Ce este energia aluminiului

Ce este energia aluminiului

Evgeny Iosifovich Shkolnikov,
Candidat la Științe Tehnice, șeful Laboratorului de Energie Hidrogenică din Aluminiu, Institutul Comun pentru Temperaturi înalte (JIHT), Academia Rusă de Științe
"Ecologie și viață" №7, 2010

Cât de des oamenii care trăiesc în zidurile înghesuite ale orașului visează să scape în natură, dar nu sunt în stare să se rupă de o banală electrică. Cât de des în orașul aglomerat nu găsește "capacitatea liberă" de a începe munca și chiar cea mai mică întreprindere. Principiile energiei hidrogen pot ajuta la rezolvarea problemelor.

Provocarea descentralizării energiei

În prezent, problema economisirii energiei și îmbunătățirea generării ecologice a energiei electrice devine din ce în ce mai relevantă datorită creșterii semnificative a costului combustibililor fosili și a degradării mediului. Există, de asemenea, o tendință spre descentralizarea energiei, răspândirea sistemelor bazate pe surse regenerabile de energie (SER) și uzura principalelor instalații de generare și transmisie. Această situație atrage atenția asupra dezvoltării și producției de surse de alimentare cu energie electrică autonomă și de urgență, cu performanțe de mediu îmbunătățite.

Hidrogenul este considerat un carburant promițător pentru viitor. Conversia sa la energia termică și electrică în motoarele termice ne permite să atingem temperaturi mai ridicate ale amestecurilor de gaze cu vapori decât pentru gazul natural pur și, prin urmare, să mărim semnificativ eficiența producției de energie din aceste amestecuri. Energia hidrogenului este astăzi o componentă importantă a unei economii ecologice care vizează reducerea emisiilor de monoxid de carbon și dioxid de carbon în atmosferă.

În plus, celulele de combustie de tip hidrogen-aer de diferite tipuri au fost de mult interesate de companiile de energie și de automobile, fiind o sursă promițătoare de energie extrem de eficientă și ecologică, întrucât emisiile provenite de la o astfel de centrală sunt doar vapori de apă și căldură scăzută, iar randamentul electric este de 35 -60%. Cu toate acestea, în timp ce problema furnizării unor astfel de sisteme cu combustibil pe bază de hidrogen nu este mai puțin acută decât problema dezvoltării sistemelor în sine. Hidrogenul este un transportator de energie ecologic, însă problemele legate de producția, depozitarea și transportul acestuia, precum și asigurarea siguranței acestor procese, sporesc în mod semnificativ costul operării sistemelor de celule de combustibil.Toate acestea fac ca dezvoltarea surselor de hidrogen sigure, eficiente și relativ ieftine pentru motoarele de combustie și pentru motoarele termice să fie una dintre cele mai urgente sarcini.

Pentru Rusia, problema descentralizării energetice este exacerbată de o serie de caracteristici climatice și geografice. În primul rând, aproximativ 20 de milioane de persoane locuiesc în zone în care este impracticabil din punct de vedere tehnic și economic să distribuie rețelele centralizate. În al doilea rând, datorită condițiilor climatice, practic în toate regiunile țării noastre este necesar să se utilizeze centrale electrice de cogenerare, adică să se producă nu numai energie electrică, ci și energie termică. În prezent, principala soluție pentru generarea descentralizată sunt instalațiile cu piston și turbină cu gaz (în prezența gazelor naturale), precum și generatoarele diesel care funcționează cu combustibil importat (în zone greu accesibile). Dezavantajele acestora din urmă includ o resursă relativ scăzută (atunci când operează la o putere mai mică decât cea nominală), emisii ridicate și consum de combustibil. Acesta din urmă, împreună cu dificultățile de livrare a acestuia, conduc la faptul că, potrivit lui Yakutenergo în 2007, costul a 1 kWh de energie electrică în zonele izolate din Yakutia a ajuns la 60 de ruble.Dezavantajele utilizării instalațiilor cu turbină cu gaz și a pistoanelor cu gaze sunt, de asemenea, creșterea emisiilor și, cel mai important, necesitatea unei rețele centralizate de gaze.

Aluminiu de energie

Având în vedere întregul complex al problemelor descrise mai sus, Institutul comun de temperaturi înalte (JIHT) al Academiei de Științe din Rusia, sub conducerea academicianului A. E. Sheindlin, dezvoltă conceptul de energie aluminiu.1 Este vorba de utilizarea aluminiului ca sursă intermediară de energie în aplicații staționare, de transport și portabile. Abordările dezvoltate pentru generarea de energie sunt oxidarea electrochimică directă a aluminiului în celulele de combustie aer-aluminiu (WATE) și tehnologiile alumină-hidrogen. În acest din urmă caz, aluminiul este oxidat chimic cu apă și apoi hidrogenul rezultat este folosit drept combustibil în motoarele termice și în celulele de combustie cu generarea de căldură și energie electrică.

Fig. 1. Vedere generală a centralei electrice combinate la bordul unui vehicul electric. Imagine: "Ecologie și viață"

În cadrul primei abordări, specialiștii JIHT RAS au dezvoltat o serie de dispozitive, variind de la senzori electrochimici în diverse scopuri până la o centrală electrică combinată pentru un vehicul electric.Acesta din urmă include atât generatorul electrochimic pe bază de WATE care funcționează în modul "cruising", cât și bateriile cu plumb-acid pentru a acoperi încărcăturile de vârf (se deplasează, se ridică) – vezi fig. 1. Parametrii specifici și un interval sporit de kilometri sunt explicați prin înlocuirea parțială a bateriilor plumb-acid din versiunea de bază (intensitate energetică specifică de aproximativ 35 Wh / kg) cu WACE cu caracteristici mult mai ridicate (270 Wh / kg). O altă caracteristică a WATE este capacitatea de a asigura stocarea separată a electrolitului și combustibilului. Datorită acestui fapt, WATE are o durată de depozitare aproape nelimitată, ceea ce permite deschiderea unor posibilități largi de utilizare a acestora ca surse de rezervă și energie de urgență.

Tehnologiile aluminiu-hidrogen sunt utilizate pentru rezolvarea problemelor generării descentralizate și a centralelor electrice portabile. Sistemele portabile de alimentare utilizează aluminiu activat. De obicei, în condiții normale, aluminiu este acoperit cu un film pasivant și, prin urmare, nu reacționează cu apa. Utilizarea în sisteme portabile de uz civil și special (încărcătoare pentru telefoane mobile, laptopuri, playere muzicale etc.), materiale chimice active (alcalii,acid) sau temperaturi ridicate și presiuni este extrem de nedorită. Prin urmare, pentru astfel de sisteme s-au dezvoltat microgeneratoare de hidrogen speciale (MGW) de tipul înlocuibil, pe baza reacției de oxidare a aliajelor de aluminiu cu alte metale. În același timp, un sistem special de membrane vă permite să reglați rata de evoluție a hidrogenului prin controlul fluxului de apă în MHW. La terminarea consumului de apă este complet deplasat din zona de reacție datorită creșterii presiunii, ceea ce face MGW mai sigur. Produsul de hidrogen intră în bateria cu celule de combustibil a designului original, care la rândul său produce energie electrică. În fig. 2 prezintă un prototip al unei surse de curent (încărcător) pentru un telefon mobil.

Fig. 2. Încărcător extern pentru telefonul mobil. Imagine: "Ecologie și viață"

Trebuie remarcat faptul că această activitate a fost realizată în cadrul unui parteneriat public-privat cu compania NIK NEP LLC.

Calculele au arătat că încărcătorul cu un MHW pierde indicatorii tehnici și economici ai unei baterii litiu-ion înlocuitoare de telefon mobil.Cu toate acestea, în timpul funcționării pe termen lung în afara rețelei electrice fixe, bateriile litiu-ion trebuie înlocuite sau reîncărcate din surse suplimentare de curent primar. În acest caz, funcționarea încărcătorului cu MGI interschimbabil începe să se justifice după cea de-a treia sau a patra încărcare din MGW cu caracteristici de greutate și mărime comparabile. Astfel, utilizarea principală a încărcătoarelor cu MHB – în special pentru sistemele proiectate pentru munca pe teren "pe câmp" – radiouri, telefoane prin satelit, lanterne portabile, laptopuri etc.

În timpul funcționării autonome a centralelor electrice de mare putere aluminiu-hidrogen, hidrogenul nu este transportat direct către consumator, ci este generat în locul consumului, după cum este necesar. Sursa de hidrogen este reacția aluminiului cu apă la temperatură și presiune ridicată. În cadrul implementării practice a conceptului, a fost fabricată și testată la JIHT RAS o unitate de putere de cogenerare KEU-10 (figura 3) pentru o capacitate nominală de hidrogen de 10 m.3 (NU), utilizând ca reactivi inițiali pulberi de apă și pulberi industriale de aluminiu.2

Miezul instalației este un reactor în care, la presiune ridicată și temperatură (până la 15 MPa, 300-350 ° C), aluminiul este oxidat pentru a produce hidrogen, boehmite și o cantitate mare de căldură este eliberată. Datele analizei structurale elementare a produselor de reacție și calculelor termodinamice indică faptul că în aceste condiții reacția se desfășoară conform mecanismului descris de ecuația

2Al + 4H2O = 2AlOOH (boehmite) + 3H2 + Q (~ 15,5 MJ / kg Al)

Amestecul de vapori-hidrogen rezultat ca urmare a reacției este trimis pentru a transforma căldura de reacție în energie termică folositoare și pentru a condensa vaporii de apă. O parte din energia termică este, de asemenea, luată de la boehmite și suspensia de apă care părăsește reactorul. Hidrogenul este transformat în electricitate într-o celulă de combustie cu aer-hidrogen cu un electrolit polimeric solid, în timp ce o parte din energie electrică este utilizată pentru alimentarea nevoilor proprii ale pompei (pompe, dozatoare, compresor). Rezultatele testului KEU-10 sunt prezentate în tabel.

Fig. 3. Unitatea experimentală de cogenerare KEU-10. Imagine: "Ecologie și viață"

Trebuie remarcat faptul că reacția este extrem de exotermă, ceea ce permite realizarea principiului cogenerării și obținerea unei cantități mari de energie termică,care pot fi utilizate mai târziu pentru necesitățile de încălzire urbană sau (timp de vară, zonele de sud) pentru obținerea frigului. Prin urmare, în paralel cu lucrările de creare a eșantioanelor experimentale de centrale electrice, se efectuează studii computaționale și analitice destinate dezvoltării altor scheme promițătoare pentru conversia energiei stocate în aluminiu. În acest caz, schemele sunt luate în considerare nu numai cu oxidarea electrochimică a hidrogenului, ci și cu arderea sa în mod "tradițional" în camerele de combustie, în turbine și în sistemele cu piston de gaz.

Pulberile de aluminiu cu dimensiunea de aproximativ 10 microni sunt utilizate în prezent ca combustibil. În plus față de hidrogen, în timpul reacției se produce hidroxid de aluminiu nanocristalină (boehmite), care este o materie primă prețioasă pentru o serie de industrii – producția de catalizatori, ignifuganți, safir artificial, materiale filtrante, ceramică specială și metalurgie pulberi. Prin recoacerea la temperaturi înalte, boehmitele pot fi transformate în corund sau în alumină-gamă, al căror scop este mult mai larg.

Hidrogenul produs în instalație îndeplinește cerințele GOST 3022-80 (gradul "B").Utilizarea unui generator electrochimic bazat pe celulele de combustie cu un electrolit polimeric solid pentru a genera energie electrică asigură o înaltă ecologică a procesului de generare a energiei electrice – singurele emisii în acest caz sunt vaporii de apă la o temperatură de 60 ° C Schema propusă permite o alimentare autonomă sau de urgență a consumatorului cu energie electrică și termică. Cunoscute tentative de a utiliza celule de combustibil pentru nevoile de alimentare de rezervă de alimentare3Cu toate acestea, în străinătate, iar în Rusia ca sursă de hidrogen pentru astfel de instalații se utilizează butelii cu hidrogen sub presiune înaltă. Depozitarea și transportul acestor butelii sunt supuse unor restricții de supraveghere, iar stocarea unor cantități mari de hidrogen în apropierea spațiilor rezidențiale din Rusia este complet interzisă. În schema propusă, generarea de hidrogen are loc imediat înainte de consum. Începerea autonomă a centralei electrice se realizează din blocul de baterii plumb-acid, ceea ce vă permite să abandonați complet stocarea hidrogenului în cilindri.

Pe de o parte, utilizarea aluminiului importat este un dezavantaj al tehnologiei alumină-hidrogen. Pe de altă parte, în absența surselor locale de energie, nu există atât de multe alternative – combustibilul diesel și hidrogenul (menționăm și sursele regenerabile de energie – soarele, vântul, biocarburanții). În același timp, aluminiul poate fi produs în partea europeană a Rusiei cu electricitate din centralele nucleare, care, datorită reducerii producției industriale, nu sunt întotdeauna încărcate la capacitate maximă (și sunt cel mai puțin manevrabil tip de centrale electrice).

Astfel, aluminiul poate participa la distribuirea energiei ecologice (comparativ cu combustibilii fosili) din surse regenerabile și a centralelor nucleare și reglementarea capacității lor de producție. În același timp, oxizii acumulați sunt returnați la instalația de aluminiu pentru regenerare.

Energie alternativă pentru energia descentralizată

După cum am menționat mai devreme, hidrogenul este un carburant promițător pentru viitor. Este, de asemenea, văzută ca un mijloc de tamponare și stocare a energiei, care permite ajustarea funcționării stațiilor bazate pe surse regenerabile de energie și a potențialului combustibil pentru vehicule.

Hidrogenul, cum ar fi aluminiu, poate fi livrat la locul de consum și transformat în energie electrică și termică utilă.

Hidrogenul poate fi obținut prin electroliza directă a apei prin curentul electric – astfel se rezolvă problema stocării energiei electrice. O astfel de schemă de stocare poate fi utilizată pentru a reglementa funcționarea centralelor electrice atât ale surselor tradiționale, cât și ale surselor regenerabile de energie, datorită manevrabilității mai mari a electrolizorului de apă comparativ cu aluminiu, care necesită o turație tampon datorită sensibilității ridicate la modificările modurilor de funcționare. Cu toate acestea, în ceea ce privește transportul hidrogenului îmbuteliat, există limitări grave asociate riscului de incendiu și explozie al acestor transporturi. Există o opțiune cu stocarea criogenică a hidrogenului, dar, de asemenea, nu este complet sigură și este asociată cu costul gazului de lichefiere și pierderile ulterioare în timpul transportului datorate evaporării. Metoda de stocare a hidrogenului în hidruri de compuși intermetalici și hidruri metalici este larg răspândită, totuși, dezavantajul său semnificativ este capacitatea scăzută de hidrogen a acestor compuși (1-3%), costul ridicat și un număr mic de cicluri de hidrogenare-dehidrogenare.

Pe lângă ecologia pură, utilizarea tradițională a motorinei are și un dezavantaj "energetic" – densitatea energiei stocate este mai mică decât cea a aluminiului. În plus, aluminiu, spre deosebire de hidrogen și motorină, este mai convenabil în timpul transportului (nu este inflamabil, nu curge, nu se evaporă).

O analiză comparativă a utilizării diferitelor tipuri de combustibil pentru centralele electrice descentralizate a fost efectuată la JIHT RAS. În special, în ceea ce privește regiunea Murmansk, au fost luate în considerare următoarele circumstanțe:

  • sarcina de putere a centralei nucleare Kola este în prezent de 50% din capacitatea de proiectare;
  • pe teritoriul Peninsulei Kola este un depozit de minereuri nepheline;
  • energia centrului nuclear Kola pentru necesarul de energie termică este eliberată la prețul componentei combustibilului (1-1,5 ruble / kWh);
  • boehmite produsă în instalațiile de hidrogen din aluminiu este readus la uzina situată în apropierea centralei nucleare pentru prelucrare;
  • Nu există depozite de combustibili organici pe Peninsula Kola.

Reîncărcarea cu NPP va permite generarea de energie electrică ieftină. Producată de astfel de electricitate, combustibilul de aluminiu nu poate costa mai mult de 9 ruble.pentru 1 kg, ținând cont de întoarcerea produselor de oxidare a aluminiului. Acest lucru va permite realizarea costului energiei secundare generate pe hidrocentralele de aluminiu, în intervalul de 1,2 ruble pe kWh. Energia termică și electrică la un astfel de preț poate fi destul de competitivă pe piața energiei (și contabilitatea costurilor pentru livrarea nordică a cărbunelui, combustibilului sau motorinei va crește și mai mult competitivitatea schemei de hidrogen din aluminiu).

Utilizarea tehnologiei hidrogenului de aluminiu în zonele urbane dense

Una dintre posibilele direcții de utilizare a instalațiilor de aluminiu-hidrogen în scopuri energetice este instalarea lor în locuri unde sursele tradiționale de energie nu pot fi utilizate din motive ecologice, iar comunicațiile pentru alimentarea cu energie la distanță sunt fie foarte scumpe, fie, în principiu, nu pot fi stabilite. Un exemplu ar fi construit (reconstruit) facilități în centrul megalopolisurilor care au nevoie de alimentare primară sau suplimentară.

De exemplu, în Moscova există deja numeroase zone în care construcția de noi comunicații este aproape imposibilă sau este asociată cu costuri de capital de multe ori mai mari decât cele normative.Construirea de surse autonome pentru alimentarea cu energie a acestor zone se confruntă cu o limită a emisiilor și zgomotului. Prin urmare, aprovizionarea cu energie a obiectelor de construcții capitale ale unor astfel de zone se confruntă, de obicei, cu o dilemă: fie construcția unor surse de energie autonome în detrimentul stării mediului, fie respingerea construcției de instalații. Modul de ieșire din această situație ar putea fi construirea unor surse autonome de aluminiu-hidrogen, care nu necesită sintetizarea comunicațiilor și care sunt practic inofensive pentru mediu.

În străinătate, o serie de grupuri științifice lucrează, de asemenea, pentru a obține energie termică și hidrogen din aluminiu secundar la cel de combustibil, însă majoritatea acestor lucrări utilizează alcalii ca agent de oxidare, care degradează ecologia procesului, dar elimină utilizarea temperaturilor și presiunilor ridicate. Această abordare ne permite să rezolvăm simultan două probleme – să scăpăm de o parte din deșeurile municipale și, în același timp, să primim energie utilă.

Eficiența instalațiilor de aluminiu-hidrogen de putere ridicată și medie

Dezvoltarea unității experimentale KEU-10 este o probă industrială pilot a complexului energetic tehnologic ETK-100,a cărui creare se află și sub contractul menționat mai sus, este în curs de desfășurare la JIHT RAS. ETC-100, în esență, va deveni un analog îmbunătățit al instalației KEU-10 cu 10 ori mai mari caracteristici de consum.

Pentru a evalua performanțele ETK-100 într-un mod autonom al centralei electrice, s-au efectuat calcule luând în considerare contribuția diferiților factori la costul hidrogenului și al electricității produse: prețul pulberilor inițiale de aluminiu, boehmitei produse, combustibilul consumat pentru transportul autovehiculelor și produselor de reacție; distanța de transport; salariul personalului; costurile de capital pentru construcția unei singure instalații.

Sa presupus că energia electrică este generată de hidrogen prin intermediul unui generator electrochimic bazat pe celule de combustie cu hidrogen-aer cu o capacitate de 100-200 kW și o durată de viață de 40.000 ore cerută de Departamentul Energiei pentru centralele staționare (astfel de cerințe au fost deja atinse de UTC Power for fuel acid phosphoric elemente). Calculele au arătat că costul hidrogenului și / sau al energiei electrice produse și eficiența instalației sunt determinate, în principal, de raportul dintre prețurile pentru pulberile inițiale și produsele de reacție. Contribuția componentei de transport este, de asemenea, semnificativă.Deci, cu prețul materiilor prime de 3 $ / kg și de boehmite – 2,7 USD / kg și o distanță de transport de 200 km, costul energiei (la o rată a profitului de 10%) este de 3,82 ruble / kWh. Cu o creștere a distanței de transport, costul crește semnificativ, totuși, în anumite condiții (vânzarea de cantități mari de boemi la prețuri ridicate), profitul depășește în mod semnificativ cheltuielile. În acest caz, boehmite, firește, derivă din ciclul de aluminiu.

Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că piața de boemită de înaltă calitate și de înaltă valoare este limitată. Practic, boehmite este folosit pentru producerea leucosaphirelor, pentru metalurgia pulberilor și pentru anumite tipuri de ceramică specială. Vânzarea boehmitei către o companie producătoare de aluminiu nu va asigura o rentabilitate adecvată a funcționării instalației. Prin urmare, atunci când se utilizează aceste sisteme, ar trebui să se concentreze asupra unor astfel de segmente de piață, cum ar fi sistemele izolate de energie ale regiunilor îndepărtate, instalațiile cu cerințe de mediu crescute și zgomotul instalațiilor electrice, instalațiile în condiții de dezvoltare urbană densă, întreprinderile consumatoare de boemi sau hidrogen. De asemenea, este necesar să se lucreze pentru reducerea costului materiilor prime.Institutul de temperaturi înalte al Academiei de Științe din Rusia efectuează cercetări pentru oxidarea la temperaturi înalte și joase a aluminiului secundar, resturi de aluminiu și abandonarea utilizării pulberilor.

constatări

Tehnologiile dezvoltate pentru energia cu oxigen de alumină și hidrogen pot fi aplicate atât în ​​viitor, cât și în economia hidrogenului, ca o metodă eficientă și sigură de transport a hidrogenului și a energiei stocate și ca o completare a sistemelor energetice existente în regiunile în care nu există o rețea centrală de gaz sau combustibili locali. Utilizarea aluminiului pentru a genera hidrogen și energie reduce povara asupra mediului. Eficacitatea utilizării acestor facilități este în mare măsură determinată de costul materiilor prime și al produselor secundare ale reacției, precum și de prezența sau absența unor soluții concurente pentru furnizarea centralizată de energie a consumatorilor.


1 Aluminiu Hidrogen Energy / Ed. Acad. RAS AE Sheindlin. – M .: JIHT RAS, 2007.
2 Această lucrare a fost susținută de Agenția Federală pentru Știință și Inovații (contract de stat nr. 02.526.12.6010).
3 Vezi: Dr. Kerry-Ann Adamson. 2008 Small Stationary pe FuelCellToday.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: