где W и Q2 измеряются в джоулях (Дж), а T1 и T2 – в кельвинах (K).
Давайте сравним эффективности теплового насоса и электрического радиатора, для которого количество тепла Q2, передаваемого окружающей среде, практически совпадает с потребляемой электрической энергией W. Для теплового насоса при T1 = 0 °C = 273 K и T2 = 20 °C = 293 K потребляемая энергия W примерно равна 0,07Q2. То есть, чтобы нагреть помещение тепловым насосом, нужно затратить лишь 7 % энергии, которая понадобилась для той же цели при использовании электрического радиатора! На практике из-за потерь расход энергии при использовании теплового насоса оказывается несколько больше 7 %, однако он все равно значительно меньше 100 % потребления электрического нагревателя.
6. Принцип работы холодильника
Скажем несколько слов о реальных тепловых насосах и иных, сходных с ними приборах, – холодильниках (илл. 6). В обоих случаях теплопередача осуществляется посредством хладагента – жидкости, которая для поддержания разности температур переносится по трубопроводу, контактируя попеременно то с холодным, то с горячим телом (эта жидкость играет ту же роль, что и цилиндр с поршнем, пример которого мы рассмотрели в главе 13, «Передача тепла от холодного источника горячему»). При этом жидкость претерпевает ряд переходов из жидкого в газообразное состояние и обратно. Именно эти фазовые преобразования и делают процесс эффективным, ибо превращение жидкости в газ требует поглощения ею значительного количества энергии.
В отличие от теплового насоса, который расходует механическую энергию на перенос тепла, тепловой двигатель в наших автомобилях превращает тепло Q, выделяющееся при сгорании топлива, в необходимую для его движения механическую энергию W. Эффективность двигателя оценивается посредством так называемого коэффициента полезного действия (КПД), который равен отношению произведенной двигателем полезной энергии к энергии затраченной; чем КПД выше, тем двигатель эффективнее. Второе начало термодинамики неизбежно ограничивает эффективность W/Q любого теплового двигателя. Когда тепло передается от горячего источника с температурой T2 (например, камеры сгорания в цилиндре топливного двигателя) холодному термостату с температурой T1 (снаружи), то КПД идеального теплового двигателя, функционирующего по циклу Карно (см. главу 13, «Передача тепла от холодного источника горячему»), равен (1 – T1/T2). В настоящее время наилучший КПД теплового двигателя, сжигающего бензин, составляет около 35 %: большая часть внутренней энергии, высвобождающейся при сгорании топлива, рассеивается в окружающей среде в виде тепла. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания гораздо менее эффективен по сравнению с электрическим двигателем, КПД которого составляет около 95 %. Поэтому сегодня лишь ограниченная автономность электромобилей задерживает их широкое распространение, а их будущее напрямую зависит от дальнейших успехов в создании новых поколений эффективных аккумуляторов большой емкости.
7. а. Щелочные батарейки, на которых работают, например, игровые приставки, преобразуют химическую энергию в электрическую. b. Аккумуляторы наших мобильных телефонов, состоящие из набора нескольких батарей, действуют по тому же принципу. В отличие от батареек, аккумулятор может быть многократно перезаряжен: при прохождении тока от внешнего источника химическая реакция в нем протекает в противоположном направлении, и реагенты восстанавливаются
Накопление электричества… в химической форме
Накопление и хранение электроэнергии является одной из важнейших задач. Поскольку ветряные генераторы и солнечные батареи вырабатывают электроэнергию неравномерно, то необходимо иметь возможность в фазе ее избыточного производства эти излишки сохранять для дальнейшего использования.
Как же поставлять электрическую энергию по требованию? Именно это и делают батарейки, которые хранят энергию в химической форме (илл. 7). Когда батарейка разряжается, в ней между различными компонентами происходят химические реакции. Эти так называемые окислительно-восстановительные реакции происходят путем обмена электронами между входящими в состав батарейки химическими соединениями. По мере их расходования батарейка садится. Топливный элемент по своему принципу действия практически не отличается от батарейки: в нем также протекает окислительно-восстановительная реакция. Теоретически он не садится, так как реагенты, которые питают его, постоянно восполняются. На практике срок службы топливного элемента, хотя он и длительный, все же также ограничен.
Водород представляется хорошим энергоносителем. Как получить его по низкой цене и экологичным способом? Одной из идей было воспользоваться ветряными турбинами или солнечными батареями, изменяющаяся со временем производительность которых приводит к необходимости накапливать, а затем отдавать выработанную энергию. Например, во время пиков производства энергии можно было бы путем электролиза разлагать воду на водород и кислород, которые уже можно хранить для дальнейшего использования. Иными словами, для хранения энергии можно осуществлять процесс, противоположный происходящему в водородном топливном элементе.
Однако хранение водорода сопряжено с трудностями. В чистом виде он взрывоопасен! Кроме того, резервуар для водорода в газообразном состоянии должен быть очень велик, а хранить его в жидком состоянии можно только в условиях высокого давления и низких температур…
Небольшая компания McPhy, работающая на юго-востоке Франции, предлагает инновационное решение: связывать водород металлом! Генеральный директор утверждает, что его вдохновило пророчество ученого Сайреса Смита, героя жюль-верновского «Таинственного острова»: «Что же будут сжигать вместо угля?» – спрашивают его. «Воду, – отвечает Смит. – Но воду, разложенную на свои составные элементы при помощи электричества», а именно на водород и кислород. Потому что вода, заключает он, – «уголь будущего», уголь, сжигание которого не выпускает парниковые газы…
Например, водородный топливный элемент состоит из двух отсеков, разделенных пористой мембраной (илл. 8). В одном из отсеков молекула газообразного водорода H2 отдает два электрона с образованием двух ионов H+; эта реакция требует присутствия катализатора. Ионы H+ проникают через мембрану, которая при этом должна обладать замечательным свойством пропускать ионы, но не электроны. Остающимся по другую стороны мембраны электронам ничего не остается, кроме как устремиться в электрическую цепь, тем самым создавая электрический ток, который и питает, к примеру, двигатель. Пройдя по цепи, на другой стороне мембраны, электроны вновь соединяются с ионами H+, а также с содержащим кислород потоком воздуха. В результате образуется вода. Уравнение соответствующей химической реакции 2H2 + O2 → 2H2O (из двух молекул водорода и одной кислорода образуется две молекулы воды). В таком топливном элементе химическая энергия превращается в электрическую энергию с хорошим КПД, однако все же единице не равным. Часть энергии, выделяемой во время химической реакции, теряется в виде выделяемого тепла.
8. Принцип действия топливного элемента, реагентами которого являются молекулы водорода и кислорода. Единственным продуктом реакции топливного элемента является вода
Замечательно, что единственным продуктом реакции водородного топливного элемента является вода! Поэтому автомобиль, электрический двигатель которого питает такой топливный элемент, при движении не загрязняет окружающую среду, он передвигается с собственным водородным баком, который следует регулярно пополнять. Однако с экологической точки зрения в общем балансе должно учитываться и производство водорода. А водород – не то топливо, которое легко получать и хранить (см. главу 13, врезку «Вода – уголь будущего?»). Кроме того, необходимый для работы топливного элемента катализатор, чаще всего платина, стоит недешево. Текущие исследования направлены на устранение этих двух недостатков.
В заключение укажем, что представленная в этой главе информация фрагментарна. Читатель может дополнить ее чтением специализированной литературы (см. «Библиографию»).
9. В «водородном» автомобиле электрический двигатель питается от топливного элемента, который потребляет хранящийся в резервуарах водород