Способы хранения и получения водорода на подводной лодке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Алексин, Евгений Николаевич

• Алексин, Евгений Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алексин, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ВОЗДУХОНЕЗАВИСИМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

1.1 Краткая история развития ВНЭУ ПЛ

1.2 ВНЭУ на основе ДВС, работающих по замкнутому циклу

1.3 ВНЭУ на основе двигателя Стирлинга

1.4 ВНЭУ на основе ПТУ замкнутого цикла

1.5 ВНЭУ с газогенераторами на гидрореагирующем топливе

2 ВНЭУ НА ОСНОВЕ ЭХГ. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

2.1 Водород. Физическая справка

2.2 Основные понятия о работе топливного элемента

2.3 Классификация электрохимических генераторов

2.4 Состав энергетических установок с топливными элементами

3 СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА

3.1 Газобаллонная система хранения (ГБС)

3.1.1 Состав системы

3.1.2 Анализ мирового опыта применения ГБС

3.1.3 Расчет ГБС для перспективной НАПЛ

3.1.4 Диффузия водорода в материал стенок баллона

3.2 Микробаллонная система хранения (МБС)

3.2.1 Состав системы

3.2.2 Анализ мирового опыта применения МБС

3.2.3 Расчет МБС для перспективной НАПЛ

3.3 Система хранения водорода в гидридах интерметаллических соединений (ИМС)

3.3.1 Хранение водорода в гидридах металлов

3.3.2 Особенности хранения водорода в гидридах ИМС

3.3.3 Методы получения ИМС. Основные физико-химические свойства ИМС. Механизм образования гидридов.

3.3.4 Анализ мирового опыта применения ИМС

3.3.5 Расчет системы хранения водорода на основе ИМС Ьа№

4 СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА

4.1 Получение водорода гидролизом боргидрида натрия

4.1.1 Метод получения водорода гидролизом КаВН

4.1.2 Анализ мирового опыта применения системы

4.1.3 Расчет СХГВ на основе БГН

4.2 Получение водорода гидролизом алюминиевого порошка водным раствором щелочи

4.2.1 Метод получения. Состав системы

4.2.2 Анализ мирового опыта применения системы

4.2.3 Расчет СГВ для перспективной НАПЛ

4.3 Получение водорода риформингом углеводородного топлива

5 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СХГВ ДЛЯ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА 5.1 Определение зависимости стоимости СХГВ от параметров системы

5.1.1 Газобаллонная система хранения

5.1.2 Микробаллонная система хранения

5.1.3 Хранение водорода в гидридах ИМС

5.1.4 Получение водорода гидролизом боргидрида натрия

5.1.5 Получение водорода гидролизом алюминия

5.1.6 Замыкающие зависимости математической модели

5.2 Выбор метода решения оптимизационной задачи

5.3 Алгоритм оптимизации. Выбор СХГВ

5.3.1 Алгоритм оптимизации систем хранения водорода

5.3.2 Алгоритм оптимизации систем получения водорода

5.3.3 Результаты расчета

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Способы хранения и получения водорода на подводной лодке»

В наши дни одним из наиболее мощных и эффективных видов морского оружия являются подводные лодки. При этом неатомные подводные лодки (НАПЛ) обладают рядом преимуществ по сравнению с атомными. Для НАПЛ характерны значительно более низкая стоимость, меньшее водоизмещение, следовательно, возможность действовать в прибрежных районах, а также не столь жесткие требования к пунктам базирования, серьезный разрушительный потенциал при отсутствии проблемы утилизации, транспортировки и хранения ядерного топлива. Однако существенным недостатком НАПЛ с обычной дизель-электрической энергоустановкой является ограниченное время пребывания под водой. Такие корабли в надводном положении движутся с помощью двигателя внутреннего сгорания. В подводном положении главный гребной электродвигатель дизель-электрической подводной лодки (ДЭПЛ) получает электроэнергию от аккумуляторной батареи, емкость которой ограничена. Время нахождения под водой лодок последних поколений не превышает нескольких суток, при условии патрулирования на малых скоростях. Движение в подводном положении на максимальной скорости (порядка 20-25 узлов) разряжает батарею за 2-3 часа. Поэтому мировой рынок подводных лодок испытывает все возрастающую потребность в неатомных подводных лодках, оснащенных воздухонезависимыми энергоустановками, способными повысить важнейшее качество подводной лодки - скрытность - путем увеличения времени пребывания в подводном положении [1].

Эта задача может быть решена путем создания воздухонезависимых энергоустановок на основе электрохимических генераторов, где топливом является водород, а окислителем - кислород. Существуют различные варианты систем хранения водорода на борту, однако эту проблему до сих пор нельзя назвать решенной. К наиболее известным способам хранения водорода относятся: хранение газообразного водорода в баллонах под давлением, криогенное, в инкапсулированном состоянии в микросферах, в гидридах интерметаллических соединений, в нанотубуленах, в пенометалле -сплаве ячеистого строения на основе магния, алюминия и др. металлов. Общей особенностью для всех вышеперечисленных способов является необходимость заправки системы хранения значительным количеством водорода, необходимым для работы корабельной энергоустановки на требуемых режимах, для поддержания минимального давления в системе и компенсации диффузионных потерь. В этом случае всегда существует определенный риск возникновения на борту чрезвычайной ситуации. Такой опасности можно избежать, если получать водород только в количестве, соответствующем текущей секундной потребности электрохимического генератора. Получать водород на борту можно гидролизом металлов, гидролизом гидридов металлов (в частности, боргидрида натрия), риформингом углеводородного топлива и т.д.

Таким образом, при проектировании системы хранения или генерации водорода (СХГВ) неизбежно возникает проблема выбора. Предпочтение тому или иному типу СХГВ может быть отдано по соображениям взрывопожаробезопасности, экономической целесообразности, технологичности конструкции, объемным характеристикам системы, исходя из возможностей отечественной промышленности и т.п., так что прежде собственно процесса проектирования необходимо выбрать оптимальный по некоему критерию вариант, т.е. сформулировать и решить задачу оптимизации.

Вместе с тем, анализ источников и состояние современных разработок в области создания СХГВ для ЭУ с ЭХГ свидетельствуют, что при проектировании СХГВ экономическая составляющая зачастую учитывается в последнюю очередь, пути достижения минимума затрат и влияние технических параметров системы на стоимость эксплуатации не рассматриваются.

Поэтому при выборе критерия оптимизации (целевой функции) необходимо обратить внимание на возрастающую роль стоимости проектируемого изделия при принятии Заказчиком решения о создании того или иного технического средства. Особенно четко проблема оптимизации затрат на создание и эксплуатацию подводной техники проявляется в период экономического кризиса при пересмотре финансирования по государственному оборонному заказу (ГОЗ), а также в контексте конкурентной борьбы на непрерывно растущем международном рынке НАПЛ.

При этом, в стоимость продукта должна быть включена как стоимость его разработки и строительства, так и стоимость эксплуатации и утилизации.

В настоящее время известно достаточно много различных систем хранения и генерации водорода на борту подводных объектов, поэтому важной задачей, на наш взгляд, является выбор оптимальной по экономическому критерию СХГВ для конкретного корабля, с учетом модели использования, возможностей промышленности и требований, предъявляемых Заказчиком. Целью диссертации является не только и не столько непосредственно выбор оптимальной системы, сколько предложение метода оптимизации, когда в качестве критерия оптимизации выбран минимум полных затрат, что может быть востребовано не только в отечественном ВМФ, но и в любых других случаях, когда речь идет о выборе оптимальной СХГВ для объектов транспорта. Цели работы:

- Рассмотреть возможные варианты получения и хранения водорода на борту подводной лодки;

- Выбрать типы СХГВ, производство которых возможно в современных условиях в России;

- Определить зависимость критерия оптимизации - полных затрат от параметров системы и граничных условий для основных возможных вариантов СХГВ;

- Выбрать метод оптимизации;

- Составить алгоритм оптимизационного исследования;

- Провести расчет по полученной методике для конкретного набора вариантов СХГВ.

По теме диссертации опубликовано 5 работ [2-6].

Основные результаты работы были представлены на конференциях [7-10]: 5-я международная научно-практическая конференция «Достижения ученых XXI века», Тамбов, 20 июля 2010, 7-я международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 29-30 сентября 2010, 5-я международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2010», Новосибирск, 4 октября 2010. По результатам докладов опубликованы четыре статьи в сборниках конференций.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Алексин, Евгений Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализирована история развития и современные достижения в создании воздухонезависимых энергетических установок.

2. Рассмотрены системы хранения и генерации водорода, обобщен отечественный и зарубежный опыт их эксплуатации, приведены достоинства и недостатки, основные технологические процессы изготовления элементов, принципиальные схемы, рассчитаны массогабаритные характеристики.

3. Обоснована необходимость оптимизации СХГВ по критерию полных затрат в расчете на 1 кг хранимого (получаемого) водорода.

4. Получены зависимости критерия оптимизации от параметров системы, ограничения в виде равенств и неравенств для трех вариантов систем хранения водорода: ГБС, МБС и ИМС, а также для двух вариантов систем получения водорода: гидролизом БГН и гидролизом алюминия.

5. Определены и сведены в итоговую таблицу области допустимых значений переменных.

6. Получено итоговое уравнение целевой функции для каждой системы.

7. В качестве математического инструментария использована программа MATLAB с пакетом Optimization toolbox, в котором оптимизационное исследование проводится по градиентному квазиньютоновскому методу.

8. Проведен расчет полных затрат для вышеуказанных вариантов СХГВ, определена целевая функция и набор переменных - параметров системы, при которых затраты достигнут минимума.

9. Разработан алгоритм исследования, который в совокупности с полученными уравнениями целевой функции, связей между параметрами СХГВ и рекомендациями по выбору исходных данных может быть использован для оптимизации систем хранения или генерации водорода по критерию наименьших затрат на подводных объектах, автомобильном транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Предложенный алгоритм одинаков для случаев хранения и получения водорода, для стационарной и транспортной энергетики.

10. По результатам расчета оптимальным для низкотемпературных систем признан метод хранения водорода в баллонах из углеродистой стали под давлением 70 МПа. В случае, когда температурные ограничения отсутствуют, оптимальным будет получение водорода на борту методом безщелочного гидролиза алюминия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алексин, Евгений Николаевич, 2013 год

1. Подводные силы России 1906-2006. - М.: Оружие и технологии, 2006.

2. Алексин E.H., Дядик А.Н. Использование ветроводородных электростанций // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: меж. вуз. сб. науч. тр./СПбГТУ РП. СПб., 2007. -с. 121 126.

3. Алексин E.H., Дядик А.Н., Кучинский Д.М. Хранение водорода в микробаллонных накопителях // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: меж. вуз. сб. науч. тр./СПбГТУ РП. СПб., 2009. с. 25 - 28.

4. Алексин E.H. Хранение газообразного водорода в баллонах под давлением. Определение потерь водорода вследствие диффузии через стенки баллона // Перспективы науки, 2010. № 6 (08). с. 63 - 69.

5. Алексин E.H., Фокин A.A. Хранение водорода в гидриде интерметаллического соединения LaNis // Морской вестник, 2010. № 3 (35). -с. 45 47.

6. Алексин E.H. Оптимизация системы хранения водорода на борту подводной лодки. Сборник тезисов 5-й международной научно-практической конференции «Наука и современность 2010», Новосибирск , 4 октября 2010.

7. Алексин E.H. Определение затрат на создание и эксплуатацию газобаллонной системы хранения водорода для подводного объекта. Сборник тезисов 7-й международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий », Тамбов , 29-30 сентября 2010.

8. Алексин E.H. Получение водорода гидролизом боргидрида натрия. Сборник тезисов 5-й международной научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века», Тамбов , 20 июля 2010.

9. Алексин E.H. Микробаллонная система хранения водорода. Сборник тезисов 5-й международной научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века», Тамбов , 20 июля 2010.

10. Дядик А.Н., Никифоров Б.В. Корабельные энергетические системы. -Новочеркасск: ЛИК, 2012.

11. Николаев О.С. Водород и атом водорода: справочник физических параметров. М.: Ленанд, 2006.

12. Колбенев И.Л. Электрохимические генераторы в подводных аппаратах. -М.: Воениздат, 1980.

13. Электрохимические генераторы. Тематическая справка. Л.: ЦКБ МТ «Рубин», 1980.

14. Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб: Судостроение, 1994.

15. Захаров И.Г., Арефьев Я.Д., Воронович H.A., Лейкин О.Ю. Корабельные электроэнергетические установки/ сайт http://www.bestreferat.ru/referat-8380.html.

16. Соколов B.C. Атмосферонезависимые энергетические установки для подводных лодок. Водородная энергоустановка на основе электрохимических генераторов. СПб: типография ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», 2007.

17. Дядик А.Н., Замуков В.В., Дядик В.А. Корабельные воздухонезависимые энергетические установки. СПб.: Судостроение, 2006.

18. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ, изд./ Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубровкин, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубровкина. М.: Химия, 1989.

19. Материалы сайта http://shop.amggas.ru/index.php?productID=191.

20. Материалы сайта http://www.svarkomplekt.ru/cgi-bin/catalog/viewgroup.cgi?prigroup= 103.

21. Рускол Ю.С. Титановые конструкционные сплавы в химических производствах: Справочное издание. -М.: Химия, 1989.

22. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1989.

23. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.

24. Водород в металлах: В 2-х т. Под ред. Г. Алефельда, И. Фелькля. М.: Мир, 1981.

25. Материалы сайта http://gasref.nglib.ru/

26. Водородопроницаемость стали 12Х18Н10Т из азотоводородных смесей. Федоров В.В., Волошин Л.И., Налесник В.М. и др. Взаимодействие водорода с металлами. Информ. материалы. Свердловск: изд-во УрО АН СССР, 1989.

27. Сухотин A.M., Зотиков B.C. Химическое сопротивление материалов. Справочник. Л.: Химия, 1975.

28. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. М.: Мир, 1971.

29. Чабак А.Ф. Емкость для хранения водорода // Патент Российской Федерации RU2267694.

30. Патент США U.S. Pat. No.256442.

31. Чабак А.Ф. Емкость для хранения водорода и способ аккумулирования водорода // Патент Российской Федерации RU2283453.

32. Лебедев В.А. Водород. Его получение и использование. М.: изд-во Академии Наук СССР, 1958.

33. Боровских Ольга Владимировна. Моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водорода // Дисс. на соиск. уч. степ. канд. хим. наук: Москва, 2008.

34. Аваков В.Б., Зинин В.И., Иваницкий Б.А. и др. Способ хранения и получения водорода гидролизом магния для автономных энергетических установок с электрохимическими генераторами // Патент Российской Федерации RU2241656.

35. Материалы сайта http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1712.html.

36. Материалы VII молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее 2009». СПб: ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», 2009.

37. Интерметаллические соединения. Пер. с англ. Изд-во «Металлургия», 1970.

38. Куцев C.B. Термодинамические свойства интерметаллических фаз в системах лантан-никель, лантан-кобальт и празеодим-никель.: Автореф. дисс. канд. хим. наук. М.: РГБ, 2007.

39. Байчток Ю.К., Мордкович В.З., Дудакова Н.В. Технологические возможности и состояние разработки гидридных термосорбционных компрессоров водорода // Альтернативная энергетика и экология, 2004. №2 (10).

40. Булычев Б.М., Стороженко П.А. молекулярные и ионные гидриды металлов как источники водорода для энергетических установок // Альтернативная энергетика и экология, 2003. Спец. выпуск.

41. Ижванов Л.А., Соловей А.И. Разработка гидридных тепловых насосов // Российский химический журнал, 2001. T.XLV № 5-6.

42. Oishi К, Takagi S, Daikuhara Y, Haraki T. Characteristics of the initial activation of a nano-TiFe hydrogen storage alloy prepared by mechanical alloying// Advanced Science, 2004. VOL.16, N0.2.

43. Burch R. The adsorption and absorption of hydrogen by metals. // Chemical physics of solids and their surfaces

44. Калмыков A.H., Кириченко JI.И., Шаманов Н.П. Математическое моделирование динамических процессов в гидридных аккумуляторах водорода судовых энергоустановок. Учеб. пособие. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2006.

45. Hubbard W.W., Rawling P.L. The standard enthalpy of formation of LaNi5. Chem. Thermodynamics, 1983. V.15.

46. Ажажа В.М., Тихоновский М.А., Шепелев А.Г. Материалы для хранения водорода: анализ тенденций развития на основе данных об информационных потоках //Вопросы атомной науки и техники, 2006. №1. Серия: вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.

47. Трошева Л. П. Принципы расчета химических реакторов. Учебное пособие. Великий Новгород, 2006.

48. Глухих И.Н. Способ генерирования водорода в транспортных установках // Патент Российской Федерации RU (11) 2296392 (13) С2

49. Хэмптон М.Д., Слэттери Д.К., Джафафи Н. Использование аланатов для хранения водорода // Альтернативная энергетика и экология, 2003. Спец. выпуск

50. Petrovich J., Thomas G. Reaction of aluminum with water to produce hydrogen. A study of issues related to the use of aluminum for on-board vehicular hydrogen storage. US Department of Energy, 2008.

51. Аваков В.Б., Зинин В.И., Иваницкий Б.А. и др. Способ хранения и получения водорода гидролизом алюминия для автономных энергетическихустановок с электрохимическими генераторами // Патент Российской Федерации RU2260880.

52. Пармузина A.B., Кравченко О.В., Булычев Б.М. Гидрореагирующая композиция для получения водорода и способ ее приготовления // Патент Российской Федерации RU2394753 .

53. Терещук B.C. Сплав на основе алюминия для генерирования водорода, способ его получения и газогенератор водорода. // Патент Российской Федерации RU2253606.

54. Материалы сайта http://www.martincwiner.com/solution-to-the-energy-crisis-aluminum-hydrogen-cycle.

55. Березина JI. А. Каталитическое превращение метанола с целью получения водорода для топливных элементов// Дисс. на соиск. уч. степ. канд. хим. наук: М„ 2006.

56. Материалы сайта http://www.renewableenergyfocus.com.

57. Материалы сайта http://www.74rif.ru/H2-prod.html.

58. Петухов P.M., Постнова J1.C. Экономика судостроительной промышленности: Учеб. пособие. Л.: Судостроение, 1984.

59. Синяк Ю.В., Петров В. Ю. Прогнозные оценки стоимости водорода в условиях его централизованного производства // Проблемы прогнозирования. 2007. №3.

60. Пикулин И.В., Дрожжин B.C., Бойцов И.В., Куликов С.А. Перспективы использования зольных микросфер для хранения водорода // Первый Всемирный конгресс «Альтернативная энергетика и экология» WCAEE-2006 г. Нижний Новгород 20-24 августа 2006 г.

61. Тарасов Б.П., Потоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблемы хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода. // Российский химический журнал, 2006. Т. L, № 6.

62. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

63. Рубцов Ю.Н. Совершенствование судовых энергетических установок путем снижения потерь давления в поворотах газовоздушных систем двигателей: Автореф. дисс. канд. хим. наук. М.: РГБ, 1979.

64. Алексеев В.М., Галеева Э.М., Тихомиров В.М. Сборник задач по оптимизации. Теория. Примеры. Задачи. Учеб. пособие. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

65. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

66. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

67. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник СПб.: Питер, 2001.

68. Егоренков Д.Л., Фрадков A.JL, Харламов В.Ю. Основы математического моделирования. Построение и анализ моделей с примерами на языке MATLAB: Учеб. пособие под редакцией проф. Фрадкова A.J1. СПб.: БГТУ, 1994.

69. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatLAB. М.: Наука, Физматлит, 1993.

70. Материалы сайта http://www.jakobi.ru/Praktikum/Lab5.html.

71. Материалы сайта http://w-ww.certenergy.ru/.