АЛЮМОВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Л.И.  Пиксина

Чудинова Ирина Ивановна, научный руководитель преподаватель

Мценского филиала  ФГБОУ  ВПО «Госуниверситет – УНПК», г. Мценск

В гонку за звание энергоносителя в XXI веке вступает новый игрок. Это алюминий, имеющий шанс составить серьезную конкуренцию нынешним фаворитам: ископаемым углеводородам и чистому водороду. По распространенности в природе этот негорючий и легкий материал занимает первое место среди металлов и третье, после кислорода и кремния, среди химических элементов.  Так что истощение залежей алюмосодержащих ископаемых нам не грозит.

Создателями новой отрасли – алюмоэнергетики, являются ученые из Объединенного института высоких температур Российской академии наук, во главе с академиком  Александром Шейндлином.  Ими разработаны несколько технологий получения энергии при помощи алюминия.

Первая из них – воздушно-алюминиевые топливные элементы с КПД до 55%. Анод из алюминия, а катод с катализатором на основе активированного угля. Пространство между ними заполнено щелочью.  Анод является расходным материалом и подается в «топку» элемента по мере его использования.

Вторая  технология  – гидроокисная.   В нормальном состоянии алюминий материал химически инертный,  боящийся только ртути и поваренной соли. Изменить его инертность можно двумя способами:  высоким давлением  и температурой,  или при помощи катализатора, которым является рений.  КПД установок достигает 80%, что много по сравнению с применяющимися сегодня технологиями.

Ученые Санкт-Петербургского научного центра разработали проект получения электрической и тепловой энергии – алюмоводородную энергетическую   установку.    Энергия вырабатывается  в результате окисления алюминия: алюминиевый порошок помещается в реактор, заливается водой или раствором щелочи. При давлении и нагреве алюминия:  он окисляется и превращается в гидроксид или оксид-гидроксид алюминия. Водород, вытесненный из молекулы воды, отводится из реактора и направляется в топливный элемент. В результате реакции водорода с кислородом вырабатывается энергия.  Горячие продукты этой реакции и пар, который выходит из реактора вместе с водородом, могут быть направлены на отопление помещения или выработку электроэнергии в газопаровой турбине.

Основными направлениями  исследований и разработок является: портативное зарядное устройство для мобильных телефонов на основе батарей воздушно-алюминиевой системы; фонари с перезаряжаемой в полевых условиях батареей воздушно-алюминиевой системы;  резервные стационарные воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы;  энергоустановки для транспортных средств на основе воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов; разработка и производство воздушных катодов, анодных сплавов и электродов на основе алюминия.

Рассмотрим портативные источники тока на основе алюмоводных генераторов водорода для мобильных телефонов и ноутбуков. Отличительной  особенностью компактных источников питания  (КИП)  является то, что источником водорода в них служат микрогенераторы  водорода (МГВ) со сменными алюмоводными картриджами (рис. 1). Микрогенератор  водорода МГВ представляет собой устройство с одноразовым заменяемым картриджем (4), помещенным в герметичный корпус (1), который имеет штуцер (2) для выхода водорода, направляющегося в топливный элемент.

Картридж состоит из двух частей: контейнера с водой  (3) и основной части – ячейки с водородгенерирующим веществом (активированным алюминием) (4).

Рис. 1. Принципиальная схема алюмоводного микрогенератора водорода

Вода находится в специальных влаговпитывающих материалах, расположенных в контейнере. Активированный алюминий находится в виде порошка. Обе части разделены мембранным элементом (5), имеющим заданную пористую структуру. На пути выхода водорода расположены водоудерживающие сепараторы (6) для удерживания конденсата, уносимого из картриджа вместе с водородом.

Картриджи различных конструкций могут отличаться: формой, размерами, объемом и энергоемкостью, но принцип работы у них одинаков. В режиме хранения реагенты находятся в составном картридже и разделены специальной влагонепроницаемой перегородкой во избежание контакта алюминия с водой или ее парами.  В рабочим режиме 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 МГВ.

К важным  достоинствам  МГВ можно  отнести: экологическую безопасность; низкую  стоимость;  длительный срок хранения реагентов; небольшие размеры;  возможность использования обычной воды; способность к работе при комнатной температуре и т.д.

Портативное зарядное устройство для заряда аккумуляторов мобильных телефонов применяют в местах, где нет возможности подключения традиционных зарядных устройств, питающихся от централизованного электроснабжения или бортовой цепи.

Таблица 1

Основные технические характеристики

Для запуска зарядного устройства необходимо (рис. 2): 1 -снять ограничители с кнопок, расположенных на его крышке; 2 -нажать кнопки для прокола мембран и залива электролита; 3 -выдержать устройство в наклонном положении в течение нескольких секунд для равномерного распределения электролита в элементах батареи; 4 -подключить мобильный телефон. Время запуска/перезарядки батареи составляет 1—2 мин. Для выравнивания уровня электролита в элементах батареи ЗУ наклоняется на 5—10 секунд.

Рис. 2. Пиктограмма запуска зарядного устройства

Зарядное устройство может выпускаться в одноразовом и многоразовом исполнении.

Идейным вдохновителем разработки универсального зарядного  устройства для мобильных телефонов является - кандидат технических наук, заведующий отделом Алюмоводородной энергетики Объединенного института высоких температур РАН  Евгений Иосифович Школьников.

Электрохимическая ёмкость батареи в одноразовом устройстве 1,3 А·ч, что позволяет зарядить 1—2 телефона. Электрохимическая ёмкость батареи в многоразового исполнения составляет 15 А·ч, что позволяет производить до 10 смен электролита с одним комплектом анодов. Т.е производить до 20 зарядок  мобильного телефона с одним комплектом анодов. По исчерпании ресурса анодов (их полного растворения) производится их замена на новый комплект.

Батарея сохраняет работоспособность в течение 10 000 часов в режиме генерирования энергии и может сохраняться без электролита более 20 лет.

В случае реализации разработки в производстве все, что понадобится бытовому потребителю, - это приобрести главное устройство (ученые оценивают его стоимость до 1000 рублей) и покупать к нему сменные картриджи (предположительной стоимостью 10 - 20 рублей в зависимости от объема).  Компактные источники питания для ноутбуков включают в себя микрогенератор водорода с несколькими картриджами из двухсекционных сборок,  преобразователь, электромагнитный клапан и систему воздухоподвода, включающую в себя вентилятор. Воздух в зазоры между  секционными сборками поступает с помощью вентилятора, скорость вращения которого зависит от силы тока на  топливных элементах (ТЭ), Все части объединены в единый корпус.

Разработан фонарь-прожектор на основе батареи воздушно-алюминиевых топливных элементов (ВАТЭ) с солевым электролитом энергоемкостью 70 А.ч.
Перезаряд осуществляется в течение 2-3 минут путем замены электролита или анодов. Это особенно удобно при отсутствии централизованного или бортового электроснабжения и в полевых условиях.  Технические данные приведены на слайде.  Ожидаемая себестоимость фонаря при серийном производстве составит 350 руб.  

Комбинированная энергоустановка для  электромобиля включает в себя как электрохимический генератор на основе воздушно-алюминиевых топливных элементовВАТЭ, работающий в «крейсерском режиме», так и свинцово-кислотные аккумуляторы для покрытия пиковых нагрузок (трогание с места, подъемы).

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.

Список литературы:

1 Алюмоводородная энергетика/ А.Е. Шейндлин, А.З. Жук, Е.И. Школьников и др. под ред. А.Е. Шейндлина – М.: ОИВТ РАН. 2007.278 с., с илл.

2 Шейндлин А.Е., Битюрин В.А., Жук А.З. и др. Алюмоводородные МГД-генераторы электроэнергии //ДАН. 2009. Т.425. №4. С. 484 – 486.

3 Vlaskin M.S., Shkolnikov E.I., Zhuk A.Z. et al// Computational and experimental investigation on thermodynamics of the reactor of aluminum oxidation in saturated wet steam. Int. J. of Hydrogen Energy. 2010. N. 35. P.1888 – 1894.

4 Шейндлин А.Е., Жук А.З. Алюмоводородная энергетика // Вестник РАН. 2010. Т. 80. № 3. С. 218-224

5 Школьников Е.И. Что такое алюмоэнергетика// Экология и жизнь. – 2010. - №7.