Евгений Иосифович Школьников,
кандидат технических наук, заведующий лабораторией алюмоводородной энергетики Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН
«Экология и жизнь» №7, 2010
<!-- Привет мир! -->
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.
<!-- Привет мир! -->
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.
<!-- Привет мир! -->
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 м3 (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 (~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.
<!-- Привет мир! -->
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.
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.
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.
<!-- Привет мир! -->
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).
В ОИВТ РАН проведен сравнительный анализ применения различных видов топлива для установок децентрализованной энергетики. В частности, применительно к Мурманской области учитывались следующие обстоятельства:
- энергетическая загрузка Кольской АЭС в настоящее время составляет 50% от проектной мощности;
- на территории Кольского полуострова находится месторождение нефелиновых руд;
- энергия Кольской АЭС на нужды теплофикации отпускается по цене топливной составляющей (1–1,5 руб./кВт·ч);
- полученный на алюмоводородных установках бемит возвращается на завод, расположенный вблизи АЭС, для переработки;
- месторождений органических топлив на Кольском полуострове нет.
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: elementy.ru.
Рейтинг публикации:
|
