The issue of the use of aluminum-hydrogen energy in hard-to-reach areas of the Russian Federation was considered
hydrogen, hydrogen energy, renewable energy sources, greenhouse effect
Для повышения эффективности электроэнергетики России необходимо выполнить её децентрализацию, которая обостряется целым рядом климатических и географических особенностей. Во-первых, около 20 млн. человек проживают на территориях, куда технически и экономически нецелесообразно распространение централизованных сетей. Во-вторых, в силу климатических условий практически во всех регионах нашей страны необходимо использовать когенерационные энергоустановки, т. е. производить не только электрическую, но и тепловую энергии. В настоящее время основным решением для децентрализованной генерации являются газопоршневые и газотурбинные установки (при наличии природного газа), а также дизель-генераторы, работающие на привозном топливе (в труднодоступных районах). К недостаткам последних следует отнести относительно низкий ресурс (при работе на мощности ниже номинальной), высокий уровень выбросов и расход топлива.
Совокупный объем затрат на энергоснабжение всех потребителей 15 регионов Крайнего Севера равен 1,7 трлн. руб. в год. Тарифы на электроэнергию достигают от 20 до 237 руб / кВт∙ч, это от 5 до 55 раз выше средних по России, а по тепловой энергии – от 3 до 20 тыс. руб / Гкал, что от 3 до 17 раз выше средних по России [1]. Применение водородной энергетики является перспективным направлением решения этой проблемы. Теплота сжигания водорода составляет 142 МДж на килограмм, а природного газа – от 28 до 46 Мдж [2].
Водород является вторичным энергоносителем и дополняет нефтяную, атомную или возобновляемые источники энергии (ВИЭ). В процессе получения электрической энергии применяют различные накопители энергии. Наибольшее применение получили следующие типы накопителей энергии: электромагнитные, электрохимические, физические (механические), водородные накопители энергии. Электромагнитные накопители – запасают электроэнергию в сверхпроводящих катушках. К электрохимическим накопителям относятся электрические аккумуляторы. К физическим накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов: кинетические накопители энергии (маховики), гравитационные накопители энергии (ГАЭС).
Водородные накопители энергии состоят из системы производства водорода и топливных элементов, и системы связи и управления с электроэнергетической системой.
Структурная схема топливного элемента водородной установки представлена на рисунке 1 [2].
Рисунок 1 – Структурная схема топливного элемента
Топливный элемент включает в себя два электрода – анод и катод между ними находится электролит. Электролит обеспечивает перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирует движение электронов. Работа топливных элементов поддерживается путем подачи двух применяемых для поддержания реакции компонентов – топлива и окислителя. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метан), а также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт). В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислород. На рисунке 2 представлена схема ступеней преобразования химической энергии топлива и окислителя для получения электрической энергии традиционным преобразованием (ТЭЦ, АЭС и т.д.) и с помощью топливного элемента [3].
Рисунок 2 – Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами
Концепция алюмоэнергетики заключается в применении алюминия в качестве промежуточного энергоносителя в стационарных, транспортных и портативных системах электроснабжения.
В алюмоводородной технологии алюминий химически окисляется водой, а затем полученный водород применяется как топливо в тепловых машинах и топливных элементах с выработкой тепловой и электрической энергий.
Алюмоводородная энергетика имеет следующие достоинства [3]:
– высокий КПД, до 65% [4];
– взрыво- и пожаробезопасность при хранении и работе;
– отсутствие ядовитых компонентов, шума, выбросов (за исключением паров воды);
– отсутствие необходимости значительно расширять добычу бокситов, так как продукты окисления могут быть вторично использованы для восстановления алюминия;
– возможность быстрого восстановления электропитания потребителя в номинальных условиях, длительного хранения без снижения характеристик, в том числе и в полевых условиях;
– низкий срок окупаемости от 4 до 6 лет;
– алюминий в отличие от водорода и дизельного топлива более удобен при транспортировке (не огнеопасен, не текуч, не испаряется).
К недостаткам алюмоводородной энергетики можно отнести:
- топливные элементы, работающие на алюмоводородной технологии, предполагают полный цикл: «Топливный элемент – производство водорода – получение энергии». Водород производится «по требованию», в момент его потребления;
- привозное топливо (алюминий) – существенный недостаток технологии, при технико-экономических расчетах необходимо включать стоимость доставки алюминия.
1. Bashmakov I.A., Dzedzichek M.G. Ocenka rashodov na elektrosnabzhe-nie v regionah Kraynego Severa// [Elektronnyy resurs] https:// www.abok. ru/for _spec/articles.php?nid=6664 (data obrascheniya 01.05.2022).
2. Zhuk A., Novikov N., Frolov V. Vodorodnye i alyumovodorodnye na-kopiteli v elektroenergetike. // [Elektronnyy resurs]. URL https://energypolicy.ru/vodorodnye-i-alyumovodorodnye-nakopiteli-v-elektroenergetike/energetika/2021/12/21/ (data obrascheniya 01.05.2022).
3. Shkol'nikov, E. I. Chto takoe alyumoenergetika / E I. Shkol'nikov // Ekologiya i zhizn'. 2010. № 7 (104). S. 57–63.
4. Kleer A.M., Tyurina E.A., Potanina Yu.M., Mednikov A.S. Perspek-tivnye energeticheskie ustanovki na alyuminievom toplive.// [Elektronnyy resurs]: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivnye-energeticheskie-ustanovki-na-alyuminievom-toplive. (data obrascheniya 01.05.2022).
