ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 80, № 3, с. 218-224
ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
Многие годы учёные всего мира решают проблему: как удовлетворить насущные потребности человечества в электроэнергии и тепле. В статье рассказывается о возможностях применения алюминия в данной области. Авторы уверены, что использование этого металла в новых энергетических установках решит множество проблем традиционной и водородной энергетики.
АЛЮМОВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
А.Е. Шейндлин, А.З. Жук
Необходимые человечеству электроэнергия и тепло производятся главным образом из ископаемого органического топлива: угля, нефти и природного газа. Среди возобновляемых источников преобладают гидроэнергетические системы, расширяется производство энергии из биомассы. Все эти источники, как правило, определяются местом производства (добычи) энергии и в большей или меньшей степени их использование связано с нежелательными воздействиями на окружающую среду.
Распределение требуемой электроэнергии независимо от места её производства часто бывает весьма эффективно благодаря развитию систем электропередачи. В нашей стране с учётом её протяжённости эти системы работают весьма успешно. Тепло же обычно либо потребляется непосредственно на месте его производства, либо передаётся потребителю на расстояние, не превышающее десятков километров.
Многие частные задачи энергетики решаются благодаря переработке ископаемых топлив во
Авторы работают в Объединённом институте высоких температур РАН. ШЕЙНДЛИН Александр Ефимович — академик, почётный директор. ЖУК Андрей Зиновьевич — доктор физико-математических наук, заместитель директора.
вторичные энергоносители. Они удобнее для использования в различных ситуациях, к тому же обеспечивают более эффективную работу соответствующих энергетических установок. Эти альтернативные энергоносители, основанные на переработке ископаемых топлив или на использовании получаемой исходной электроэнергии и тепла, применяются также в ряде технологических процессов. В последние годы обсуждалась перспектива использования в качестве такого вторичного энергоносителя водорода, который может быть произведён путём переработки органических природных топлив или же электролиза воды за счёт излишков электроэнергии, возникающих в рамках суточного графика потребления.
Водороду, имеющему среди известных веществ высочайший энергетический потенциал (рис. 1), присущи два недостатка, на которые обращали внимание очень разные, но, безусловно, замечательные наши соотечественники — К.Э. Циолковский и создатель ракетных двигателей академик В.П. Глушко, — это чрезвычайно малая плотность газа и его взрывоопасность. Тем не менее водород может весьма эффективно применяться в топливных элементах — устройствах для производства электроэнергии в ходе электрохимических процессов. Наиболее увлечённые специалисты поговаривают даже о переходе к так называемой водородной экономике.
Проблемы водородной энергетики заслуживают внимания, однако, по нашему мнению, ни в коем случае нельзя забывать об указанных выше недостатках водорода как энергоносителя. Именно данное обстоятельство заставляет обратить внимание на тот факт, что по энергетическому потенциалу в относительной близости к водороду находится другой химический элемент, широко распространённый в природе, — алюминий, производство которого весьма масштабно во всём в мире, в том числе и в нашей стране. Как и водород, алюминий может быть использован в качестве вторичного энергоносителя, либо непосред-
ственно для производства электроэнергии с помощью воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов (ЭХГ), либо в качестве промежуточного энергоносителя для производства водорода на месте потребления. В последнем случае применяется реакция окисления алюминия в воде. В ходе реакции выделяется водород и тепловая энергия, которую также можно использовать для производства электроэнергии, в частности с помощью тепловых машин традиционного типа.
Содержание алюминия в земной коре достаточно велико — 8.8 % масс. По распространённости он занимает первое место среди металлов и третье место (после кислорода и кремния) среди химических элементов. В нормальных условиях алюминий инертен, так как при взаимодействии с кислородом воздуха покрывается тонкой оксидной плёнкой. Продукты электрохимического или химического окисления (гидроокись и окись алюминия) легко включаются в цикл Байера, широко используемый в промышленности при производстве этого металла.
Между концепцией водородной энергетики и предлагаемым здесь подходом, который мы назвали "алюмоводородная энергетика", есть аналогия. Как и водород, алюминий производится из природного сырья, запасы которого весьма велики. Как и в случае водорода, основные затраты при производстве алюминия связаны с расходом электроэнергии — на её стоимость приходится 70—90% общих затрат.
Существенное достоинство водорода как энергоносителя состоит в практической неисчерпаемости его запасов. Сравнивая два эти элемента, необходимо иметь в виду, что при условии возвращения продуктов окисления алюминия в цикл его производства нет необходимости в значительном расширении добычи бокситов и других алю-минийсодержащих ископаемых, по крайней мере, в условиях стабильного уровня потребления алюминия в качестве энергоносителя. Полученный электролизом алюминий транспортируется и используется для производства электроэнергии и тепла в регионе, где к этому процессу предъявляются повышенные экологические требования. Продукты окисления возвращаются на место изготовления металла для восстановления (рис. 2). Наконец, широкое распространение энергоустановок, использующих в качестве топлива алюминий и его сплавы, позволяет энергетически эффективно решить проблему утилизации вторичного алюминия.
Производство электроэнергии непосредственно в электрохимическом процессе с использованием алюминия. В течение нескольких последних лет в Объединённом институте высоких температур (ОИВТ РАН) проведён комплекс научных и
Н - 120.6 кДж/г
Рис. 1. Количество тепла (0, выделяющееся при горении в кислороде единицы массы элемента с порядковым номером N
опытно-конструкторских работ, позволивших создать установки для производства электроэнергии в прямом электрохимическом процессе, где в качестве анода применяется алюминий, являющийся расходным "топливом", и катод, использующий атмосферный воздух.
Результатом этих работ стала серия электроге-нерирующих устройств, основой которых служат модули воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов (ЭХГ) мощностью около 1.5 кВт. Модуль ЭХГ представляет собой набор 20 воздушно-алюминиевых топливных элементов, снабжённых системами циркуляции и очистки электролита, системой охлаждения и системой подачи воздуха к катодам топливных элементов.
Воздушно-алюминиевый топливный элемент имеет расходуемый анод из низколегированного алюминиевого сплава (99.5% масс. А1) и пористый катод (воздушный электрод) с катализатором на основе активированного угля. Анод и катод разделены электролитом на базе водного раствора щё-
Производство электроэнергии и тепла
Сбор отходов энергетического производства: А1(ОН)3, А100Н, А1203 и т.д.
Рис. 2. Схема использования алюминия и его сплавов в качестве энергоносителей
Производство алюминия
12е
А1
NaOH
6Н2О
240Н-
4А1(ОН)3- ^ 4А1(ОН)3^ + 120Н-
120Н-
зо2
мических реакций, протекающих в процессе окисления алюминия, представлены ниже:
2А1 + 6Н20 = 2А1(ОН)3 (байерит) + 3Н2 + 03
(16.3 МДж/кг А1), (2)
2А1 + 4Н20 = 2А100Н (бемит) + 3Н2 + 02
(15.5 МДж/кг А1), (3)
2А1 + 3Н20 = А1203 (оксид) + 3Н2 + 01 (15.1 МДж/кг А1).
(4)
Рис. 3. Схема рабочего процесса в воздушно-алюминиевом элементе с щелочным электролитом
лочи (рис. 3). Суммарный токообразующий процесс описывается уравнением:
4А1 + 302 + 6Н20 + 12ШОН = 4Ш3А1(ОН)6. (1)
Термодинамический коэффициент полезного действия элемента составляет 92%. На практике значения достигали 55%.
Набор модулей ЭХГ в комбинации с буферными накопителями энергии может применяться в установках стационарного и транспортного назначения мощностью до 50 кВт. В зависимости от заданных энергии, мощности, необходимой степени рекуперации энергии торможения (в транс-потрных системах), а также стоимостных ограничений в качестве буферного накопителя могут использоваться свинцово-кислотные аккумуляторы, более дорогие, но и более эффективные литий-ионные батареи или же суперконденсаторы.
В настоящее время модули успешно применяются для замены аккумуляторных источников энергии на различных серийно выпускаемых электромобилях. В частности, использование воздушно-алюминиевого модульного источника на гольф-каре марки EZGO позволило снизить его снаряжённую массу на 25% и увеличить запас хода в 3 раза.
Производство энергии на основе процесса окисления алюминия в воде. Как мы уже говорили, алюминий может использоваться в качестве промежуточного энергоносителя для получения водорода, тепловой энергии и бай-продуктов в виде окисдов и гидроксидов алюминия. Далее, водород и тепловая энергия с помощью тепловых двигателей и/или топливных элементов могут быть преобразованы в электроэнергию. Уравнения хи-
Применение алюминия в качестве промежуточного энергоносителя для получения водорода было реализовано в низкотемпературных алюмо-водных генераторах водорода (реакция 2). Генератор в паре с водородно-воздушными топливными элементами, имеющими твёрдый полимерный электролит типа №йоп, образуют компактные источники тока. В ОИВТ РАН разработан внешний источник питания для зарядных устройств сотовых телефонов с номинальной мощностью 2 Вт и внешний источник питания ноутбуков с номинальной мощностью 30 Вт [1]. Основным элементом таких источников служит оригинальный генератор водорода, представляющий собой встраиваемый в источник питания картридж. Картридж безопасен при хранении, дёшев и легко сменяем. Он состоит из контейнера с водой и ячейки с активированным алюминием. Картриджи различных конструкций отличаются формой, размерами, объёмом и энергоёмкостью. Однако их принцип действия одинаков и основан на получении водорода из воды в ходе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.