Здесь нет никакой паранормальщины, никаких покушений на священные законы термодинамики. Все научно обосновано, объяснено и защищено патентами. Тем не менее трудно избавиться от ощущения мистичности происходящего, когда видишь, как холодная водопроводная вода, проходя через это устройство, сорбционный тепловой насос, нагревает другую холодную воду едва ли не до кипения. Правда, странная конструкция из металлических труб на статус perpetuum mobile не претендует, так как крохотный источник энергии здесь все же имеется – газовая горелка размером с зажигалку. Но используется этот огонек (тепловой энергии которого явно не должно хватать для ощутимого нагревания воды) лишь в качестве своеобразного стартера, чтобы создать перепад давления и запустить циркуляцию сорбента.
Чтобы не было сомнений в эффективности процесса, профессор Леонард Васильев, заведующий лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена Национальной академии наук Беларуси, предложил потрогать рукой водопровод на входе в устройство и на выходе. Потрогал. И действительно, металл был прохладным в первом случае, и просто ледяным — во втором. Стало быть, часть тепла, 5 градусов, как выяснилось, у воды действительно отобрали. Но как отнятые калории удалось накопить? Ведь по нормальной логике перекачка тепла из пункта А в пункт Б должна естественным образом прекратиться, как только температура в этих точках выравняется. Тем не менее факт — горячая вода — был налицо.
— Калории из любого низкотемпературного источника, будь то вода, воздух, грунт, промышленные или бытовые стоки, вентиляционные выбросы, несложно извлечь с помощью теплообменника, а, пользуясь сорбционным тепловым насосом, который еще называют умножителем тепла, их можно еще и накопить, — поясняет ученый. — Передача тепла из более холодной среды к реактору с высокой температурой происходит благодаря цикличному промежуточному преобразованию тепловой энергии в химическую. У предложенной нами конструкции, где в качестве активного агента используются газы и активированное углеволокно, насыщенное микро- и нанокристаллами солей, применяются специальные тепловые трубы, аналогов нет. В отличие от широко распространенных в мире компрессионных тепловых насосов, в электроэнергии наш трансформатор тепла не нуждается, а в некоторых случаях, когда рядом есть достаточно высокотемпературный источник, можно обходиться и без газовой горелки.
Сорбционный тепловой насос можно использовать как в качестве самостоятельного отопительного прибора для обогрева, например, за счет тепла грунта энергоэффективных домов, так и в тандеме с фотоэлектрическими источниками энергии, эффективность которых будет повышена на 20—30 процентов за счет утилизации накапливающегося на фотоэлементах солнечного тепла. Примерно на такую же величину сорбционные тепловые машины могут поднять и КПД водородных топливных элементов.
Вернуть беглеца и заставить работать
Впрочем, топливные элементы для нашей страны — это пусть и не очень далекая, но перспектива. А реальный результат можно получить уже сегодня, если оснащать тепловыми насосами моторы-генераторы, а также реконструируемые и строящиеся ТЭЦ, котельные. Ведь теплоэлектроцентрали превращают в электричество лишь 30 — 35 процентов энергии, а остальное выбрасывают в окружающую среду с отработанной водой и дымом. Вернуть сбежавшее тепло и за счет этого на 30 процентов сократить потребление энергетическим оборудованием любого топлива — задача вполне реальная.
Заодно можно будет и значительно снизить поступление в атмосферу углекислого газа. Подсчитано, что даже если половина энергопотребления на цели отопления будет осуществляться с использованием систем комбинированного энергоснабжения, то есть с тепловыми насосами, то газовые выбросы можно уменьшить на 40 процентов. От общего количества производимого углекислого газа при сжигании всего органического топлива в стране эта величина составит более 15 процентов. И если, как это предусмотрено Киотским протоколом, дело действительно дойдет до продажи квот на выброс парниковых газов, Беларусь с большой выгодой может «переплавить» экологический эффект в экономический.
Не менее важно, что сорбционные машины с одинаковым успехом служат источниками не только тепла, но и холода. Их можно использовать в холодильниках, системах кондиционирования, устройствах приготовления льда для катков, установках для охлаждения молока на фермах. Та же самая ТЭЦ после несложной реконструкции способна с успехом работать в цикле так называемой тригенерации, то есть производить не только тепло и электроэнергию, но и холод, потребителями которого могли бы быть районные и областные овощехранилища и холодильники.
По научному уровню и степени готовности к промышленному освоению белорусская разработка ни в чем не уступает, например, японским аналогам. Но в Японии такие устройства свободно продаются, а у нас дело вот уже несколько лет ограничивается двумя опытными экземплярами, которые ученые собрали своими силами. Они возят их по выставкам, рассказывают о новых возможностях ресурсо- и энергосбережения на представительных конференциях и семинарах, но заинтересовать отечественных производителей и инвесторов пока не удается.
Цена вопроса — смешно сказать…
А ведь речь идет, как прикидывают специалисты, об инвестировании всего лишь 20—30 тысяч долларов, которые потребуются на раскрутку небольшому частному предприятию, выпускающему, например, котельное оборудование. Если же излишне не осторожничать и начать дело сразу с серьезных объемов, то затраты, конечно, возрастут. Но и окупятся быстро. Ведь все необходимые для производства тепловых насосов сорбенты, а также цельнотянутые трубы и другие компоненты в республике производятся, спрос, в том числе и за рубежом, должен быть устойчивым. Поэтому инертность потенциальных отечественных производителей, а также структур энергетического сектора экономики ученым непонятна.
Исследователи считают, что в связи со сложившейся экономической необходимостью в стране целесообразно было бы принять государственную программу эффективного использования природного газа, которой предусматривался бы выпуск энергоэффективного теплообменного оборудования, в том числе и сорбционных тепловых насосов отечественной разработки. Этот шаг был бы разумным, так как в мире подобное оборудование производится преимущественно в США и Японии, а Европа и другие регионы, куда можно было бы поставлять конкурентоспособную по цене наукоемкую белорусскую продукцию, пока ориентируются больше на импорт и своих разработок практически не имеют.
Что касается спроса, то в мире он сложился и устойчиво высок. В развитых странах компрессионные тепловые насосы используются более 30 лет, и в целом в мире сейчас эксплуатируется по разным данным от 90 до 150 миллионов подобных устройств. Ежегодный объем их продаж в мире составляет 125 миллиардов долларов, что втрое превышает мировой объем продаж вооружений. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75 процентов. Жаль только, что Беларусь, имея все возможности, в этом процессе совершенно не участвует.
Еще одна замороженная проблема
Увы, история с сорбционными тепловыми насосами не единственная в своем роде. В таком же замороженном состоянии находится и другая разработка возглавляемой Леонардом Васильевым лаборатории — баллоны для хранения газа при низком давлении, в которых используются все те же сорбенты. По оценкам специалистов, проблему ученые решили актуальнейшую, но…
— Природный газ, то есть метан, а также водород, которые относятся к наиболее чистым и безопасным видам топлива, обладают не очень удобными свойствами — низкой плотностью и малой объемной теплотой сгорания, из-за чего хранить их приходится в баллонах, имеющих большие габариты, — говорит Леонард Васильев. — Поэтому доставка газа с помощью автомобильного, водного и воздушного транспорта превращается в проблему, так как метан приходится сжимать до высокого давления либо превращать в жидкость при криогенной температуре. Все это ведет к большой металлоемкости сосудов и высоким затратам на сжижение. Но если газ разместить в наноразмерном микропористом твердом сорбенте, которым будет заполнен баллон, то проблем у перевозчиков станет меньше. Ведь благодаря тому, что метан будет удерживаться силами молекулярного взаимодействия, давление можно снизить ровно в десять раз, а это означает, что баллоны будут легче, расходы на транспортировку и компрессорное оборудование уменьшатся.
Именно эти достоинства и удалось реализовать белорусским ученым, которые разработали и успешно испытали 43-литровый баллон для связанного хранения газа, вмещающий 150 кубометров метана. Есть также вариант емкости на 20 кубометров, что достаточно, например, для безостановочного движения грузового автомобиля в течение 4 часов. Предлагается изготавливать и стационарные хранилища на 1 миллион кубометров, которые будут представлять собой трубу большого диаметра стометровой длины.
Все это может стать выгодной статьей производства, причем ориентированного на экспорт. Ведь, как показывают оценки, только США для использования в быту, торговле и промышленности требуется почти 6,5 миллиона резервуаров для связанного хранения природного газа при низком давлении объемом от 40 до 160 кубометров. Так почему бы Беларуси, имеющей собственные наукоемкие технологии в этой области, не получить часть выгодного пирога? Этот вопрос вот уже более пяти лет ученые задают всем, кто может иметь отношение к решению проблемы. Но ответа пока нет.
И еще. Ученые считают, что, прежде чем выходить на международный рынок с наукоемкой продукцией, нужно на уровне национального законодательства срочно решить вопрос интеллектуальной собственности. Как и всюду в мире, авторы использованных в производстве изобретений должны получать не только «спасибо» или скромные разовые выплаты, но и достойную долю от реализации плодов интеллектуального труда. В противном случае ориентация страны на инновационное развитие никогда не принесет ожидаемого результата.
На снимке: Леонард Васильев демонстрирует тепловой насос.
