Что такое алюмоэнергетика

Что такое алюмоэнергетикаКонцепция алюмоэнергетики 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.

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).

 

Общий вид комбинированной энергоустановки на борту электромобиля

Общий вид комбинированной энергоустановки на борту электромобиля


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.

 

Внешнее зарядное устройство для сотового телефона

Прототип источника тока (зарядного устройства) для сотового телефона

 

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 м3 (н.у.), использующая в качестве исходных реагентов воду и промышленные порошки алюминия.

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 (~15,5 МДж/кг Al)

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.

Внешнее зарядное устройство для сотового телефона

Экспериментальная когенерационная установка КЭУ-10

 

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 ?-оксид алюминия, область применения которых существенно шире.

Получаемый на установке водород удовлетворяет требованиям ГОСТ 3022-80 (марка «Б»). Использование для генерирования электроэнергии электрохимического генератора на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом обеспечивает высокую экологичность процесса генерации электроэнергии — единственными выбросами в данном случае являются пары воды при температуре 60°C. Предложенная схема позволяет обеспечить автономное или аварийное снабжение потребителя электрической и тепловой энергией. Известны попытки применения топливных элементов для нужд резервного энергообеспечения3, однако за рубежом, да и в России в качестве источника водорода для таких установок используются баллоны с водородом под высоким давлением. Хранение и транспортировка таких баллонов подпадают под целый ряд ограничений надзорного характера, а хранение больших объемов водорода вблизи жилых помещений в России и вовсе запрещено. В предложенной схеме генерирование водорода происходит непосредственно перед его потреблением. Автономный запуск энергоустановки осуществляется от блока свинцово-кислотных аккумуляторов, что позволяет полностью отказаться от хранения водорода в баллонах.

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.

 

Источник: www.ecolife.ru

{social}

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *