Як часто люди, що живуть у тісноті міських стін, мріють вирватися на природу, але виявляються не в силах відірватися від банальної електричної розетки. Як часто в тісноті міста не знайти «вільних потужностей» для початку роботи і самого малого підприємства. Допомога в рішенні можуть надати принципи водневої енергетики.
Завдання децентралізації енергетики

В даний час проблема енергозбереження і підвищення екологічності генерування електроенергії стає особливо актуальною у зв'язку з істотним подорожчанням викопного палива і погіршенням екологічної обстановки. Також спостерігається тенденція до децентралізації енергетики, поширенню систем на основі поновлюваних джерел енергії (ВДЕ) і старіння основних генеруючих і передавальних потужностей. Така ситуація привертає увагу до розробки і виробництва джерел автономного та аварійного енергопостачання з поліпшеними екологічними показниками.

Перспективним паливом майбутнього вважається водень. Його перетворення в теплову і електричну енергію в теплових машинах дозволяє досягти більш високих температур парогазових сумішей, ніж для чистого природного газу, і тим самим істотно підняти ККД вироблення енергії з цих сумішей. Воднева енергетика сьогодні – важливий компонент «зеленої» економіки, спрямованої на скорочення викидів оксиду та діоксиду вуглецю в атмосферу.

Крім того, воднево-повітряні паливні елементи різних типів давно викликають інтерес у енергетичних і автомобільних компаній саме як перспективний високоефективний і екологічний чистий джерело енергії, так як викидами при роботі такої енергоустановки є лише пари води і низькопотенційне тепло, а електричний ККД лежить в діапазоні 35 -60%. Тим не менш, поки проблема постачання таких систем водневим паливом стоїть не менш гостро, ніж проблема розробки самих систем. Водень є екологічно чистим енергоносієм, але проблеми його виробництва, зберігання і транспортування, а також забезпечення безпеки цих процесів суттєво підвищують вартість експлуатації систем на паливних елементах. Все це робить розробку безпечних, ефективних і відносно дешевих джерел водню для паливних елементів і теплових машин однієї з найбільш актуальних завдань.

Для нас проблема децентралізації енергетики загострюється цілим рядом кліматичних та географічних особливостей. По-перше, більшість людей проживають на територіях, куди технічно і економічно недоцільно поширення централізованих мереж. По-друге, в силу кліматичних умов практично у всіх регіонах нашої країни неохідно використовувати когенераційні енергоустановки, тобто виробляти не тільки електричну, але і теплову енергію. В даний час основним рішенням для децентралізованої генерації є газопоршневі і газотурбінні установки (за наявності природного газу), а також дизель-генератори, що працюють на привізній паливі (у важкодоступних районах). До недоліків останніх слід віднести відносно низький ресурс (при роботі на потужності нижче номінальної), високий рівень викидів і витрата палива. Останнє, укупі з труднощами його доставки, призводить до того, що, за даними «Якутенерго» за 2007 р., вартість 1 кВтг електроенергії у віддалених районах Якутії досягала 60 крб. Недоліками застосування газотурбінних і газопоршневих установок також є підвищений рівень викидів і, головне, потреба в наявності централізованої газової мережі.
Алюмоенергетіка

Враховуючи весь комплекс вищеописаних проблем, в Об'єднаному інституті високих температур (ОІВТ) РАН під керівництвом академіка А. Е. Шейндлін розробляється концепція алюмоенергетікі.1 Вона полягає в застосуванні алюмінію в якості проміжного енергоносія в стаціонарних, транспортних і портативних додатках. Підходами, що розвиваються для отримання енергії, є пряме електрохімічне окислення алюмінію в повітряно-алюмінієвих паливних елементах (ВАТЕ) і алюмоводородние технології. В останньому випадку алюміній хімічно окислюється водою, а потім отриманий водень застосовується як паливо в теплових машинах і паливних елементах з виробленням теплової та електричної енергії.

У рамках першого підходу фахівцями ОИВТ РАН розроблено ряд пристроїв, починаючи від електрохімічних датчиків різного призначення і закінчуючи комбінованої енергоустановкою для електромобіля. Остання включає в себе як електрохімічний генератор на основі ВАТЕ, працює в «крейсерському режимі», так і свинцево-кислотні акумулятори для покриття пікових навантажень (рушання з місця, підйоми) – див. рис. 1. Високі питомі параметри і збільшена дальність пробігу пояснюються частковою заміною свинцево-кислотних акумуляторів базового варіанту (питома енергоємність близько 35 Вт · год / кг) на ВАТЕ з набагато більш високими характеристиками (270 Вт · год / кг). Ще однією особливістю ВАТЕ є можливість забезпечення роздільного зберігання електроліту і палива. Завдяки цьому ВАТЕ мають практично необмежений термін зберігання, що відкриває широкі можливості для їх використання в якості джерел резервного та аварійного живлення.

Алюмоводородние технології використовуються для вирішення завдань децентралізованої генерації і в Портативних енергоустановках. У портативних енергосистемах використовується активоване алюміній. Зазвичай при нормальних умовах алюміній покритий пассивирующее плівкою і тому не вступає в реакцію з водою. Використання ж в портативних системах цивільного і спеціального призначення (зарядні пристрої для стільникових телефонів, ноутбуків, плеєрів та ін), хімічно активних матеріалів (луги, кислоти) або високих температур і тисків вкрай небажано. Тому для таких систем були розроблені спеціальні мікрогенератори водню (МГВ) змінного типу на основі реакції окислення водою сплавів алюмінію з іншими металами. При цьому спеціальна система мембран дозволяє регулювати швидкість виділення водню за рахунок управління потоками води в МГВ. При припиненні його споживання вода повністю витісняється із зони реакції за рахунок наростання тиску, що робить МГВ більш безпечним. Вироблений водень надходить в батарею паливних елементів оригінальної конструкції, яка в свою чергу виробляє електроенергію. На рис. 2 представлений прототип джерела струму (зарядного пристрою) для стільникового телефону.

Слід зазначити, що дана робота велася в рамках приватно-державного партнерства спільно з компанією ТОВ НІК «НЕП».

Проведені розрахунки показали, що зарядний пристрій з одним МГВ програє за техніко-економічними показниками змінному літій-іонному акумулятору стільникового телефону. Однак при тривалій роботі поза зоною дії стаціонарної електричної мережі літій-іонні акумулятори необхідно або замінювати, або заряджати від додаткових первинних джерел струму. У цьому випадку експлуатація зарядного пристрою зі змінним МГВ починає виправдовувати себе після третьої-четвертої зарядки від МГВ при порівнянних масогабаритних характеристиках. Таким чином, основне застосування зарядних пристроїв з МГВ – саме для систем, розрахованих на тривалу «польову» роботу, – рації, супутникові телефони, переносні ліхтарі, ноутбуки і т. п.

При автономній роботі алюмоводородних енергоустановок великої потужності водень не транспортується безпосередньо до споживача, а генерується на місці споживання в міру необхідності. Джерелом водню є реакція алюмінію з водою при підвищених температурі й тиску. У рамках практичної реалізації концепції в даний час в ОИВТ РАН виготовлена і проходить випробування когенераційна енергетична установка КЕУ-10 (рис. 3) на номінальну продуктивність за воднем 10 м3 (н.у.), що використовує в якості вихідних реагентів воду і промислові порошки алюмінію .2

Ядром установки є реактор, в якому при високих тискуії і температурі (до 15 МПа, 300-350 ° C) відбувається окислення алюмінію з отриманням водню, беміт і виділенням великої кількості тепла. Дані елементно-структурного аналізу продуктів реакції і термодинамічні розрахунки свідчать, що реакція в даних умовах протікає за механізмом, описуваного рівнянням

2Al + 4H2O = 2AlOOH (беміт) + 3H2 + Q (~ 15,5 МДж / кг Al)

Отримана в результаті реакції паро-воднева суміш направляється для перетворення тепла реакції в корисну теплову енергію і конденсації водяної пари. Частина теплової енергії також відбирається від виходить з реактора суспензії з беміт і води. Водень перетворюється в електроенергію в повітряно-водневому паливному елементі з твердополімерним електролітом, при цьому частина електроенергії використовується для живлення власних потреб установки (насосів, дозаторів, компресора). Результати випробувань КЕУ-10 наведено в таблиці.

Слід зазначити, що реакція є сильно екзотермічної, що дозволяє реалізувати принцип когенерації та отримати велику кількість теплової енергії, яка в подальшому може бути використана для потреб теплофікації або (літній час, південні райони) отримання холоду. Тому паралельно з роботами по створенню експериментальних зразків енергоустановок ведуться розрахунково-аналітичні дослідження, спрямовані на розробку інших перспективних схем перетворення енергії, запасеної в алюмінії. При цьому розглядаються схеми не тільки з електрохімічним окисленням водню, а й зі спалюванням його «традиційним» способом у камерах згоряння, турбінах і газопоршневих системах.

В якості палива в даний час використовуються порошки алюмінію розміром близько 10 мкм. Крім водню в процесі реакції напрацьовується нанокристалічних гідроксид алюмінію (беміт), що є цінною сировиною для низки галузей промисловості – виробництво каталізаторів, антипіренів, штучного сапфіра, фільтруючих матеріалів, спеціальної кераміки та порошкової металургії. Шляхом високотемпературного відпалу беміт може бути перетворений в корунд або γ-оксид алюмінію, область застосування яких істотно ширше.

Одержуваний на установці водень задовольняє вимогам ГОСТ 3022-80 (марка «Б»). Використання для генерування електроенергії електрохімічного генератора на основі паливних елементів з твердополімерним електролітом забезпечує високу екологічність процесу генерації електроенергії – єдиними викидами в даному випадку є пари води при температурі 60 ° C. Запропонована схема дозволяє забезпечити автономне або аварійне постачання споживача електричною і тепловою енергією. Відомі спробизастосування паливних елементів для потреб резервного енергообеспеченія3, однак за кордоном, та й у Росії в якості джерела водню для таких установок використовуються балони з воднем під високим тиском. Зберігання та транспортування таких балонів підпадають під цілий ряд обмежень наглядового характеру, а зберігання великих обсягів водню поблизу житлових приміщень у Росії і зовсім заборонено. У запропонованій схемі генерування водню відбувається безпосередньо перед його споживанням. Автономний запуск енергоустановки здійснюється від блоку свинцево-кислотних акумуляторів, що дозволяє повністю відмовитися від зберігання водню в балонах.

З одного боку, використання привізної алюмінію є недоліком алюмоводородной технології. З іншого – при відсутності місцевих джерел енергії альтернатив не так вже й багато – дизельне паливо і водень (згадаємо також ВДЕ – сонце, вітер, біопаливо). У той же час алюміній може вироблятися в Європейській частині Росії на електроенергії від АЕС, які у зв'язку зі скороченням обсягів промислового виробництва не завжди завантажені на повну потужність (і є найменш маневреним видом електростанцій).

Таким чином, алюміній може брати участь у розподілі екологічно чистої (в порівнянні з викопними паливами) енергії поновлюваних джерел та АЕС і регулюванні їх генеруючої потужності. При цьому напрацьовані оксиди знову повертаються на алюмінієвий завод для регенерації.

Альтернативні енергоносії для децентралізованої енергетики

Як вже говорилося раніше, перспективним паливом майбутнього є водень. Він же проглядається як засіб буферизації та накопичення енергії, що дозволяє здійснювати регулювання роботи станцій на основі ВДЕ, і потенційне паливо для автотранспорту.

Водень, як і алюміній, може бути доставлений до місця споживання і перетворений в корисну електричну та теплову енергію.

Водень може бути отриманий прямим електроліз води електричним струмом – так може вирішуватися проблема зберігання електроенергії. Така схема зберігання може бути використана для регулювання роботи електростанцій як традиційного типу, так і на основі ВДЕ, в силу більш високої маневреності електролізера води в порівнянні з електролізером алюмінію, який вимагає буферного накопичувача із-за високої чутливості до зміни режимів роботи. Однак на шляху транспортування балонного водню стоять серйозні обмеження, пов'язані з пожежо-і вибухонебезпечність таких перевезень. Існує варіант із криогенним зберіганням водню, але він також є не цілком безпечним і пов'язаний з витратами на зріджування газу і наступними втратами при транспортуванні зарахунок випаровування. Досить широко поширений спосіб зберігання водню в гідридах інтерметалічних і металогідридних сполук, однак його істотним недоліком є низька ємність за воднем таких сполук (1-3%), висока вартість і мала кількість циклів гідрування-дегидрирования.

Традиційний варіант використання дизельного палива крім суто екологічних має і «енергетичний» недолік – щільність запасеної енергії менше, ніж в алюмінію. Крім того, алюміній на відміну від водню і дизельного палива більш зручний при транспортуванні (не огнеопасен, не текучий, не випаровується).

У ОИВТ РАН проведено порівняльний аналіз застосування різних видів палива для установок децентралізованої енергетики. Зокрема, стосовно до Мурманської області враховувалися наступні обставини:

енергетична завантаження Кольської АЕС у цей час становить 50% від проектної потужності; на території Кольського півострова знаходиться родовище нефелінових руд; енергія Кольської АЕС на потреби теплофікації відпускається за ціною паливної складової (1-1,5 грн. / кВт · год); отриманий на алюмоводородних установках беміт повертається на завод, розташований поблизу АЕС, для переробки; родовищ органічних палив на Кольському півострові немає.

Дозавантаження АЕС дозволить генерувати дешеву електроенергію. Вироблене за рахунок такої електроенергії алюмінієве паливо може коштувати не більше 9 руб. за 1 кг з урахуванням повернення продуктів окислення алюмінію. Це дозволить досягти вартості вторинної енергії, згенерованої на алюмоводородних установках, в межах 1,2 грн. / кВт · год Теплова та електрична енергія за такою ціною можуть виявитися цілком конкурентоспроможними на енергетичному ринку (а облік витрат на північний завезення вугілля, мазуту чи дизельного палива у ще більшій мірі підвищить конкурентоспроможність алюмоводородной схеми).

Застосування алюмоводородних технологій в умовах щільної міської забудови

Одним з можливих напрямів використання алюмоводородних установок в енергетичних цілях є їх встановлення в місцях, де традиційні енергоджерела не можуть бути застосовані з екологічних міркувань, а комунікації для віддаленого енергопостачання або дуже дорогі, або в принципі не можуть бути прокладені. Прикладом можуть служити будуються (реконструюються) об'єкти в центрі мегаполісів, які потребують в основному або додатковому енергопостачанні.

У Москві, наприклад, вже зараз існує багато зон, в яких спорудження нових комунікацій практично неможливо, або пов'язане з капітальними витратами, багаторазово перевищують нормативні. Будуєцтво автономних джерел для енергозабезпечення таких зон стикається з обмеженням за викидами і шумів. Тому енергозабезпечення об'єктів капітального будівництва таких зон зазвичай стикається з дилемою: або будівництво автономних енергоджерел в збиток стану навколишнього середовища, або відмова від будівництва об'єктів. Виходом із ситуації могло б стати спорудження автономних алюмоводородних енергоджерел, які не потребують підведення комунікацій і практично нешкідливих для навколишнього середовища.

За кордоном поряд наукових груп також ведуться роботи по отриманню з вторинного алюмінію теплової енергії і водню для живлення паливних елементів, однак у більшості цих робіт в якості окислювача використовується луг, що погіршує екологію процесу, але дозволяє відмовитися від застосування високих температур і тисків. Такий підхід дозволяє вирішити відразу дві проблеми – позбутися від частини міських побутових відходів і отримати при цьому корисну енергію.

Ефективність алюмоводородних установок великої і середньої потужності

Розвитком експериментальної установки КЕУ-10 є дослідно-промисловий зразок енерготехнологічного комплексу ЕТК-100, створення якого також в рамках вищезгаданого контракту в даний час ведеться в ОИВТ РАН. ЕТК-100 по суті стане вдосконаленим аналогом установки КЕУ-10 з збільшеними у 10 разів витратними характеристиками.

Для оцінки ефективності роботи ЕТК-100 в режимі автономної енергоустановки були проведені розрахунки, що враховують внесок різних факторів у вартість одержуваного водню і електроенергії: ціна вихідних порошків алюмінію, одержуваного беміт, пального, що витрачається на перевезення автотранспортом палива і продуктів реакції; дальність перевезення; зарплата персоналу ; капітальні витрати на будівництво однієї установки.

Було прийнято, що електроенергія виробляється з водню за допомогою електрохімічного генератора на основі воднево-повітряних паливних елементів потужністю 100-200 кВт і ресурсом роботи 40 000 год, необхідним Міністерством енергетики США для стаціонарних енергоустановок (такі вимоги вже досягнуті фірмою «UTC Power» на фосфорнокислих паливних елементах). Розрахунки показали, що собівартість одержуваного водню та / або електроенергії та ефективність роботи установки в основному визначаються співвідношенням цін на вихідні порошки і продукти реакції. Істотним є і внесок транспортної складової. Так, при ціні вихідного сировини 3 дол. / кг, а беміт – 2,7 дол. / кг і дальності перевезень 200 км вартість енергії (при нормі прибутку 10%) становить 3,82 грн. / кВт · год При збільшенні дальності перевезення вартість істотно зростає, проте при певнихумовах (збут великої кількості беміт за високими цінами) прибуток істотно перевищує витрати. При цьому беміт, природно, виводиться з алюмінієвого циклу.

Однак необхідно мати на увазі, що ринок високоякісного беміт великої вартості обмежений. В основному такий беміт використовується для виробництва лейкосапфіру, в порошковій металургії та деяких видах спеціальної кераміки. Продаж беміт на підприємство, що виробляє алюміній, не забезпечить належної доходності від експлуатації установки. Тому при застосуванні даних систем слід орієнтуватися на такі сегменти ринку, як ізольовані енергосистеми віддалених регіонів, об'єкти з підвищеними вимогами до екологічності та шумності енергоустановок, об'єкти в умовах щільної міської забудови, підприємства – споживачі беміт або водню. Також необхідно працювати в напрямку зниження вартості вихідної сировини. У ОИВТ РАН ведуться пошукові роботи за схемами високо-і низькотемпературного окислення вторинного алюмінію, алюмінієвого брухту, відмови від застосування порошків.

Висновки

Розробляються технології алюмоводородной енергетики можуть бути застосовані як у «водневої економіки» майбутнього в якості ефективного і безпечного способу транспортування водню і енергії, що запасається, так і як доповнення існуючих енергосистем в регіонах, де відсутні централізована газова мережа або місцеві види палива. Застосування алюмінію для генерації водню та енергії дозволяє знизити навантаження на навколишнє середовище. Ефективність застосування подібних установок в чому визначається вартістю вихідної сировини і побічних продуктів реакції, а також наявністю або відсутністю конкуруючих рішень з централізованого енергопостачання споживачів.

За матеріалами: elementy.ru

Tweet

РОЗРОБКА ВЕБ-САЙТІВ, ПРОСУВАННЯ В ІНТЕРНЕТІ