Водородная кузница

Глава 4. Демонстратор «Капля-2» и тёмная сторона КПД

Идея с генератором захватила Ваню полностью. Это был идеальный «демонстратор»: компактный, наглядный, с измеримым результатом. В углу сарая пылился старый, но рабочий бензиновый генератор «Чемпион» на 2.2 кВт. Его судьба была решена.

Работа закипела с новой силой, но теперь это был не порыв одиночки, а чёткий проект. Николай Семёныч, окончательно втянувшийся в авантюру, взял на себя теорию и расчёты. Ваня – практику.

– Забудь про щёлочь, – заявил Николай Семёныч в первый же день. – Для малой, мобильной установки она слишком опасна: брызги, испарения, агрессивность. Будем использовать сухой гидроксид калия. – Сухой? Он же не проводит. – Проводит, когда абсорбирует влагу из воздуха. Но главное – нам нужен принципиально другой электролизёр. Не бидон с болтающимися пластинами, а сухая, герметичная, компактная ячейка. Спроектируем её на базе… – он порылся в своей потрёпанной папке, – на базе принципа мембранного электролизёра. Упрощённо, конечно.

Конструкция «Капли-2» родилась из подручного гениального хлама. Корпусом стал отрезок толстостенной полипропиленовой канализационной трубы диаметром 110 мм. Торцы закрыли заглушками, в которых Ваня впаял резьбовые штуцеры для подвода воды, отвода газов и установки электродов. Вместо дорогой протонообменной мембраны (о которой они могли только мечтать) использовали несколько слоёв войлока из нержавеющей стали, пропитанного тем самым твёрдым KOH. Электроды – те же пластины из нержавейки, но теперь они были плотно стянуты болтами внутри трубы, с прокладками из силикона.

Получилась этакая «водородная колбаса»: компактная, герметичная, без свободной жидкости. В неё заливалось всего 200 мл дистиллированной воды, которая постепенно расходовалась. Вся система, включая маленький водяной насос от омывателя стекла и блок управления, разместилась на сварной раме рядом с генератором.

– Красота, – с удовлетворением сказал Ваня, любуясь конструкцией. – Ни тебе брызг, ни запаха. И главное – безопаснее.

Блок управления тоже претерпел эволюцию. Теперь он не просто реагировал на обороты, а получал сигнал с датчика тока на выходе генератора. Чем больше нагрузка (например, включали больше лампочек или электрообогреватель), тем активнее работала ячейка, производя больше водорода для нагрузки. Получался замкнутый, пусть и несовершенный, цикл.

Испытания начались в субботу. К сараю, помимо Николая Семёныча, пришёл и Борис. Он стоял в стороне, скрестив руки на груди, с выражением «щас посмотрим на это цирковое представление».

Генератор заурчал на чистом бензине. Ваня подключил к нему контрольную нагрузку – три старых, допотопных электрических обогревателя, в сумме дававшие как раз около 2 кВт. Стрелка амперметра генератора уверенно встала на отметку 9 А. Ваня засек время и уровень бензина в мерной колбе, подключённой к топливной системе.

– Пять минут контрольного замера, – объявил он. Тишину нарушал только рёв двигателя и тихое шипение обогревателей. Борис молча курил, не сводя глаз с мерной колбы.

Через пять минут Ваня заглушил генератор, записал расход. Потом включил систему «Капля-2». Слышно было, как заработал насос, зажужжала электроника. На генераторе он снова запустил двигатель, дал ему выйти на режим и снова подключил нагрузку. Разницы в звуке двигателя почти не было. Только очень внимательное ухо могло уловить, что работа стала чуть-чуть ровнее.

Снова пять минут. Опять остановка, замер. Ваня посмотрел на цифры, затем на Николая Семёныча. Тот кивнул.

– Результат, – громко, чтобы перекрыть шум в собственной голове, сказал Ваня. – В режиме «только бензин» расход составил 310 миллилитров за пять минут. В режиме «бензин + водород» – 285 миллилитров. Экономия… около 8%.

– Восемь, – повторил Борис, делая шаг вперёд. Его лицо не выражало ни восторга, ни разочарования. – Восемь процентов. На игрушечной нагрузке, в идеальных условиях сарая. А КПД системы в целом?

Это был удар ниже пояса. Точный, технический, смертельный для многих энтузиастов вопрос. Ваня знал на него ответ, и ответ был ужасен.

– КПД… – он замялся. – С учётом расхода энергии от самого генератора на питание ячейки, насоса и контроллера… общий КПД системы падает.

Николай Семёныч вздохнул и достал калькулятор. – Давай посчитаем публично. Генератор выдал нам, условно, 100 единиц энергии. Из них 8 мы сэкономили на бензине. Но на работу электролизёра, охлаждения и электроники ушло, скажем, 5 единиц от тех же 100. Чистая экономия – 3%. А если учесть потери на преобразование, нагрев… В лучшем случае мы в ноль вышли. В худшем – в небольшой минус.

В сарае повисло тяжёлое молчание. Борис медленно, с явным чувством выполненного долга, потушил окурок. – То есть, вся твоя магия, Ваня, – сказал он беззлобно, даже с какой-то усталой жалостью, – это просто перекладывание энергии из одного кармана в другой. Ты берёшь электричество у генератора, превращаешь его в водород, жжёшь водород, чтобы получить чуть больше механической работы, но при этом сам съедаешь часть электричества на процесс. Вечный двигатель не получился. Я же говорил.

Ваня чувствовал, как почва уходит из-под ног. Весь его мир, построенный на графиках и надеждах, рушился от одного простого расчёта. Он смотрел на свою блестящую «колбасу», на аккуратные провода, и всё это вдруг показалось ему жалкой, бесполезной игрушкой.

– Но… улучшение сгорания… – слабо попытался он возразить. – Улучшение есть, – согласился Николай Семёныч, и его голос прозвучал неожиданно твёрдо. – И оно подтверждено. Но Борис прав в главном: с текущей схемой питания мы топчемся на месте. Мы не создаём энергию, мы её… оптимизируем с потерями. Наш метод – это не источник энергии, а… система тонкой настройки двигателя. Которая, кстати, потребляет энергию для своей работы.

Борис кивнул, уже поворачиваясь к выходу. – Настройка – это хорошо. Но моим тракторам нужна не настройка, а горючка. Дешёвая. Или волшебная палочка, которой нет. Продолжай играться, Ваня. Может, когда-нибудь что-то и выгорит. А мне трактор чинить, у него мост гудит.

Он ушёл. В сарае остались двое: раздавленный изобретатель и пожилой теоретик.

– Всё? – тихо спросил Ваня. – Тупик? – Тупик для этой конфигурации, – поправил Николай Семёныч. – Мы уперлись в фундаментальный закон: закон сохранения энергии. Его не обманешь банками и проводами. Но из каждого тупика есть минимум два выхода. Первый – сдаться. Второй – понять, где мы ошиблись, и найти новый путь.

– Какой путь? – с надеждой взглянул на него Ваня. – Мы пытались заставить систему питаться от самой себя. Это абсурд. Нужен внешний, бесплатный источник энергии для электролиза. Тот, о котором ты думал с самого начала, но потом увлёкся красивой электроникой. – Солнце и ветер, – прошептал Ваня. – Именно. Наш генератор – плохой донор. Он сжигает бензин, чтобы сделать электричество, чтобы сделать водород, чтобы сжечь его вместе с бензином. Идиотизм. Но если бы наш электролизёр питался от отдельной солнечной панели или ветряка, который заряжал бы отдельный аккумулятор… Тогда вся экономия бензина была бы чистой прибылью. Мы не украли бы энергию у двигателя, мы бы добавили её извне.

Мысль была ослепительной. Ваня тут же представил картину: на крыше сарая – панели, рядом – мачта с ветряком, в углу – банк аккумуляторов. И его «Капля», работающая не как паразит, а как самостоятельный узел, готовящий добавку к топливу из даровых источников. – Но это… Это же целая мини-электростанция! – воскликнул он. – Ну да, – улыбнулся Николай Семёныч. – А ты думал, будущее будет простым? Ты вышел за рамки тюнинга двигателя, Иван Сергеевич. Ты нечаянно вышел на уровень системного осмысления. Теперь твоя задача – не улучшить двигатель, а встроить его в новую энергетическую схему. Сложнее? На порядок. Интереснее? Без сомнения.

Тёмная ночь саморазрушения сменилась в Ване новым, холодным, расчётливым азартом. Он посмотрел на «Каплю-2». Она была не ошибкой. Она была важнейшим экспериментом, который указал на фундаментальную ошибку. Теперь нужно было не выбросить её, а переосмыслить. Переделать. Сделать частью чего-то большего.

Он подошёл к верстаку, где лежали обрезки алюминиевого профиля от старой антенны. – Значит, так, – сказал он, больше себе, чем Николаю Семёнычу. – Шаг первый: демонтировать систему питания от генератора. Шаг второй: достроить солнечную панель из тех обрезков, что есть. Шаг третий: найти старые, но живые аккумуляторы. Шаг четвёртый… Он замолчал, вглядываясь в будущее, которое из простой и понятной цели «сэкономить бензин» превратилось в сложный, многоуровневый проект под названием «энергетическая автономия». И в этом новом проекте его «пятёрка» и даже генератор были уже не целью, а всего лишь полигоном. Испытательным стендом для идеи, которая оказалась гораздо масштабнее, чем он мог предположить. И от этого стало одновременно страшно и безумно интересно.

Глава 5. «Автономия» или суровый расчёт ватт-часов

Прошла зима. Вместе с мутными ручьями талого снега сошла и первая, наивная эйфория Вани. На смену ей пришло суровое, почти монашеское понимание задачи. Проект «Капля» умер. Родился проект «Автономия».

Сарай преобразился. Теперь он напоминал не мастерскую механика, а лабораторию энергетика-аскета. На самом видном месте висела огромная, самодельная доска из фанеры, испещрённая схемами, расчётами и графиками. Красной краской был выведен главный постулат: «ВОДОРОД – НЕ ТОПЛИВО. ЭТО АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГИИ. БЕСПЛАТНЫЙ ТОК -> ВОДОРОД -> МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА. НЕ НАОБОРОТ».

Николай Семёныч притащил из дома свою библиотечку по альтернативной энергетике, от потрёпанных советских брошюр «Солнечная энергия в сельском хозяйстве» до свежих распечаток с зарубежных форумов. Он стал архитектором системы, Ваня – её прорабом.

Первый этап – энергообеспечение. От идеи одной солнечной панели пришлось отказаться. Солнца в их краях зимой было мало, а ветра – сколько угодно. Система должна быть гибридной.

Ваня совершил набег на свалку заброшенной воинской части за рекой. Оттуда он приволок трофеи, от которых у Николая Семёныча загорелись глаза:

Четыре массивных, стеклянных фотоэлемента от списанной космической (как они решили) аппаратуры. Каждый размером с лист ватмана, с выводами позади. КПД под вопросом, но площадь огромна.

Два мощных автомобильных генератора от грузовика КрАЗ.

Алюминиевые лонжероны от какого-то ангара – идеальный материал для мачты.

Солнечную панель Ваня собрал на раме из алюминиевого уголка, залив соединения силиконовым герметиком и закрыв лицевую часть прочным поликарбонатом. Получился монстр площадью почти два квадратных метра. Его водрузили на самую солнечную сторону крыши сарая.

Ветрогенератор стал отдельным произведением инженерного искусства. Лопасти вырезали из старой пластиковой бочки по рассчитанному Николаем Семёнычем шаблону. Ротор собрали на основе ступицы от «жигулей», генераторы от КрАЗа соединили последовательно для получения приемлемого напряжения. Мачту высотой семь метров сварили из тех самых лонжеронов и укрепили стальными растяжками. Установка всей этой конструкции силами Вани, Николая Семёныча и внезапно подоспевшего деда Пахома (который заинтересовался «ветряной мельницей») была эпопеей, достойной отдельной повести. Когда лопасти, скрипя, медленно повернулись под порывом ветра, а стрелка самодельного вольтметра дёрнулась, все трое стояли внизу и молчали. Это был момент истины. Они поймали ветер.

Накопитель. Тут пришлось раскошелиться. Старые аккумуляторы от погрузчика не годились – малая ёмкость, большой саморазряд. Ваня, скрепя сердце, продал несколько редких комплектов запчастей от «Волги» ГАЗ-24, которые копил годами, и купил на аукционе четыре б/у гелиевых аккумулятора от телекоммуникационных станций. 12 вольт, 200 Ач каждый. Соединённые последовательно-параллельно, они давали банк на 24В и 400 Ач – почти 10 кВт*ч энергии. Целую «бочку» электричества.

Их водородная «колбаса» была доработана. Теперь она питалась не напрямую от генератора, а через мощный, самодельный DC-DC преобразователь, стабилизирующий напряжение с аккумуляторного банка. Блок управления стал сложнее. В его память Николай Семёныч зашил алгоритм, который отдавал приоритет ветру: если ветрогенератор выдавал больше 50 ватт, энергия шла напрямую на электролизёр. Если ветра не было, но было солнце – работала солнечная панель через контроллер заряда. Аккумуляторы были буфером на случай штиля и ночи, а также источником для самой тонкой электроники. Теперь Ваня мог смотреть на монитор и видеть настоящую энергетическую картину: «Ветер: 127 Вт. Солнце: 68 Вт. Нагрузка (электролизёр): 210 Вт. Заряд АКБ: +5 Вт». Это была магия другого порядка – магия управления потоками.

Прошла весна. Система работала, накапливая в баллоне бесплатный водород, добытый из воздуха, воды и света. Настало время второй части – интеграции с двигателем.

Генератор «Чемпион» стал первым серьёзным испытателем. Ваня полностью отключил его от системы «Автономия». Теперь водород в него подавался из отдельного, небольшого стального баллона, который заряжался от их гибридной станции. Эксперимент был чистым: бензин против бензина с внешним водородом.

Результаты, снятые за неделю измерений, уже не были обескураживающими. Они были обнадёживающими.

При нагрузке 1 кВт (например, работа циркуляционного насоса отопления) экономия бензина составила 9-11%.

При пиковой нагрузке в 2.2 кВт экономия падала до 4-5%, но всё равно была.

Главное: КПД системы в целом был положительным. Они не тратили энергию генератора на производство водорода. Они тратили энергию солнца и ветра. А её учёт вёлся отдельно, и её «стоимость» была равна нулю.

Николай Семёныч, сидя за столом и попивая чай, резюмировал: – Мы доказали концепцию. В условиях сельской местности, используя даровые источники, можно производить добавку к топливу, которая реально снижает его расход. Масштабируемо? Теоретически, да. Но здесь начинается самое интересное. Деньги.

Они сели считать. Стоимость их «Автономии» в рублях, если бы они покупали всё новое:

Фотоэлементы: ~40 000 руб.

Ветрогенератор (готовый маломощный): ~25 000 руб.

Аккумуляторы: ~60 000 руб.

Материалы, контроллеры, электролизёр: ещё ~30 000.

Итого: под 150 000 рублей за установку мощностью в 300-400 ватт в пике.

– Теперь считаем окупаемость, – сказал Николай Семёныч, надевая очки. – Генератор «Чемпион» при постоянной работе на 2 кВт сжигает около 0.7 литра бензина в час. При цене бензина 55 рублей за литр, это 38.5 рубля в час. Наша система, экономя в среднем 7%, спасает 2.7 рубля в час. Чтобы окупить 150 000, генератор должен проработать… 55 555 часов. Или 6.3 года непрерывной работы. Бессмысленно.

Ваня смотрел на цифры, и у него сводило желудок. Опять тупик? Финансовый?

– Но! – Николай Семёныч ударил ладонью по столу. – У нас же ничего не покупалось! Всё – хлам, трофеи, самоделки. Наши реальные затраты – это твои проданные запчасти, мой старый свинцовый аккумулятор и, прости господи, несколько тысяч на мелкие покупки в интернете. Наш «капитализм» – 10, максимум 15 тысяч рублей. При таких вложениях окупаемость – полгода-год. А значит, наша модель работает не в мире магазинных цен, а в мире… умелых рук, смекалки и доступа к советскому наследству в виде свалок и заброшенных частей.

Он снял очки и посмотрел на Ваню. – Понимаешь, в чём твоё настоящее открытие, Иван Сергеевич? Ты изобрёл не технологию. Ты изобрёл метод. Метод создания энергетической автономии из подножного корма. Технологию для бедных. Для тех, у кого нет 150 тысяч, но есть голова, руки и куча ржавого железа вокруг. Это не патент на миллион. Это – инструкция по выживанию.

Слова жгли. Они придавали всему новый, почти революционный смысл. Ваня смотрел на свои чертежи, на заляпанные мазутом руки, на доску с расчётами. Он всегда чувствовал себя просто умельцем, которому интересно. А оказалось, что он, сам того не желая, нащупал нерв времени. Не время космических скоростей и нанотехнологий, а время тихой, упрямой, кустарной адаптации к миру, где всё дорожает, а старое – выбрасывают.

Теперь оставался последний, самый сложный шаг – перенести систему на что-то большее, чем генератор. На трактор. Но для этого нужен был не просто инженерный расчёт. Нужен был союзник. Нужен был Борис. А Борис, как известно, в чудеса не верил. Он верил в факты. И Ваня решил предоставить ему самый неопровержимый факт из возможных. Он решил поставить эксперимент, который нельзя будет проигнорировать. Для этого ему понадобилась его «пятёрка», два полных бака водорода, накопленные за месяц, и… дорога в райцентр. Не для того, чтобы купить запчасти. А для того, чтобы пройти мимо единственной в районе АЗС и не заехать на неё. Проехать мимо с видом победителя. И чтобы об этом узнали все.

Глава 6. «Бесплатная» поездка и цена внимания

Идея была проста до гениальности, а потому и рискованна. Ваня решил провести публичный, наглядный тест-драйв «пятёрки» в гибридном режиме, но с одной ключевой особенностью: весь водород для поездки должен быть накоплен заранее, от солнца и ветра. Ни грамма бензина для производства добавки! Это был чистый эксперимент, демонстрация принципа «даровой энергии».