Концепция алюмоэнергетики, как можно догадаться уже из названия заключается в использовании алюминия как промежуточного носителя энергии в транспортных, стационарных и портативных приложениях. При этом используется подход прямого окисления алюминия в топливных элементах на основе воздуха и алюминия и технологии взаимодействия алюминия и водорода. В последнем случае окисление алюминия происходит вследствие взаимодействия его с водой, в течение которого выделяется водород, применяемый как топливо для генерации тепловой и электрической энергии.
В рамках первого подхода учеными был разработан целый ряд устройств, который начинается от электрохимических анализаторов различного назначения и заканчивается сложной энергетической установкой для электрического автомобиля. Такая установка включается в себя как электрохимический генератор на основе воздушно алюминиевых элементов, который является в ней основным, так и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи для повышения мощности в интенсивных режимах езды.
Комбинированная энергетическая установка на борту электрического автомобиля – общий вид
Показать столь высокие параметры установки и увеличенную дальность возможного пробега удалось осуществить благодаря частичной замене аккумуляторных свинцово-кислотных батарей стандартного варианта, энергоемкость которых составляет всего около 35 Вт•ч/кг, на воздушно-алюминиевую установку, обладающую гораздо более высокими показателями – двести семьдесят 270 Вт•ч/кг. Еще одной выгодной особенностью воздушно-алюминиевых топливных элементов является возможность осуществления раздельного хранения топлива и электролитической основы. Благодаря этому качеству эти элементы имеют практически неограниченный срок хранения, что расширяет перспективы их использования в качестве источников аварийного и резервного питания.
Технологии, использующие взаимодействия алюминия и воды, применяют для решения задач децентрализованной генерации, а также в портативных энергетических установках. В портативных системах применения нашел активированный алюминий. При нормальных условиях поверхность алюминия представляет собой пассивирующую пленку, благодаря которой он не вступает в химическую реакцию с водой. А использование в системах так называемого гражданского назначения материалов, обладающих высокой химической активностью, давлении и температуре, просто небезопасно. Именно поэтому для подобных систем были разработаны миниатюрные генераторы водорода, которые с легкостью можно заменить, основой которых стало окисление водой сплава алюминия с другими металлами. Во время этого процесса, специально разработанная система мембран позволяет осуществлять скорость выделения водорода, путем управления потоком воды в генераторе. Прекращение реакции взаимодействия воду полностью вытесняют из зоны реакции при помощи повышенного давления, что делает использование подобным микрогенераторов полностью безопасным. Выделенный во время реакции окисления водород поступают в специальную батарею топливных элементов, имеющую уникальную конструкцию, которая и генерирует электрическую энергию.
Концептуальная модель источника тока для зарядного устройства мобильного телефона
После того, как специалисты провели тщательные расчеты стало ясно, что устройство с одним микро генератором водорода по экономическим показателям уступает сменной аккумуляторной батарее для мобильного телефона, использующей литий-ионную технологию. Однако такие аккумуляторные батареи при длительном использовании вне зоны действия электросети необходимо либо заменять, либо осуществлять их зарядку от дополнительных источников электрического тока. В этом случае, использование зарядного устройства со сменными микрогенераторами, обладающего сравнимыми характеристиками массы и габаритов, можно назвать оправданным, но только после нескольких зарядок оборудования от него. Из вышесказанного следует, что такие генераторы рассчитаны на системы длительной работы в полевых условиях.
При осуществлении работы алюмоводородных энергетических установок, обладающих большой мощностью, транспортировка полученного водорода к потребителю не осуществляется, вместо этого генерируется в месте потребления при возникшей необходимости. Получение водорода происходит благодаря реакции алюминия с водой при высоких давлении и температуре. В настоящее время испытания проходит энергетическая установка, использующая в качестве реагентов порошки алюминия и воду, выдающая десять кубических метров водорода.
Сердцем подобной установки служит реактор, в котором и происходит реакция окисления алюминия в условиях высокого давления и температуры, с течением которой выделяется водород, бемит и большое количество тепловой энергии. Благодаря данным структурного анализа и проведенным расчетом можно утверждать, что реакция в заданных условиях происходит так, как описано в уравнении.
2Al + 4H2O = 2AlOOH (бемит) + 3H2 + Q (~15,5 МДж/кг Al)
В результате химической реакции происходит образование паро-водородной смеси, которую направляют для генерации тепла реакции в тепловую энергию, вследствие чего происходит процесс конденсации водяных паров. Выделенный во время реакции водород в специальном топливном элементе преобразуется в электрическую энергию, при этом часть полученной энергии используется на нужды установки.
Экспериментальная когенерационная установка КЭУ-10
Благодаря тому, что реакция экзотермическая, стала возможной эффективная реализации когенерации и получение колоссального количества тепловой энергии, которую можно использовать для нужд нагрева либо охлаждения. Именно поэтому вместе с созданием и совершением установки, исследуются другие составы и конструируются экспериментальные энергетические установки, а также ведутся расчеты и аналитические исследования. При этом рассматривается использование водорода традиционным способом – для сжигания в камерах, турбинах либо поршнях.
Сегодня роль топлива установки играет алюминиевый порошок, размер которого не превышает десяти микрометров. Примечательно, что с течением реакции, кроме водорода, выделяется гидроксид алюминия нанокристаллический, который сам по себе является весьма ценным сырьем. Он используется при производстве синтетического сапфира, катализирующих веществ, антипиренов, фильтрующих материалов, и также в порошковой металлургии и специальной керамики. {odnaknopka}