Нанотехнологии и перспективы российской энергетики и энергосбережения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нанотехнологии и перспективы российской энергетики и энергосбережения

Энергетика является одним из приоритетных направлений развития Общества, развития Государства. Созданная в прошлом веке централизованная система электрообеспечения исправно отслужила свой срок и в настоящее время уже не отвечает современным требованиям как ни по эффективности преобразования топлива, как ни по эффективности передачи электроэнергии, так и по экологии этого процесса. Энергосбережение и повышение энергоэффективности начало беспокоить Государство - 23 ноября 2009 года президентом РФ Д. Медведевым подписан федеральный закон №261-ФЗ [1].

Наиболее разумной и целесообразной является планомерная замена централизованной системы системой распределенной энергетики, когда энергоноситель по трубе поставляется к потребителю, и он сам решает, сколько его необходимо преобразовывать в электроэнергию. При этом использование в качестве генераторов электроэнергии электрохимических генераторов тока на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) позволяет существенно повысить энергосбережение и экономию топлива. ТОТЭ имеют высокий КПД прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. Их КПД достигает 70%, а с учетом использования высокопотенциальной тепловой энергии - 90%.

Разработку ТОТЭ в настоящее время нельзя представить без использования нанокомпонентов и нанотехнологий [2-3]. В Институте электрофизики разработаны технологии получения уникальных слабо агрегированных нанопорошков твердого электролита YSZ, используя физический способ - лазерную абляцию (рис. 1) [4-6], оксидов никеля, меди для анодов и катодов, используя физический способ - метод электровзрыва проволоки (рис. 2) [7-9].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 1. Установка для получения нанопорошков сложных оксидов методом абляции твердотельным оптоволоконным иттербиевым лазером - а); слабо агрегированный нанопорошок YSZ - б) (лаборатория Ю.А. Котова ИЭФ УрО РАН)

В нанопорошке YSZ, полученном лазерной абляцией и имеющем сферическую форму частиц с поверхностью по ВЕТ 60м²/г (прибор TriStar 3000 V6.03A), наблюдается следующее распределение их по размерам (рис. 3а): средний размер частиц - d_ср = 16.2 nm; максимальный размер - d_макс = 56.3 nm; минимальный размер - d_мин = 1.4 nm; средний геометрический диаметр - dg_сред = 14.3 nm; стандартное геометрическое отклонение - у_g = 1,67.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 2. Установка для получения нанопорошков методом электровзрыва проволоки - а); слабо агрегированный нанопорошок оксида никеля - б) (лаборатория Ю.А. Котова ИЭФ УрО РАН)

При этом нанопорошок YSZ в процессе хранения на воздухе в нормальных условиях образует, достаточно крупные агрегаты преимущественно с размером более 200 мкм и ? 30 об.% с размером до 10 мкм (рис. 3б) [10]. Агрегаты формируются слабыми силами Ван-дер-Ваальса ответственными за пространственные структуры образованные поверхностными взаимодействиями. Получаемые нами нанопорошки являются слабо агрегированными. Слабо агрегированными нанопорошками мы называем порошки, агрегаты которых, при ультразвуковом диспергировании в среде изопрапонола разрушаются до отдельных частиц. После удаления спирта при хранении на воздухе нанопорошки вновь объединяются в агрегаты. На этом свойстве «слипания» мелких порошков основана технология их гранулирования во влажной атмосфере.

Высокая площадь и поверхностная энергия наночастиц, адсорбция на их поверхности воды и газов из атмосферы, агрегирование приводят к недостаточно плотной упаковке частиц в прессовке, что не позволяет получать традиционным стационарным прессованием образцы материала с высокой плотностью. Поэтому в ИЭФ УрО РАН был предложен и разрабатывается способ магнитно-импульсного прессования [11-13], когда за относительно короткое время порядка 100 мкс при нагреве и вакуумировании (для обеспечения десорбции летучих веществ), нанопорошок уплотняется достаточно высоким давлением до 1,5 ГПа. При правильно подобранном режиме плотности прессовок из нанопорошка достигают 70% от теоретического значения.

Чаще всего химические способы формирования нанопорошков приводят к получению агломератов, в которых реализуются более прочные связи между частицами, обусловленные диффузионными процессами, переносом вещества - «спеканием». Такие порошки ультразвуковым диспергированием не возможно разбить на отдельные частицы. Длительный помол их в высокоэнергетических мельницах может только уменьшить размер агломератов. При этом спекание таких агломерированных нанопорошков идет, как правило, в две стадии: сначала спекаются частицы в агломератах, а затем спекшиеся агломераты спекаются как микрочастицы, но уже при более высоких температурах. Из таких порошков невозможно получить наноструктурированную керамику.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 3. Распределение частиц YSZ по размером в деагрегированном нанопорошке (количество частиц при построении распределения по изображению с электронного микроскопа JEM-2100-2043 шт.) - а); размеры агрегатов нанопорошка YSZ возникших в процессе хранения на воздухе (лазерный дифракционный анализатор HELOS) - б)

При этом положительные свойства материала, заложенные его наноразмерным состоянием, становятся загубленными. На рис. 4а приведено сравнение усадки твердого электролита YSZ из нашего слабо агрегированного нанопорошка и агломерированного порошка TZ-8Y фирмы Tosoh. Температура спекания образцов из наших порошков более чем на 200^О ниже, чем из коммерческих японских нанопорошков.

а) б)

Рис. 4. Кинетика уплотнения твердого электролита из слабо агрегированного и агломерированного нанопорошков (DIL 402 фирмы NETSCH) - а); нанопроволоки, образованные из сферических слабо агрегированных наночастиц (фото с электронного просвечивающего микроскопа JEM-2100 любезно предоставлено Калининой Е.Г. лаборатория Ю.А. Котова ИЭФ УрО РАН) - б).

Интересно, что если нанопорошок YSZ прокалить при относительно низкой температуре (700-800^ОС), то в случае, когда поверхностной энергии частиц с добавлением внешней энергии становится достаточно для осуществления диффузионного переноса вещества, то происходит спекание сферических наночастиц близкого размера в нанопроволоки [3] (рис. 4б).

Совершенно естественно, используя компоненты ТОТЭ в наноразмерном состоянии, мы ни только понижаем технологические энергозатраты, снижая температуру синтеза многослойных гетероструктур, но и исключаем технологии помола порошков, улучшаем основные потребительские свойства ТОТЭ. Наноструктурированная керамика YSZ обладает повышенной проводимостью, по отношению к микрокристаллической керамике, благодаря снижению сопротивления границ зерен (рис. 5а) [14] за счет появления их ионной проводимости, которая начинает чувствоваться уже при размере кристаллитов менее 270 нм.

а) б)

Рис. 5. Сопротивления границ зерен для микрокристаллического электролита (1) [15] и электролита из слабо агрегированного нанопорошкадля (2) - а); зависимость глубины старения твердого электролита YSZ от размера кристаллитов (290 нм, 167 нм, 54 нм) - б)

С уменьшением размера зерен YSZ понижается глубина «старения» твердого электролита (рис. 5б). Это говорит о том, что сформированные наноразмерные структуры электролита твердооксидных топливных элементов при рабочих температурах (800^ОС) являются более устойчивыми, чем микрокристаллические структуры.

Использование небольших добавок нанокомпонентов в электроды приводит к понижению слоевых сопротивлений, и увеличению электрохимической активности [16, 17]. Все это позволяет конструировать высокоэффективные энергосистемы для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию [18]. Эта технология, технология генерирования электроэнергии, технология ТОТЭ реально высокоэффективная, энергосберегающая технология, хорошо вписывающаяся в распределенную углеводородную энергетику и водородную энергетику - энергетику будущего.

Разработка энергонапряженных энергосистем на ТОТЭ открывает новые сферы их применения. Заявлено о достижении удельной мощности 15 кВт/л [19]. Проведенные испытания подтверждают целесообразность использования таких энергосистем в диапазоне мощностей от единиц ватт до десятков мегаватт стационарного и мобильного применения. Энергосистемы на ТОТЭ хорошо вписываются для транспортного применения: воздушного, наземного, водного, подводного. Фирма Boeing разрабатывает вспомогательную энергосистему на ТОТЭ (SOFC) для бортового питания Boeing 7Е7, что позволит сократить потребление керосина на 70-75% во время стоянки на земле и примерно 40% во время полета [20]. Разработку силовой установки мощностью 440 кВт Boeing. планирует завершить к 2015 г. Эти работы естественно приведут к снижению шумности Boeing 7Е7, к энергосбережению и к улучшению экологии.

Морально устаревшая централизованная электроэнергетика входит в полосу грандиозных техногенных аварий. В настоящее время многое будет зависеть от правильности выбора дальнейшего пути развития или будем латать старое, улучшая эффективность на доли и единицы процента, или будем развивать энергосберегающую энергетику будущего, улучшая эффективность в разы. Сама природа - нанотехнологии, подталкивают нас к правильному выбору…

Литература

энергетика централизованный потребитель нанотехнология

1. http://graph.document.kremlin.ru

2. А.С. Липилин // ТОТЭ и энергосистемы на их основе: состояние и перспективы/Ж. Электрохимическая энергетика, т. 7, №2, 2007.

3. А.С. Липилин, Перспективные направления разработки твердооксидных топливных элементов на основе нанотехнологий // 1-я Школа «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Наноматериалы.», Москва 27-31.10.2008, Сборник лекций, РОСНАНО, Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2009, стр. 276-287.

4. Kotov Yu.A., Osipov V.V., Ivanov M.G., Samatov O.M., Platonov V.V., Azarkevich E.I., Murzakaev A.M., Medvedev A.I. // Technical Physics. 2002. V. 47. P. 1420.

5. Kotov Yu.A., Osipov V.V., Ivanov M.G., Samatov O.M., Platonov V.V., Lisenkov V.V., Murzakaev A.M., Medvedev A.I., Azarkevich E.I., Shtolz A.K., Timoshenkova O.R. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2003. V. 5. P. 171.

6. Ivanov V.V., Lipilin A.S., Kotov Yu.A., Khrustov V.R., Shkerin S.N., Paranin S.N., Spirin A.V. and Kaygorodov A.S. // Journal of Power Sources, 2006. V. 159. P. 605.

7. Патент РФ №2149735, Ю.А. Котов, И.В. Бекетов, О.М. Саматов, Установка для получения высокодисперсных порошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки, БИ №15, 2000.

8. Ю.А. Котов, А.В. Багазеев, И.В. Бекетов, А.М. Мурзакаев, О.М. Саматов, А.И. Медведев, Н.И. Москаленко, О.Р. Тимошенкова, Т.М. Демина, А.К. Штольц, Характеристики нанопорошков оксида никеля, полученных электрическим взрывом проволоки, ЖТФ, 2005, 75, 10, 39-43.

9. Ю.А. Котов, Ч.К. Ри, А.В. Багазеев, И.В. Бекетов, Т.М. Демина, А.М. Мурзакаев, О.М. Саматов, О.Р. Тимошенкова, А.И. Медведев, А.К. Штольц, Получение нанопорошков меди методом электрического взрыва проволоки. Исследование их окисления при хранении и при нагреве в воздухе. Материалы 6 Всероссийской конференции. М.: МИФИ, 2003, с. 279-285.

10. И.С. Пузырев, А.С. Липилин, В.В. Иванов, Ю.Г. Ятлук, Стабилизация суспензий нанопорошков YSZ в изопропаноле (в печати).

11. Патент РФ №2083328, приор. 25.10.94, В.В. Иванов, С.Н. Паранин, А.Н. Вихрев, Способ импульсного прессования твердых порошковых материалов и устройство для его осуществления

12. В.В. Иванов, «Получение наноструктурных керамик с использованием магнитно-импульсного прессования порошков». Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Екатеринбург, 1998 г., 299 с.

13. КайгородовА.С. «Исследование физических свойств оксидных керамик, получаемых из слабо агрегирующих нанопорошков с использованием магнитно-импульсного прессования». Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. Екатеринбург, 2009 г., 125 с.

14. В.В. Иванов, С.Н. Шкерин, А.С. Липилин, А.В. Никонов В.Р. Хрустов, Ал.А. Ремпель, Электропроводность твердого электролита на основе диоксида циркония с размером зерна керамики в субмикронном диапазоне, ж. Электрохимическая энергетика №4, 2009.

15. Ioffe A.I., Inozemtsev M.V., Lipilin A.S., Perfiliev M.V., Karpachov S.V. // Phys. Stat. Sol. (a). 1975. V. 30. P. 87.

16. Патент РФ №2322730, Н.М. Богданович, Б.Л. Кузин, Д.И. Бронин, Т.А. Демьяненко, И.Ю. Ярославцев, Ю.А. Котов, А.М. Мурзакаев, А.В. Багазеев, Активный двухслойный электрод для электрохимических устройств с твердым электролитом, 20.04.2008.

17. Д.И. Бронин, Б.Л. Кузин, Н.М. Богданович, И.Ю. Ярославцев, С.М. Береснев, В.П. Горелов, Применение наноматериалов в высокотемпературной электрохимии твердых электролитов, Сб. тезисов докладов, т. 2, Международный форум по нанотехнологиям, М., 3-5 декабря 2008, с. 4-6.

18. В.Д. Буров, А.А. Зайцева, Е.А. Захаренков, Е.А. Колодий, Н.В. Коровин, Ю.А. Славнов, Энергосберегающие энергоустановки на основе топливных элементов с твердооксидным электролитом, Труды Ш Международного симпозиума по водородной энергетике, 1-2 декабря 2009 г. МЭИ(ТУ), Москва, РФ, с. 23-26.

19. Патент США №US 2009/0123810 Al, Alan Devoe, Lambert Devoe, Fuel Cell Device and System, Pub. Date: May 14, 2009.

Размещено на Allbest.ru