Энергия металла

17.09.12 09:21

Как металл может быть источником электроэнергии? В Объединенном институте высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН, Москва), где под руководством академика А.Е. Шейндлина ведутся исследования по алюмоводородной энергетике, знают ответ на этот вопрос.

По мнению ученых, алюминий по своему энергетическому потенциалу очень близок к водороду, считающемуся сегодня перспективным топливом. При этом алюминий лишен недостатков, свойственных водороду (чрезвычайно малая плотность газа и взрывоопасность). Когда речь идет о хранении и транспортировке водорода, возникает масса вопросов, связанных с безопасностью. Также до сих пор не существует простого и недорогого способа производства водорода в массовых количествах из возобновляемых ресурсов.

Алюминий же по распространенности в природе стоит на первом месте среди металлов и на третьем, после кислорода и кремния, среди химических элементов. В обычных условиях алюминий химически инертен. Причем продукты его окисления можно вторично использовать для восстановления металла, поэтому нет необходимости значительно расширять добычу алюмосодержащих ископаемых.

Существует две концепции использования алюминия в качестве промежуточного энергоносителя. Первая предполагает прямое электрохимическое окисление в воздушно-алюминиевых топливных элементах (ВАТЭ). Вторая — химическое окисление алюминия водой с целью получения водорода, который затем используется как топливо (алюмоводородные технологии). Рассмотрим каждую из них подробнее.

 

Гибридная энергоустановка для электромобиля на основе ВА ЭХГ

 

Электрохимическое окисление

«Специалисты ОИВТ РАН разработали серию воздушно-алюминиевых топливных элементов. Такой элемент имеет расходуемый анод из низколегированного алюминиевого сплава и пористый катод с катализатором на основе активированного угля. Анод и катод разделены щелочным электролитом. На практике термодинамический КПД такого элемента достигал 55%», — пишут Александр Шейндлин, академик, почетный директор ОИВТ РАН, и Андрей Жук, д.т.н., зам. директора по научной работе.

Институтом новых энергетических проблем ОИВТ РАН выполнено несколько разработок на основе ВАТЭ, имеющих практическое применение.

Первая — это портативное устройство для заряда аккумуляторов мобильных телефонов. Номинальное напряжение зарядного устройства 4,2 В, вес 200 г. При нажатии на кнопки, расположенные на крышке устройства, происходит прокол мембран, заливается электролит. Чтобы он равномерно распределился, устройство надо наклонить на несколько секунд, после чего можно ставить телефон на зарядку.

Другая разработка — фонарь-прожектор с перезаряжаемой в полевых условиях батареей воздушно-алюминиевой системы. Энергоемкость батареи ВАТЭ с солевым электролитом — 70 А·ч. Перезаряд идет в течение 2-3 минут путем замены электролита и/или анодов. Масса фонаря с электролитом 1,37 кг, запаса электролита достаточно для работы фонаря в течение 8 часов. Аноды обеспечат работу фонаря в течение 120 часов непрерывной работы. Стоимость генерируемой ВАТЭ энергии определяется стоимостью анодов и, по расчетам специалистов, составляет порядка 0,04 руб./Вт·ч., что значительно ниже, чем в фонарях с сухими одноразовыми батареями. Ожидаемая себестоимость фонаря при серийном производстве составит 350 руб.

 

Зарядное устройство для телефона с алюмоводным микрогенератором водорода

 

В движении и резерве

Однако практическое приложение концепции прямого элетрохимического окисления не ограничивается питанием небольших устройств, вроде телефона или фонарика. В ОИВТ РАН разработан электрохимический генератор на основе воздушно-алюминиевых топливных элементов с щелочным электролитом (ВА ЭХГ) мощностью 1,75 кВт для электромобиля.

ВА ЭХГ состоит из воздушно-алюминиевой батареи, контуров циркуляции электролита и подачи воздуха, которые включают в себя насос, бак для электролита и вентилятор. Перезаряд генератора происходит за счет замены анодов и щелочного электролита.

Удельная энергия ВА ЭХГ — 270 Вт·ч/кг, что в 3-5 раз больше, чем у традиционных электрохимических источников. Срок сохранности батареи в резерве до приведения в действие 15-20 лет. При напряжении 24-27 В номинальный постоянный ток разряда составит 60 А. При этом токе ВА ЭХГ сможет непрерывно генерировать электроэнергию в течение 10 часов.

Ожидаемая себестоимость ВА ЭХГ при серийном производстве составит 5-6 тыс. руб., а стоимость генерируемой в нем электроэнергии определяется стоимостью анодов и оценивается приблизительно 0,06 руб./Вт·ч, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой воздушно-водородными топливными элементами и значительно ниже, чем в других одноразовых резервных батареях.

На основе ВА ЭХГ разработана гибридная энергоустановка для электромобиля, включающая аккумуляторы и суперконденсаторы . Она обеспечивает покрытие пиковой мощности при разгоне и подъеме до 11,5 кВт, а также накопление регенерируемой энергии торможения. Запас энергии комбинированной энергоустановки обеспечивает пробег электромобиля в соответствии с международным городским циклом в 3-5 выше, чем у аккумуляторных электромобилей.

ВА ЭХГ может использоваться и в качестве стационарной энергоустановки. Благодаря длительному сроку сохранности батареи до приведения в действие, ее применение оправданно в автономных резервных источниках питания. Активация генератора в чрезвычайной ситуации позволит обеспечить питанием системы освещения, коммуникации и связи, электроинструмент.

 

Экспериментальная когенерационная энергоустановка КЭУ-10

 

Алюмоводородные технологии

Вторая концепция выработки электроэнергии предполагает окисление алюминия водой. В ходе реакции образуются водород и тепловая энергия. В ОИВТ РАН разработаны портативные источники тока на основе алюмоводных генераторов водорода для мобильных телефонов и ноутбуков. 

В данном случае электронное устройство питается от «свободно дышащих водородно-воздушных топливных элементов» (СД ВВТЭ), разработкой которых так же занимается ОИВТ РАН. Алюмоводородные технологии же лежат в основе принципа действия микрогенераторов водорода для СД ВВТЭ. 

Микрогенератор водорода — устройство с одноразовым заменяемым картриджем, помещенным в герметичный корпус, который имеет штуцер для выхода водорода, направляющегося в топливный элемент. Картридж состоит из двух частей: контейнера с водой и ячейки с активированным алюминием. Вода находится в специальных влаговпитывающих материалах, расположенных в контейнере. Активированный алюминий находится в виде порошка.

Обе части разделены мембранным элементом с заданной пористой структурой. В режиме хранения реагенты разделены специальной влагонепроницаемой перегородкой во избежание контакта алюминия с водой или ее парами. Для получения водорода необходимо привести в контакт обе части картриджа, в результате чего вода через мембрану начинает поступать к реагенту с определенной скоростью, которая и определяет производительность микрогенератора водорода.

Несомненные достоинства такого картриджа в том, что он безопасен в хранении, дешев и легко сменяем. Энергоемкость микрогенератора водорода на единицу массы изделия — 200 Вт·ч/кг, то есть устройство может обеспечивать высокую мощность при достаточно миниатюрных размерах.

Помимо портативных источников тока в Институте разрабатывают серию стационарных энергетических установок разной мощности, вырабатывающих тепло и электроэнергию при окислении частиц мелкодисперсного алюминия водяным паром.

«При автономной работе алюмоводородных энергоустановок большой мощности водород не транспортируется непосредственно к потребителю, а генерируется на месте потребления по мере необходимости, — пишет Евгений Школьников, к.т.н., заведующий лабораторией алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН. — 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 на номинальную производительность по водороду 10 м? (н.у.), использующая в качестве исходных реагентов воду и промышленные порошки алюминия».

У такой разработки сразу несколько плюсов — при ее эксплуатации нет затрат на технически сложную с точки зрения безопасности транспортировку водорода, а когенерационный эффект установки чрезвычайно востребован в российских климатических условиях. Помимо водорода в процессе реакции в установках подобных КЭУ-10 нарабатывается нанокристаллический гидроксид алюминия (бемит). Это ценное сырье для производства катализаторов, антипиренов, искусственного сапфира, фильтрующих материалов, специальной керамики и др. Путем высокотемпературного отжига бемит может быть преобразован в корунд или ?-оксид алюминия, область применения которых существенно шире.

 

Где пригодится?

В ОИВТ РАН убеждены, что алюмоводородная энергетика — перспективное направление. Тому есть ряд причин. Все острее встают проблемы экологии и энергетической безопасности. Традиционные углеводороды постоянно растут в цене, а в отдаленной перспективе и вовсе будут исчерпаны, стареют основные генерирующие и передающие мощности. Вследствие этого растет интерес к источникам автономного и аварийного энергоснабжения, имеющим минимальное воздействие на экологию. И источники энергии, в основе принципа действия которых лежат алюмоводородные технологии, вполне соответствуют требованиям времени.

«Традиционный вариант использования дизельного топлива помимо чисто экологических имеет и «энергетический» недостаток — поясняет Е. Школьников. — 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».

Специалисты считают, что алюмоводородные установки могут быть востребованы там, где использование традиционных энергоносителей неприемлемо из-за экологических показателей, а прокладка электросети экономически невыгодна или невозможна.

За рубежом 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.

«Разрабатываемые технологии алюмоводородной энергетики могут быть применены как в «водородной экономике» будущего в качестве эффективного и безопасного способа транспортировки водорода и запасенной 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», — делает вывод Е. Школьников.

 

Кира Патракова

С использованием публикаций и информационных ресурсов Объединенного института высоких температур РАН

Фото ОИВТ РАН

На первой фото: электромобили, работающие с использованием алюмоводородных технологий

Читайте также: