Геологоразведка арктического шельфа и проблема анаэробной силовой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геологоразведка арктического шельфа и проблема анаэробной силовой установки

В.Т. Федоров1, д-р техн. наук

М.Н. Кокоев2, д-р техн. наук

1Концерн "Наноиндустрия", советник

2Кабардино-Балкарский госуниверситет им. Х.М. Бербекова, проф. кафедры организации строительного производства

Для подводной геологоразведки арктического шельфа и освоения найденных месторождений углеводородов необходимы автономные необитаемые подводные аппараты с большим запасом энергии. Применяемые аккумуляторы не обеспечивают запас энергии для длительных подводных миссий с приемлемой скоростью. Метод получения водорода и тепла гидротермальным окислением алюминия не применяется в силовых установках из-за низкой скорости реакции. Десятки известных способов активации Al не дали результатов. Предложен новый метод физической активации алюминия, повышающий активность металла примерно в тысячу раз. На борту аппарата алюминий можно хранить в безопасных гранулах. Выполнен расчет: 0,5 кг алюминия и 0,5 кг кислорода (в сумме 1 кг) дают на выходе в 7 раз больше электроэнергии, чем 1 кг массы литий-ионных аккумуляторов. геологоразведка арктический шельф анаэробный

Ключевые слова: геологоразведка, арктический шельф, морские нефтепроводы, подводный робот, анаэробная энергосиловая установка, гидротермальное окисление алюминия.

Geological Exploration of the Arctic Shelf and the Problem of Anaerobic Power Plant

V.T. Fedorov1, Doctor of Sciences

M.N. Kokoev2, Doctor of Sciences

1Concern "Nanoindustry", the Adviser

2Kabardino-Balkar State University named after H.M. Berbekov, professor of the Department of Organization of Construction Production

For underwater exploration of the Arctic shelf and development of the discovered hydrocarbon deposits, autonomous unmanned underwater vehicles with a large energy capacity are needed. Conventional batteries do not provide enough energy for lengthy underwater missions performed at an acceptable speed. The method of producing hydrogen and heat by hydrothermal oxidation of aluminum is not used in power plants due to the low reaction rate. Multitude of known Al activation methods have not yielded results. A new method of physical activation of aluminum is proposed, which increases the activity of the metal a thousand times. Aluminum fuel can be stored in safe granules on board. The calculation shows that 0.5 kg of aluminum and 0.5 kg of oxygen(total 1 kg) produce 7 times more energy than 1 kg of fully charged lithium-ion batteries.

Key words: exploration, the Arctic shelf, offshore pipelines, underwater robot, anaerobic power plant, hydrothermal oxidation of aluminum.

Значительная часть еще не найденных в мире запасов углеводородов находится под водой на территории арктических шельфов. Наличие подвижных ледовых полей, иногда длиной в сотни миль, - это одна из больших проблем при разведке и разработке месторождений углеводородов и других полезных ископаемых на шельфах северных морей. Часто углеводороды залегают глубоко в твердых породах земной коры, но через трещины и разломы существуют естественные выходы нефти и газа в водную среду, что может указывать на высокую вероятность наличия в данном районе перспективных месторождений. Например, Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН в течение длительного периода проводит научную работу по мониторингу газогеохимических полей в Тихоокеанском регионе, включая и арктические широты [1].

Для этой цели всё более широкое применение находят так называемые подводные роботы - глайдеры. Подводный глайдер представляет собой автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА), масса которых чаще всего не превышает 50-100 кг. Аппарат не имеет движителя. Перемещается в воде за счет периодического изменения плавучести и вследствие изменения положения своего центра тяжести. Благодаря низкому потреблению энергии глайдер может непрерывно находится в акватории в течение нескольких месяцев, выполняя заложенную оператором задачу. У глайдеров есть недостатки: очень низкая скорость движения, обычно 0,2-0,3 узла. Другой недостаток - глайдер не может двигаться горизонтально сколько-нибудь длительное время.

Поэтому разработаны и работают автономные подводные аппараты других типов, способные двигаться в широком диапазоне скоростей. В качестве источников энергии в подобных аппаратах часто применяют не серебряно-цинковые аккумуляторы [2], а литий-ионные аккумуляторы. Эти источники энергии заметно дешевле серебряно-цинковых аккумуляторов, а по числу циклов "заряд-разряд" примерно в 3-4 раза превышают аккумуляторы системы AgO + Zn.

В мире около 400 фирм, которые разрабатывают и производят автономные подводные аппараты для геологоразведки, гидрографических исследований, разработки и обслуживания морских месторождений и нефте- и газопроводов и других целей. Уже накоплен опыт эксплуатации автономных подводных аппаратов (Autonomous Underwater Vehicle) разных типов. Примером широкого практического применения подводных роботов, способных выполнять под водой сложные работы, может быть опыт освоения морского газового месторождения Ormen Lange с запасами газа 400 млрд. м3, принадлежащее Норвегии [3]. Здесь же впервые применили телеуправляемый робот норвежской компанией Norsk Hydro. Робот около года перемещался по каменистому дну и расчищал ковшом подводную трассу под будущий газопровод. Энергию для работы робота-экскаватора подавали по силовому кабелю с судна технической поддержки.

Для ведения подводной геологической разведки арктических шельфов на дальних маршрутах, взятия кернов, выполнения монтажных и ремонтных работ на морских нефтепроводах энергетические возможности существующих аппаратов совершенно недостаточны. Особенно, если речь идет о выполнении геологоразведки в арктических условиях, требующих большой дальности следования без промежуточных всплытий, так как ледовые поля в Арктике могут иметь протяженность в сотни миль. Запас энергии на борту подводного аппарата должен быть такой, чтобы преодолеть ледовые поля большой протяженности и безопасно всплыть в акватории, свободной ото льда. Не меньший запас энергии на борту требуется для расчистки и выравнивания дна под монтаж донного оборудования и прокладки трубопроводов, монтажа насосов, подводной резки и электросварки и других работ.

Ведутся исследования некоторых металлов и сплавов или их интерметаллических соединений, а также молекулярные и ионные гидриды металлов, которые в разной степени могут аккумулировать водород. Аккумулированный водород используют для работы бортового электрохимического генератора. Одна из лучших работ [4] с анализом молекулярных и ионных гидридов алюминия, лития и др. металлов как источников водорода для энергетических устройств. Некоторые из исследованных материалов дают массовый выход водорода до 11-13 %, что является хорошим показателем. К сожалению, большинство из этих соединений отличаются высокой стоимостью компонентов либо ненадежны в хранении, а многие из них пожароопасны.

Известны анаэробные (воздухонезависимые) энергетические установки для подводных аппаратов, в которых получают водород и тепловую энергию непосредственно на борту путем конверсии жидких углеводородов (обычно дизельного топлива) с использованием запаса жидкого кислорода. Водород получают методом риформинга дизельного топлива для энергетической установки в виде электрохимического генератора, обычно многосекционного [5]. В этом способе массовая доля водорода, который получают из дизельного топлива и жидкого кислорода достигает величины 13 %.

Недостаток способа получения водорода риформингом жидкого топлива в его сложности и повышенной опасности. Таким методом получаемый водород, используемый для работы электрохимического генератора, необходимо тщательно очищать от монооксида углерода так, чтобы содержание СО не превышало 0,001 %. Иначе можно вывести из строя электрохимический генератор. Другой недостаток - получаемый при риформинге в большом количестве побочный продукт в виде СО2, требуется утилизировать, что не является простой задачей. Эта же проблема с избавлением от СО2 существует, когда на борту подводного аппарата сжигают в кислороде дизельное топливо в случае использования в качестве силовой установки Стирлинг-мотора.

Известны методы получения водорода и тепловой энергии для работы анаэробных силовых установок методом гидротермального окисления алюминия. В этом случае получают водород и тепловую энергию. При этом не образуются газы, от которых нужно избавляться. Большое преимущество алюминия для использования в подводных аппаратах в том, что алюминий требует в 2,7 раза меньше кислорода для производства единицы энергии, чем дизельное топливо. Реакция 1 кг алюминия с водой даёт 16,4 MДж тепловой энергии и 1,245 м3 водорода. При сжигании водорода в силовой установке получают еще 13,44 МДж. В результате суммарная энергия алюминия равна около 30 МДж/кг.

Известен способ получения водорода, в котором делают особенно сильную активацию порошков алюминия внутри химического реактора. В этом способе мощный импульс тока пропускают через водную суспензию порошка [6]. Импульс тока энергией 5…15 кДж на 1 грамм порошка мгновенно расплавляет и частично испаряет металл. Распыленный металл в начальный момент не имеет окисной пленки. Поэтому частицы алюминия с очень высокой скоростью реагируют с перегретым паром. Полнота реакции алюминия достигает 100 %. В работе отмечено, что производительность генерации водорода ограничивается только количеством и скоростью подачи суспензии порошка в реактор. Основной недостаток метода в том, что для распыления алюминия импульсами тока затрачивается очень большая энергия - на испарение алюминия требуется в 27 раз больше энергии, чем для простого плавления. Из-за большой затраты электрической энергии на активацию, общий энергетический выход получался даже отрицательным.

При высокой температуре скорость реакции алюминия с насыщенным паром увеличивается во много раз [7]. Это используют в методе, в котором процесс ведут в реакторе высокого давления. Но достигнутой скорости реакции при использовании обычных (окисленных) порошков алюминия далеко недостаточно для применения в энергетической установке для мобильных объектов.

В России разработали способ, в котором порошок алюминия обрабатывают в механической мельнице вместе со сплавами Ga-In, Ga-In-Sn или Ga-In-Sn-Zn [8]. Добавка к алюминию галлия или сплавов галлия приводит к разрушению оксидной пленки и облегчает коррозию на границах зерен металла. Термодинамическая неустойчивость активированного алюминия ускоряет генерацию водорода. Cкорость реакции алюминия с водой зависит от количества металлов-активаторов, размеров частиц порошка и температуры в реакторе. Но стоимость индия и галлия технической чистоты слишком высока и равна 250-350 дол./кг, чтобы их использовать в ЭСУ.

Известно, что порошки алюминия с размерами частиц 100 нм и меньше реагируют в 70 раз быстрее с водой при температуре всего 800 С, чем обычные промышленные порошки алюминия с размерами частиц 10-50 мкм при значительно более высокой температуре [9]. Однако из-за очень высокой стоимости нанопорошков алюминия (примерно 300 дол./кг), низкой производительности оборудования (метод взрывания проволок электрическим разрядом) и большой взрывоопасности нанопорошков их не применяют в энергосиловых установках.

Скорость окисления обычных порошков алюминия и воспламенения на воздухе низка. Так, промышленные порошки алюминия АСД-1 с размерами частиц около 35 мкм имеют время задержки воспламенения (время индукции) около 10,7 мс при нагреве в пламени газовой горелки [10]. Это обусловлено наличием на алюминии плотной пленки оксида алюминия. Плотная пленка на частицах - основное препятствие для повышения скорости гидротермального окисления алюминия.

Трудность по получению водорода методом гидротермального окисления алюминия заключается в том, что во всех известных методах применяют алюминий исключительно в виде готового порошка. Связано это с тем, что у порошка большая реакционная поверхность. Для снижения взрывоопасности используют окисленные промышленные порошки, в основном, марки АСД-1. Этот порошок относят к III классу по взрыво- и пожароопасности. Тем не менее, транспортировать, хранить и работать с порошками алюминия сложно и небезопасно.

В 1980-х годах, во время экспериментов по изучению одного из видов интенсивной пластической деформации (ИПД) металлов был обнаружен и исследован феномен, который получил название "Явление диспергирования металлов при быстрой релаксации напряжений всестороннего сжатия" [11,12]. Явление сопровождалось некоторыми необычными эффектами, один из которых нашел успешное применение в физике быстропротекающих процессов. В частности, экспериментально установлено, что при особом виде деформации твердого тела, оно тотально разрушается до высокодисперсного состояния. При этом в первый момент времени, не более десятков микросекунд после разрушения, частицы разрушенного вещества обладают чрезвычайно высокой химической активностью. Например, алюминий, разрушенный в специальных условиях, имеет время самовоспламенения в интервале от 3,8 до 15 мкс [13], тогда как обычный порошок алюминия как указано в [10] воспламеняется только через 10,7 мс (10700 мкс). Таким образом, время воспламенения диспергированных новым методом частиц алюминия сокращается от 700 до 2800 раз по сравнению с обычными порошками алюминия. Нужно заметить, что в случае с обычными порошками время воспламенения измерялось при введении порошков в пламя газовой горелки. То есть, для обычных порошков создавались заведомо более выгодные условия для быстрого воспламенения от внешнего источника нагрева. А во втором случае компактный алюминий диспергировался при комнатной температуре, при этом измерялось время самовопламенения частиц.

Столь большая разница в активности обычных порошков и аномальная активность диспергированного новым методом алюминия в первые миллисекунды после разрушения имеет хорошее научное обоснование с точки зрения химии твердого тела, физики и химии поверхности, физики неравновесного состояния и др. Релаксация, как известно, обычно происходит по экспоненциальному закону. И все тела после разрушения так или иначе релаксируют. Но раньше было неизвестно, что при определенных условиях сброс основной части избыточной энергии происходит за десятки микросекунд, что и приводит к чрезвычайно высокой химической активности диспергированного вещества, введенного в реакционную среду в момент разрушения.

Исследования различных способов интенсивной пластической деформации металлов с целью получения материалов с микро- и наноструктурой для различных областей применения продолжались с перерывами [14-16]. Со временем появилось решение об использовании ранее обнаруженного явления аномальной химической активности, возникающим при использовании нового метода диспергирования металлов для создания анаэробной силовой установки. Оказалось, что на основе этого явления можно предложить новый метод физической активации алюминия (исходное состояние в гранулах), повышающий скорость окисления частиц алюминия на три порядка, как отмечено в экспериментах [13]. Есть основания ожидать еще большего увеличения скорости реакции при гидротермальном окисления алюминия, где частицы при диспергировании металла сразу после разрушения оказываются не в атмосферном воздухе, а в среде водяного пара с высокой температурой и давлением.

Новый метод активации алюминия открывает путь для практического применения перспективного, безопасного и относительно дешевого энергоносителя в виде алюминиевых гранул в анаэробных силовых установках. В отличие от порошков, гранулы алюминия безопасны для использования и хранения в любых климатических условиях. Гранулы много дешевле порошков, так как их получают путем простого технологического передела. Выполнен оценочный расчет анаэробной силовой установки при КПД, равном 32 %: 0,5 кг алюминия и 0,5 кг жидкого кислорода (в сумме 1 кг) дают на выходе в 7 раз больше электроэнергии, чем 1 кг массы литий-ионных аккумуляторов.

Выводы

1. Существующие методы активации алюминия имеют недостаточную эффективность, чтобы обеспечить необходимую производительность генерации водорода и тепловой энергии для разработки на этой основе анаэробной энергосиловой установки для подводных аппаратов различного назначения. Хранение и использование готовых порошков алюминия опасно на борту мобильных объектов.

2. Разработан новый метод активации гранул алюминия на основе интенсивной пластической деформации, обеспечивающий диспергирование гранул и повышение химической активности алюминия на три порядка. Целесообразно продолжить исследование нового метода активации алюминия с целью возможного его использования для разработки анаэробной энергосиловой установки различного назначения.

Список литературы

1. Обжиров А.И., Телегин Ю.А., Окулов А.К. Газогеохимические поля и распределения природных газов в Дальневосточных морях // Подводные исследования и робототехника. 2018. No 1(25), С. 66-74.

2. Романов В. В. Химические источники тока. Изд. 2. Москва: Химия. 1978. 264 c.

3. http://www.murmanshelf-conf.ru/archive/files/2012/statoil.pdf - [updated 2019 September 15].

4. Булычев Б.М., Стороженко П.А. // Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 4. С. 5-10.

5. Ченцов М.С., Соколов В.С., Прохоров Н.С. Концепция установки получения водорода риформингом дизельного топлива в составе воздухонезависимой энергетической установки с электрохимическими генераторами // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE 11(43) (2006), p. 39-46.

6. Patent RU 2428372, Kl. C01B3/10, 2010. Самарский государственный путей сообщения.

7. Kravchenko OV, Semenenko KN, Bulychev BM, Kalmykov KB. Activation of aluminum metal and its reaction with water. J Alloys Comp. 2005; 397:58.

8. Патент РФ 2394753 C01B3/08. 2009. Объединенный Институт высоких температур РАН. Москва.

9. Advanced powder technologies LLC. 2011. Томский политехнический университет. Томск. http://www.nanosized-powders.com/ru/42/

10. Горение порошкообразных металлов в активных средах / П.Ф. Похил, А.Ф. Беляев, Ю.В. Фролов.- М.: Наука, 1972.- 294 с.

11. V.T. Fedorov and Kh.B. Khokonov. Phenomenon dispersion of solids with the rapid stress relaxation of hydrostatic compression // Sov. Phys. Dokl. 33(6) (1988) p. 463.

12. V.T. Fedorov, Proc. Int. Symp. “New methods in physics and mechanics of deformed solids”, Chernogolovka, 1990, part. 1. p. 297.

13. Давыдов В.Ю., Федоров В.Т. Использование явления диспергирования компактных металлов в особых условиях для повышения фугасного, зажигательного и электромагнитного действия боеприпасов // V Всероссийская конференция "Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения". Т.1, РФЯЦ ВНИИЭФ, Саров, 2008, С. 449-456.

14. Europaeische Patentschrift EP 2 821 156 B1. Vorrichtung und Verfharen zur Umformung von Bauteilen aus Metallwerkstoffen. Fedorov Viktor (RU), Ivanisenko Julia (DE), Baretzky Brigitte (DE) Hahn Horst (DE). Prioritaet: 04.07.2013.

15. Viktor T. Fedorov, Yulia Ivanisenko, Brigitte Baretzky, Horst Hahn. New processing methods of severe plastic deformation // NanoSPD6 in Metz, France. The 6th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, 2014 June 30 - July 4.

16. Yu. Ivanisenko, R. Kulagin, V. Fedorov, A. Mazilkin, T. Scherer, B. Baretzky, H. Hahn. Continuous high pressure torsion as a new severe plastic deformation process // Materials Science & Engineering A. 2016. A 664 247.

Литература

1. Булычев Б.М., Стороженко П.А. Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 4. С. 5-10.

2. Давыдов В.Ю., Федоров В.Т. Использование явления диспергирования компактных металлов в особых условиях для повышения фугасного, зажигательного и электромагнитного действия боеприпасов // V Всероссийская конференция «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения». Саров: РФЯЦ ВНИИЭФ, 2008. Т. 1. С. 449-456.

3. Обжиров А.И., Телегин Ю.А., Окулов А.К. Газогеохимические поля и распределения природных газов в Дальневосточных морях // Подводные исследования и робототехника. 2018. № 1(25). С. 66-74.

4. Патент РФ 2394753 C01B3/08. 2009. Объединенный Институт высоких температур РАН. М.

5. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М.: Наука, 1972. 294 с.

6. Романов В.В. Химические источники тока. Издание 2. М.: Химия. 1978. 264 c.

7. Ченцов М.С., Соколов В.С., Прохоров Н.С. Концепция установки получения водорода риформингом дизельного топлива в составе воздухонезависимой энергетической установки с электрохимическими генераторами // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE 2006. №11 (43). С. 39-46.

8. Advanced powder technologies LLC. 2011. Томский политехнический университет. Томск. http://www.nanosized-powders.com/ru/42/

9. Europaeische Patentschrift EP 2 821 156 B1. Vorrichtung und Verfharen zur Umformung von Bauteilen aus Metallwerkstoffen. Fedorov Viktor (RU), Ivanisenko Julia (DE), Baretzky Brigitte (DE) Hahn Horst (DE). Prioritaet: 04.07.2013.

10. Fedorov V.T. Proc. Int. Symp. «New methods in physics and mechanics of deformed solids», Chernogolovka, 1990, Vol. 1. P. 297.

11. Fedorov V.T., Ivanisenko Yu., Baretzky B., Hahn H. New processing methods of severe plastic deformation // NanoSPD6 in Metz, France. The 6th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, 2014. June 30-July 4.

12. Fedorov V.T., Khokonov Kh.B. Phenomenon dispersion of solids with the rapid stress relaxation of hydrostatic compression // Sov. Phys. Dokl. 1988. N 33. Vol. 6 P. 463.

13. http://www.murmanshelf-conf.ru/archive/files/2012/statoil.pdf - [updated 2019 September 15].

14. Ivanisenko Yu., Kulagin R., Fedorov V., Mazilkin A., Scherer T., Baretzky B., Hahn H. Continuous high pressure torsion as a new severe plastic deformation process // Materials Science & Engineering A. 2016. A 664 247.

15. Kravchenko O.V., Semenenko K.N., Bulychev B.M., Kalmykov K.B. Activation of aluminum metal and its reaction with water. J Alloys Comp. 2005. 397:58.

16. Patent RU 2428372, Kl. C01B3/10, 2010. Самарский государственный путей сообщения.

Размещено на Allbest.ru