Энергетика ИВТЭ

Ученые Института высокотемпературной электрохимии — одного из лидеров химической ветви УрО РАН — работают в рамках определенных руководством страны приоритетных научных направлений, в частности энергетики. Последние достижения в этой области мы представляем сегодня читателям «НУ», это разработка электрохимических генераторов на основе твердооксидных топливных элементов и создание электрохимической технологии переработки и утилизации свинецсодержащих отходов. Особое внимание уральские электрохимики уделяют междисциплинарным проектам, позволяющим реализовать ценные идеи, родившиеся в отдельных институтах, и объединить усилия в решении крупных задач. Процесс превращения лабораторных разработок в полупромышленные приборы сейчас ускоряется благодаря неплохой оснащенности современным оборудованием — в последние годы в ИВТЭ появились уникальная установка для измерения теплофизических свойств, рентгенофлюоресцентный и ИК Фурье спектрометры, тензор, несколько комплектов для электрохимических измерений.
 

Однако главное сегодняшнее достижение, по словам директора ИВТЭ доктора химических наук Юрия Павловича Зайкова, — это талантливая и активная молодежь, которая сама уже определяет научную политику института. В этом году в ИВТЭ «пришли» две премии губернатора Свердловской области для молодых ученых, гранты Минобрнауки, президента РФ, другие награды и поощрения. Научная молодежь активно участвует и в работах, о которых пойдет речь в этой статье. В частности, лауреат премии губернатора Свердловской области кандидат химических наук М.В. Ананьев, который был принят в лабораторию кинетики ИВТЭ на целевую ставку для молодых ученых, работает по проекту 7-й рамочной программы Евросоюза «Долговечность ТОТЭ». А созданием электролизера для переработки свинецсодержащего сырья вместе со старшими коллегами занимаются Анна Холкина, победитель универсального молодежного научно-исследовательского конкурса (У.М.Н.И.К) Фонда Бортника и Юлия Халимуллина, лауреат конкурса молодых ученых на выставке Металл-Экспо-2011 (Москва), она же — победитель конкурса красоты среди сотрудниц ОАО «Уралэлектромедь» в двух номинациях.
 

Незаменимые источники тока

Исследования с целью разработки электрохимических устройств на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) начались в ИВТЭ с середины 1960-х годов. В 1989 году был создан электрохимический генератор на ТОТЭ мощностью 1 кВт. Он успешно прошел испытания, в начале 1990-х годов были заключены несколько договоров по доведению его до промышленного образца, но с наступлением кризиса работа по известным причинам заглохла. Первый уральский электрохимический генератор на ТОТЭ постигла печальная участь — его распродали по частям. Одна шестая в виде модуля ушла в Италию, а модуль мощностью 0,5 кВт был использован в Специальном конструкторском бюро котлостроения на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге, специалисты которого, впрочем, отметили его удачную конструкцию. Возродились работы только в 2008 году. В этот почти двадцатилетний промежуток уральские электрохимики не сидели сложа руки — шел напряженный поиск электролитов с нужными свойствами, разрабатывались математические модели ТОТЭ и других электрохимических устройств. И хотя технологически из-за отсутствия современного оборудования они отставали от западных коллег, в фундаментальном плане держались на мировом уровне.
 

Сегодня сотрудники лаборатории твердооксидных топливных элементов (заведующий кандидат химических наук А.К. Демин) создают электрохимические генераторы на ТОТЭ в кооперации с партнерами: с заводом электрохимических преобразователей, предприятиями «Экоальянс», «Уралприбор» — подразделениями Уральского электрохимического комбината (г. Новоуральск), Чепецким механическим заводом (г. Глазов). Эти организации-соисполнители входят в топливную компанию ТВЭЛ — одно из крупнейших подразделений Росатома, которая с 2008 года финансирует эти работы, включая фундаментальные исследования. Важную роль играет сотрудничество с академическими институтами: Институтом катализа Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), Институтом физики металлов УрО РАН.
 

На ближайшее время намечено изготовить установки на ТОТЭ мощностью 0,5–1,5 кВт и проверить их не в лабораторных, т.е. тепличных, условиях, а в реальной работе. С ноября 2010 г. на площадке ОАО «Газпром трансгаз Екатеринбург» в течение года шли испытания электрохимического генератора на ТОТЭ мощностью 100 Вт. Он работал на открытом воздухе при больших перепадах температур, правда, был защищен навесом от осадков. Были обеспечены снабжение генератора природным газом и получение телеметрической информации о параметрах его работы: температуре рабочей части и окружающего воздуха, напряжении, токе, объеме подаваемого природного газа и воздуха, давлении газа. Это было необходимо, чтобы понять, какие факторы влияют на работу ТОТЭ, определить ресурс установки и выработать алгоритм управления ею.
 

Вскоре специалисты ИВТЭ по договору с ТВЭЛ создали батарею ТОТЭ (модуль) мощностью 200 Вт. Но от дальнейшего наращивания мощности батареи ТОТЭ ученые отказались, придя к выводу, что в этом случае невозможно обеспечить приемлемое распределение температуры в батарее. Если необходимо получить генератор мощностью более 200 Вт, то лучше собирать его из отдельных модулей, как из кирпичиков.
 

Чем же привлекательны электрохимические генераторы на ТОТЭ? Прежде всего, высоким кпд. Энергоустановки небольшой мощности, которые преобразуют химическую энергию топлива в электричество, как правило, имеют низкий кпд. Так, кпд термоэлектрических генераторов мощностью 150 Вт, которые используются в Газпроме для катодной защиты труб от коррозии, — 2%, дизельного генератора мощностью 1–2 кВт — 10%. Тогда как кпд генератора на ТОТЭ мощностью 100 Вт составляет 25%, а мощностью 1 КВт — не менее 40%. Более того, если предельный кпд электрохимических генераторов на кислород-ионных электролитах — 60%, то с применением протонных электролитов можно получить кпд 80%. Никакие другие устройства для преобразования химической энергии в электрическую не достигают таких значений.
 

Электрохимические установки на ТОТЭ «всеядны» — в качестве исходного топлива в них могут использоваться метан, бутан, бензин, биотопливо, уголь, спирты. Для этого в одном из узлов генератора — топливном процессоре — исходное топливо подвергают конверсии или газификации, в результате чего образуется водородосодержащий горючий газ, который и подается в батарею. К тому же они достаточно экологически чистые. Так, например, если в результате работы двигателя внутреннего сгорания или турбин электростанции за счет высокой температуры образуются оксиды азота, вызывающие при попадании в атмосферу кислотные дожди, то в электрохимическом генераторе, температура топливного элемента которого гораздо ниже, этого не происходит.
 

Если раньше ученые стремились к созданию очень мощных электрохимических генераторов, то теперь считают наиболее целесообразными установки киловаттного класса для индивидуального потребителя. Такой установки вполне достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией частный дом: накопитель позволяет компенсировать пиковые нагрузки.
 

Правда, пока генераторы на ТОТЭ слишком дороги, чтобы их в массовом порядке могли приобретать частные лица. Первым их потребителем готов стать Газпром, которому они необходимы, как уже говорилось, для станций катодной защиты. Установки на ТОТЭ перспективны для использования в водородной энергетике, для нужд МЧС и Минобороны. Они незаменимы там, где требуются автономные источники тока, прежде всего в удаленных от линий электропередач районах. Неслучайно большой интерес проявляют к ним операторы сотовой связи.
 

Внедрение разработки уральских электрохимиков в производство — дело вовсе не далекого будущего, они уже вышли на уровень опытно-конструкторских работ.
 

Электролизер нового поколения: на пути к промышленному образцу

Создание электрохимической технологии переработки и утилизации свинецсодержащих техногенных образований и отходов финансирует министерство образования и науки РФ. Сотрудники лаборатории электродных процессов во главе с доктором химических наук Ю.П. Зайковым выиграли многоступенчатый конкурс проектов на выполнение опытно-конструкторских работ, в результате чего был заключен госконтракт по приоритетному направлению «Рациональное природопользование». Этому предшествовали научные исследования по созданию технологических основ переработки и утилизации техногенных образований и отходов, содержащих свинец. Был создан и испытан макет электролизера для электрохимического рафинирования чернового свинца и его сплавов с токовой нагрузкой до 1000 А.
 

Но прежде чем подробно рассказать об этой работе, несколько слов о ее актуальности. Переработка свинецсодержащего вторичного сырья — действительно задача государственной важности. В России существует дефицит свинца и его сплавов: в последние годы у нас выпускается около 60–70 тыс. тонн свинца и свинцовых сплавов в год, однако годовая потребность в этих материалах на внутреннем рынке на порядок выше. На Урале нет месторождений свинецсодержащего сырья. Зато в Уральском регионе сосредоточены предприятия, на которых образуются отходы пылей, кеков, шламов, содержащих большой процент свинца. Перспективным сырьем для производства мягкого свинца служит также аккумуляторный лом.
 

В огромных количествах свинецсодержащие отходы образуются на предприятиях Уральского горно-металлургического комбината. Часть из них просто складируется, часть перерабатывается на Верх-Нейвинском заводе по производству сплавов цветных металлов (ныне филиал ОАО «Уралэлектромедь»). Именно там уральские электрохимики проводили испытания опытного электролизера.
 

Традиционно черновой свинец очищают от примесей двумя методами: пирометаллургическим рафинированием в котлах и электрорафинированием из водных растворов. Оба эти метода имеют недостатки, поэтому и встал вопрос о создании более экологически чистой и ресурсосберегающей технологии переработки свинецсодержащих отходов.
 

Для рафинирования свинца используется традиционная технология последовательного удаления примесей с применением реагентов. В результате теряются ценные компоненты. Кроме того, расплавленный свинец испаряется, поскольку площадь открытой поверхности в котлах достаточно велика.
 

В ходе фундаментальных исследований ученые ИВТЭ УрО РАН подобрали электролит с наибольшим коэффициентом разделения свинецсодержащего сырья на марочный свинец и свинцовую лигатуру — тоже весьма ценный продукт. По словам старшего научного сотрудника лаборатории электродных процессов ИВТЭ кандидата химических наук П.А. Архипова, изучение взаимодействия конструкционных материалов с расплавами хлоридов щелочных металлов и испытания различных составов композитов позволили создать оптимальный композиционный материал для изготовления макета электролизера. Его конструкция не имеет аналогов в мире. Электролит находится внутри керамического пористого тигля, как бы в каркасе. В процессе работы электролизера происходит избирательный перенос цветных металлов с анода на катод с помощью электрохимических превращений. Электролит не контактирует с атмосферой, поэтому не происходит испарения его компонентов в атмосферу рабочей зоны. Зеркало расплавленного свинца сведено к минимуму и закрыто крышкой. Таким образом конструкция аппарата для рафинирования позволяет проводить процесс при отсутствии вредных выбросов в атмосферу. А за счет уменьшения электродного расстояния энергетические затраты уменьшаются в 3–4 раза.
 

В ходе испытаний электролизера с токовой нагрузкой до 1000 А установлены его эксплуатационные характеристики при непрерывной работе, получены экспериментальные образцы конечной продукции, наработана опытная партия марочного свинца и сплавов свинца с висмутом и сурьмой. Конструкционные особенности электролизера защищены патентами. Теперь главная задача — масштабировать перспективную разработку. Ученые ИВТЭ сотрудничают в этом направлении не только с УГМК, но и с другими предприятиями цветной металлургии, в частности с ЗАО ПО «Цветметсервис», где предполагается установить уже опытно-промышленный электролизер.
 

Е. ПОНИЗОВКИНА
 

На фото:

кандидат химических наук Александр Чуйкин, активный участник разработки электрохимического генератора на основе ТОТЭ.
 

Экспериментальный образец электрохимического генератора на основе ТОТЭ.
 

На фото: сидят Ю.П. Зайков, П.А. Архипов. Стоят Ю.Р. Халимуллина, П.А. Першин, А.С. Холкина, А.Н. Ефремов.
 

Ю.Р. Халимуллина в лаборатории.