Енергоустановка на повітряно-алюмінієвих елементах займає лише частину багажника автомобіля і забезпечує дальність його пробігу до 220 кілометрів.

Принцип дії повітряно-алюмінієвого елемента.

Роботою енергоустановки на повітряно-алюмінієвих елементах управляє мікропрецессор.

Малогабаритний повітряно-алюмінієвий елемент на сольовому електроліті може замінити чотири батарейки.

Наука і життя // Ілюстрації

Енергоустановка ЕУ 92ВА-240 на повітряно-алюмінієвих елементах.

<

>

Людство, судячи з усього, не збирається відмовлятися від автомобілів. Мало того: автомобільний парк Землі може незабаром збільшитися приблизно вдвічі - головним чином за рахунок масової автомобілізації Китаю.

Тим часом мчать по дорогах машини викидають в атмосферу тисячі тонн чадного газу - того самого, присутність якого в повітрі в кількості, більшій десятої частки відсотка, для людини смертельно. А крім чадного газу - і багато тонни окислів азоту та інших отрут, алергенів і канцерогенів - продуктів неповного згоряння бензину.

У всьому світі давно ведеться пошук альтернатив автомобілю з двигуном внутрішнього згоряння. І найбільш реальною з них вважається електромобіль (див. "Наука і життя" №№ 8, 9, 1978 г.). Перші в світі електромобілі були створені у Франції і в Англії в самому початку 80-х років минулого століття, тобто на кілька років раніше, ніж автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ). І з'явився, наприклад, в 1899 році в Росії перший самохідний екіпаж був саме електричним.

Тяговий електродвигун в таких електричних автомобілях отримував живлення від непомірно важких батарей свинцевих акумуляторів з енергоємністю всього лише близько 20 ват-годин (17,2 кілокалорії) на кілограм. Значить, для того, щоб "прогодувати" двигун потужністю в 20 кіловат (27 кінських сил) хоча б протягом години, був потрібний свинцевий акумулятор масою в 1 тонну. Еквівалентну ж йому по збереженої енергії кількість бензину займає бензобак ємністю всього в 15 літрів. Ось чому лише з винаходом ДВС виробництво автомобілів стало швидко зростати, а електромобілі десятиліттями вважалися тупиковою гілкою автомобілебудування. І тільки що виникли перед людством екологічні проблеми змусили конструкторів повернутися до ідеї електромобіля.

Сама по собі заміна ДВС електродвигуном, звичайно, приваблива: при одній і тій же потужності електродвиг гатель і масою легше, і в управлінні простіше. Але навіть тепер, через більш ніж 100 років після першої появи автомобільних акумуляторів, енергоємність (тобто запасені енергія) навіть найкращих з них не перевищує 50 ват-годин (43 кілокалорії) на кілограм. І тому ваговим еквівалентом бензобака залишаються сотні кілограмів акумуляторних батарей.

Якщо ж врахувати необхідність багатогодинний зарядки акумуляторів, обмежене число циклів заряд-розряд і, як наслідок, відносно короткий термін служби, а також проблеми з утилізацією відслужили батарей, то доводиться визнати, що на роль масового транспорту акумуляторний електромобіль поки непридатний.

Настав, проте, момент сказати, що електродвигун може отримувати енергію і від іншого роду хімічних джерел струму - гальванічних елементів. Найбільш відомі з них (так звані батарейки) працюють в переносних приймачах і диктофонах, в годиннику і кишенькових ліхтариках. В основі роботи такої батарейки, так само, як і будь-якого іншого хімічного джерела струму, лежить та чи інша окислювально-відновна реакція. А вона, як відомо з шкільного курсу хімії, супроводжується передачею електронів від атомів однієї речовини (відновника) до атомам іншого (окислювача). Таку передачу електронів можна здійснити через зовнішній ланцюг, наприклад, через лампочку, мікросхему або мотор, і тим самим змусити електрони працювати.

З цією метою окислювально-відновну реакцію проводять як би в два прийоми - розбивають її, так би мовити, на дві полуреакции, що протікають одночасно, але в різних місцях. На аноді відновник віддає свої електрони, тобто окислюється, а на катоді окислювач ці електрони приймає, тобто відновлюється. Самі ж електрони, перетікаючи з катода на анод через зовнішній ланцюг, як раз і роблять корисну роботу. Процес цей, зрозуміло, небесконечен, оскільки і окислювач, і відновник поступово витрачаються, утворюючи нові речовини. І в результаті джерело струму доводиться викидати. Можна, правда, безперервно або час від часу виводити з джерела утворилися в ньому продукти реакції, а натомість подавати в нього все нові і нові реагенти. Вони в цьому випадку виконують роль палива, і саме тому такі елементи звуться паливних (див. "Наука і життя" № 9, 1990 г.).

Ефективність подібного джерела струму визначається перш за все тим, наскільки вдало вибрані для нього і самі реагенти, і режим їх роботи. З вибором окислювача особливих проблем немає, оскільки навколишній нас повітря складається більш ніж на 20% з прекрасного окислювача - кисню. Що ж стосується відновника (тобто пального), то з ним справа дещо складніша: його доводиться возити з собою. І тому при його виборі доводиться перш за все виходити з так званого масо-енергетичного показника - корисною енергії, що виділяється при окисленні одиниці маси.

Найкращими в цьому відношенні властивостями володіє водень, слідом за яким йдуть деякі лужні і лужноземельні метали, а потім - алюміній. Але газоподібний водень пожежо- та вибухонебезпечний, а під великим тиском здатний проникати через метали. Сжижать його можна лише при дуже низьких температурах, а зберігати - досить складно. Лужні і лужноземельні метали теж пожежонебезпечні і, крім того, швидко окислюються на повітрі і розчиняються у воді.

У алюмінію жодного з цих недоліків немає. Завжди покритий щільною плівкою оксиду, він при всій своїй хімічній активності майже не окислюється на повітрі. Алюміній порівняно дешевий і нетоксичний, його зберігання не створює ніяких проблем. Цілком можна вирішити і завдання його введення в джерело струму: з металу-пального виготовляють анодні пластини, які періодично - в міру їх розчинення - замінюють.

І, нарешті, електроліт. Він в даному елементі може бути будь-яким водним розчином: кислотним, лужним або сольовим, оскільки алюміній реагує і з кислотами, і з лугами, а при порушенні оксидної плівки розчиняється і в воді. Але використовувати переважно лужний електроліт: це простіше для проведення другої полуреакции - відновлення кисню. У кислому середовищі він відновлюється теж, але лише в присутності дорогого платинового каталізатора. У лужної ж середовищі можна обійтися куди більш дешевим каталізатором - оксидом кобальту або нікелю або активованим вугіллям, які вводяться безпосередньо в пористий катод. Що ж стосується сольового електроліту, то він має меншу електропровідність, а виконаний на його основі джерело струму - приблизно в 1,5 рази меншою енергоємністю. Тому в потужних автомобільних батареях доцільно застосовувати лужний електроліт.

У нього, однак, теж є недоліки, головний з з яких - корозія анода. Йде вона паралельно з основною - токообразующей - реакцією і розчиняє алюміній, перетворюючи його в алюмінат натрію з одночасним виділенням водню. Правда, з більш-менш відчутною швидкістю ця побічна реакція йде лише при відсутності зовнішнього навантаження, саме тому повітряно-алюмінієві джерела струму не можна - на відміну від акумуляторів і батарей - довго тримати зарядженими в режимі очікування роботи. Розчин лугу в цьому випадку доводиться з них зливати. Але зате при нормальному струмі навантаження побічна реакція майже невідчутна і коефіцієнт корисного використання алюмінію досягає 98%. Сам же лужної електроліт відходом при цьому не стає: відфільтрувавши від нього кристали гідроксиду алюмінію, цей електроліт можна знову заливати в елемент.

Є в застосуванні лужного електроліту в повітряно-алюмінієвому джерелі струму і ще один недолік: в процесі його роботи витрачається досить багато води. Це підвищує концентрацію лугу в електроліті і могло б поступово змінювати електричні характеристики елемента. Існує, однак, такий інтервал концентрацій, в якому ці характеристики практично не змінюються, і якщо працювати саме в ньому, то достатньо лише час від часу додавати в електроліт воду. Відходів в звичному сенсі цього слова при роботі повітряно-алюмінієвого джерела струму не утворюється. Адже одержуваний при розкладанні алюмінату натрію гідроксид алюмінію - це просто біла глина, тобто продукт не тільки абсолютно чистий екологічно, а й дуже цінний як сировину для багатьох галузей промисловості.

Саме з нього, наприклад, зазвичай виробляють алюміній, спочатку нагріваючи до отримання глинозему, а потім піддаючи розплав цього глинозему електролізу. Тому є можливість організувати замкнутий ресурсозберігаючий цикл експлуатації повітряно-алюмінієвих джерел струму.

Але гідроксид алюмінію володіє і самостійної комерційною цінністю: він необхідний при виробництві пластмас і кабелів, лаків, фарб, стекол, коагулянтів для очищення води, паперу, синтетичних килимів і лінолеуму. Його використовують в радіотехнічної та фармацевтичної промисловості, при виробництві будь-якого роду адсорбентів і каталізаторів, при виготовленні косметики і навіть ювелірних виробів. Адже дуже багато штучних дорогоцінні камені - рубіни, сапфіри, олександрити - виконуються на основі оксиду алюмінію (корунду) з незначними домішками хрому, титану або берилію відповідно.

Вартість "відходів" повітряно-алюмінієвого джерела струму цілком порівнянна з вартістю вихідного алюмінію, а маса їх при цьому в три рази більша за масу вихідного алюмінію.

Чому ж, незважаючи на всі перераховані достоїнства киснево-алюмінієвих джерел струму, вони так довго - до самого кінця 70-х років - всерйоз не розроблялися? Всього лише тому, що вони не були затребувані технікою. І лише з бурхливим розвитком таких енергоємних автономних споживачів, як авіація і космонавтика, військова техніка і наземний транспорт, ситуація змінилася.

Почалися розробки оптимальних композицій анод - електроліт з високими енергетичними характеристиками при низьких швидкостях корозії, підбиралися недорогі повітряні катоди з максимальною електрохімічної активністю і великим терміном служби, розраховувалися оптимальні режими як для тривалої експлуатації, так і для короткого часу роботи.

Розроблялися і схеми енергетичних установок, що містять, крім власне джерел струму, і ряд допоміжних систем - подачі повітря, води, циркуляції електроліту і його очищення, терморегулювання і ін. Кожна з них сама по собі досить складна, і для нормального функционирова ня енергоустановки в цілому потрібна була мікропроцесорна система управління, яка задає алгоритми роботи і взаємодії всіх інших систем. Приклад побудови однієї з сучасних повітряно-алюмінієвих установок представлений на малюнку (стор. 63.): на ньому товстими лініями позначені потоки рідин (трубопроводи), а тонкими - інформаційні зв'язки (сигнали датчиків і команд управління.

В останні роки Московським державним авіаційним інститутом (технічним університеті том) - МАІ спільно з науково-виробничим комплексом джерел струму "Альтернативна енергетика" - НПК ІТ "Альтен" створений цілий функціональний ряд енергетичних установок на основі повітряно-алюмінієвих елементів. У тому числі - експериментальна установка 92ВА-240 для електромобіля. Її енергоємність і, як наслідок, пробіг електромобіля без підзарядки виявилися в кілька разів вище, ніж при використанні акумуляторів - як традиційних (нікель-кадмієвих), так і тих, що розробляються (сірчано-натрієвих). Деякі питомі характеристики електромобіля на цій енергоустановки наведені на прилеглій кольоровій вкладці в порівнянні з характеристиками автомобіля і електромобіля на акумуляторах. Порівняння це, однак, вимагає пояснень. Справа в тому, що для автомобіля врахована лише маса палива (бензину), а для обох електромобілів - маса джерел струму в цілому. У зв'язку з цим слід зазначити, що електродвигун має значно меншу вагу, ніж бензиновий, не вимагає трансмісії і в кілька разів економніше витрачає енергію. Якщо врахувати все це, то виявиться, що реальний виграш нинішнього автомобіля буде в 2-3 рази меншим, але все ж поки досить великим.

Є у установки 92ВА-240 та інші - чисто експлуатаційні - переваги. Перезарядка повітряно-алюмінієвих батарей взагалі не вимагає електромережі, а зводиться до механічної заміни відпрацьованих алюмінієвих анодів новими, на що йде не більше 15 хвилин. Ще простіше і швидше відбувається заміна електроліту для видалення з нього осаду гідроксиду алюмінію. На "заправної" станції відпрацьований електроліт піддають регенерації і використовують для повторної заправки електромобілі лей, а відокремлений від нього гідроксид алюмінію направляють на переробку.

Крім електромобільної енергоустановки на повітряно-алюмінієвих елементах тими ж фахівцями створений цілий ряд малих енергоустановок (див. "Наука і життя" № 3, 1997 г.). Кожну з цих установок можна механічно перезаряджати не менше 100 разів, і число це визначається в основному ресурсом роботи пористого повітряного катода. А термін зберігання цих установок в незаправленому стані взагалі не обмежений, оскільки втрат ємності при зберіганні немає - саморазряд відсутня.

У невеликих за потужністю повітряно-алюмінієвих джерелах струму можна використовувати для приготування електроліту не тільки луг, а й звичайну кухонну сіль: процеси в обох електролітів тах протікають аналогічно. Правда, енергоємність сольових джерел в 1,5 рази менше, ніж лужних, але зате користувачеві вони завдають набагато менше клопоту. Електроліт в них виходить абсолютно безпечним, і роботу з ним можна довірити навіть дитині.

Повітряно-алюмінієві джерела струму для харчування малопотужної побутової техніки випускаються вже серійно, і ціна їх цілком доступна. Що ж стосується автомобільної енергоустановки 92ВА-240, то вона поки існує тільки в досвідчених партіях. Один її експериментальний зразок номінальною потужністю 6 кВт (при напрузі 110 В) і ємністю 240 ампер-годин коштує близько 120 тисяч рублів у цінах 1998 року. За попередніми розрахунками, ця вартість після розгортання серійного виробництва знизиться принаймні до 90 неоподатковуваних мінімумів доходів громадян, що дозволить випускати електромобіль ціною не набагато більшою, ніж автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння. Що ж стосується вартості експлуатації електромобіля, то вона і тепер цілком порівнянна з вартістю експлуатації автомобіля.

Справа залишається за малим - зробити більш глибоку оцінку і розширені випробування, а потім при позитивних результатах починати дослідну експлуатацію.