Нет лучше топлива, чем... алюминий! Алюминий и бензин


Автомобиль на алюминии | Электронный Научный Семинар (ЭНС)

Редактор представляет: 

Лучшим средством индивидуального наземного транспорта был и остается автомобиль. Он же – один из главных потребителей энергии и один из главных виновников ухудшения экологического состояния городов. Отсюда – постоянные попытки, удачные и неудачные,  заменить источники энергоснабжения автомобиля и, соответственно, изменить характер отходов при его эксплуатации. 

Представляю анализ информации об одной такой попытке. 

Электрон Добрускин,

редактор 

 

 

Недавно в Интернете появилось сообщение:

 «Хватит цивилизованному миру зависеть от никчемных обладателей горючего.

Израильская компания заправит машины алюминиевым порошком. 12 лет разработок подошли к победному финалу, и израильская компания Alchemy Research создала и запатентовала реактор, работающий на алюминиевом порошке. В реакторе, температура которого составляет 900 градусов Цельсия, алюминий вступает в реакцию с водой, в результате чего образуется водород и оксид алюминия.  

Полученный таким образом водород, используется в качестве топлива для топливных элементов. Водород также можно сжигать для вращения турбины. Тепло, выделяемое в ходе реакции, используется для поддержания температуры в реакторе, создавая, тем самым, самоподдерживающуюся систему. Побочный нетоксичный продукт – оксид алюминия – перерабатывается на соответствующих производствах обратно в алюминий. 

Автомобили, работающие на таком реакторе, могут заправляться за несколько минут – засыпал порошок и всё! Алюминиевого порошка в баке, сравнимом по объему с обычным баком, хватит для того, чтобы проехать 2,4 тыс. км. 

Глава корпорации Гидеон Ямпольский рассказывает о своем детище: 

«Это будет электромобиль, который сможет проехать 2,400 км на одном топливном баке размером с бак у вас в машине. Хотя топливный бак, заполненный бензином, позволит вам проехать только 700-800 км.»  

В системе Alhydro энергия хранится в алюминиевом порошке. Поскольку алюминий достаточно плотный материал, он позволяет сохранить в два раза больше энергии, чем обычное топливо того же объема. И в 80 раз больше энергии на килограмм, чем лучшие литиевые батарейки. Однако до сих пор не существовало способа высвободить эту энергию. 

Реакция Alhydro протекает в реакторе при нагреве до 900°С. Если при слове «реактор» вам представилось что-то внушительное и размером с дом, то не пугайтесь: этот реактор достаточно компактен, чтобы быть установленным в автомобиле.  

В него поступают алюминиевый порошок и вода, на выходе получается горячий водород. Полученный водород превращается в электрическую энергию и тем самым заменяет собой батарею в электромобиле. Водяной пар, образующийся в результате реакции, охлаждается и используется в новом цикле. Таким образом, система не требует дозаправки водой, расходуется только алюминий. 

С точки зрения экологии машина с алюминиевым реактором – практически идеальный транспорт. Ни один из реагентов или продуктов реакции не является токсичным веществом. Отработанное топливо не улетучивается в атмосферу и не оседает вдоль дороги, а используется вновь и вновь, экономя небезграничные ресурсы планеты. 

На сегодняшний день цена машины, работающей на алюминии, такая же, как цена обычной машины с бензиновым двигателем. Однако цены на газ и нефть растут по мере истощения ресурсов, а с развитием технологии возможность повторного использования алюминия может существенно снизить цену.» 

В данный момент подписан контракт на разработку таких автомобилей с одной из ведущих авто–корпораций, чьё название является коммерческой тайной. Появление этих авто на рынке в серийном варианте, ожидается к 2018 году. 

Трудно переоценить, как эти технологии способны изменить геополитику. 

Похоже, что кому-то придётся очень больно упасть с пьедестала, а нефтяные короли превратятся в корольков. 

Конечно, это не избавление от нефтяной зависимости, поскольку   для органического синтеза это сырьё пока необходимо. 

Но это «пока»… 

А   там ещё что-нибудь придумаем». [ 2а,б,в] 

 

Анализ публикации:

Хотя суть предложения (здесь, а также во множестве презентаций фирмы [1]) детально не излагается, но её можно восстановить приблизительно по публикуемым авторами описаниям и рисункам. Кое о чем приходится догадываться, многое можно рассчитать, исходя из научных истин и современных возможностей техники.

 Экономия. 

Нет никакой экономии. 

В публикациях фирмы [1] указывается, что из 1 кг алюминия можно получить 8.6 КВтч энергии. В предлагаемой системе энергии используется меньше, поскольку есть значительные потери и дополнительные затраты энергии. Но не это важно, а то, что даже по завышенной оценке это гораздо меньше, чем необходимо для восполнения предлагаемого топлива. 

Известно, что для производства 1 кг чернового алюминия расходуется в настоящее время 17 – 20 КВтч  электроэнергии, т.е., в два-три раза больше, чем выделяется в предлагаемом реакторе. В настоящее время мировые цены на алюминий технической чистоты составляют $1,2 -1,5 за кг. Алюминиевый лом можно купить дешевле, но его переработка в мелкую стружку или порошок  поднимет цену практически до такой же величины [4].  По другим данным,  цена на алюминий сегодня  около $1.8 за кг, а прошлым летом было $2.8 за кг. Если начать массово использовать алюминий как топливо, цена не упадёт, а вырастет – и, наверняка, больше, чем указанный максимум. То есть, не менее $3 за кг. Это оптовая цена, а при покупке в розницу цена  будет, минимум, вдвое больше, и это ещё без учёта налогов [5]. 

Розничная цена автомобильного бензина меньше, чем у алюминия. Она составляет в разных странах от $0.16 до $3.6 за кг, в среднем в мире в настоящее время $1 за кг. Однако теплотворная способность бензина больше (12 КВтч/кг). Добыча и производство его обходится приблизительно в 5 – 50 раз меньше розничной цены, остальное – налоги государства и прибыль компаний. В предлагаемом использовании алюминиевого топлива такого навара нет. 

Улучшение экологии.  

Не видно её улучшения. 

Основным аргументом авторов является улучшение экологии. Но какое же здесь улучшение, когда для производства алюминия необходимо затратить много электроэнергии, получаемой в настоящее время в большой мере от сжигания довольно грязного топлива. Берите пример с Бразилии – жгите в автомобильных моторах спирт, что дешевле, чем бензин и более экологично. Из выхлопной трубы летят  водяной пар и углекислый газ, да чуток пахнет  спиртом. В этой стране спирт получают, используя энергию солнца через сахарный тростник, выращиваемый на её необозримых просторах. Для перегонки на спирт годятся и другие растения, была бы земля, солнце и вода, хотя бы солёная, чего у нас в Израиле достаточно, например, в  Негеве. 

Эффективность.

Очень сильно завышена рекламируемая дальность пробега, более чем вдвое. 

Вычислим величину этого пробега. Предположим, что в автомобиле установлен топливный бак обычного размера емкостью приблизительно 50 литров. Если заполнить порошком алюминия весь бак (контейнер), то его там будет около m=100 кг. Согласно указанному авторами уравнению реакции алюминия с водой

 2Al + 3 h3O → Al2O3 +3h3 

на 2 молекулы алюминия Al выделяется 3 молекулы водорода h3.  Пересчитывая количество реагентов пропорционально их молекулярным весам М, определяем, что  на 100 кг алюминия получится в реакции  приблизительно 11 кг водорода. 

m1= m х 3Мводор./2Малюм. = 100кг х (3х2/2х27) =11.1 кг 

Авторы предполагают подавать водород  в топливный элемент, энергия которого используется в тяговом электродвигателе автомобиля. КПД современного водородного топливного элемента η составляет приблизительно 50% [4], что для  вычисленной массы водорода m1 и его энергии q1 =33,3 кВтч/кг даёт количество электроэнергии 

Е1= m1q1η = 11.1кг х 33.3 КВтч/кг х 50% =185 КВтч 

При приводе автомобиля от электродвигателя, КПД которого можно принять очень высоким (η1=90%), на движение автомобиля поступит 

Е2 = Е1 η1 =185 КВтч х 90% = 166 КВтч 

Рассчитаем количество бензина m2, необходимоe для получения такой же энергии на движение автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Общий КПД  двигателя и движителя принимаем η2=30%,  теплотворная способность сгорания бензина  известна q = 12 кВтч/кг. 

m 2 = Е2/ η2 х q =166 КВтч /30% х 12 КВтч/кг = 46 кг   (V2 = 62 л) бензина 

На 62-х литрах бензина проедем приблизительно 620 км при расходе бензина r у предполагаемого довольно тяжелого автомобиля 10л/100км 

S1 = V2 / r = 62л/10л/100км = 620 км 

Рассчитаем количество выделяемого тепла. Как следует из теплового баланса указанной выше химической   реакции, на один моль алюминия (Малюм=27г) выделяется q1 = 472КДж. От 100 кг алюминия получим 

E3 = q1 m/ Малюм =472 КДж x 100 000г /27г = 1750 МДж = 486 КВтч 

Авторы указывают [1а.б], что 49.4% (Точность !?)  энергии получается в виде тепла, оно разогревает реактор. В действительности, на нагревание реактора расходуется гораздо меньше энергии. Правильно было бы считать, что за вычетом затрат и потерь тепла, почти вся тепловая энергия, получаемая в реакторе (и её здесь образуется больше, чем указывают авторы), расходуется на получение пара, который, наверное, поступает в паровую турбину. 

Вычислим эти затраты и потери. Реактор, действительно, нужно разогреть, но только один раз – перед началом химической реакции. Можно предположить, что реактор вместе с окружающими его системой охлаждения и  наружной теплоизоляцией имеет массу m3 ≈ 50кг. Температура в зоне реакции 900ºС, наружная температура любого устройства в современном автомобиле не превышает 100ºС. Исходя из этих величин, можно  принять среднюю температуру  tср  всего этого агрегата приблизительно равной 500˚С. Из чего сделан реактор, не знаем, но примем среднюю теплоемкость всей конструкции такой же, как у жаропрочной стали  с1 = 0.5 КДж/кг˚С. Следуя этим  догадкам, вычисляем тепло, необходимое для разогрева реактора

Е4 =m3с1tср = 50кг х 0.5 КДж/кг˚С х500˚С.  = 12. 5 МДж = 3.5 КВтч 

Другой потерей тепла является необходимость нагрева веществ, поступающих в реакцию. Оптимально, если вода поступает в реактор из радиатора автомобиля после конденсации пара. Ее температура t1 будет около 100ºС.  Из уравнения реакции видно, что воды расходуется столько же, сколько и алюминия m4 =m= 100кг. Нужно нагреть в реакторе воду и пар,  до t2 = 900 ºС. Принимая среднюю теплоемкость воды и пара с2 ≈ 3 КДж/кгºС, получаем 

E5= c2m4(t2 – t1) = 3КДж/кг ºСx100 кг х(900ºС -100 ºС) = 240 МДж = 67 KВтч 

Скрытую теплоту кипения не учитываем, так как превращение воды в пар выше критической температуры (374ºС) не требует затрат энергии.

Надо также вычесть тепло, необходимое для нагревания алюминия от температуры окружающей среды t3 ≈ 20 ºС до температуры реакции t2 = 900 ºС 

E6 = c3m(t2 – t3)= 0.9 КДж /кгºС  х 100 кг х (900ºС – 20 ºС) =79 МДж = 22 КВтч 

И тепло для его плавления 

E7 = pm = 390 КДж/кг x100кг =39MДж = 11KВтч 

Следовательно, на нагревание воды, охлаждающей реактор, и превращения ее в пар остается 

E8 = E4 –  E5– E6 – E7 = 486 – 3.5- 67 – 22 -11 = 383 КВтч = 1380 МДж 

То есть, около 80% тепла, полученного в реакции.

В рассматриваемой здесь завышенной оценке эффективности, потери тепла  в окружающую среду не учитываем. 

Как это следует из презентации авторов,  реактор нагревает воду и обращает ее в пар, поступающий в турбину. (В другом месте презентации указано, что  турбина работает непосредственно на водороде, то есть, этой добавки энергии пара нет.) 

КПД паровой турбины меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. По оценке общий КПД (η3) привода такого парового автомобиля не более 20%. Следовательно, на движение автомобиля поступит энергия 

Е9 = E8 х η3= 383 КВт час х 20% = 77  КВт ч

Рассчитаем количество бензина m5 для получения такой же энергии на движение автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. 

m 5 = Е9 хη2 х q = 77КВтч /30% х 12 КВтч/кг = 21 кг  (V3 = 29 л)  бензина 

На таком количестве бензина можно было бы проехать расстояние

S2 = V3 / r = 29л/10л/100км  = 290  км 

Итого, по нашей довольно завышенной оценке получаем общий  пробег при использовании 100 кг алюминия 

S = S1+ S2 =   620+290 = 910 км 

Не густо, нет рекламно впечатляющей величины 2.4 тыс.км, которая вызвала ажиотаж перепечаток. 800 – 900 км можно проехать по шоссе с одной заправки полного бака и на обычном хорошем бензоавтомобиле. Кто-то сильно ошибся в расчетах. Полагаю, что авторы предложения. 

Конструкция и технология.  

Здесь много странного. 

Авторы пишут, что в реакторе температура достигает 900 градусов Цельсия. Такой реактор на автомобиле чрезвычайно неудобен, ведь перед выездом его нужно разогревать, вероятно, не менее часа. Как говорили в прежние времена: «Пора раскочегарить паровоз», – и раскочегаривали, обычно около суток. 

Неизбежны потери большого количества энергии при остановке. Если неожиданно нужна длительная стоянка или автомобиль оставляется до следующей поездки, то вся энергия разогрева реактора пропадает. При  этом нужно срочно очистить ректор, чтобы не засел там «козел» затвердевшего алюминия (температура плавления 660˚С). Из трубы стоящего автомобиля ещё долго будет свистеть горячий пар.  

 Энергия, запасенная в разогретом реакторе, была вычислена выше. Его охлаждение эквивалентно потере около 3.5КВтч или более  кубометра водорода 

m8 =Е5/q1 = 12 500 KДж/129 000 KДж/кг = 0.097 kг  (1.1 м3)  водорода 

Поскольку тепло используется для паровой турбины, то реактор является частью парового котла, он должен быть окружен жаропрочными трубами и снаружи теплоизоляцией. 

Рассчитаем расход воды на одну поездку. Вероятно, что вода, поступающая из бака при температуре окружающей среды t3 ≈ 20 ºС, будет нагрета путем теплообмена от реактора до температуры t4 ≈ 500 ºС, то есть превращена в перегретый пар. Количество воды вычислим по формуле 

m 9 = E8 /c2 (t4 – t3) = 1380МДж / 3КДж/кг ºС (500ºС -20 ºС) =960 кг 

Поскольку конденсация значительной части пара после турбины здесь нереальна, то он выбрасывается в воздух, как в паровозе. Поэтому необходим довольно большой бак на 800 – 900л воды. 

Можно было бы не нагревать воду до кипения, а охлаждать реактор так же, как двигатель в обыкновенном автомобиле, прогоняя воду через радиатор, охлаждаемый воздухом. Воды при такой схеме нужно значительно меньше и она не теряется. Однако при этом не используется тепло химической реакции для движения автомобиля и пробег на одну заправку оказывается скромным, только 620 км. 

Химический реактор (массой≈50 кг), батарея теплоэлементов (≈100 кг), паровая турбина (≈50кг), электродвигатель (≈50кг), огромный бак с водой (≈800кг), бак/контейнер с алюминием (≈100кг), кузов и ходовая часть (≈500 кг), радиатор и теплообменники для воды и водорода (≈50кг). Ещё, вероятно, нужны баллон и компрессор для запасания водорода, электрический аккумулятор и другие приспособления. Получается тяжелая конструкция, мало пригодная для современного автомобиля. 

Автомобиль этот не электрический, а гибридный, на половину паровой с двигателем внешнего сгорания – паровой турбиной. Уже более 100 лет мы не видели на дорогах паровых автомобилей. 

Неясно, как предполагается заправка алюминия в бак/контейнер, а уж грязная работа с извлечением отходов реакции, вряд ли, понравится современному водителю. В презентации не описывается, как подавать алюминиевый порошок в работающий реактор, ведь там внутри при температуре 900 градусов давление водяного пара и водорода более 100 атмосфер. 

Предлагаемая конструкция электро-химического реактора не является лучшей. Известны и  другие конструкции. Они легче современных электрических аккумуляторов, работают при комнатной температуре, не требуют зарядки от сети, выпускаются, например, для использования в электро-велосипедах [7]. Однако и они не получили широкого распространения, поскольку потребителю проще сунуть шнур блока зарядки аккумулятора в электрическую розетку, чем заниматься  заправкой и утилизацией картриджей с химикалиями. 

Не случайно в статье  не названа фирма, решившая стать спонсором, вероятно, такой и нет. Процветающие фирмы умеют рассчитывать эффективность предложений, лохи в них не работают. 

Новизна.  

Её не увидел.

 Это не первое сообщение о двигателе, использующем алюминий в качестве топлива. Самая ранняя публикация, которую удалось найти, датирована 1978 годом [8]. Там написано: «Из литературы известны химические топлива, в качестве горючего используются определенные металлы … бериллий, бор, алюминий, цирконий … .». Дальше не стал углубляться в историю, не стоит того.

 Год назад некие шутники от науки предложили использовать в качестве топлива для автомобиля алюминиевые колечки от крышек пивных банок [9].  Забавно, но очень не технично. Были и другие сообщения об использовании алюминия как топлива, например, для питания ноутбуков [10].  Есть  ещё и много других публикаций. Google по этой теме показывает более ста позиций. Может быть, патентоведы найдут в   предполагаемом  изобретении какую-нибудь новизну. 

           Стиль и содержание 

         В приведенном выше интервью с директором фирмы заметно хорошее владение русским языком, однако текст залихватский, видимо, безобразничал какой-то русскоязычный журналист. Если я правильно понял из  Интернета, одним из  авторов публикаций фирмы является журналист по автомобильному спорту, наверное, он и писал презентации. Понятно, почему там тоже лихой текст. На многих страницах презентации много раз повторяется сообщение о преимуществах предложения, но нет достаточно внятного описания конструкции – здесь работала опытная рука рекламодателей и юристов. Не видно участия грамотных инженеров в составлении презентации – слишком много научно-технических ошибок. 

Какая цель? 

Много разного публикуется в современной электронной сети – Интернете. Много полезного. Например, при написании этой рецензии не пришлось бегать по библиотекам, как в прежние времена, вся необходимая информация под рукой. Однако наряду с нужными и полезными публикациями валяется в сети много мусора, в котором можно потеряться и пропасть: произведения графоманов, околонаучные и антинаучные статьи, «документальные»  описания никогда не происходивших событий. Такое  можно считать плодом больной фантазии, то есть, непреднамеренным обманом. 

Но есть в сети и преднамеренный обман, граничащий с преступлением. Наиболее безобидный – это искажение и раздувание всяких сплетен и происшествий, помещаемых в сайтах для привлечения читателей. Хуже этого – реклама с неполным или искажаемым описанием свойств товара. Но хуже всего – недобросовестная обманная информация, помещаемая с целью схватить незаслуженные деньги. Можно через суд бороться с  обманом в информационной сети, но трудно доказать  всякий обман. 

Очень похожим на описанное здесь предложение является рекламируемое уже несколько лет изобретение по добыче электричества из автодорог [11]. Идея вздорная и обманная. Электричество там добывается не из асфальта, а за счет горючего проезжающих машин. Много в этом предложении несуразностей, ошибок и нереальных решений. Однако авторы предложения получили большие деньги на грант и уже пару лет живут на них, что-то делая в Технионе.  Более того,  недавно при посещении  Всеизраильского управления дорог, увидел  вывешенный там список рекомендуемых  конкурсных работ и эта тема там значится. Будет возможность, напишу об этом обмане подробно с формулами и числами. 

И в рассматриваемом случае о применении алюминия в качестве топлива, авторы, видимо, пошли по тому же пути – задались  целью получить деньги от спонсоров или от государства. Не зря они вложили средства в создание фирмы и в довольно обширную презентацию. 

Похвала Израилю 

Не всякие редакторы сайтов обнаруживают обман. Вот они и перепечатывают это непроверенное сообщение, да ещё иногда под заголовком «Молодцы израильтяне». Похвала здесь незаслуженная и дутая. Пузырь этот лопнет и обнаружится очень некрасивая суть. Есть за что  похвалить израильтян, но уж не за это. 

Цитаты 

Мне показалось, что  слишком резко критикую данное предложение, но вот посмотрел на публикации по этой теме и понял, что  выражаюсь сравнительно мягко. Например, на сайте «Двигатель на алюминии» [12] помещено мнение: «Вся эта бодяга затеяна для того, чтобы оправдать некую сумму на исследования или преподнести дешевую сенсацию. Только идиот будет переводить металл в руду, которая стоит копейки, а на производство того же металла придется затратить уйму энергии. Чем и выгоден сбор металлолома, так это тем, что производство из него металла на порядок дешевле, чем производство из руды. Так что не будет никаких алюминиевых автозаправок. Соответственно, и говорить не о чем». 

В статье "Почему нельзя получать водород из алюминия» [13] написано, что алюминиевая энергетика явно проигрывает бензину и другим традиционным видам топлива,  как по массе расходуемого вещества, так и по стоимости. Кроме того, использование таких двигателей в автомобиле вызывает ряд неудобств. 

Другие комментаторы пишут: «Типичный стартап, придумали себе техническую проблему и название, будут доить инвесторов, хорошо, если не государство». «Утка это. Забавная, но утка.»  «…но вроде не утка по крайней мере, контора такая существует, может, чтобы бабла на инвестициях срубить?» [2ж] 

Сердиться вредно для здоровья, не стоит того данное пустое предложение. Следуя одному из комментаторов, перейдем на юмор: «Всё это не более, чем курьёз. Почему-то сразу вспоминается Незнайка и автомобиль на газированной воде с сиропом. Газы выделяются, толкают поршень. И вдобавок всегда есть чего попить». 

 

Публикации: 

1   Презентации фирмы:

А.  Вебсайт фирмы Alchemy Research . http://www.alcres.com/web

Б.  Белая книга фирмы.   http://www.alcres.com/docs/alydro-energy-storage.pdf

В.  Введение Alydro /Презентация.  http://www.alcres.com/web/introduction-to-alydro-presentation/

Г.  Технология Alydro / Презентация.   http://www.alcres.com/web/alydro-technology-presentation/

Д. Alydro гибрид EV/ Презентация. http://www.alcres.com/web/alydro-products/alydro-vehicle/alydro-hybrid-ev-white-paper/

Е. Выделение чистого водорода в водно-алюминиевом реакторе/ Презентация. http://www.alcres.com/docs/scaling-hydrogen-energy-storage-with-alydro.pdf

   и др.

 

2. Перепечатки:

А  http://botinok.co.il/node/83832

Б. http://www.virtualireland.ru/archive/index.php/t-57004.html

В. http://lyuss.livejournal.com/285928.html  (с картинками)

Г. http://zhelezyaka.com/novosti/tehnologiya/avtomobili-na-alyuminii-6868/

Д. http://www.foxnews.com/leisure/2012/06/07/israeli-company-designs-aluminum-powered-car-engine/

Е. http://news.israelinfo.ru/technology/41530

Ж. http://www.virtualireland.ru/showthread.php?t=57004

    и др.

 

3. Ссылки в интернете:

А. http://www.autofarsh.dp.ua/index.php?option=com_content&view=article&id=658:2012-06-16-16-04-59&catid=43:2009-11-16-18-06-44&Itemid=83

Б.  http://forza.in.ua/content.php?700-v-izraile-predlagayut-ispolzovat-alyuminij-kak-avtomobilnoe-toplivo

В. en.wikipedia.org/wiki/Alchemy_Research

Г. http://forummotor.israelinfo.ru/viewtopic.php?t=2481&view=previous

    и много других

 

4. Клейменов Б. В. И др. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АЛЮМИНИЯ С ВОДОЙ… ИНФОРМОСТ радиоэлектроника и телекоммуникации № 3 (39), 2005.   http://www.rit.informost.ru/rit/3-2005/58.pdf

5. Boris S.–ник. http://friends-forum.com/forum/archive/index.php/t-124999.html

6. Водородная энергетика и топливные элементы. http://magov.net/blog/606.html

7. Электрический велосипед Pedego ездит на воде с порошком   http://www.membrana.ru/articles/technic/2010/10/07/165700.html

 8. «Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов»; Леонард Грейнер; Изд-во:     Судостроение, 1978.

9. Вместо бензина – колечки от банок. http://eco-driving.ru/blog/post/87

10. Японцы намерены перевести ноутбуки на алюминий и воду. http://www.membrana.ru/particle/9926

11. Тихо произошла энергетическая революция в Израиле. http://www.ren-tv.com/news/latest/10838-chtob-tok-poshel

 http://www.newsru.co.il/israel/18nov2008/innowattech403.html

12. Двигатель на алюминии. http://pda.teron.ru/index.php?showtopic=996330

13.  Почему нельзя получать водород из алюминия. http://altinfoyg.ru/index.php/rashot/rachotidei/pva.html

 

Получено от автора 13 ноября 2012 г.

для обсуждения на семинаре

 

www.elektron2000.com

ищем минусы и плюсы — АвтоМания

В автомобилестроении алюминий стали использовать еще с конца позапрошлого века: в 1899 году на выставке в Берлине показали концептуальный автомобиль Durkopp с облегченными кузовными панелями. А спустя всего три года ныне всем известный Карл Бенц представил первый двигатель из «крылатого» металла для участия в автогонках. Сегодня на применения алюминия в автомобильной промышленности, если верить оценке экспертов, приходится почти треть потребления всего производимого в мире серебристого металла. Так чем же он так хорош, помимо легкости?

Плюсы использования алюминия

Основной плюс алюминия — соотношение его прочности к массе. В сравнении с классической сталью, он в среднем на 60% легче, что позволяет существенно снизить массу автомобиля, а также расход топлива и вредные выбросы.

Если же копать глубже, то алюминий почти не ржавеет, не магнитится, а из-за хорошей пластичности легко обрабатывается давлением. Плюс процесс вторичной переработки «крылатого» металла прост: он может быть переплавлен раз за разом без потерь в свойствах. Эти нюансы не только упрощают, но и ускоряют производственные процессы, а также дают возможность инженерам постоянно экспериментировать со структурой металла, с различными видами и формами автомобильных деталей.

Что касается так называемых эксплуатационных преимуществ, которые можно прочувствовать, то «крылатый» металл по сравнению с той же сталью обладает отличной поглощаемостью вибраций и ударов: он «гасит» на 50% больше энергии и препятствует их дальнейшему распространению. А это не только комфорт при движении по неровностям, но и безопасность пассажиров при ДТП.Днище электромобиля Tesla Model S защищено тройной обороной из металлических листов, ограждающих батарею от внешнего воздействия. Сначала идет слой из полого алюминия, необходимый для отражения различных объектов, попадающих под машину. Дальше — усиливающая титановая пластина, а на последнем рубеже — цельный восьмимиллиметровый алюминиевый брус для дополнительной прочности.

На управляемость машины алюминиевый скелет тоже влияет положительно, поскольку металл обладает высоким сопротивлением к торсионным нагрузкам. Такой кузов получается более жестким на скручивание, что добавляет машине устойчивости в поворотах и отзывчивости при рулежке. Вдобавок сделанные из алюминия детали подвески сокращают неподрессоренные массы автомобиля, что улучшает его плавность хода. Вроде бы идеальный материал...

Недостатки использования алюминия

Первый — производственный. Детали из алюминиевых сплавов технически сложно скрепляются друг с другом: требуются изощренные способы (лазерная сварка, клепка, склейка, болтовые соединения), а также узко-специализированное оборудование. К примеру, сварка алюминиевых элементов возможна только лазерным способом или же в среде инертного газа (например, аргона). При этом еще необходимо четко контролировать сварочный процесс, поскольку алюминий весьма капризный металл: в местах соединения могут образовываться трещины. Все эти сложности приводят ко второму недостатку — дороговизне производственного процесса. Сырье, сложное оборудование, квалифицированный персонал... На это все нужно выделять немалое количество времени и средств, что увеличивает себестоимость серийной машины.

Третье — формы и размеры элементов. Чтобы изготовить, к примеру, алюминиевый кузов, который сравним или превосходит по прочности стальной, его конструкцию приходится делать «пухлой». Хороший пример — велосипедная рама: из стали она тонкая, а из алюминия толстая. Вот и некоторые элементы кузова автомобиля получаются пышными, из-за чего уменьшается полезное пространство внутри машины и ухудшается общая обзорность для водителя и пассажира (широкие передние, центральные и задние стойки). Вдобавок к этому, «крылатый» металл хорошо проводит шум, который приходится гасить дополнительными слоями изоляционного материала, увеличивая опять же расходы на производство машины.

А еще алюминий сложно ремонтировать. При ударе и деформации структура металла нарушается. Именно поэтому почти всегда ремонт заканчивается заменой детали целиком. И лишь в некоторых случаях поврежденный элемент можно восстановить (причем весьма дорого), заменив деформированный участок заплаткой и усиливающими вкладышами.

avtomaniya.com

Нет лучше топлива, чем... алюминий!

 

А. Ильин

     У этой истории почти детективное начало. Читатель волен верить ей или нет, однако все, что здесь рассказано, чистейшая правда.

     В конце 60-х годов я познакомился с человеком, представившимся Ивановым. Ему было лет за восемьдесят. Невысокого роста, одет скромно, но аккуратно. По внешнему виду - типичный русский интеллигент дореволюционной закваски. Немного рассказал о себе. По первому образованию инженер-путеец на Транссибирской магистрали. Затем окончил Училище живописи, ваяния и зодчества в Москве. Словом, натура разносторонняя. Неудивительно, что в 20-е годы он увлекся модным тогда звездоплаванием. На этом поприще Иванов познакомился с работами Ф.А.Цандера. Тогда это был молодой известный инженер, со временем ставший классиком космонавтики. А заинтересовала нашего героя идея Цандера сжигать в двигателях ракет металлы.     Зачем в дальнее космическое плавание брать с собой огромные запасы топлива? Можно ведь сжигать в топках ракет ставшие ненужными стабилизаторы и другие детали. Многие металлы в самом деле, как, например, алюминий, горят ослепительно ярким пламенем с очень высокой температурой, выделяя при этом много тепла. Но продукты их сгорания - твердые окислы. Поэтому сами по себе при сжигании в ракетных двигателях они тягу дать не могут. Однако дело изменится, если добавить в "топку" какое-либо газообразное вещество. Нагревшись и расширившись, оно создаст очень сильную тягу. Теоретически такой процесс мог бы увеличить полезную нагрузку ракеты в 2 - 3 раза.     Правда, подавать металл в камеру ракетного двигателя даже для современной техники слишком сложно. Эту трудность предвидел и сам Цандер. Отложив решение задачи на будущее, он занялся другими делами. А Иванов, загоревшись идеей, стал искать ей применение в других, более подходящих областях. И нашел - это были подводные корабли.

Чудо тридцатых годов - подводный крейсер "Сюркуф".

     Вспомним: подводные лодки классического типа для хода на поверхности используют дизель, а под водой движутся на электромоторах за счет энергии, запасенной в аккумуляторах. Еще в 30-е годы подводный крейсер мог на дизеле пройти 10 - 15 тысяч километров, но под водой на аккумуляторах (при однократной зарядке) лишь 500 км с черепашьей скоростью 10 км/ч...     Неудивительно, что изобретатели в те годы усиленно работали над созданием более мощного источника энергии для подводного хода. Разработки по созданию легких аккумуляторов зашли в тупик. Между тем всем доступный расчет указывал великолепную перспективу совсем в другом направлении.     Внешне все выглядит достаточно просто. Создадим на борту лодки запас окислителя (жидкий кислород или перекись водорода). Вот и станет возможным сжигание топлива под водой. Если масса топлива вместе с окислителем даже будет равна весу обычных аккумуляторных батарей, то дальность подводного хода может возрасти до 6000 км и более!     Но оказалось, что возможность сжигания топлива под водой - это еще полдела. Главное - выбросить за борт продукты сгорания. У обычного углеводородного топлива это, грубо говоря, смесь углекислого газа и паров воды. Она занимает большой объем. Для того чтобы вытолкнуть ее, нужно затратить работу, преодолеть давление воды. А с ростом глубины она быстро увеличивается. Уже в пятидесяти метрах под поверхностью дизель глохнет, вынужденный всю свою мощность затрачивать на выталкивание выхлопных газов. Мало того, продукты сгорания образуют на поверхности пенный след, выдающий местонахождение подводной лодки.     Над решением всех этих проблем трудились многие умы. Но первыми практические результаты получили немцы.     На рисунке 1, перерисованном из журнала 1936 года, схема немецкой подводной лодки на водородном топливе. Суть идеи проста. В дизеле сжигается смесь водорода и кислорода, в результате вместо выхлопных газов образуется водяной пар. После охлаждения и конденсации он превращается в воду, которая занимает ничтожный объем. Ничего не стоит ее вытолкнуть за борт на любой глубине.

Рис. 1. Необходимый для подводного хода запас энергии можно обеспечить за счет разложения воды на водород и кислород. 1 - баллон с водородом; 2 - электролизер; 3 - дизель; 4 - генератор постоянного тока; 5 - кислородный баллон.  

     А что, если оставить? Водород и кислород на этой лодке получались за счет электролиза воды. Эти газы сохранялись на борту лодки в баллонах под большим давлением. Однако плотность водорода очень мала, поэтому для него нужны очень большие и массивные баллоны. В итоге дальность подводного хода возрастала не так уж значительно, а хлопот с хранением газа, который просачивается через малейшую щель и даже сквозь сплошную стенку, было очень много. Система не прижилась.     Больше повезло двигателю немецкого инженера Вальтера. Пожалуй, главной его творческой находкой была перекись водорода - вещество, содержащее более 40% кислорода. Его делают на химических заводах. На рисунке 2 схема подводной лодки с двигателем Вальтера. Процесс начинается с подачи перекиси в каталитический реактор. Здесь она распадается, выделяя кислород и водяной пар с очень высокой температурой и давлением. Затем в эту смесь впрыскивают керосин, отчего она вспыхивает. Температура продуктов реакции легко может подскочить до 2000 градусов. Но ее можно охладить, впрыснув воду. В конечном итоге получается парогазовая смесь, на которой работает и обычная паровая турбина.

  Рис. 2. Подводная лодка с двигателем Вальтера: 1 - бак с керосином; 2 - бак с концентрированной перекисью водорода; 3 - каталитический реактор для получения кислорода в сочетании с камерой сгорания; 4 - парогазовая турбина; 5 - редуктор.

     Двигатель Вальтера чрезвычайно компактен и легок. Он применялся на ракетах, самолетах и торпедах. Подводные лодки, оснащенные им, развивали - под водой! - до 100 км/ч. Однако использовать его можно было лишь на коротких дистанциях, к примеру, для атаки. Лодку выдавал остающийся на поверхности яркий пенный след...     А теперь вернемся к технической идее Иванова, которая была высказана им еще в довоенные годы.     Начнем с того, что он предложил оснастить подводную лодку единственной паросиловой установкой. На перископной глубине, когда можно забирать воздух через трубу-шнорхель, она работает на обычном мазуте, а под водой... на алюминии.     Странный вид топлива, не правда ли? Но ведь при его сгорании образуется твердый окисел, который по объему занимает меньше места, чем само топливо. Это значит, выбрасывать за борт ничего не нужно. Нет и следа. С запасом жидкого кислорода на борту такая лодка может иметь дальность подводного хода не менее десяти тысяч километров.     На рисунке 3 схема подводной энергетической установки Иванова. Возможно, кое-кого она удивит, покажется слишком сложной. Поясняем, изобретатель решал не только задачу получения энергии. Он еще позаботился и о том, чтобы работа установки происходила бесшумно. Гребной вал вращает непосредственно соединенная с ним тихоходная паровая машина. Такой двигатель для винта - то, что надо, большие скорости ему не нужны. Если бы мы захотели применить для этой цели турбину, то скорость ее вращения пришлось бы уменьшать при помощи шестерен. Иванов это словно предвидел: шестерни паровых турбин наших первых атомных подводных лодок шумели безбожно!

Рис. 3. Силовая установка подводного корабля Иванова: 1 - бак с жидким кислородом; 2 - топливо - катушка с алюминиевой проволокой; 3 - горелка для сжигания алюминия в кислороде; 4 - парогенератор; 5 - электропароперегреватель; 6 - паровая машина; 7 - паровая турбина; 8 - электрогенератор; 9 - пароконденсатор.  

     Однако паровая машина имеет низкий КПД. И это учел изобретатель, полжизни провозившийся с паровозами. Низкий КПД в данном случае означает одно - покидающий машину пар еще имеет большую работоспособность. Поэтому Иванов направил его сразу после выхода из машины на турбину, которая вращает вал электрогенератора. Здесь-то можно допустить очень большие скорости вращения. За счет чего он станет легким и компактным. Получаемая же электроэнергия частично идет на нужды корабля, а основная ее часть на подогревание пара. В результате общий КПД системы поднимается до уровня хороших паротурбинных установок.     Интересно решена проблема и парового котла. Топливом для него служит алюминиевая проволока, сматывающаяся с катушки. Она поступает в специальную горелку, где вначале расплавляется, а затем разбрызгивается струей инертного газа. В таком состоянии она встречается со струей кислорода, сгорая ослепительно ярким пламенем. Сильнейший поток теплового излучения нагревает особым образом зачерненные трубы, в которых кипит вода.     В предвоенные годы заняться подводными алюминоходами, вероятно, попросту не успели. После войны сказалось увлечение строительством атомных подводных лодок, да и возраст изобретателя не вызывал энтузиазма у должностных лиц. После 1967 года я Иванова уже не встречал. Короток век человеческий... Но жива Россия. Ей еще придется воссоздавать свой подводный флот. Кто знает, быть может, алюминоходы безвестного изобретателя займут в нем достойное место.

jtdigest.narod.ru

АВТОМОБИЛЬ БУДУЩЕГО И АЛЮМИНИЙ | Наука и жизнь

“Вид в будущее”. На Международной автомобильной выставке 1997 года во Франкфурте-на-Майне. На стенде фирмы “Ауди” — прототип модели “AL2”, характеризующийся применением алюминиевых сплавов и бензиновым двигателем прямого впрыскивания.

Такой предполагается в следующем веке динамика производства автомобилей с различными источниками энергии.

В одной из лабораторий Института металлургии имени А. А. Байкова РАН получают алюминий из обычной грунтовой глины.

В журнале “Наука и жизнь” № 2 за 1998 год опубликована статья “Алюминий вместо бензина”. В развитие затронутой в ней темы хотелось бы добавить следующее. По мнению экспертов, всех известных на Земле запасов нефти хватит человечеству не более чем на 50 лет. Бензин дорожает, и чем только сегодня не пытаются его заменить. И сжиженным природным газом, и всякого рода синтезированными газами и жидкостями, в частности — спиртом, который гонят из самого разного сырья: от тростника до апельсиновых корок.

Почти все эти виды топлива менее опасны для окружающей среды, чем бензин, но выхлоп автомобиля все равно не делается безвредным. Впрочем, это невозможно и в принципе: везде, где сгорает топливо, не могут не оставаться хоть какие-то не сгоревшие его компоненты и, кроме того, выделяется много углекислого газа.

Кардинально решить проблему загрязнения атмосферы автотранспортом пока мог бы разве что электромобиль, да и то при определенных условиях. Экологически чистыми должны стать не только эксплуатация источника его энергии, но и изготовление этого источника и даже утилизация отходов. А этим требованиям обычно применяемый в электромобилях аккумулятор не отвечает.

Им, правда, и вообще отвечать весьма сложно. Даже городской электротранспорт (трамвай, троллейбус), потребляющий энергию из контактной электросети, только условно можно считать экологически чистым. Ведь сама электроэнергия вырабатывается в основном на тепловых электростанциях — предприятиях, загрязняющих окружающую среду и дымовыми, и тепловыми выбросами, и шлаковыми отходами. А аккумулятор не только заряжают от той же самой электросети, но и изготавливают при помощи экологически небезвредных технологий. Да и оставляет он после выработки своего ресурса немало весьма токсичных отходов.

И все же в последние годы электромобиль применяется гораздо шире. Благодаря разработкам крупнейших автомобильных фирм мира недостатки аккумулятора — вес, габариты, необходимость частых подзарядок — несколько уменьшились. Недавно, например, германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Для разгона этой машины с места до скорости 96 км/ч требуется, по утверждению фирмы, всего 20 секунд, максимальная скорость — 130 км/ч, а пробег между подзарядками достигает 270 км. Но массового применения в транспорте такой электромобиль не найдет, поскольку рабочая температура серно-натриевого аккумулятора составляет около 350 градусов Цельсия. И сама эта температура, и необходимость поддерживать ее во время работы аккумулятора при помощи специальных подогревателей делают его взрыво- и пожароопасным.

Куда больший интерес представляет использование энергии топливно-гальванических элементов. Особенно — воздушно-алюминиевых (см. “Наука и жизнь” № 2, 1998 г.), в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом — пластина из алюминиевого сплава, а электролитом, к примеру, — водный раствор поваренной соли. Электрический подзаряд такому элементу не нужен, энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла, который служит ему “топливом”. Идет это окисление с кпд около 80%, и “сгоревший” при комнатной температуре 1 кг алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает 1 кг каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.

Воздушно-алюминиевые гальванические элементы выпускаются сегодня во многих странах, в том числе и в России, где их образцы уже продаются в коммерческих магазинах. Но особый интерес проявили к этим элементам японцы, производящие их по нескольку десятков миллионов в год и намеренные в скором времени наладить у себя в стране выпуск электромобилей на алюминии.

Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики. А недостаток, в основном, один — дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А. А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.

Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе — металлы, и в частности — алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.

Оксид алюминия (основной компонент глинозема) переводят при помощи хлористого кальция в хлорид алюминия и отправляют в реактор. Туда же поступают и пары металлического натрия, который получают нагреванием соды с углем. Таким образом, в реакторе образуется раствор натрия, перемешанный с расплавом алюминия, и создаются условия для одновременного возникновения множественных окислительно-восстановительных реакций. В результате этих реакций и получается жидкий алюминий. Некоторые из таких реакций идут с выделением тепла, что, разумеется, снижает энергоемкость процесса производства. Само же производство оказывается и проще, и дешевле, чем традиционный электролиз, и к тому же гораздо чище экологически.

Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. И тогда появится дополнительный стимул не только для решения проблемы автомобильного топлива, но и для пересмотра конструкции самого автомобиля. Кузов, в частности, будет иметь каркасную конструкцию из легкого и не поддающегося коррозии материала и станет много легче. А снижение веса автомобиля непременно уменьшит энергозатраты на его движение.

www.nkj.ru


Смотрите также