Нанотехнологии и перспективы российской энергетики и энергосбережения

НАНОТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

А. С. ЛИПИЛИН, А. В. НИКОНОВ, А. В. СПИРИН

Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург, РФ

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 [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].

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 - dср = 16.2 nm; максимальный размер - dмакс = 56.3 nm; минимальный размер - dмин = 1.4 nm; средний геометрический диаметр - dgсред = 14.3 nm; стандартное геометрическое отклонение - σg = 1,67.

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.

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 200О ниже, чем из коммерческих японских нанопорошков.

Интересно, что если нанопорошок YSZ прокалить при относительно низкой температуре (700-800ОС), 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.

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 (800ОС) 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 2015г. 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:

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

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 № 000, , Установка для получения высокодисперсных порошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки, БИ № 15, 2000.

8.  , , , Характеристики нанопорошков оксида никеля, полученных электрическим взрывом проволоки, ЖТФ, 2005, 75, 10, 39-43.

9.  , Ч. К. Ри, , 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.  , , Стабилизация суспензий нанопорошков YSZ в изопропаноле (в печати).

11.  Патент РФ № 000, приор. 25.10.94, , Способ импульсного прессования твердых порошковых материалов и устройство для его осуществления

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

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

14.  , , , 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.