АВТОМОБИЛЬ ЗАПРАВЛЯЕТСЯ АЛЮМИНИЕМ
Кандидат технических наук Е. КУЛАКОВ, кандидат технических наук С. СЕВРУК, кандидат химических наук А. ФАРМАКОВСКАЯ.
Человечество, судя по всему, не собирается отказываться от автомобилей. Мало того: автомобильный парк Земли может в скором времени увеличиться примерно вдвое - главным образом за счет массовой автомобилизации Китая.
Между тем несущиеся по дорогам машины выбрасывают в атмосферу тысячи тонн угарного газа - того самого, присутствие которого в воздухе в количестве, большем десятой доли процента, для человека смертельно. А помимо угарного газа - и многие тонны окислов азота и прочих ядов, аллергенов и канцерогенов - продуктов неполного сгорания бензина.
Во всем мире давно ведется поиск альтернатив автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. И наиболее реальной из них считается электромобиль (см. "Наука и жизнь" №№ 8, 9, 1978 г.). Первые в мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале 80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899 году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.
Тяговый электродвигатель в таких электрических автомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм. Значит, для того, чтобы "прокормить" двигатель мощностью в 20 киловатт (27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Эквивалентное же ему по запасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всего в 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилей стало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвью автомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологические проблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.
Сама по себе замена ДВС электродвигателем, конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массой полегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 лет после первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (то есть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов (43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобака остаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.
Если же учесть необходимость многочасовой зарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие, относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслуживших батарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторный электромобиль пока непригоден.
Настал, однако, момент сказать, что электродвигатель может получать энергию и от другого рода химических источников тока - гальванических элементов. Наиболее известные из них (так называемые батарейки) работают в переносных приемниках и диктофонах, в часах и карманных фонариках. В основе работы такой батарейки, так же, как и любого другого химического источника тока, лежит та или иная окислительно-восстановительная реакция. А она, как известно из школьного курса химии, сопровождается передачей электронов от атомов одного вещества (восстановителя) к атомам другого (окислителя). Такую передачу электронов можно осуществить через внешнюю цепь, например, через лампочку, микросхему или мотор, и тем самым заставить электроны работать.
С этой целью окислительно-восстановительную реакцию проводят как бы в два приема - разбивают ее, так сказать, на две полуреакции, протекающие одновременно, но в разных местах. На аноде восстановитель отдает свои электроны, то есть окисляется, а на катоде окислитель эти электроны принимает, то есть восстанавливается. Сами же электроны, перетекая с катода на анод через внешнюю цепь, как раз и совершают полезную работу. Процесс этот, разумеется, небесконечен, поскольку и окислитель, и восстановитель постепенно расходуются, образуя новые вещества. И в результате источник тока приходится выбрасывать. Можно, правда, непрерывно или время от времени выводить из источника образовавшиеся в нем продукты реакции, а взамен подавать в него все новые и новые реагенты. Они в этом случае выполняют роль топлива, и именно потому такие элементы носят название топливных (см. "Наука и жизнь" № 9, 1990 г.).
Эффективность подобного источника тока определяется прежде всего тем, насколько удачно выбраны для него и сами реагенты, и режим их работы. С выбором окислителя особых проблем нет, поскольку окружающий нас воздух состоит более чем на 20% из прекрасного окислителя - кислорода. Что же касается восстановителя (то есть горючего), то с ним дело обстоит несколько сложнее: его приходится возить с собой. И потому при его выборе приходится прежде всего исходить из так называемого массо-энергетического показателя - полезной энергии, выделяемой при окислении единицы массы.
Наилучшими в этом отношении свойствами обладает водород, вслед за которым идут некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, а затем - алюминий. Но газообразный водород пожаро- и взрывоопасен, а под большим давлением способен просачиваться через металлы. Сжижать его можно лишь при очень низких температурах, а хранить - достаточно сложно. Щелочные и щелочноземельные металлы тоже пожароопасны и, кроме того, быстро окисляются на воздухе и растворяются в воде.
У алюминия ни одного из этих недостатков нет. Всегда покрытый плотной пленкой оксида, он при всей своей химической активности почти не окисляется на воздухе. Алюминий сравнительно дешев и нетоксичен, его хранение не создает никаких проблем. Вполне разрешима и задача его введения в источник тока: из металла-горючего изготавливают анодные пластины, которые периодически - по мере их растворения - заменяют.
И, наконец, электролит. Он в данном элементе может быть любым водным раствором: кислотным, щелочным или солевым, поскольку алюминий реагирует и с кислотами, и со щелочами, а при нарушении оксидной пленки растворяется и в воде. Но использовать предпочтительнее щелочной электролит: это проще для проведения второй полуреакции - восстановления кислорода. В кислой среде он восстанавливается тоже, но лишь в присутствии дорогостоящего платинового катализатора. В щелочной же среде можно обойтись куда более дешевым катализатором - оксидом кобальта или никеля или активированным углем, которые вводятся непосредственно в пористый катод. Что же касается солевого электролита, то он обладает меньшей электропроводностью, а выполненный на его основе источник тока - примерно в 1,5 раза меньшей энергоемкостью. Поэтому в мощных автомобильных батареях целесообразно применять щелочной электролит.
У него, однако, тоже есть недостатки, главный из из которых - коррозия анода. Идет она параллельно с основной - токообразующей - реакцией и растворяет алюминий, преобразуя его в алюминат натрия с одновременным выделением водорода. Правда, с мало-мальски ощутимой скоростью эта побочная реакция идет лишь при отсутствии внешней нагрузки, именно потому воздушно-алюминиевые источники тока нельзя - в отличие от аккумуляторов и батареек - долго держать заряженными в режиме ожидания работы. Раствор щелочи в этом случае приходится из них сливать. Но зато при нормальном токе нагрузки побочная реакция почти неощутима и коэффициент полезного использования алюминия достигает 98%. Сам же щелочной электролит отходом при этом не становится: отфильтровав от него кристаллы гидроксида алюминия, этот электролит можно снова заливать в элемент.
Есть в применении щелочного электролита в воздушно-алюминиевом источнике тока и еще один недостаток: в процессе его работы расходуется довольно много воды. Это повышает концентрацию щелочи в электролите и могло бы постепенно изменять электрические характеристики элемента. Существует, однако, такой интервал концентраций, в котором эти характеристики практически не меняются, и если работать именно в нем, то достаточно лишь время от времени добавлять в электролит воду. Отходов в привычном смысле этого слова при работе воздушно-алюминиевого источника тока не образуется. Ведь получаемый при разложении алюмината натрия гидроксид алюминия - это просто белая глина, то есть продукт не только абсолютно чистый экологически, но и весьма ценный как сырье для многих отраслей промышленности.
Именно из него, например, обычно производят алюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплав этого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутый ресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока.
Но гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Ведь очень многие искусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты - выполняются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или бериллия соответственно.
Стоимость "отходов" воздушно-алюминиевого источника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а масса их при этом в три раза больше массы исходного алюминия.
Почему же, несмотря на все перечисленные достоинства кислородно-алюминиевых источников тока, они так долго - до самого конца 70-х годов - всерьез не разрабатывались? Всего только потому, что они не были востребованы техникой. И лишь с бурным развитием таких энергоемких автономных потребителей, как авиация и космонавтика, военная техника и наземный транспорт, ситуация изменилась.
Начались разработки оптимальных композиций анод - электролит с высокими энергетическими характеристиками при низких скоростях коррозии, подбирались недорогие воздушные катоды с максимальной электрохимической активностью и большим сроком службы, рассчитывались оптимальные режимы как для длительной эксплуатации, так и для короткого времени работы.
Разрабатывались и схемы энергетических установок, содержащие, кроме собственно источников тока, и ряд вспомогательных систем - подачи воздуха, воды, циркуляции электролита и его очистки, терморегулирования и пр. Каждая из них сама по себе достаточно сложна, и для нормального функционирова ния энергоустановки в целом потребовалась микропроцессорная система управления, которая задает алгоритмы работы и взаимодействия всем остальным системам. Пример построения одной из современных воздушно-алюминиевых установок представлен на рисунке (стр. 63.): на нем толстыми линиями обозначены потоки жидкостей (трубопроводы), а тонкими - информационные связи (сигналы датчиков и команд управления.
В последние годы Московским государственным авиационным институтом (техническим университе том) - МАИ совместно с научно-производственным комплексом источников тока "Альтернативная энергетика" - НПК ИТ "АльтЭН" создан целый функциональный ряд энергетических установок на основе воздушно-алюминиевых элементов. В том числе - экспериментальная установка 92ВА-240 для электромобиля. Ее энергоемкость и, как следствие, пробег электромобиля без подзарядки оказались в несколько раз выше, чем при использовании аккумуляторов - как традиционных (никель-кадмиевых), так и вновь разрабатываемых (серно-натриевых). Некоторые удельные характеристики электромобиля на этой энергоустановке приведены на прилегающей цветной вкладке в сравнении с характеристиками автомобиля и электромобиля на аккумуляторах. Сравнение это, однако, требует пояснений. Дело в том, что для автомобиля учтена лишь масса топлива (бензина), а для обоих электромобилей - масса источников тока в целом. В связи с этим необходимо заметить, что электродвигатель имеет значительно меньший вес, чем бензиновый, не требует трансмиссии и в несколько раз экономнее расходует энергию. Если учесть все это, то окажется, что реальный выигрыш нынешнего автомобиля будет в 2-3 раза меньшим, но все же пока достаточно большим.
Есть у установки 92ВА-240 и другие - чисто эксплуатационные - преимущества. Перезарядка воздушно-алюминиевых батарей вообще не требует электросети, а сводится к механической замене отработанных алюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 минут. Еще проще и быстрей происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроксида алюминия. На "заправочной" станции отработанный электролит подвергают регенерации и используют для повторной заправки электромоби лей, а отделенный от него гидроксид алюминия направляют на переработку.
Помимо электромобильной энергоустановки на воздушно-алюминиевых элементах теми же специалистами создан целый ряд малых энергоустановок (см. "Наука и жизнь" № 3, 1997 г.). Каждую из этих установок можно механически перезаряжать не менее 100 раз, и число это определяется в основном ресурсом работы пористого воздушного катода. А срок хранения этих установок в незаправленном состоянии вообще не ограничен, поскольку потерь емкости при хранении нет - саморазряд отсутствует.
В небольших по мощности воздушно-алюминиевых источниках тока можно использовать для приготовления электролита не только щелочь, но и обычную поваренную соль: процессы в обоих электроли тах протекают аналогично. Правда, энергоемкость солевых источников в 1,5 раза меньше, чем щелочных, но зато пользователю они причиняют гораздо меньше хлопот. Электролит в них получается совершенно безопасным, и работу с ним можно доверить даже ребенку.
Воздушно-алюминиевые источники тока для питания маломощной бытовой техники выпускаются уже серийно, и цена их вполне доступна. Что же касается автомобильной энергоустановки 92ВА-240, то она пока существует только в опытных партиях. Один ее экспериментальный образец номинальной мощностью 6 кВт (при напряжении 110 В) и емкостью 240 ампер-часов стоит около 120 тысяч рублей в ценах 1998 года. По предварительным расчетам, эта стоимость после разворачивания серийного производства снизится по крайней мере до 90 тысяч рублей, что позволит выпускать электромобиль ценою не намного большей, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Что же касается стоимости эксплуатации электромобиля, то она и теперь вполне сопоставима со стоимостью эксплуатации автомобиля.
Дело остается за малым - произвести более глубокую оценку и расширенные испытания, а затем при положительных результатах начинать опытную эксплуатацию.
Читайте в любое время
