Разработка научных и технологических основ создания эффективных алюмоводородных источников энергии

Предполагаемый режим работы источника тока представляет собой периодические его запуски на время до 1,5 часов и «отдых» между этими запусками. Для экспериментального моделирования этого режима каждый из опытов длился около 100 минут. Эксперименты на ТЭ проводились в режимах: «свободно дышащий» (СД), «естественной конвекции с зазором у катода» (ЕК) и «принудительной конвекции в зазоре у катода» (ПК). Под СД режимом мы подразумеваем такой режим, когда ТЭ находится в условиях неограниченного объема и потребляет окружающий воздух за счет естественной конвекции. Режим ЕК отличался от СД тем, что вся поверхность катода ТЭ прикрывалась экраном таким образом, что у катода оставался зазор 2,5 мм для подачи воздуха. При этом потребление воздуха элементом по-прежнему происходило за счет естественной конвекции. Режим ПК отличался от ЕК тем, что в этом случае подвод воздуха происходил за счет обдува зазора с помощью вентилятора. При этом изучались зависимости от скорости продува катода и влажности подаваемого в зазор воздуха. Несколько примеров результатов длительных экспериментов в различных режимах на ТЭ с неувлажненными и химически кондиционированными мембранами приведены на рис. 4.3.

В диссертации из рассмотрения полученных данных по особенностям работы ТЭ сделан ряд выводов. В условиях ограниченного объема установлено, что в области малых плотностей тока в режиме ЕК характеристики ТЭ, по крайней мере, не хуже, и даже в некоторой степени лучше, чем в СД режиме. Это дает основание полагать, что в тех случаях, когда нет других оснований, необязательно создавать ИТ с большой площадью открытой поверхности катода.

В ходе экспериментов было установлено, что применение умеренного силового обдува с оптимальной скоростью заметно улучшает характеристики. Оптимальная скорость продува обеспечивает с одной стороны достаточное количество воздуха в зазоре у катода, с другой - сохраняет высокую влажность воздуха в зазоре, что способствует хорошему увлажнению поверхности электродов и самой мембраны. Превышение характеристик при продуве по сравнению с СД режимом позволяет прогнозировать возможный суммарный выигрыш в мощности, который достигается за счет принудительной конвекции даже с учетом потерь мощности на создание силового обдува зазоров.

Эксперименты в области средних плотностей тока показали, что за счет подбора соответствующих условий экспериментов удавалось достигать уровня в 240-250 мВт/см² в течение длительного времени работы. Полученный уровень мощности в рамках выбранной конструкции является высоким по сравнению с результатами, полученными в экспериментах с массивными модельными ячейками. Причем если для неувлажненного МЭБ это получено при почти 100% влажности, то для кондиционированного МЭБ стационарный уровень мощности в 250 мВт/см² (Рис. 4.3) был достигнут при влажности воздуха 70%.

Раздел 4.5 посвящен рассмотрению работы комбинированного источника питания на основе ВВТЭ, МГВ и металлогидридного накопителя водорода. Повышение эффективности работы МГВ и источника тока в целом может быть достигнуто при введении в систему буферного накопителя водорода (БНВ). В этом случае при скорости выделения водорода, превышающей скорость его потребления в топливном элементе, или при полном отключении потребителя тока, излишки водорода будут абсорбироваться БНВ, а затем газ, накопленный в гидридной форме, может быть использован после истощения запаса активной массы в МГВ для последующей работы ВВТЭ.

Металлогидридный накопитель водорода должен удовлетворять ряду требований, которые определяются параметрами генерирования водорода в МГВ и его потребления в ВВТЭ. Для реализации БНВ была выбрана группа сплавов состава LaNi_4.5-хAl_хСо_0.5, с которыми были проведены ресурсные испытания с использованием влажного водорода, оптимизация состава сплава для использования в конкретном устройстве и испытания работоспособности комплекса МГВ + ВВТЭ + БНВ. Измерительный стенд позволял одновременно регистрировать температуры в накопителе водорода и топливном элементе, давление в системе, а также потоки водорода, генерированного МГВ и потребляемого ВВТЭ. По разности этих величин определялось количество водорода, поглощаемое накопителем. В диссертации приведены результаты изучения сорбционных, кинетических свойств и ресурсных испытаний сплавов разного состава. В результате проведенной оптимизации был выбран сплав состава LaNi_4,3Al_0,2Co_0,5. При испытании выбранного сплава в комбинации с топливным элементом при 45^оС наблюдалась десорбция 95 % поглощенного водорода.

Были проведены стендовые испытания комплекса МГВ + ВВТЭ + БНВ. МГВ содержал 1 г активированного алюминия. Мощность топливного элемента - 1,2 Вт. Для максимального приближения к реальным условиям эксплуатации перед началом эксперимента топливный элемент проработал, поглощая водород из металлогидридного накопителя, до момента резкого падения мощности, после чего он был отключён. Затем инициировалась реакция в МГВ. В течение 10 минут весь выделенный водород поглощался сплавом. Давление в системе при этом выросло до 1,7 атм. На 10-й минуте была произведена продувка водородом топливного элемента и его запуск. С этого момента температура в металлогидридном накопителе поддерживалась равной температуре топливного элемента вплоть до 40-й минуты эксперимента, когда для повышения скорости десорбции водорода был использован нагрев сплава до 45 °С.

Из полученных зависимостей следует, что скорость генерирования водорода МГВ на начальном этапе эксперимента существенно превышала потребление топливного элемента. Излишки водорода полностью поглощал сплав, не давая подняться давлению. Введение металлогидридного накопителя позволило избежать излишних потерь водорода при сохранении давления в пределах допустимых значений (до 2,1 атм) на протяжении всего эксперимента.

Таким образом, в целом была экспериментально подтверждена совместимость алюмоводного генератора и металлогидридного накопителя водорода в системе питания топливного элемента. Установлено, что гидридообразующие сплавы общего состава LaNi_4.5-хAl_хСо_0.5 сохраняют свою сорбционную емкость и скорость взаимодействия с водородом при многократной циклической абсорбции и десорбции в среде влажного водорода с примесью воздуха. Проведенная оптимизация состава сплава обеспечивает поглощение до 97% выделяемого микрогенератором водорода при сохранении давления в пределах рабочего диапазона. В ходе стендовых испытаний показана возможность аккумулирования водорода гидридообразующим сплавом на стадии его активного выделения из МГВ с последующим питанием топливного элемента по завершении выделения водорода.

Глава 5 посвящена рассмотрению основных принципов и результатов разработки опытных стационарных энергетических и энерготехнологических установок. Хотя сегодня технологии стационарной алюмоэнергетики уступают традиционным энерготехнологиям по стоимостным параметрам, они имеют хорошие перспективы продвижения. Основное преимущество «зеленой» технологии состоит в отсутствии вредных выбросов на месте выработки энергии и водорода. Практически полностью инертны не только алюминий, но и образующиеся оксиды алюминия. Кроме того, они могут быть полностью использованы в других технологических циклах. Себестоимость производства энергии на алюмоэнергетической установке может быть снижена до уровня, сопоставимого с аналогичным показателем генерирующей установки на дизельном топливе. В этом случае наряду с решением задачи повышения эффективности функционирования топливно-энергетического хозяйства проблемных регионов, можно решить ряд социально-экономических проблем - надежное и бесперебойное энергоснабжение конкретного потребителя, развитие местной промышленности и создание дополнительных рабочих мест.

Раздел 5.1 посвящен технологическим аспектам гидротермального окисления алюминия для целей энергетики. Результаты многочисленных исследований в области окисления алюминия без добавок показывают, что скорость и степень окисления дисперсного алюминия в воде сильно зависят от термодинамических параметров реакционной среды, фракции используемого порошка, а так же особенностей технологии проведения данной реакции. Важным результатом в этой области стала разработка способа полного окисления с высокими скоростями промышленных порошков алюминия с размером частиц более микрона в околокритической области (Берш А.В. и др. Патент РФ № 2223221. 2004 г).

Развитие работ по сопряжению реактора гидротермального окисления (ГТО) алюминия с системами утилизации водорода и преобразования тепла потребовали расчетно-аналитических оценок различного рода параметров реакторов с целью увеличения их термодинамической эффективности, обеспечения непрерывной работы, выработки научно-технических основ технологий преобразования тепловой энергии и кондиционирования водорода.

Интерес с точки зрения практического применения ГТО для энергетики представляет непрерывный режим работы. Очевидными условиями существования такого режима являются условия массового и энергетического балансов. Был рассмотрен идеальный непрерывный режим работы реактора ГТО. Из уравнения энергетического баланса найдены взаимосвязи между параметрами ц (отношение массы воды к массе алюминия в общей массе суспензии, подаваемой в реактор в единицу времени) температурой Т и давлением Р в реакторе. Вычислены необходимые массовые расходы и энергетические потоки сверху и снизу реактора, а так же оценены геометрические размеры реактора в зависимости от расходных характеристик и термодинамических параметров внутри реактора, определены границы существования влажного насыщенного пара внутри реактора. Под входной энергией Q_вход понимается энергия, выделяющаяся в единицу времени (мощность) в реакторе в ходе реакции при массовом расходе алюминия m. Для удовлетворения энергетическому балансу выделяющееся в ходе реакции тепло должно расходоваться на нагрев суспензии до температуры, поддерживаемой постоянной в реакторе в ходе непрерывного режима, и испарения части воды.

Тепло сверху реактора Q_верх выводится с потоком пароводородной смеси, которая, будучи относительно высокопотенциальной, с достаточно хорошим коэффициентом преобразования может быть использована в традиционных теплоэнергетических установках. Чем больше будет выводиться водяного пара сверху, тем больше будет электрический КПД энергоустановки, использующей реактор ГТО алюминия в качестве генератора пароводородной смеси.

Однако существует минимум воды в жидкой фазе, который необходимо поддерживать в реакторе для реализации возможности самостоятельного выдавливания пульпы из реактора снизу. Задав необходимое время пребывания алюминия в реакторе, можно оценить объем реактора в зависимости от выбранных термодинамических параметров и расходных характеристик суспензии.

Для этого достаточно задать соотношение объемов пульпы и газовой фазы реактора, которые в непрерывном режиме остаются постоянными.

В диссертации представлены некоторые результаты, основанные на балансовых расчетах: зависимость равновесной температуры в реакторе в ходе идеального непрерывного режима при поддержании в нем давления Р и ц, зависимость количества испаряемой воды от Р и ц и др. Границы существования влажного насыщенного пара внутри реактора изображены на рис. 5.1. Так же на графике отмечены изобары 10 и 20 МПа - минимальное и максимальное значения давлений реактора, реализуемых обычно на практике. Данная область давлений обеспечивает область высоких температур, и, соответственно, область с хорошими кинетическими характеристиками реакции.

С точки зрения КПД оптимальным является работа реактора окисления алюминия во влажном насыщенном паре при малых ц, т.е. в левой части графика на рис. 5.1. Однако условие текучести пульпы, гарантирующее ее удаление из реактора, только лишь за счет давления в реакторе, обуславливает необходимость содержания воды в выводимой пульпе m' не менее половины по отношению к массовому потоку гидроксида алюминия (в соответствии со стехиометрией реакции 2.22m). На рис. 5.1. показана кривая зависимости ц от Т, которая соответствует уравнению m'=1.11m. Следовательно, область параметров реактора, удовлетворяющей условию текучести пульпы находится справа от нее. На рис. 5.1. также изображена кривая характеризующая условие Q_верх=0.5Q_вход. Закрашенная область, таким образом, отображает область искомых оптимальных параметров ц, Т, Р, при которых более 50 % от суммарного количества тепла реакции переходят в высокопотенциальный с энергетической точки зрения поток пароводородной смеси, и одновременно выполняется условие текучести пульпы.

Таким образом, в результате анализа данных, полученных путем моделирования реактора гидротермального окисления алюминия, и некоторых экспериментальных пара-метров, в частности, условия текучести пульпы, определена оптимальная с точки зрения термодинамической эффективности реакторов область параметров (ц, Т, Р). Данные результаты были использованы при проектировании опытных установок на основе реакторов гидротермального окисления алюминия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.1. Границы существования влажного насыщенного пара внутри реактора в зависимости от его температуры: 1 - цmin; 2 - цmax; 3 - 10 МПа; 4 - 20 МПа; 5 - m'= =1,11 mAl; 6 - Qверх = 0,5 Qвход

Раздел 5.2. Установки на основе реакторов ГТО алюминия производят компримированный водород, не требующий специальной осушки. Для этого достаточно обеспечить необходимую степень конденсации воды из пароводородного потока, выходящего из реактора. В данном разделе диссертации проведен анализ процессов конденсации пароводородной смеси и рассмотрены особенности технологии кондиционирования водорода применительно к разрабатываемым энерготехнологическим установкам. При конденсации пара и снижении парциального давления пара в смеси наблюдается повышение парциального давления водорода. На выходе из системы конденсации оно стремится к полному давлению смеси на входе в конденсатор (за вычетом гидравлического сопротивления парогазового тракта).

Технологический процесс конденсации пароводородной смеси в общем случае состоит в снижении ее температуры до температуры насыщения водяного пара, конденсации пара из пароводородной смеси и переохлаждении конденсата до температур, обеспечивающих минимум парциального давления водяного пара в смеси. Технология конденсации пароводородной смеси применительно к параметрам разработанных энерготехнологических установок сводится к организации следующих друг за другом процессов конденсации пара из пароводородной смеси и разделения жидкой и газовой фаз. Основные технические решения по технологии конденсации пароводородной смеси состоят в следующем. Система конденсации содержит два контура конденсации с промежуточным выводом воды из первого теплообменника-конденсатора и завершающем выводе влаги из второго теплообменника. Пароводородная смесь из реактора поступает в первый теплообменник-конденсатор, где осуществляется основной съем тепла из парогазовой смеси. Тепловая мощность второго теплообменника-конденсатора (доохладителя) более чем на порядок ниже тепловой мощности первого теплообменника, поскольку основная тепловая нагрузка потока на выходе из конденсатора сосредоточена в сконденсированной воде, отводимой из контура конденсации.

Основной теплообменник-конденсатор представляет собой вертикальный кожухотрубный агрегат, рабочий объем которого организован в зазоре между внутренней и внешней цилиндрическими стенками. Поверхность теплообменника, размещаемая в концентрической полости между боковыми цилиндрическими стенками, представляет собой вертикальный двузаходный змеевик, навитый на внутреннюю цилиндрическую стенку, поверхность которой омывается водой. Пароводородная смесь движется по змеевику сверху вниз внутри трубок, где осуществляется конденсация пара. Охлаждающая вода подводится снаружи змеевика (поперечное обтекание - снизу вверх). На выходе из теплообменника-конденсатора устанавливается циклон-отделитель, принцип действия которого основан на сепарации более тяжелых фракций потока (воды) за счет центробежных сил. Тангенциальная подача приводит к осаждению воды на поверхность цилиндра. Легкая газовая компонента потока выводится через центральную трубу вверх из циклона и направляется в теплообменник-конденсатор второй ступени (доохладитель). Жидкая компонента (вода) стекает по стенке цилиндра в конический участок и выводится из циклона во влагосборник. Доохладитель конструктивно выполнен аналогично теплообменнику-конденсатору первой ступени. Он дополнен узлом с насадкой, отбивающей влагу. Его установленная мощность несколько кВт.

Реализация представленной технологии конденсации пароводородной смеси осуществлена в энерготехнологическом комплекс ЭТК-100 (раздел 5.4.2), в состав технологической схемы которого неотъемлемой частью включена система конденсации с целью получения водорода заданного качества.

Раздел 5.3. Неудовлетворенный спрос на электрогенерирующие устройства малой мощности связан с отсутствием на рынке надежных, высокоресурсных автономных источников электроснабжения мощностью от 30 до 500 кВт с низким уровнем эмиссии, небольшими затратами на обслуживание и эксплуатацию. Высоконапорный поток пароводородной смеси открывает спектр возможностей использования реакторов ГТО алюминия в малой энергетике. В данном разделе описан потенциальный ряд основных путей преобразования тепловой энергии пароводородного рабочего тела из реактора ГТО алюминия в электроэнергию.

В принципе, обеспечивается возможность организации производства энергии по теплосиловым циклам, с использованием топливных элементов (ТЭ) и их комбинациям. Принципиально возможна организация одноконтурных и многоконтурных технологических схем производства энергии. В одноконтурных схемах может быть рассмотрена газовая (пароводородная) турбина при условии глубокой очистки пароводородной смеси от твердых примесей. Наиболее сложный вопрос - защита высокооборотного высокотемпературного лопаточного аппарата турбины от коррозионно-эрозионного воздействия оксидов алюминия и воды в области влажного пара. В двухконтурных (многоконтурных) схемах эта проблема отсутствует и могут быть применены паровая турбина, газовая (воздушная или на другом рабочем теле турбина), термоэлектрические генераторы.

Энерготехнологические установки на основе реакторов ГТО могут, или производить водород в качестве товарного продукта, или одновременно с его получением использовать для выработки полезной энергии. При этом возможны два принципиально различных способа преобразования химической энергии водорода в электроэнергию: напрямую в ТЭ и через “классическое” сжигание с последующим преобразованием тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую. К классическим схемам преобразования энергии водорода можно отнести ДВС на водороде (пароводороде) и ГТУ с предвключенной КС. Если преобразование энтальпии пароводорода, выходящего из реакторов, в электрическую энергию осуществлять с помощью пароводородной турбины, то целесообразным представляется ее использование перед утилизирующими водород устройствами. Далее выбор принципиальных схем и цепочка энергетических устройств преобразования энтальпии пароводорода в полезные виды энергии зависит от типа сжигания водорода: в КС (или ДВС) или в ТЭ. Предполагаемый суммарный диапазон использования того или иного способа утилизации водорода из реакторов ГТО алюминия простирается от единиц до тысячи кВт.

В случае, когда утилизация энтальпии пароводорода, выходящего из реактора, осуществляется в теплообменнике без потерь давления, на выходе из теплообменника получается компримированный водород. Тепло, снятое в теплообменнике, имеет температурный напор ~300 °С и может быть направлено во второй контур с паровой турбиной. Теплообменный аппарат для первого контура служит конденсатором, для второго - парогенератором. Рабочим телом второго контура является водяной пар умеренных параметров. При параметрах пара, характерных для блочных противодавленческих турбин (0,5-1,2 МВт; 1,3-2,8 МПа; 190-350 °С), КПД энергоблока находится на уровне 12-20 %. Основное преимущество данной схемы - ее простота. Она привлекательна именно для дальнейшего использования водорода, т.к. сохраняется его высокое давление,

Одним из направлений повышения эффективности функционирования автономных систем энергоснабжения является переход к внедрению гибридных комплексов, включающих газогенераторную установку, тепловые двигатели реакторного контура, батарею ТЭ, паровую, газопаровую или газовую турбину с утилизацией тепла конденсации рабочего тела и тепла уходящих газов для нужд теплофикации. Такие, схемы представляют собой весь спектр технически осуществимых комбинаций схем традиционной и «водородной» энергетики. Одна из эффективных схем использует ТЭ. Перед ТЭ в схеме целесообразно использовать пароводородную турбину. После расширения пароводорода, прежде чем направить его в ТЭ, необходимо сконденсировать пар в конденсаторе, так как большинство современных батарей ТЭ работают на сухом водороде. Теплота конденсации пара в этом случае представляет низкопотенциальное тепло, величина и максимальная температура которого определяются давлением за пароводородной турбиной. В диссертации показано, что с учетом КПД ТЭ (40ч50%) электрический и полный КПД таких систем получается равным 25ч30% и 65ч70% соответственно.

В диссертации описывается также возможное построение энергетических установок на базе ГТО с использованием газотурбинных технологий. В простейшем случае пароводородная смесь после расширения в пароводородной турбине поступает в камеру сгорания, куда с помощью компрессора подается воздух. Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине, после чего тепло отработавших газов утилизируется в теплообменнике-утилизаторе. По оценкам варианты с классическим сжиганием водорода по термодинамической эффективности не уступают схемам с ТЭ и намного выгоднее по эксплуатационным и капитальным затратам. Газовые микротурбины, могут быть выдвинуты в число главных претендентов на роль электрогенерирующего агрегата для организации локальных систем электроснабжения на базе реакторов ГТО алюминия.

Некоторые из рассмотренных выше систем реализованы в опытных установках, описанных ниже в следующих разделах диссертации.

Раздел 5.4 посвящен описанию энерготехнологических установок, разработанных на основе реакторов ГТО алюминия, в рамках работ по исследованию возможностей использования алюминия для целей энергетики. В разделе 5.4.1 описана опытная когенерационная энергоустановка КЭУ-10, ее состав, принцип и особенности работы, а также результаты экспериментальных исследований ее работы и анализа эффективности. КЭУ-10 - первая энергетическая установка с реактором гидротермального окисления алюминия - способна вырабатывать полезную электрическую и тепловую энергию для конечного потребителя, а также, при необходимости, компримированный водород. В качестве первичного топлива используется дисперсный алюминий, в качестве окислителя - вода. Номинальная производительность по водороду - 10 нм³/час.

Ключевым звеном КЭУ-10 является реакторный блок РБ, в котором на основе разработанного способа окисления микронных порошков алюминия в среде влажного насыщенного пара организован непрерывный процесс получения водорода и тепловой энергии. В качестве энергетического устройства, утилизирующего водород, выбран электрохимический генератор на основе водородно-воздушных топливных элементов. Генерируемая ЭХГ электрическая энергия в постоянном токе подается в систему преобразования и распределения электрической энергии, которая позволяет также переключать питание собственных нужд КЭУ-10 от сети, на потребление от ЭХГ, обеспечивая тем самым ее автономную работу. Запуск и вывод установки на рабочий режим может осуществляться с помощью блока аккумуляторных батарей (АБ), что позволяет не запасать водород в режиме ожидания.

Тепловая энергия, вырабатываемая реакторным блоком КЭУ-10, преобразуется в полезное тепло с помощью калориферного устройства. Для обеспечения надежности работы ЭХГ в составе КЭУ-10 используется водородная рампа, позволяющая сглаживать неравномерности электрического потребления, или запасать водород в баллонах. Управление экспериментальной установкой осуществляется оператором из пультовой комнаты с помощью автоматизированной системы контроля и управления (АСКУ).

Главной задачей проведения испытаний была организация непрерывного режима работы реактора и КЭУ-10 в целом. Процедура проведения испытаний КЭУ-10 включала в себя предпусковые операции, рабочий период и приведение установки в исходное состояние. Подготовка подсистем и узлов КЭУ-10 к испытаниям включает: подвод напряжения, загрузку АСКУ и системы управления ЭХГ, продувку азотом трубопроводов и оборудования, в которых во время работы обращается водород, предварительный разогрев реактора, приготовление первой порции суспензии в смесителе и открытие ручных клапанов на входах в ЭХГ и в баллоны водородной рампы. После завершения предпусковых операций КЭУ-10 пусковой кнопкой на мониторе управления АСКУ переводится в рабочий режим, в котором все совершаемые в установке операции, за исключением пуска и останова ЭХГ, автоматизированы. Продолжительность непрерывной работы преднамеренно ограничивалась объемом запасаемого в бункере дозатора порошка алюминия, позволяющего РБ работать в номинальном режиме до пяти часов. Процесс останова и первичной консервации также запускается с монитора АСКУ.

На рис. 5.2 представлено распределение электрических мощностей в ходе одного из экспериментов. В первые минуты работы РБ напряжение на шкаф питания КЭУ-10 подавалось от блока АБ через инвертор. АБ была отключена от инвертора только в самом конце работы РБ, после выключения дозирующего насоса высокого давления. После останова РБ и переключения питания собственных нужд КЭУ-10 на сеть ЭХГ оставался нагруженным на первое балластное сопротивление БС1, имитирующее полезную нагрузку в постоянном токе. Из проведенной в диссертации обработки данного эксперимента следует, что электрический КПД установки КЭУ-10 составил около 12 %, а коэффициент использования топлива - 72 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.2. Распределение электрических мощностей в ходе эксперимента. Пояснения в тексте: 1 - ЭХГ; 2 - БС1; 3 - АБ

Основной причиной относительно низкого электрического КПД является то, что тепловая энергия, вырабатываемая в РБ, соизмеримая с теплотворной способностью образующегося водорода, не используется для производства электрической энергии. Выбранный в КЭУ-10 способ когенерации энергии объясняется тем, что в масштабе десяти киловатт эффективное преобразование тепла реакции окисления алюминия в полезную электроэнергию не представлялось возможным. Повышение электрического КПД может быть осуществлено только при создании установки с увеличенными расходными характеристиками и введении в ее схему энергетического оборудования, утилизирующего высоконапорный поток смеси пара и водорода с целью производства электрической энергии.

Основным путем улучшения энергетических показателей установок на основе реакторов ГТО алюминия является повышение эффективности преобразования тепла, выделяющегося в реакторе, в полезную электрическую энергию. Необходимым условием коммерциализации результатов этой работы должна стать разработка когенерационной энергетической установки в контейнерном исполнении с удобным для эксплуатации интерфейсом.

В разделе 5.4.2 описан опытный образец энерготехнологического комплекса ЭТК-100, созданного в развитие работ по экспериментальному подтверждению технической возможности и экономической целесообразности использования алюминия для экологически чистого производства энергии и продуктов. На этой стадии исследовательской работы опытная установка была ориентирована помимо производства тепловой энергии, на производство компримированного водорода и высококачественного гидроксида алюминия, являющегося самостоятельным высоколиквидным продуктом в различных отраслях промышленности.

Структурная схема ЭТК-100 с основными системами и узлами, приведена на рис. 5.3. Назначение систем соответствуют их названиям. Внешний вид ЭТК-100 представлен на рис.5.4. Конструктивно все основное оборудование ЭТК-100 устанавливается и монтируется в составе двух основных модулей. Модуль 1 (слева) содержит оборудование и системы, сопряженные с реакторами. Модуль 2 содержит системы подготовки.

Указанные модули выполнены в габаритах, соответствующих мобильным (контейнерным) вариантам.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.3. Структурная схема ЭТК-100

В ЭТК-100 предусмотрена работа в периодическом и непрерывном технологических режимах. В периодическом режиме реакторы используются поочередно с периодами переключения в несколько минут. В непрерывном режиме установка может работать постоянно в течение всего проводимого рабочего цикла с использованием одного реактора (другой - резервный) или с использованием обоих реакторов одновременно. Управление ЭТК-100 осуществляется с использованием АСУТП при минимальном вмешательстве оператора. Про-ведение операций ручно-го или дистанционного управления, как правило, предусматривается толь-ко при проведении пуско-наладочных работ и регламентных работ по техническому обслуживанию ЭТК-100.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.4. Внешний вид ЭТК-100

Номинальная производительность ЭТК-100 по водороду до 100 нм³/ч, по бемиту до 160 кг/ч, по полезной тепловой мощности до 200 кВт. ЭТК-100 как энерготехнологическая установка должна иметь высокие потребительские качества. Среди них экологическая безопасность исходных и конечных продуктов; практически безотходное производство; малые габариты и модульность установки; возможность получения водорода с давлением около 10 MPa без компримирования; небольшое энергопотребление, возможность самообеспечения энергией, получаемой от водорода или тепла. Возможность регулирования производительности в широком диапазоне без накопления большого (опасного для хранения) количества водорода позволяет говорить о преимуществе ЭТК-100 перед традиционными способами производства водорода в таких областях применения, как распределенная электроэнергетика, создание инфраструктуры водородных заправок гибридных автомобилей, для производств, использующих высокочистый водород и др.

Раздел 5.5 посвящен анализу ряда технико-экономических аспектов и масштабов потенциального применения алюминия в энергетике. Алюминий, в силу возможности его регенерации, можно рассматривать как возобновляемый энергоноситель. Мировые запасы бокситов составляют по разным оценкам 55-75 млрд. т. Их вовлечение в топливный баланс эквивалентно использованию 15-20 млрд. т. условного топлива, что сопоставимо с текущим уровнем мирового годового потребления первичных энергоносителей всех видов.

Как указывалось, использование алюминия в энергетических целях эффективно для целей накопления энергии. В настоящее время годовой выпуск первичного алюминия в мире составляет около 40 млн. т. Десятая доля производимого сегодня алюминия при среднегодовом времени использования и среднем электрическом КПД алюмоводородных установок 1000 ч и 30 %, соответственно, может обеспечить условно усредненную суммарную мощность около 10 ГВт, что составляет около 10 % от сегодняшней мировой суммарной установленной мощности систем аккумулирования электрической энергии.

Главным препятствием на пути коммерциализации алюмоводородной энергетики является относительно высокая цена алюминия, связанная как с особенностями формирования мировых рыночных цен на него, так и с объективно высокими затратами на электроэнергию, необходимую для его производства, составляющими около 25% от затрат на производство алюминия-сырца. Поэтому возможным направлением снижения стоимости алюминия для энергетических целей является использование дешевой, по возможности избыточной электроэнергии. В частности, для этой цели могут быть использованы недозагруженные мощности АЭС или ВИЭ.

Основным путем снижения затрат является создание замкнутого топливного цикла: производство алюминия - окисление алюминия для получения энергии у потребителя - возврат оксида алюминия в производственный цикл. Около 50% затрат на выпуск алюминия-сырца приходится на глинозем. Существенное уменьшение затрат должно произойти не только за счет замены глинозема на более дешевый возвратный оксид, но и за счет более высокого качества последнего, что уменьшит потребление электроэнергии при электролизе алюминия. Себестоимость алюминия-сырца по нашим оценкам составляет около 1,6 $/кг. Примем для простоты оценки, что использование возвратного оксида алюминия снизит эту величину на 40% до 1 $/кг. Диспергирование алюминия до порошков микронного уровня по оценкам специалистов повышает его стоимость в два раза, то есть в рассматриваемом случае до 2 $/кг. Если электрический КПД установки, использующей порошок стоимостью 2 $/кг, будет равен 30-40 %, то топливная составляющая стоимости вырабатываемой ею электрической энергии с возвратом продуктов окисления - 0.6-0.8 $/кВтч. При оценке стоимости электрической энергии следует учесть, что энергоустановка на основе ГТО алюминия помимо электрической энергии способна также вырабатывать полезную тепловую энергию, что при общем коэффициенте использования топлива на уровне 80% снижает топливную составляющую электрической энергии до 0,3 $/кВтч.

Таким образом, стоимость электрической энергии, вырабатываемой установкой на основе ГТО алюминия, превышает стоимость электроэнергии, вырабатываемой стационарными электростанциями, работающими на угле или газе. Однако в некоторых нишах малой энергетики, где используется жидкое углеводородное топливо, данные установки могли бы быть вполне конкурентоспособными. Топливная составляющая стоимости электрической энергии, вырабатываемой с КПД 30 % на основе продуктов нефтепереработки, рыночная стоимость которых порядка 1 $/кг, составляет 0.3 $/кВтч. Это несколько ниже, чем на установке с ГТО алюминия, однако в пользу алюминия выступают удобство его хранения и транспортировки, и отсутствие вредных выбросов в атмосферу при выработке электрической энергии. Поэтому энергоустановки на основе алюминия могли бы уже сегодня использоваться в некоторых специализированных областях: в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве аварийных и резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также на объектах военной инфраструктуры, в составе электроэнергетических систем кораблей, в том числе подводных лодок.

Дополнительные возможности дает использование установок на основе реакторов ГТО алюминия в качестве энерготехнологических тригенерационных комплексов по комбинированной выработке электрической энергии, водорода, а также оксидов алюминия с улучшенными физико-химическими свойствами. Как было показано в ходе экспериментальных исследований, получаемый бемит, характеризуется высокой удельной поверхностью, высокоразвитой пористой структурой и пониженным содержанием примесей. На этой основе он может использоваться в ряде неметаллургических применений.

В настоящее время качественный нанокристаллический бемит со стоимостью, обеспечивающей его рентабельное получение из алюминия, применяется в российской промышленности в небольших количествах, в объеме несколько сотен тонн в год. В перспективе можно рассчитывать на существенное увеличение объема продаж высококачественного бемита в таких отраслях как производство строительных материалов, сорбентов, катализаторов, огнеупоров, защитных стекол, конструкционных материалов, подложек микросхем, ювелирных изделий и других материалов. Хорошая перспектива также возможна при росте производства светодиодов из лейкосапфиров, сырье для которых - высокочистый оксид алюминия - в настоящее время закупается за рубежом.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны и исследованы научные и технические основы создания алюмоводородных источников энергии, включающие методические аспекты, вопросы формирования пористых структур, течения в пористых средах, работы топливных элементов и микрогенераторов водорода.

2. Предложены принцип действия и оригинальные устройства портативных генераторов водорода, использующих реакцию окисления активированного алюминия водой. Разработана концепция новых портативных источников тока с микрогенераторами водорода. Изготовлен и протестирован ряд действующих образцов портативных источников тока.

3. Проанализированы научно-технические аспекты создания технологий, а также элементы устройств энергоустановок на основе гидротермального окисления алюминия. Впервые изготовлены и протестированы опытные энергетические и энерготехнологические установки для производства полезной энергии, водорода и гидроксида алюминия.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Школьников Е.И., Волков В.В. Получение изотерм десорбции паров без измерения давления // Доклады РАН. Физ. Химия. 2001. Т. 378. № 4. С. 507-510.

2. Школьников Е.И. Сидорова Е.В. Аналитическое уравнение для расчета распределений пор по размерам из адсорбционных данных // Доклады РАН. Физ. Химия. 2007. Т.412. № 3. С. 357-360.

3. Shkolnikov E.I., Sidorova E.V., Malakhov A.O., Volkov V.V., Julbe A., Ayral A. Estimation of pore size distribution in MCM-41-type silica using a simple desorption technique // Adsorption. 2011. Vol. 17. №6. P. 911-918.

4. Шайтура Н.С., Школьников Е.И., Григоренко А.В., Клейменов Б.В. Особенности структурообразования саже-фторопластовых газодиффузионных слоев воздушных электродов топливных элементов // Электрохимическая энергетика. 2008. Т.8, №2. С. 67-72.

5. Ларичев М.Н., Шайтура Н.С., Колокольников В.Н., Ларичева О.О, Школьников Е.И. Окисление алюминиевого порошка АСД-4 водой. Возможности химической и физической активации процесса, получение наноразмерных продуктов окисления // Изв. РАН. Энергетика. 2010. № 2. С. 85-104.

6. Shaytura N.S., Laritchev M.N., Laritcheva O.O., Shkolnikov E.I. Study of texture of hydroxides formed by aluminum oxidation with liquid water at various activation techniques // Current Appl. Phys. 2010. Vol. 10. P. 66-68.

7. Ларичев М.Н., Шайтура Н.С., Колокольников В.Н., Ларичева О.О, Школьников Е.И., Артемов В.В. Получение наноструктурных продуктов при окислении микронного порошка алюминия водой в ультразвуковом поле // Перспективные материалы. 2010. № 9. С.

8. Shkolnikov E.I., Shaitura N.S., Vlaskin M.S. Structural properties of boehmite produced by hydrothermal oxidation // The Journal of Supercritical Fluids. 2013. Vol. 73. P. 10-17.

9. Школьников Е.И., Ковтунов С.Н., Волков В.В. Уточнение выражений для проницаемости пористого слоя при вязком течении газов и жидкостей под действием перепада давления // Коллоид. журн.1996. Т. 58. №4. С.553-559.

10. Школьников Е.И., Родионова И.А., Солдатов А.П., Julbe A., Волков В.В. Взаимосвязь транспортной пористой структуры с гидродинамической проницаемостью неорганических мембран // Ж. физ. хим. 2004. Т. 78. №5. С. 943-947.

11. Солдатов А.П., Школьников Е.И., Рогайлин М.И., Родионова И.А., Паренаго О.П., Волков В.В. Пироуглеродная модификация композиционных неорганических мембран // Ж. физ. хим. 2004, Т. 78. №9. С. 1659-1664.

12. И.А.Родионова, Е.И.Школьников, В.В.Волков. Влияние свойств жидкости на коэффициент гидродинамической проницаемости // Коллоид. Ж., 2005, том 67, №4, с. 1-9.

13. Жук А.З., Клейменов Б.В., Школьников Е.И. и др. Алюмоводородная энергетика / Под ред. А.Е. Шейндлина. М.: ОИВТ РАН. 2007. 278 с.

14. Sheindlin A.E., Shkolnikov E.I, Zhuk A.Z. Hydrogen cartridges for fuel cell-based power sources // Fuel Cell Science & Technology: Scientific Advances in Fuel Cell Systems. Turin. 2006. P. 6.1.

15. Пармузина А.В., Кравченко О.В., Булычев Б.М., Школьников Е.И., Бурлакова А.Г. Исследование реакции окисления активированного алюминия водой - метод получения водорода // Изв. РАН. Сер. Химия. 2009. № 3. С. 483-488.

16. Шейндлин А.Е., Школьников Е.И., Пармузина А.В. (Илюхина А.В.), Тарасова С. А., Янушко С.А., Григоренко А.В. Микрогенераторы водорода на основе окисления алюминия водой для портативных источников тока // Известия РАН. Энергетика, 2008. № 3. С. 28-35.

17. Школьников Е.И., Янушко С.А., Тарасова С.А., Пармузина А.В. (Илюхина А.В.), Илюхин А.С., Шейндлин А.Е. Исследование работы алюмо-водного микрогенератора водорода для компактных источников питания // Электрохимическая энергетика, 2008. Т. 8. № 2. С. 86-91.

18. Ilyukhina A.V., Ilyukhin A.S., Shkolnikov E.I. Hydrogen generation from water by means of activated aluminum // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37, № 21. P. 16382-16387.

19. Школьников Е.И., Власкин М.С., Илюхин А.С., Тарасенко А.Б. Особенности работы свободно дышащего топливного элемента с твердым полимерным электролитом в условиях ограниченного объема // Электрохимическая энергетика. 2007. т. 7. № 4. с. 175-182.

20. Школьников Е.И., Власкин М.С., Илюхин А.С., Тарасенко А.Б., Жук А.З. Источник питания мощностью 2 Вт на основе водородно-воздушных топливных элементов с твердым полимерным электролитом // Известия РАН. Энергетика. 2008. № 4. С. 76-85.

21. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. 2 W power source based on air-hydrogen PEM FCs and water-aluminum hydrogen micro-generator // J. Power Sources. 2008. vol. 185. № 2. p. 967-972.

22. Власкин М.С., Школьников Е.И., Киселева Е.А., Чиненов А.А., Харитонов В.П. Способы поверхностной обработки титановых биполярных пластин водородно-воздушных топливных элементов // Электрохимическая энергетика. 2009. т. 9. № 3. С. 161-165.

23. Янилкин И.В., Школьников Е.И., Клямкин С.Н., Власкин М.С., Янушко С.А., Тарасова С.А., Булычев Б.М., Шейндлин А.Е. Комбинированная система питания топливных элементов на основе алюмоводного генератора и металлогидридного накопителя водорода // Изв. РАН. Энергетика. 2010. № 1. С. 85-95.

24. Киселева Е.А., Беренгартен М.Г., Севастьянов А.П., Школьников Е.И. Способ формирования мембранно-электродного блока портативного топливного элемента и его исследование // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. № 9. С. 86-90.

25. Шейдлин А.Е., Жук А.З., Клейменов Б.В., Школьников Е.И., Лопатин М.Ю. О возможности использования алюминия в энергетических установках // Известия Академии Наук. Энергетика. 2006. № 2. С. 3-11.

26. Zhuk A.Z., Kleymenov B.V., Shkolnikov E.I., Lopatin M.Yu. Use of low-cost aluminum for hydrogen production in hybrid energy systems // Journal of Power Sources. 2006. Vol. 157. P. 921 - 926.

27. Власкин М.С., Школьников Е.И., Лисицын А.В., Берш А.В. Термодинамический расчет параметров реактора окисления алюминия во влажном насыщенном паре // Теплоэнергетика. 2010. № 9. С. 60-66.

28. Берш А.В., Лисицын А.В., Сороковиков А.И., Власкин М.С., Мазалов Ю.А., Школьников Е.И. Исследование процессов генерации пароводородной смеси в реакторе гидротермального окисления алюминия для энергетических установок // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 6. С. 908-915.

29. Жук А.З., Школьников Е.И., Мирошниченко В.И., Иванов П.П., Власкин М.С., Бузоверов Е.А. Производство энергии на базе низкотемпературных алюмоводородных технологий // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 5. С. 26-37.

30. Шейндлин А.Е., Школьников Е.И., Жук А.З., Клейменов Б.В., Власкин М.С. Особенности энергетического использования алюминия // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 6. С. 3-30.

31. Власкин М.С., Панкина Ю.В. Экспериментальная когенерационная энергетическя установка на основе гидротермального окисления алюминия // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 6. С. 31-45.

32. Vlaskin M.S., Shkolnikov E.I., Lisicyn A.V., Bersh A.V., Zhuk A.Z. Computational and experimental investigation on thermodynamics of the reactor of aluminum oxidation in saturated wet steam // International J. Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. № 5. P. 1888-1894.

33. Vlaskin M.S., Shkolnikov E.I., Lisicyn A.V., Bersh A.V. Oxidation kinetics of micron-sized aluminum powder in high-temperature boiling water // International J. Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36. № 11. P. 6484-6495.

34. Vlaskin M.S., Shkolnikov E.I., Bersh A.V., Zhuk A.Z., Lisicyn A.V., Sorokovikov A.I., Pankina Y.V. An experimental aluminum-fueled power plant // J. Power Sources. 2011. Vol. 196. № 20. P. 8828-8835.

35. Shkolnikov E.I., Zhuk A.Z., Vlaskin M.S. Aluminum as energy carrier: Feasibility analysis and current technologies overview // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. № 9. P. 4611-4623.

36. Школьников Е.И., Жук А.З., Булычев Б.М., М.Н. Ларичев, А.В. Илюхина, М.С. Власкин. Окисление алюминия водой для эффективного производства электроэнергии / Под ред. А.Е. Шейндлина. М: Наука, 2012. 173 с.

Размещено на Allbest.ru