Накопители энергии

Пожалуй, наиболее подходящими  веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит, температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле. Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала — мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, — для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.

В результате экономическая  эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, — ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)! Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) — иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина. Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто — в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!

3. Испарение и конденсация

Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз  превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне  температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт. В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°. Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Можно ли решить эту проблему? Уверен, что можно, и здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей — создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.

6. Накопление энергии с помощью термохимических реакций

Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при  нагревании идут в одну сторону с  поглощением энергии, а при охлаждении — в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.

Подобные термохимические  реакции можно рассматривать  как своего рода смену фазового состояния  смеси реагентов, и проблемы здесь  возникают примерно те же — трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную  смесь веществ, успешно действующую  подобным образом в диапазоне  температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно — это глауберова соль.

Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na₂SO₄ · 10H₂O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое. Очень велики естественные запасы экологически чистого мирабилита в заливе Кара-Богаз-Гол на Каспии (Туркменистан), причём там они постоянно возобновляются благодаря естественному испарению огромных объёмов солёной каспийской воды под жарким южным солнцем. Оптовая стоимость технического мирабилита в Москве на конец 2009 года — порядка 5.5 рублей за килограмм, медицинского (используется при промывании желудка) чуть дороже. При длительном хранении в сухом месте кристаллический мирабилит «высыхает», теряя связанную воду и потихоньку превращаясь в безводный сульфат натрия. При этом его плотность повышается, а объём уменьшается, что облегчает транспортировку. Чтобы восстановить сульфат натрия до «рабочего» десятиводного состояния, достаточно добавить в него необходимое количество воды.

С точки зрения аккумуляции  тепла наиболее интересная особенность  мирабилита заключается в том, что  при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата — происходит «кристаллизация». Но самое главное — теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).

Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно — в этом случае раствор мирабилита можно поместить в пластиковые бутылки и обдувать их воздухом с помощью обычного маломощного вентилятора (в том числе автомобильного на 12 вольт или компьютерного на 5 вольт). В жарких местностях можно использовать раствор мирабилита для сохранения прохлады, — согласитесь, что когда на улице больше 40°С в тени, даже 33..35°С в помещении будут весьма живительны, причём в отличии от прожорливых кондиционеров здесь не нужно ни электричества, ни топлива.

И ещё один приятный «бонус»  мирабилита при работе «на обогрев» — возможность значительного  переохлаждения находящегося в покое  раствора без кристаллизации (до 20°С и ниже). В итоге получается «управляемый» теплоаккумулятор, который можно «включить», внеся возмущение в переохлаждённый раствор, скажем, стукнув по стенке ёмкости. При этом начинается реакция кристаллизации, в результате которой выделяется тепло и температура раствора быстро возрастает до 32°С. Далее реакция кристаллизации замедляется и идёт со скоростью, необходимой для поддержания этой температуры, — до тех пор, пока вся растворённая глауберова соль не кристаллизуется. Но, конечно, не следует думать, что раствор можно переохладить очень сильно, и приехав под Новый год на промороженную дачу, обогреть её запасённым летом теплом. Дело в том, что чем больше степень переохлаждения, тем меньшее воздействие нужно для запуска реакции кристаллизации, вплоть до громких звуков, перепадов атмосферного давления и неуловимых человеком естественных вибраций. И уж в любом случае, таким воздействием будет начало замерзания свободной воды в ёмкости!

Для того, чтобы кристаллизация начиналась автоматически при снижении температуры до порогового уровня (32°С), можно принудительно «взбадривать» раствор (скажем, установить обдувающий ёмкость вентилятор непосредственно на её стенке, чтобы вибрация от вентилятора запустила кристаллизацию сразу, как только температура начнёт снижаться). Другой способ — это использовать перенасыщенный раствор, когда часть кристаллов так и не сможет раствориться (им просто не хватит воды). Эти кристаллы обеспечат неравовесность раствора, автоматически запускающую кристаллизацию при снижении температуры ниже пороговой.

Весьма низкая температура  фазового перехода позволяет «заряжать» мирабилитовый теплоаккумулятор не только интенсивным нагревом с помощью электрогрелок или сжигания топлива, но и «низкотемпературным» солнечным теплом от солнечных коллекторов даже в прохладные, но солнечные весенние и осенние дни! При этом, хотя габариты такого теплоаккумулятора будут немалыми (масса нужна большая, и здесь никуда не деться — в городской квартире его не разместить), при условии использования бросовых материалов для солнечного коллектора и бросовых емкостей под раствор (пустые пластиковые бутылки) его стоимость в зависимости от объёма я оцениваю всего от нескольких тысяч до двух-трёх десятков тысяч рублей, — главным образом на теплоизоляцию и сам мирабилит.

К сожалению, информации о  подобных системах в Интернете практически  нет. Пожалуй, единственное, зато толковое и подробное описание такой системы  мне встретилось на сайте «DelaySam.ru». Гораздо чаще можно встретить сведения о процессах, позволяющих запасать в виде химической энергии высокотемпературное тепло. Да, там количество теплоты на каждый килограмм рабочего вещества на один-два порядка больше, чем у мирабилитового теплоаккумулятора. Но они требуют специального оборудования и технологий (нагревом на солнце там не обойтись!), кроме того, почти всегда необходимо организовывать разделение реагентов и соблюдать особую осторожность из-за использования в процессах химически активных или легковоспламеняющихся веществ, а также из-за других опасностей. Поэтому эти способы аккумуляции энергии рассматриваются в отдельном разделе химических накопителей энергии.

7. Электрические накопители энергии

Электричество — наиболее удобная и универсальная форма  энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются  наиболее быстро. К сожалению, в большинстве  случаев удельная ёмкость недорогих  устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших  запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.

1. Конденсаторы

Самые массовые «электрические»  накопители энергии — это обычные  радиотехнические конденсаторы. Они  обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии — как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.

Конденсаторы можно разделить  на два больших класса — неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование  жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).

Однако у конденсаторов  есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность  запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время  хранения, которое обычно исчисляется  минутами и секундами и редко  превышает несколько часов, а  в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов  ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции  и фильтрации тока в силовой электротехнике — на большее их пока не хватает.

2. Ионисторы

Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых — относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами — обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.

Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда — от нескольких часов до нескольких недель максимум.