— Смотря в каком регионе, — заметил Косыгин. — Везти ту же солярку в Китай или Индию может оказаться дороже, чем переводить в газ местный уголь, и выращивать рядом водоросли на биотопливо. Особенно, если объёмы будут большие. Это всё надо очень хорошо просчитывать с экономической точки зрения.
— Верно, — заключил Никита Сергеевич. — Вот, Алексей Николаич, и поставь задачу перед Госпланом, пусть посчитают варианты.
— Поставлю, обязательно, — подтвердил Косыгин.
— Так, газификация угля — это хорошо, эту тематику бросать не надо, — продолжал Хрущёв. — Но эти установки дорогие, а нам надо что-то иметь такое, чтобы можно было подавать тепло и электричество в отдалённые посёлки и деревни. Что-то совсем недорогое и доступное, масштаба 'район-сельсовет'. Есть у вас предложения на этот счёт, Пётр Степанович?
— Есть, и даже не одно, — ответил замминистра. — Прежде всего, вариант как раз таки районного масштаба, рассчитанный также на газификацию местного сырья, с переводом, к примеру, дерева, торфа, лигнина в синтез-газ, и его последующее сжигание в твёрдооксидных высокотемпературных топливных элементах. Тут преимущество заключается в отсутствии движущихся деталей, то есть установка может работать долгое время при относительно несложном обслуживании. Есть варианты с внешней газификацией, их преимущество — в возможности работы на нескольких видах сырья, и варианты с внутренней газификацией, например, на карбонатных топливных элементах.
(Например, http://energy-units.ru/ustanovki-na-osnove-toplivnyh-elementov/ustanovki-bolshogo-klassa/)
В них газификация происходит прямо внутри топливного элемента, обычно, установка оптимизируется под определённый вид топлива. Выглядят такие установки как несколько больших шкафов на общей раме. Преимущество такого топливного элемента в том, что он работает при высокой температуре, то есть, производит не только электричество, но и тепло, которое можно использовать для отопления жилых и производственных помещений.
— Вот это интересно. А мы уже что-то подобное серийно делаем?
— Пока нет, но ведём опытно-конструкторские работы.
— Направление выглядит очень перспективно, — согласился Косыгин. — А в чём подвох?
— Ну, это техника на недостаточно отработанных физических принципах, в процессе разработки возникает немало проблем, да и цена пока получается достаточно высокая, — пояснил Непорожний. — Зато на установках с высокотемпературными топливными элементами можно получать мощности до 30 Мегаватт. Пока мы на такие мощности ещё не вышли, но теоретически такая возможность есть.
— 30 Мегаватт — это очень прилично. Думаю, Никита Сергеич, эти работы надо продолжать, — высказал своё мнение Косыгин.
— Согласен, — кивнул Хрущёв. — Но это, опять-таки, масштаб района или крупного посёлка. А по совсем малой генерации что-то есть?
— Да, и немало. Прежде всего — дизель-генераторы, и малогабаритные газогенераторные установки, — ответил Пётр Степанович. — Газогенераторов малых размеров по стране ещё с 40-х осталось немало. Тем более, сейчас для них появилось новое, удобное сырьё — пеллеты, топливные гранулы, то есть. Их сейчас делают из всего, что горит — из молотой щепы, опилок, торфа, даже из лигнина. Эти гранулы можно не только в котлах жечь, их можно ещё и перегонять на синтез-газ в газогенераторах. Лигнина у нас и так много, а сейчас, в связи с расширением использования конопли в пороховой и целлюлозно-бумажной промышленности, его ещё больше становится. Опять же, конопля — сырьё быстро возобновляемое, поэтому в ближайшие лет 20 без лигнина мы точно не останемся.
— Гм... Вы только не забывайте, что много лигнина уходит на восстановление плодородия почв по программе 'Нечерноземье', и в Среднюю Азию, — напомнил Первый секретарь.
— Это верно, но на полигонах гидролизных и целлюлозо-бумажных заводов этого лигнина скопились уже миллионы тонн, и ежегодно сотнями тысяч тонн прибавляется, — ответил Непорожний.
— Печатной продукции сейчас больше стало, — пояснил Косыгин. — Ну, и пороховые заводы, опять же, переводим с хлопка на коноплю, поэтому конопляного лигнина в ближайшие годы только больше будет. Мы уже сейчас начали план лесной промышленности пересматривать в сторону сокращения. Конопля удобна тем, что смолистая, масляная, из неё можно штамповать отделочные панели на естественном связующем, без фенолформальдегидных смол, экологически чистые, а из древесной щепы так не получается. Ну, и возобновляемость у конопли в несколько раз выше.
— Так, понятно, давайте ближе к энергетике, товарищи. Какие у нас ещё есть варианты?
— Паровые машины, Никита Сергеич, — ответил Непорожний.
— Паровые? Гм... неожиданно. А в чём преимущества?
— Техника давно и хорошо отработанная, например, локомобили Людиновского завода выпускаются уже десятилетиями. Топить можно любым местным сырьём, в том числе — теми же топливными гранулами. В последнее время появляются новые, очень необычные разработки, с использованием цилиндро-поршневых групп, кривошипно-шатунных механизмов и коленвалов от стандартных двигателей внутреннего сгорания. Появились очень компактные водотрубные котлы, которые выходят на требуемое давление пара в течение минуты, — пояснил Пётр Степанович. — Есть даже варианты лёгких, малогабаритных звездообразных паровых машин с малым объёмом цилиндров, с поршнями от мотоцикла или мопеда.
(Видео сборки и работы подобной паровой машины https://www.youtube.com/watch?v=z6jOHXHjBa0).
Как транспортные двигатели они применимы ограниченно, всё-таки котёл, топка, бункер твёрдого топлива, теплообменник для регенерации отработанного пара — всё это выливается в немалый вес. В 1949-50 годах в НАМИ сделали тяжёлый грузовик НАМИ-012 с трёхцилидровой паровой машиной одинарного действия, на грузоподъёмность до 6 тонн, с прицепом — до 12 тонн. Сделали 3 грузовика, но выяснилось, что расход дров 300-400 килограммов на 100 километров, запас хода с полной загрузкой по шоссе был всего 70-100 километров по запасу дров. По воде — 150-180 километров. На том начинание и умерло.
— А если на грузовик поставить более совершенную паровую машину, и топить её не дровами, а тем же водоугольным топливом, или синтез-газом — не лучше будет? — поинтересовался Хрущёв.
— Лучше, но теряется основная идея разработки — прямое использование местного топлива, типа, встал среди леса, нарубил дров, поехал дальше. Водоугольное топливо или пеллеты для синтез-газа тоже предварительно делать надо. Ну, и не сообразили, что дрова прямо из леса в топку кидать не будешь, их сушить сначала надо, — растолковал Непорожний.
Но для стационарных применений паровые машины очень даже подходят. А стационарные применения — это, прежде всего, распределённая генерация. В качестве генератора подойдёт любой промышленный электродвигатель подходящей мощности. Схемы подключения есть в справочниках (Например, https://housediz.ru/kak-sdelat-samodelnyj-generator-iz-asinxronnogo-dvigatelya/). Таким образом, можно собрать электрогенератор из компонентов, продающихся в магазинах, при минимальной доработке в гараже, или заказать сборку в мастерской при любой МТС (АИ, см. гл. 02-36)
Если же есть возможность использовать природный газ или синтез-газ из биореактора, либо газогенератора — тут уже можно подавать его в стандартный ДВС. Такие двигатели специалисты обычно называют газопоршневыми. Комплекты для перевода двигателей на газ выпускаются серийно и продаются в любом автомагазине — их делают многие кооперативы (АИ). Причём есть комплекты для природного газа, диметилэфира и синтез-газа — в зависимости от того, что вы планируете использовать.
Для питания загородного дома в общем, достаточно мопедного моторчика. Если же нужно больше электричества — можно собрать или приобрести готовый электрогенератор с мотоциклетным двигателем.
— Спасибо... Вариант с паровой машиной, сделанной из ДВС — это как-то неожиданно, — заметил Первый секретарь.
— Почему нет? ДВС достигли высокой степени конструктивного совершенства, — ответил замминистра. — Детали и двигатели целиком продаются в любом автомагазине, либо их можно купить на автомобильной разборке. Ещё одна интересная особенность — паровая машина на базе ДВС требует меньше смазки, чем тот же двигатель, работающий на бензине — пар частично обладает смазывающими свойствами. Хотя совсем без смазки работать не будет. Тепловая напряжённость в паровом режиме тоже меньше, соответственно, двигатель дольше проработает. Высокие параметры пара в домашних условиях получить сложно. Основная проблема — сделать распределитель. Устройство не особо сложное, чертежи в справочниках есть, но требуется токарная и фрезерная работа. Сейчас его могут сделать в любой МТС.
У классической паровой машины, как и у ДВС, основной недостаток — большие потери на трение в кривошипо-шатунном механизме, большая паразитная масса коленвала и маховиков. На их вращение тратится много энергии. В 20-х годах в литературе появились первые упоминания о свободно-поршневых двигателях, которые принципиально не имеют этого недостатка.
— Это что? — тут же заинтересовался Первый секретарь.
— Представьте себе трубу, заглушённую с обоих концов, — Пётр Степанович набросал схему на листке бумаги. — В ней туда-сюда движется поршень. На торцах трубы размещены клапаны и свечи зажигания. В центре поршня — шток, связанный, к примеру, с поршнем насоса. И всё — весь двигатель состоит из нескольких простых деталей, из них только одна — движущаяся. Особенности работы СПД позволяют использовать разные виды газообразного и жидкого топлива, включая мазут с содержанием серы до 4% и сырую нефть. Это единственный тип двигателя, который может работать без детонации смеси, в том числе с воспламенением её от сжатия, на газах широкого фракционного состава, включая 'жирные' природные газы, попутные нефтяные, генераторные, пиролизные газы, водород, шахтный метан, биогаз. (http://nnhpe.spbstu.ru/maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/). Частота движения поршня может достигать 20 тысяч Герц — понятие 'обороты в минуту' к двигателю без вращающихся частей неприменимо. Теоретический КПД двигателя может быть более 70%. Проблема заключается в том, как снять с него полезную мощность.
Первые попытки использования СПД были в судовых и шахтных поршневых насосах. Затем появилась идея применить гидравлическую трансмиссию — СПД нагнетает давление в расходном баке, а вращение на колёса или генераторы передаётся через гидромоторы. Эта идея даже работала, но КПД получался низкий — сказывались потери в жидкости и в трубопроводах.
Прорыв получился совсем недавно, когда наши металлурги сделали мощные магниты из редкоземельного сплава неодим-железо-бор (АИ, в реальной истории появился в 1983 г). Собственно, химсостав сплава несколько сложнее, в него ещё входят празеодим, кобальт, диспрозий, причём в количествах, больших, чем бор, а также алюминий, ниобий и медь. (Состав сплава https://magnet-prof.ru/index.php/himicheskii-sostav-materiala-ndfeb.html). Получается такой магнит спеканием порошка, либо формовкой в полимерном связующем. Магнит капризный — не любит ударов и высокой температуры. Первые варианты работали при температуре не выше 80 градусов Цельсия, сейчас разработчики работают над сплавами, выдерживающими до 200 градусов. (Марка N выдерживает до 80 RС, марка M — до 100 RС, марка EH — до 200 RС, магнитные характеристики см. https://magnet-prof.ru/index.php/magnity-ndfeb.html)
Принцип электрогенератора — магнит движется внутри обмотки. Первые эксперименты были не особо удачны — магниты пытались вплавить прямо в алюминиевый корпус поршня, а обмотку сделали вокруг цилиндра. Поршень при работе двигателя греется, а у магнитов ограничение по температуре. К тому же требовалась система электронного управления впрыском топлива, иначе, из-за неточностей дозировки, либо поршень не доходит до крайнего положения, либо бьёт в торцевую стенку цилиндра. Первоначально на системе управления и сломались.
(История разработки СПД https://www.popmech.ru/vehicles/10158-porshen-na-svobode-dvigatel-so-svobodnym-porshnem/)
Но тут появились сразу две идеи — вынести магнит из поршня, расположив снаружи, а в поршне поместить витки обмотки, и использовать золотниковый пневмораспределитель, создавая в нужный момент противодавление, чтобы поршень не бился в торцевые стенки. Двигатель, конечно, усложнился, зато он может вырабатывать электричество непосредственно, потому что он — сам себе генератор. Есть варианты с двумя поршнями в общем цилиндре, движущимися навстречу друг другу — такие варианты лучше сбалансированы и создают меньше вибраций.
— Здорово придумано, — одобрил Никита Сергеевич. — Надо такие генераторы выпускать серийно.
— Пока освоение в серии зависит от объёма выпуска мощных неодимовых магнитов, но планы такие у нас есть, — ответил замминистра. — Это ещё не единственный вариант. Есть двигатель внешнего сгорания на похожем принципе, подобный двигателю Стирлинга, только без вращающихся частей, каких-либо клапанов и пружин. Его тоже можно применять как привод насосов и для генерации электричества. Его работа основана на движении тяжёлого рабочего поршня, связанного с лёгким вытеснителем, и перетекании рабочего тела из одной полости в другую для достижения равенства давлений. (http://msd.com.ua/mashiny-rabotayushhie-po-ciklu-sterlinga/svobodnoporshnevye-dvigateli-bila-2/). Такой двигатель может быть приводом для холодильной машины со свободным поршнем, так, что простая труба, нагретая на одном конце, становится холодной на другом, либо в него тоже встраивается электрическая обмотка, движущаяся в магнитном поле постоянных магнитов. Выгода таких свободно-поршневых двигателей — в их конструктивной простоте, требуется минимум точной обработки, не нужны даже подшипники.
— М-да, очень непривычные конструкции, — заметил Косыгин. — Как-то в последние годы на электростанциях всё больше турбины применялись.
— Турбина, конечно, вещь хорошая, но дорогая, и самостоятельно её сделать не получится. Во всяком случае — эффективную турбину на коленке не сделаешь, — пояснил Непорожний. — Вот, кстати, о турбинах. Сейчас ряд учёных разрабатывают весьма интересные проекты парогазовых установок для генерации электроэнергии. В частности, по этой тематике работает академик Сергей Алексеевич Христианович в Новосибирске, и Владимир Аронович Зысин в московском ЦКТИ.
— Это что такое, расскажите поподробнее? — тут же спросил Хрущёв.
— Газовая турбина, например — списанный авиационный двигатель, в которую подаётся, помимо горючего и воздуха, ещё и водяной пар, — ответил Пётр Степанович. — Схемы есть разные, Христианович предлагает более сложную, ЦКТИ — несколько более простую.
— А зачем пар в газовую турбину подавать?
— Пар используется для охлаждения элементов турбинной группы. Это даёт возможность повысить температуру рабочего тела выше принятой для исходной ГТУ. При этом температура металла лопаточного аппарата поддерживается ниже проектного уровня. То есть, турбина работает эффективнее, а изнашивается меньше. КПД может достигать 60%. Инжекция пара в камеру сгорания ГТУ, помимо увеличения мощности газовой турбины, позволяет снизить содержание оксидов азота в дымовых газах ПГУ.
