Использование алюминия в низкотемпературных химических источников тока а м скундин

Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля

9752728189b1732382416c0bd301a869

Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео).

Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать.

d0ff440d208ce47f02ee4a065582a277

f6405e4abccc1938d0ea09e3ee0e0fe2

Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO2. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)3.

Химическая формула реакции выглядит так:

Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии. Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO2 и сопутствующей карбонизацией. Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).

8429744137c1677bbb5f31b53bf9e88a

Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.

В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.

Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео ).

Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы.

Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс.

Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.

В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.

Похожие научные разработки ведутся и в России.

Источник

АВТОМОБИЛЬ ЗАПРАВЛЯЕТСЯ АЛЮМИНИЕМ

Кандидат технических наук Е. КУЛАКОВ, кандидат технических наук С. СЕВРУК, кандидат химических наук А. ФАРМАКОВСКАЯ.

Во всем мире давно ведется поиск альтернатив автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. И наиболее реальной из них считается электромобиль (см. «Наука и жизнь» №№ 8, 9, 1978 г.). Первые в мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале 80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899 году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.

Тяговый электродвигатель в таких электрических автомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм. Значит, для того, чтобы «прокормить» двигатель мощностью в 20 киловатт (27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Эквивалентное же ему по запасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всего в 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилей стало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвью автомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологические проблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.

Сама по себе замена ДВС электродвигателем, конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массой полегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 лет после первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (то есть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов (43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобака остаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.

Если же учесть необходимость многочасовой зарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие, относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслуживших батарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторный электромобиль пока непригоден.

Именно из него, например, обычно производят алюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплав этого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутый ресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока.

Стоимость «отходов» воздушно-алюминиевого источника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а масса их при этом в три раза больше массы исходного алюминия.

В небольших по мощности воздушно-алюминиевых источниках тока можно использовать для приготовления электролита не только щелочь, но и обычную поваренную соль: процессы в обоих электроли тах протекают аналогично. Правда, энергоемкость солевых источников в 1,5 раза меньше, чем щелочных, но зато пользователю они причиняют гораздо меньше хлопот. Электролит в них получается совершенно безопасным, и работу с ним можно доверить даже ребенку.

Воздушно-алюминиевые источники тока для питания маломощной бытовой техники выпускаются уже серийно, и цена их вполне доступна. Что же касается автомобильной энергоустановки 92ВА-240, то она пока существует только в опытных партиях. Один ее экспериментальный образец номинальной мощностью 6 кВт (при напряжении 110 В) и емкостью 240 ампер-часов стоит около 120 тысяч рублей в ценах 1998 года. По предварительным расчетам, эта стоимость после разворачивания серийного производства снизится по крайней мере до 90 тысяч рублей, что позволит выпускать электромобиль ценою не намного большей, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Что же касается стоимости эксплуатации электромобиля, то она и теперь вполне сопоставима со стоимостью эксплуатации автомобиля.

Источник

image3531Воздушно-алюминиевые батареи вырабатывают электричество посредством реакции кислорода в воздухе с алюминием. У них – одно из самых высоких значений плотности энергии среди батарей всех типов, но они все еще не получили широкого распространения из-за сложностей с высокой стоимостью анода и удаления побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничивает их использование, в основном, до военных отраслей. Однако, у электромобиля с алюминиевыми батареями есть потенциал, восьмикратно превышающий возможности ионно-литиевые аналоги, при этом у них – гораздо меньший вес.

Воздушно-алюминиевые батареи относятся к первичным (неперезаряжаемым) элементам. Как только алюминиевый анод истрачивается в ходе реакции с атмосферным кислородом и катодом в водном электролите для формирования гидратного оксида алюминия, батарея больше не может вырабатывать электричество. Однако, есть возможность механической перезарядки батареи с помощью новых алюминиевых анодов, сделанных из переработанного гидратного оксида алюминия. Подобная переработка может стать важной, если воздушно-алюминиевые батареи будут широко применяться.

Электромобили с питанием от алюминиевых батарей последние несколько десятилетий находятся на стадии обсуждения. Гибридизация уменьшит расходы, а в 1989 году было сообщено о проведении дорожных испытаний электромобилей с гибридной воздушно-алюминиевой/свинцово-кислой батареей. В 1990 году в Онтарио была проведена демонстрация гибридного электромобиля класса «минивэн» с питанием от алюминиевой батареи.

В марте 2013 года израильская компания «Phinergy» опубликовала видео демонстрации электромобиля с использованием воздушно-алюминиевых элементов, проехавшего 330 км при помощи специального катода и гидроксида калия. 27 мая 2013 года 10 канал Израиля в выпуске вечерних новостей показал автомобиль с батареей от «Phinergy» в багажнике. Было заявлено, что он может проехать более 2 000 километров (1 200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов.

Электрохимия

Полуреакция восстановления катода выглядит так: O2 + 2H2O + 4e

Общая схема реакции выглядит так: 4Al + 3O2 + 6H2O 4Al(OH)3 + 2.71 В.

За счет этих реакций становится возможной выработка 1,2 В напряжения, что на практике достижимо за счет использования в качестве электролита гидроксида калия. Соленая вода в качестве электролита помогает достичь напряжение в 0,7 В на элемент.

Коммерциализация

Проблемы

Алюминий в качестве «топлива» для автомобилей был изучен Шаохуа Иеном и Гарольдом Найклом. Они пришли к следующим выводам:

«Система воздушно-алюминиевых батарей может вырабатывать достаточно энергии и мощности для дальности пробега и ускорения, аналогичного машинам с ДВС… стоимость алюминия в качестве анода может составлять ниже 1,1 доллара за килограмм, пока продукт реакции подлежит переработке. Общий КПД в ходе циклического процесса в электромобилях с воздушно-алюминиевыми батареями может составить 15 % (нынешний этап) или 20 % (проект), сравнимый с КПД автомобилей с ДВС (13 %). Плотность энергии концепта батареи составляет 1 300 Вт*ч/кг (нынешнее время) или 2 000 Вт*ч/кг (проектный образец). Был проведен анализ цикла долговечности электромобилей с воздушно-алюминиевыми батареями по сравнению с аналогами со свинцово-кислыми и никелевыми гибридными (никелево-марганцовых) батареями. Только электромобили с воздушно-алюминиевыми батареями могут получить диапазон перемещений, сравнимый с аналогами с ДВС. Согласно результатам анализа, данный тип электромобилей является наиболее перспективной по сравнению с автомобилями с ДВС в плане диапазона перемещений, цены покупки, расходов на топливо и срок службы».

Остается решить ряд технических проблем для того, чтобы сделать воздушно-алюминиевые батареи более пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия подвержены коррозии со стороны электролита, поэтому алюминий обычно сплавляют с оловом или другими элементами. Гидратная окись алюминия, появляющаяся в результате реакции элемента, формирует гелеобразную субстанцию на аноде и уменьшает выработку электричества. К этой проблеме обращаются на стадии разработки воздушно-алюминиевых элементов. К примеру, были разработаны добавки, формирующий оксид алюминия в виде порошка, а не геля.

Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемника с никелевой решеткой, катализатора (к примеру, кобальта) и пористой гидрофобной тефлоновой пленки, предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через тефлон, затем – реагирует с водой для создания ионов гидроокиси. Эти катоды работают хорошо, но могут стоить очень дорого.

Стандартные воздушно-алюминиевые батареи имеют ограниченный срок хранения, так как алюминий реагирует с электролитом и производит водород, когда батарея протаивает, хотя этого уже нет в современных образцах. Данной проблемы можно избежать за счет хранения электролита в цистерне вне батареи и перемещения его в батарею при необходимости использования.

Данные батареи, к примеру, можно использовать в качестве резервных батарей в АТС или источников резервного питания. Воздушно-алюминиевые батареи можно использовать для питания ноутбуков и сотовых телефонов, уже сейчас разрабатываются модели для подобного вида работы.

Батареи с алюминием в основе

Были исследованы следующие типы алюминиевых батарей:

1. Хлорно-алюминиевая батарея была запатентована ВВС США в 1970-х годах и разработана, в основном, для использования в военных целях. Они используют алюминиевые аноды и хлор на катодах из графитовой подложки. Для работы им требуются повышенные температуры.
2. Алюминиево-серная батарея крайне заинтересовала американских исследователей, хотя очевидно то, что они все еще далеки от массового производства. В 2016 году в Мэрилендском университете была впервые проведена демонстрация перезаряжаемой алюминиево-серной батареи.
3. Алюминиево-железно-оксидные, алюминиево-медно-оксидные, алюминиево-железно-гидроксидная батареи были предложены некоторыми исследователями для военных ГТС. Их плотность энергии составляет 455, 440 и 380 Вт*ч/кг соответственно.
4. Батарея с алюминием и двуокись марганца использует кислотный электролит. Вырабатываемое напряжение составляет 1,9 В. Другая вариация использует основание (гидроксид калия) в качестве анолита и серную кислоту – в качестве католита. Две части отделены тонкой непроницаемой пленкой во избежание смешения электролита в каждом из элементов в половинах батареи. Эта конфигурация дает напряжение в 2,6-2,85 В.
5. Алюминиево-стеклянная система. Как было сообщено в итальянском патенте от Байокки, в области взаимодействия между силикатным стеклом и алюминиевой фольгой (нет потребности в других компонентах) при температуре, близкой к точке плавления металла, вырабатывается электрическое напряжение вместе с проходящим током, когда система замкнута на активной нагрузке. Феномен впервые был замечен Байокки, а затем – А. Дэлль’Эра и другие коллеги начали исследование и составление характеристики данной электромеханической системы.

Источник

Что такое алюмоэнергетика

Евгений Иосифович Школьников,
кандидат технических наук, заведующий лабораторией алюмоводородной энергетики Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН
«Экология и жизнь» №7, 2010

alumoenergetics 1 600

Как часто люди, живущие в тесноте городских стен, мечтают вырваться на природу, но оказываются не в силах оторваться от банальной электрической розетки. Как часто в тесноте города не найти «свободных мощностей» для начала работы и самого малого предприятия. Помощь в решении могут оказать принципы водородной энергетики.

Задачи децентрализации энергетики

В настоящее время проблема энергосбережения и повышения экологичности генерирования электроэнергии становится особенно актуальной в связи с существенным удорожанием ископаемого топлива и ухудшением экологической обстановки. Также наблюдается тенденция к децентрализации энергетики, распространению систем на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и устареванию основных генерирующих и передающих мощностей. Такая ситуация привлекает внимание к разработке и производству источников автономного и аварийного энергоснабжения с улучшенными экологическими показателями.

Перспективным топливом будущего считается водород. Его преобразование в тепловую и электрическую энергию в тепловых машинах позволяет достичь более высоких температур парогазовых смесей, нежели для чистого природного газа, и тем самым существенно поднять КПД выработки энергии из этих смесей. Водородная энергетика сегодня — немаловажный компонент «зеленой» экономики, направленной на сокращение выбросов оксида и диоксида углерода в атмосферу.

Кроме того, водородно-воздушные топливные элементы различных типов давно вызывают интерес у энергетических и автомобильных компаний именно как перспективный высокоэффективный и экологический чистый источник энергии, так как выбросами при работе такой энергоустановки являются только пары воды и низкопотенциальное тепло, а электрический КПД лежит в диапазоне 35–60%. Тем не менее, пока проблема снабжения таких систем водородным топливом стоит не менее остро, чем проблема разработки самих систем. Водород является экологически чистым энергоносителем, но проблемы его производства, хранения и транспортировки, а также обеспечения безопасности этих процессов существенно повышают стоимость эксплуатации систем на топливных элементах. Все это делает разработку безопасных, эффективных и относительно дешевых источников водорода для топливных элементов и тепловых машин одной из наиболее актуальных задач.

Для России проблема децентрализации энергетики обостряется целым рядом климатических и географических особенностей. Во-первых, около 20 млн человек проживают на территориях, куда технически и экономически нецелесообразно распространение централизованных сетей. Во-вторых, в силу климатических условий практически во всех регионах нашей страны необходимо использовать когенерационные энергоустановки, т. е. производить не только электрическую, но и тепловую энергию. В настоящее время основным решением для децентрализованной генерации являются газопоршневые и газотурбинные установки (при наличии природного газа), а также дизель-генераторы, работающие на привозном топливе (в труднодоступных районах). К недостаткам последних следует отнести относительно низкий ресурс (при работе на мощности ниже номинальной), высокий уровень выбросов и расход топлива. Последнее, вкупе с трудностями его доставки, приводит к тому, что, по данным «Якутэнерго» за 2007 г., стоимость 1 кВтч электроэнергии в отдаленных районах Якутии достигала 60 руб. Недостатками применения газотурбинных и газопоршневых установок также являются повышенный уровень выбросов и, главное, потребность в наличии централизованной газовой сети.

Алюмоэнергетика

Учитывая весь комплекс вышеописанных проблем, в Объединенном институте высоких температур (ОИВТ) РАН под руководством академика А. Е. Шейндлина разрабатывается концепция алюмоэнергетики. 1 Она заключается в применении алюминия в качестве промежуточного энергоносителя в стационарных, транспортных и портативных приложениях. Подходами, развиваемыми для получения энергии, являются прямое электрохимическое окисление алюминия в воздушно-алюминиевых топливных элементах (ВАТЭ) и алюмоводородные технологии. В последнем случае алюминий химически окисляется водой, а затем полученный водород применяется как топливо в тепловых машинах и топливных элементах с выработкой тепловой и электрической энергии.

alumoenergetics 2 300

В рамках первого подхода специалистами ОИВТ РАН разработан ряд устройств, начиная от электрохимических датчиков различного назначения и заканчивая комбинированной энергоустановкой для электромобиля. Последняя включает в себя как электрохимический генератор на основе ВАТЭ, работающий в «крейсерском режиме», так и свинцово-кислотные аккумуляторы для покрытия пиковых нагрузок (трогание с места, подъемы) — см. рис. 1. Высокие удельные параметры и увеличенная дальность пробега объясняются частичной заменой свинцово-кислотных аккумуляторов базового варианта (удельная энергоемкость около 35 Вт·ч/кг) на ВАТЭ с гораздо более высокими характеристиками (270 Вт·ч/кг). Еще одной особенностью ВАТЭ является возможность обеспечения раздельного хранения электролита и топлива. Благодаря этому ВАТЭ имеют практически неограниченный срок хранения, что открывает широкие возможности для их использования в качестве источников резервного и аварийного питания.

Алюмоводородные технологии используются для решения задач децентрализованной генерации и в портативных энергоустановках. В портативных энергосистемах используется активированный алюминий. Обычно при нормальных условиях алюминий покрыт пассивирующей пленкой и поэтому не вступает в реакцию с водой. Использование же в портативных системах гражданского и специального назначения (зарядные устройства для сотовых телефонов, ноутбуков, плееров и др.), химически активных материалов (щелочи, кислоты) или высоких температур и давлений крайне нежелательно. Поэтому для таких систем были разработаны специальные микрогенераторы водорода (МГВ) сменного типа на основе реакции окисления водой сплавов алюминия с другими металлами. При этом специальная система мембран позволяет регулировать скорость выделения водорода за счет управления потоками воды в МГВ. При прекращении его потребления вода полностью вытесняется из зоны реакции за счет нарастания давления, что делает МГВ более безопасным. Выработанный водород поступает в батарею топливных элементов оригинальной конструкции, которая в свою очередь вырабатывает электроэнергию. На рис. 2 представлен прототип источника тока (зарядного устройства) для сотового телефона.

alumoenergetics 3 300

Следует отметить, что данная работа велась в рамках частно-государственного партнерства совместно с компанией ООО НИК «НЭП».

Проведенные расчеты показали, что зарядное устройство с одним МГВ проигрывает по технико-экономическим показателям сменному литий-ионному аккумулятору сотового телефона. Однако при длительной работе вне зоны действия стационарной электрической сети литий-ионные аккумуляторы необходимо либо заменять, либо заряжать от дополнительных первичных источников тока. В этом случае эксплуатация зарядного устройства со сменным МГВ начинает оправдывать себя после третьей-четвертой зарядки от МГВ при сравнимых массогабаритных характеристиках. Таким образом, основное применение зарядных устройств с МГВ — именно для систем, рассчитанных на длительную «полевую» работу, — рации, спутниковые телефоны, переносные фонари, ноутбуки и т. п.

При автономной работе алюмоводородных энергоустановок большой мощности водород не транспортируется непосредственно к потребителю, а генерируется на месте потребления по мере необходимости. Источником водорода является реакция алюминия с водой при повышенных температуре и давлении. В рамках практической реализации концепции в настоящее время в ОИВТ РАН изготовлена и проходит испытания когенерационная энергетическая установка КЭУ-10 (рис. 3) на номинальную производительность по водороду 10 м 3 (н.у.), использующая в качестве исходных реагентов воду и промышленные порошки алюминия. 2

Ядром установки является реактор, в котором при высоких давлении и температуре (до 15 МПа, 300–350°C) происходит окисление алюминия с получением водорода, бемита и выделением большого количества тепла. Данные элементно-структурного анализа продуктов реакции и термодинамические расчеты свидетельствуют, что реакция в данных условиях протекает по механизму, описываемому уравнением

2Al + 4H2O = 2AlOOH (бемит) + 3H2 + Q (

Полученная в результате реакции паро-водородная смесь направляется для преобразования тепла реакции в полезную тепловую энергию и конденсации паров воды. Часть тепловой энергии также отбирается от выходящей из реактора суспензии из бемита и воды. Водород преобразуется в электроэнергию в воздушно-водородном топливном элементе с твердополимерным электролитом, при этом часть электроэнергии используется для питания собственных нужд установки (насосов, дозаторов, компрессора). Результаты испытаний КЭУ-10 приведены в таблице.

alumoenergetics 4 300

Следует отметить, что реакция является сильно экзотермической, что позволяет реализовать принцип когенерации и получить большое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может быть использована для нужд теплофикации или (летнее время, южные районы) получения холода. Поэтому параллельно с работами по созданию экспериментальных образцов энергоустановок ведутся расчетно-аналитические исследования, направленные на разработку других перспективных схем преобразования энергии, запасенной в алюминии. При этом рассматриваются схемы не только с электрохимическим окислением водорода, но и со сжиганием его «традиционным» способом в камерах сгорания, турбинах и газопоршневых системах.

В качестве топлива в настоящее время используются порошки алюминия размером около 10 мкм. Помимо водорода в процессе реакции нарабатывается нанокристаллический гидроксид алюминия (бемит), являющийся ценным сырьем для ряда отраслей промышленности — производство катализаторов, антипиренов, искусственного сапфира, фильтрующих материалов, специальной керамики и порошковой металлургии. Путем высокотемпературного отжига бемит может быть преобразован в корунд или γ-оксид алюминия, область применения которых существенно шире.

С одной стороны, использование привозного алюминия является недостатком алюмоводородной технологии. С другой — при отсутствии местных источников энергии альтернатив не так уж и много — дизельное топливо и водород (упомянем также ВИЭ — солнце, ветер, биотопливо). В то же время алюминий может вырабатываться в Европейской части России на электроэнергии от АЭС, которые в связи с сокращением объемов промышленного производства не всегда загружены на полную мощность (и являются наименее маневренным видом электростанций).

Таким образом, алюминий может участвовать в распределении экологически чистой (по сравнению с ископаемыми топливами) энергии возобновляемых источников и АЭС и регулировании их генерирующей мощности. При этом наработанные оксиды снова возвращаются на алюминиевый завод для регенерации.

Альтернативные энергоносители для децентрализованной энергетики

Как уже говорилось ранее, перспективным топливом будущего является водород. Он же просматривается как средство буферизации и накопления энергии, позволяющее осуществлять регулировку работы станций на основе ВИЭ, и потенциальное топливо для автотранспорта.

Водород, как и алюминий, может быть доставлен к месту потребления и преобразован в полезную электрическую и тепловую энергию.

Водород может быть получен прямым электролизом воды электрическим током — так может решаться проблема хранения электроэнергии. Такая схема хранения может быть использована для регулирования работы электростанций как традиционного типа, так и на основе ВИЭ, в силу более высокой маневренности электролизера воды по сравнению с электролизером алюминия, который требует буферного накопителя из-за высокой чувствительности к изменению режимов работы. Однако на пути транспортировки баллонного водорода стоят серьезные ограничения, связанные с пожаро- и взрывоопасностью таких перевозок. Существует вариант с криогенным хранением водорода, но он также является не вполне безопасным и сопряжен с затратами на сжижение газа и последующими потерями при транспортировке за счет испарения. Достаточно широко распространен способ хранения водорода в гидридах интерметаллических и металлогидридных соединений, однако его существенным недостатком являются низкая емкость по водороду таких соединений (1–3%), высокая стоимость и малое количество циклов гидрирования-дегидрирования.

alumoenergetics 5 600

Традиционный вариант использования дизельного топлива помимо чисто экологических имеет и «энергетический» недостаток — плотность запасенной энергии меньше, чем у алюминия. Кроме того, алюминий в отличие от водорода и дизельного топлива более удобен при транспортировке (не огнеопасен, не текуч, не испаряется).

Дозагрузка АЭС позволит генерировать дешевую электроэнергию. Произведенное за счет такой электроэнергии алюминиевое топливо может стоить не более 9 руб. за 1 кг с учетом возврата продуктов окисления алюминия. Это позволит достичь стоимости вторичной энергии, сгенерированной на алюмоводородных установках, в пределах 1,2 руб./кВт·ч. Тепловая и электрическая энергия по такой цене могут оказаться вполне конкурентоспособными на энергетическом рынке (а учет затрат на северный завоз угля, мазута или дизельного топлива в еще большей степени повысит конкурентоспособность алюмоводородной схемы).

Применение алюмоводородных технологий в условиях плотной городской застройки

Одним из возможных направлений использования алюмоводородных установок в энергетических целях является их установка в местах, где традиционные энергоисточники не могут быть применены по экологическим соображениям, а коммуникации для удаленного энергоснабжения либо очень дороги, либо в принципе не могут быть проложены. Примером могут служить строящиеся (реконструируемые) объекты в центре мегаполисов, нуждающиеся в основном или дополнительном энергоснабжении.

В Москве, например, уже сейчас существует много зон, в которых сооружение новых коммуникаций практически невозможно, либо связано с капитальными затратами, многократно превышающими нормативные. Строительство автономных источников для энергообеспечения таких зон сталкивается с ограничением по выбросам и шумам. Поэтому энергообеспечение объектов капитального строительства таких зон обычно сталкивается с дилеммой: либо строительство автономных энергоисточников в ущерб состоянию окружающей среды, либо отказ от строительства объектов. Выходом из создавшейся ситуации могло бы стать сооружение автономных алюмоводородных энергоисточников, не требующих подведения коммуникаций и практически безвредных для окружающей среды.

За рубежом рядом научных групп также ведутся работы по получению из вторичного алюминия тепловой энергии и водорода для питания топливных элементов, однако в большинстве этих работ в качестве окислителя используется щелочь, что ухудшает экологию процесса, но позволяет отказаться от применения высоких температур и давлений. Такой подход позволяет решить сразу две проблемы — избавиться от части городских бытовых отходов и получить при этом полезную энергию.

Эффективность алюмоводородных установок большой и средней мощности

Развитием экспериментальной установки КЭУ-10 является опытно-промышленный образец энерготехнологического комплекса ЭТК-100, создание которого также в рамках вышеупомянутого контракта в настоящее время ведется в ОИВТ РАН. ЭТК-100 по сути станет усовершенствованным аналогом установки КЭУ-10 с увеличенными в 10 раз расходными характеристиками.

Для оценки эффективности работы ЭТК-100 в режиме автономной энергоустановки были проведены расчеты, учитывающие вклад различных факторов в стоимость получаемого водорода и электроэнергии: цена исходных порошков алюминия, получаемого бемита, горючего, расходуемого на перевозку автотранспортом топлива и продуктов реакции; дальность перевозки; зарплата персонала; капитальные затраты на строительство одной установки.

Было принято, что электроэнергия вырабатывается из водорода посредством электрохимического генератора на основе водородно-воздушных топливных элементов мощностью 100–200 кВт и ресурсом работы 40 000 ч, требуемым Министерством энергетики США для стационарных энергоустановок (такие требования уже достигнуты фирмой «UTC Power» на фосфорнокислых топливных элементах). Расчеты показали, что себестоимость получаемого водорода и/или электроэнергии и эффективность работы установки в основном определяются соотношением цен на исходные порошки и продукты реакции. Существенным оказывается и вклад транспортной составляющей. Так, при цене исходного сырья 3 долл./кг, а бемита — 2,7 долл./кг и дальности перевозок 200 км стоимость энергии (при норме прибыли 10%) составляет 3,82 руб./кВт·ч. При увеличении дальности перевозки стоимость существенно возрастает, тем не менее при определенных условиях (сбыт большого количества бемита по высоким ценам) прибыль существенно превышает расходы. При этом бемит, естественно, выводится из алюминиевого цикла.

Однако необходимо иметь в виду, что рынок высококачественного бемита большой стоимости ограничен. В основном такой бемит используется для производства лейкосапфиров, в порошковой металлургии и некоторых видах специальной керамики. Продажа бемита на предприятие, производящее алюминий, не обеспечит должной доходности от эксплуатации установки. Поэтому при применении данных систем следует ориентироваться на такие сегменты рынка, как изолированные энергосистемы удаленных регионов, объекты с повышенными требованиями к экологичности и шумности энергоустановок, объекты в условиях плотной городской застройки, предприятия — потребители бемита или водорода. Также необходимо работать в направлении снижения стоимости исходного сырья. В ОИВТ РАН ведутся поисковые работы по схемам высоко- и низкотемпературного окисления вторичного алюминия, алюминиевого лома, отказа от применения порошков.

Выводы

Разрабатываемые технологии алюмоводородной энергетики могут быть применены как в «водородной экономике» будущего в качестве эффективного и безопасного способа транспортировки водорода и запасаемой энергии, так и в качестве дополнения существующих энергосистем в регионах, где отсутствуют централизованная газовая сеть или местные виды топлива. Применение алюминия для генерации водорода и энергии позволяет снизить нагрузку на окружающую среду. Эффективность применения подобных установок во многом определяется стоимостью исходного сырья и побочных продуктов реакции, а также наличием или отсутствием конкурирующих решений по централизованному энергоснабжению потребителей.

1 Алюмоводородная энергетика / Под ред. акад. РАН А. Е. Шейндлина. — М.: ОИВТ РАН, 2007.
2 Работа поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям (государственный контракт № 02.526.12.6010).
3 См.: Dr. Kerry-Ann Adamson. 2008 Small Stationary на сайте FuelCellToday.

Источник

Adblock
detector