Алюмоводородная энергетика

В течение всей своей истории человечество упорно преодолевает последствия собственной деятельности, фактически борясь за выживание в условиях, создаваемых его взаимодействием с окружающей средой. Нельзя не отметить, что, во-первых, все проблемы, возникающие при этом, имели и имеют решение — мы ведь до сих пор существуем и развиваемся как вид и как цивилизация. Во-вторых, успех в преодолении угрожающих факторов приносит комплекс мер, а не какое-то одно решение, причем в отдельности каждая из этих мер зачастую малоэффективна. А в-третьих, ни одна из серьезных проблем, угрожавших человечеству в прошлом, будь то истощение ресурсов, недостаток продовольствия или угроза эпидемии, окончательно не решена до сих пор. Положительный результат выражается не в полном решении вопроса, а в значительном снижении уровня опасности. Иными словами, от глобальных угроз нельзя избавиться раз и навсегда. Их преодоление есть не событие, а процесс. На этих соображениях основана наша оценка возможностей электрохимической энергетики (водородной, в частности), а также технологий, связанных с возобновляемыми источниками энергии.

Иллюстрация Ксении Ставровой

Работы в этих направлениях, безусловно, и важны, и необходимы. По мере их развития возникают новые ниши для использования экологически чистых методов производства и хранения энергии. Однако необходимо отдавать себе отчет в том, что эффективность нетрадиционной энергетики невелика, обходится она дорого. Поэтому в обозримом будущем не удастся сколько-нибудь основательно заменить существующие методы получения энергии — с помощью тепловых, атомных и гидроэлектростанций — на что-то иное. По сверхоптимистическим прогнозам, производство энергии за счет возобновляемых ресурсов к середине нынешнего века не превысит 50% от суммарного мирового энергопотребления, и это с учетом работы больших гидроэлектростанций. Следует также иметь в виду, что производство энергии с помощью гидроэлектростанций и биомассы нельзя отнести к экологически безопасным.

Применительно к электрохимическим методам получения энергии тезис о ее высокой стоимости достаточно очевиден: наиболее эффективные и экологически чистые виды топлива, используемые в электрохимических энергоустановках (водород, металл, спирты и другие), не входят в число первичных энергоресурсов. Это энергоносители, в которые надо закачать энергию, например разложив воду электролизом на водород и кислород, потом доставить к потребителю и там получить энергию за счет химической реакции. На всех этапах неизбежны потери. Впрочем, это не означает, что такое направление бесперспективно: электрохимическая энергетика имеет свои ниши, где ее применение вполне оправдано.

Проблемы водородной энергетики

Сейчас основной энергоноситель — углеводороды. Источником накопленной в них энергии было Солнце. Растения в процессе фотосинтеза преобразовали энергию света в энергию химических связей, и она высвобождается при сжигании топлива. Два обстоятельства делают сегодня углеводородное топливо не самым лучшим вариантом для энергетики. Во-первых, его сжигание приводит к загрязнению атмосферы и экологическим проблемам, которые наиболее ярко, по мнению многих специалистов, выражаются в глобальном потеплении. А во-вторых, легко извлекаемые запасы природного газа и нефти заканчиваются, и стоимость полученной из них энергии все время растет. Впрочем, это может сделать привлекательными другие возможные энергоносители, которые при нынешних ценах проигрывают углеводородам.

Сейчас главной альтернативой углеводородам многие считают водород. Обычно ему отводят две роли. Первая — энергоноситель, который позволяет устранить основной недостаток электроэнергии: необходимость ее немедленного использования. «Складировать» электроэнергию в конденсаторах и аккумуляторах недостаточно эффективно. Водород же надежно хранит энергию, а извлечь ее можно с помощью, например, топливного элемента, большое преимущество которого в том, что при его работе образуется мало вредных веществ. Наличие промежуточного энергоносителя позволяет осуществить схему, при которой электроэнергию производят на территории, где загрязнение не столь опасно (например, вдали от мегаполиса), а потребляют в экологически чистом виде. Вторая роль — средство необходимое для создания глобальной, безвредной для окружающей среды системы производства энергии. Для реализации этой, весьма консервативной на наш взгляд, позиции водород необходимо производить с помощью электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, а также используя возобновляемые, экологически чистые источники — энергии солнца, ветра, воды, геотермальной энергии и прочие. В современных концепциях водородной энергетики (или еще более радикальной концепции «водородной экономики»), впрочем, рассматривается также производство водорода из ископаемых углеводородов. Очевидно, что такой подход служит паллиативом, приемлемым только при переходе от традиционной энергетики к водородной, так как он не решает проблему исчерпания углеводородов и загрязнения окружающей среды.

К сожалению, использование водорода в качестве энергоносителя сопряжено с принципиальными проблемами, которые сдерживают развитие водородной энергетики. А их хватает. Это и отсутствие инфраструктуры для хранения, транспортировки и распределения водорода, и низкая плотность энергии H₂ в нормальных условиях, когда водород пребывает в газообразном состоянии, и взрывоопасность смеси «водород–воздух». Кроме того, водородные топливные элементы стоят дорого, а ресурс работы у них невысок.

Энергетика на основе алюминия

Решить проблемы водородной энергетики позволяет использование другого энергоносителя при сохранении основных ее принципов. В качестве такого энергоносителя вполне можно выбрать алюминий. Почему его? Выбор станет ясен при взгляде на количества энергии, которая выделяется при сжигании единицы массы того или иного элемента (см. рис). Лидером здесь выступает водород. Затем идут литий, бериллий и бор. На них энергетику построить сложно: литий дорог и моментально реагирует с водой, бериллиевая пыль ядовита, и это весьма редкий элемент, бор неохотно вступает в реакции с другими веществами. Следующим идет углерод, а что такое углеродная энергетика, мы уже знаем. На шестом месте с небольшим отставанием от углерода стоит алюминий. Кстати, если считать содержание энергии на единицу объема, то этот металл окажется уже на третьем месте после бериллия и бора.

Так зависит от порядкового номера элемента количество энергии, которое выделяется при горении единицы массы (сверху) и объема этого элемента (снизу), взятого при нормальных условиях

Алюминий получают в результате электролиза оксидов и гидроксидов. Производство это не самое чистое, поскольку процесс идет в расплаве фторидов и требует больших затрат электроэнергии — на ее стоимость приходится 75–85% общих затрат производства металла. Зато потом запасенную в металлическом алюминии энергию легко превратить обратно в электричество при окислении металла в электрохимическом генераторе. Есть и другой способ: провести реакцию алюминия с водой, в результате которой водород из воды будет вытеснен и послужит потом в устройствах водородной энергетики. Важная особенность алюминия состоит в том, что он очень легко вступает в химические реакции и с кислородом, и с водой. Главное препятствие для таких реакций — мгновенно возникающая на его поверхности прочная пленка оксида. Не будь ее, этот металл никогда бы не стал столь популярным конструкционным материалом. При получении в топливном элементе энергии из алюминия нужно добиться, чтобы эта пленка быстро разрушалась. Для этого в алюминий добавляют микроколичества индия или галлия, а также подбирают особый состав электролита.

Алюминий — чрезвычайно распространенный металл, его вес составляет 8,8% от веса земной коры. В нормальных условиях он инертен, поэтому его хранение и транспортировка, в общем-то, безопасны (взрывоопасен лишь очень мелкий порошок алюминия) и не требуют создания какой-либо специфической инфраструктуры.

Энергию с помощью алюминия можно получить двумя способами. Во-первых, реакцией с кислородом воздуха в топливном элементе. При этом анодом будет растворяющаяся пластинка алюминия, а продукт реакции — гидроксид алюминия. В отличие от водородного, такой элемент просто устроен и не требует дорогих и капризных катализаторов на основе платины. Уже сейчас алюминиевые топливные элементы в 3–5 раз дешевле водородных аналогов. При этом ресурс их работы (до 10 000 часов) значительно выше, а КПД лучших образцов составляет 55%. Правда, себестоимость электроэнергии оказывается выше.

Во-вторых, алюминий — то самое вещество, что позволяет извлекать из воды водород, который потом можно использовать в водородном топливном элементе либо сжигать в двигателе внутреннего сгорания (см. «Химию и жизнь» 2006 №10. — Примеч. ред.). Если использовать алюминий в этом качестве, то просто и естественно решаются проблемы хранения, транспортировки и «уплотнения» этого газа: его удается хранить в виде совершенно безопасного химического соединения, воды, и получать из нее по мере необходимости. Как видно из таблицы, такой способ хранения водорода оказывается весьма эффективным.

Между концепцией водородной энергетики и предлагаемой здесь концепцией алюмоводородной энергетики существует прямая аналогия, в том смысле, что водород как энергоноситель заменен или дополнен алюминием.

Существенное достоинство водорода как энергоносителя — неисчерпаемость его запасов. Однако, сравнивая водород и алюминий, необходимо иметь в виду, что при возвращении продуктов окисления алюминия в цикл его производства не придется значительно расширять добычу бокситов и других алюмосодержащих ископаемых, по крайней мере, в условиях стабильного уровня потребления алюминия в качестве энергоносителя. Если электролиз алюминия в той или иной местности происходит за счет возобновляемой энергии гидроэлектростанций, солнца, ветра и других, то алюмоводородная энергетика не должна увеличивать вредное воздействие на окружающую среду.

Наконец, широкое распространение энергоустановок, использующих в качестве топлива алюминий и его сплавы, позволяет энергетически эффективно решить проблему утилизации вторичного алюминия. Такова в общих чертах концепция альтернативной энергетики, построенной на использовании алюминия в качестве энергоносителя.

Академик РАН
А.Е. Шейндлин,
Объединенный институт высоких температур РАН

Расчет эффективности

Водородный топливный элемент на основе протонопроводящих мембран

Самый дешевый водород получается при паровой конверсии метана и стоит 4 доллара за кг. Если извлекать водород электролизом воды, то себестоимость будет 14 долларов за кг. С учетом того, что КПД водородного элемента — 40%, стоимость произведенной им энергии составит 0,24–1,0 доллара за кВт·ч. Коэффициент использования энергии (то есть отношение энергий, затраченной на получения водорода и полученной при работе топливного элемента) для конверсии составит 28%, а для электролиза — 12%.

Алюминиевый элемент с щелочным электролитом

При массовом производстве специального анодного сплава Al–In его рыночная стоимость не будет превышать 10 долларов за кг. КПД элемента — 55%. Один килограмм алюминия может дать примерно 8 кВт·ч электроэнергии. Значит, без учета возврата получившегося гидрооксида на регенерацию стоимость энергии составит 2,41 доллар за кВт·ч. Чтобы произвести 1 кг Al марки А995, необходимо затратить 18 кВт·ч. Процесс производства специального сплава добавляет к энергетическим затратам еще 40%. Тогда коэффициент использования оказывается около 16%, что выше, чем при получении водорода электролизом воды.