Автономная модульная воздушно-алюминиевая энергоустановка для резервного энергоснабжения

В проекте разрабатывается экологически безопасная, автономная энергоустановка (ЭУ) на основе воздушно-алюминиевого (ВА) электрохимического генератора (ЭХГ) модульного типа для обеспечения эффективного резервного энергоснабжения автономных объектов: удаленных или изолированных от энергосетей поселений, объектов особой категории важности, изолированных инженерных объектов, а также для арктических экспедиционных станций.

Разрабатываемая ЭУ представляет собой набора ВА батарейных модулей, соединенных электрически таким образом, чтобы получить потребную мощность. Также в состав ЭУ входят все дополнительные подсистемы, необходимые для полноценной работы, такие как - баки с водой и электролитом, система контроля и управления ЭУ и др.

В качестве топлива ВА ЭУ использует алюминий, воду и кислород. Алюминий используется в виде алюминиевых пластин толщиной несколько миллиметров, а кислород поступает из воздуха атмосферы и не требует специального хранения. Вода расходуется из электролита (смесь воды и натриевой щелочи: NaOH), который прокачивается через топливные ячейки ВА ЭУ.

ВА ЭУ является первичным химическим источником тока и при работе расходует реагенты необратимо – невозможно восстановить исходную емкость путем пропускания электрического тока в обратном направлении. ВА ЭУ -механически перезаряжаемые аккумуляторы – их возможно перезарядить механической заменой расходуемых реагентов. Это свойство является преимуществом, так как не нужно тратить длительное время на заряд ЭУ от электросети, как это необходимо для аккумуляторов, и это позволяет использовать ВА ЭУ полностью автономно от электросети имея в наличии только запас реагентов. Механическая перезарядка может быть осуществлена в течение нескольких минут ручным способом или автоматическим.

Продуктом реакции ВА ЭУ является гидроксид алюминия (Al(OH)3) – экологически безопасный компонент, существующий в природе и являющийся глиной.

Разрабатываемая ВА ЭУ обладает следующими основными преимуществами:

1. Срок хранения до запуска без потери энергетических характеристик: более 20 лет.

2. Отсутствие необходимости постоянного трудоемкого технического обслуживания (ТО) при хранении.

3. Удельная энергия (в отношении к полной массе ЭУ): 350-400 Втч/кг;

4. Высокий КПД преобразования энергии ~50%.

5. Стоимость ЭУ в материале отнесенная к запасаемой в ЭУ энергоемкости: ~15-25$/кВтч.

6. Ресурс ЭУ - время наработки до существенного падения энергетических характеристик и потребности ремонта или замены батарейных модулей: 3000-5000 ч.

7. Возможность работы в широком температурном диапазоне: от -50С (возможно и ниже) до +50С.

8. Практически полное отсутствие шума при работе (максимальные шумовые характеристики порядка 45-50 дБ).

9. Существенно меньшее количество подвижных частей в ЭУ при генерации энергии, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

10. Механическая перезаправка ЭУ без использования электросети.

11. Пожаро- и взрывобезопастность ЭУ и ее компонентов при хранении, эксплуатации и утилизации.

12. Простота утилизации ЭУ и ее компонентов (не требуется высокотехнологичная линия для утилизации отработанных ЭУ).

13. Полная экологическая безопасность, как расходуемых компонентов (топлива: алюминий, вода, кислород), так и продуктов реакции (гидроксид алюминия).

14. Возможность реализации энерго- и ресурсосберегающего цикла использования алюминия как горючего уже сегодня – существующий цикл производства алюминия позволяет легко и с практически в два раза меньшими энергозатратами восстановить исходный алюминий из продуктов реакции ВА ЭУ (гораздо легче, чем перерабатывать бокситы).

15. Энерго- и ресурсосберегающий цикл использования алюминия позволяет при повторном производстве 1 тонны чистого алюминия исключить появление порядка 1,5-2 тонн красного шлама (утилизируемого в специальные хранилища), как это происходит при выработке алюминия из бокситов, тем самым снижая экологическое загрязнение при производстве алюминия.

Одним из основных преимуществ предлагаемой ЭУ является невысокая стоимость в материале по сравнению как с лучшими дизель-генераторными установками (ДГУ), так и с другими типами химических источников тока (никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, литий-ионные аккумуляторы, а также кислород-водородные или кислород-метанольные топливные элементы и т.п.).

Перечисленные выше преимущества ВА ЭУ вместе с низкой стоимостью и отсутствием необходимости постоянного ТО при хранении (как это необходимо для ДГУ) делает ВА ЭУ экономически эффективным решением для применения в системах резервного энергоснабжения как генератора с возможностью длительной работы (более суток) для широкого ряда применений:

1. Резервирование основного энергоснабжения:

- автономных поселений;

- промышленных и инженерных объектов;

- больниц, объектов стратегического значения и др. энергопотребителей особой группы;

- станций и вышек связи;

- информационных и вычислительных центров;

и ряда других объектов на случай аварии на линиях электропередач (ледяные дожди, ураганы и др. природные катаклизмы) или на распределительных подстанциях.

2. Основное или резервное энергоснабжение экспедиций:

- автономные арктические станции;

- длительные экспедиции в экологически чистых заповедных зонах.

У ВА ЭУ горючее находится в металлическом состоянии - алюминиевые пластины. Это обеспечивает высокую энергоёмкость в единице объёма алюминия (22,41 кВтч/л) и удобство хранения горючего – не нужны специальные меры пожарной безопасности, как, например, для бензина или дизельного топлива (ДТ). Также алюминий не меняет своих свойств в широком диапазоне температур, что невозможно для углеводородного топлива. Использование алюминия как горючего также выгодно и из-за отсутствия изменения его состава и ухудшения характеристик с течением времени, как это происходит с углеводородным топливом – бензин, ДТ. Кроме алюминия, также безопасностью и возможностью длительного хранения без деградации, отличаются и щелочной электролит и вода.

Этот ряд свойств ВА ЭУ позволяет снизить капитальные затраты на обустройство и обеспечение безопасности площадок размещения резервной электростанции, а также снизить потери при длительном хранении расходуемых компонентов до момента запуска. Ввиду отсутствия существенных вибраций при работе, для ВА ЭУ также не требуется специальный фундамент и особая площадка для эффективной работы и для сохранения точной балансировки вращающихся частей, как это актуально для ДГУ.

Благодаря широкому температурному диапазону работы и другим свойствам ВА ЭУ, например по удобству длительного хранения горючего, применение ВА ЭУ может быть также целесообразно и в качестве основной энергоустановки на арктических станциях. Также применение ВА ЭУ в этом случае может быть эффективно и для снижения загрязнения арктической зоны. Продукт реакции ВА ЭУ (гидроксид алюминия) экологически безопасен - представляет собой обыкновенную природную глину и может быть утилизирован на месте работы экспедиции без вреда для окружающей среды. Это позволяет убрать необходимость возврата большого количества (и объема) пустых цистерн из-под использованного дизельного топлива по окончании экспедиции, что также снизит затраты на логистику горючего к таким станциям.

Также преимуществом применения ВА ЭУ в условиях сильно отрицательных температур (в арктике) является способность ВА ЭУ к саморазогреву во время старта и во время работы. Так как КДП преобразования энергии из алюминия в ВА ЭУ составляет 50%, то остальные 50% энергии являются тепловыми потерями, которые разогревают систему и позволяют ВА ЭУ запуститься и выйти на расчетный режим работы даже при сильно отрицательных температурах (с -50С и ниже, в случае если электролит не кристаллизовался). Эта особенность ВА ЭУ может быть полезна и для отопления помещений полярных экспедиций.

ВА ЭУ также отличается отсутствием критически важных для выработки энергии подвижных частей, требующих использования смазки для работы, - это позволяет реализовать возможность запуска, разогрева и выхода на рабочий режим после длительного хранения даже при сильно отрицательных температурах, что затруднительно для ДГУ в таких же условиях. Такое свойство ВА ЭУ достаточно актуально для арктических станций и объектов инфраструктуры в северных регионах, используемых вахтовым методом.

Разрабатываемая ВА ЭУ обладает номинальной мощностью 100 кВт и запасом энергии 2570 кВтч (для энергоснабжения на номинальной мощности в течение ~24 часов). За счет использования модульной архитектуры ВА ЭУ может функционировать в широком диапазоне мощностей: 1,5-160% от номинала, изменяя свою мощность автоматически в зависимости от нагрузки в сети. Это позволяет эффективно расходовать реагенты и при снижении нагрузки в сети увеличивать время работы ВА ЭУ, обеспечивая энергоснабжение в течение большего, чем 24 часа времени.

Предлагаемое решение на сегодняшний день не реализуется другими разработчиками в мире.

Уникальность решения, а также успех разработки, обеспечивается многолетним опытом исследований и разработок технологии воздушно-алюминиевых источников тока и энергоустановок на их основе, который имеется у команды проекта, в состав которой входят одни из основателей направления воздушно-алюминиевых источников тока в России.

Команда проекта обладает научно-обоснованной и апробированной технологией, - на счету команды сотни научных трудов, публикаций и ряд патентов по теме проекта. В лабораторных условиях реализован ряд прототипов воздушно-алюминиевых энергоустановок различной мощности, назначения и времени работы (портативные, переносные и мобильные источники тока; резервный электрохимический генератор; источник тока для беспилотного летательного аппарата; полнофункциональный электрохимический генератор для электромобиля).

Дополнительная информация находится в презентации в дополнительных материалах.

Рейтинг проекта +6

Команда

+ Вступить в команду
Показать еще

Обсуждения

В чем нуждается проект

Проект нуждается в финансировании и информационной поддержке.

Комментарии

Дмитрий Худеньких

Здравствуйте.
Можете сообщить сколько будет себестоимость 1 кВт/ч. выработанной электроэнергии или расход алюминия?

Константин Пушкин

Из 1 кг алюминия и 1 кг воды - получается примерно 3,8-3,9 кВтч энергии.
Используется высокочистый алюминий, стоимость которого составляет ~2$/кг на сегодняшний день.
По нашим оценкам стоимость 1 кВтч составляет порядка 0,6-0,7$ (без учета возможности снижения стоимости за счет регенерации продукта реакции). Для более точных цифр требуется понимать назначение и условия эксплуатации установки. Возможно будет вариант снизить стоимость.
Именно по причине достаточно высокой стоимости 1 кВтч по сравнению с дизельным топливом в России, данный проект рассматривает применение предлагаемого решения в качестве резервного источника.

Ответить 0 28 июня 2017 в 23:16
Константин Пушкин

Кстати, - при реализации ресурсосберегающего цикла использования алюминия, в котором продукты реакции будут регенерироваться, возможно снижение стоимости вырабатываемой в ВА ЭУ энергии до 0,3-0,5$/кВтч.

Ответить 0 15 июля 2017 в 17:48
Антон Скибин

Какова максимальная мощность на одной площадке монтажа?
Каково время до начала выдачи мощности в сеть из состояния законсервированного хранения?

Константин Пушкин

Максимальная мощность одной установки - 160 кВт (расчетное время работы на этой мощности составляет порядка 12 часов).
Начало выдачи мощности (части мощности от номинала) - происходит моментально при запуске установки в любых условиях.
При сильноотрицательных температурах окружающего воздуха (-50, -60С) и температуре электролита (порядка -20С, -25С - не кристаллизованный электролит) эта стартовая мощность полностью расходуется на разогрев системы, который, в зависимости от температуры окружающего воздуха, занимает от 5 до порядка 25 минут. При старте с температуры окружающего воздуха равному -30С, выход на режим номинальной мощности (100кВт) займет около 25 минут. При старте работы из законсервированного состояния но при температуре около +20С - разогрев происходит за 5-10 минут, одновременно с разогревом в этом случае возможно отбирать электрическую мощность - порядка 40кВт (непосредственно с момента старта), а на протяжении дальнейшего разогрева (5-10 минут) эта электрическая мощность будет возрастать, доходя до номинала (100кВт).

Ответить 0 17 июля 2017 в 18:33
Антон Скибин

Т.е. может использоваться как всепогодный резервный источник на случай урагана/гололеда? Константин, сможете сделать и опубликовать 5-7 слайдов с описанием проблемы локальных отключений, вашего решения для этой задачи (режим консервации, время включения, мощность и продолжительность работы, оценка стоимости установки)?

Ответить 0 17 июля 2017 в 20:07
Константин Пушкин

Да, совершенно верно, - проект реализуется именно для этих целей - резервирование энергоснабжения микросетей на случай аварии на ЛЭП или подстанциях.
При этом, хотел бы еще заметить, что для обеспечения полностью бесперебойного электроснабжения, на время выхода нашей установки на номинальную мощность, следует использовать аккумуляторы (как это и делается сейчас во всех бесперебойных резервных системах). Однако аккумуляторы тоже очень чувствительны к температуре и не любят сильно отрицательных температур. Поэтому, как конкретные типы аккумуляторов, для обеспечения полностью бесперебойного электроснабжения, так и точное время выхода нашей установки на номинальный режим - зависят от температуры эксплуатации.

Антон, - спасибо большое за замечания на счет слайдов! Действительно у нас есть эти данные, - я постараюсь в течение завтрашнего дня сформировать слайды и опубликовать их в материалах проекта.

Ответить 0 17 июля 2017 в 22:12
Константин Пушкин

Антон, - вот примерно так получается.
Я думаю в ближайшие дни приложу еще некоторые материалы.
Еще раз спасибо за комментарии и замечания!

Ответить 0 18 июля 2017 в 22:53
Ответить 0 24 июля 2017 в 20:46

Добавление комментария