Насоси «Грундфос»

Жидкое солнечное топливо

С. Шовкопляс

Ученые разработали способ хранения солнечной энергии в сосудах в виде жидкого топлива, которое способно сохранять свои свойства 18 лет. Новая технология устраняет препятствия для хранения и накопления солнечной тепловой энергии

По мере того, как весь мир осуществляет переход от углеводородной энергетики к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), солнечная энергия оказалась чуть ли не самым привлекательным ее видом: солнечный свет доступен, полученная из него энергия не загрязняет окружающую среду. Наибольшее распространение получила PV-энергетика, она продолжает развиваться ускоренными темпами; в меньшей степени получили распространение фототермальные установки и технология концентрации солнечной тепловой энергии. О статистике роста неоднократно сообщалось на страницах нашего журнала.

Главным недостатком всех технологий получения энергии из солнца продолжает оставаться то, что солнечная энергия относится к переменным видам ВИЭ. Для каждой местности имеется суточная, сезонная неравномерность и годовое различие в поступлении солнечной энергии, зависящие от широты и климата в данной местности.

Проблема технологичного и недорогого хранения энергии из солнца – главный фактор, сдерживающий развитие солнечной энергетики. Кроме того, такие накопители должны быть экологически чистыми и не содержать токсичных материалов.

Преодоление технологических проблем, связанных с аккумулированием солнечной энергии, не ограничивается электрическими аккумуляторами. Нерешенным остается вопрос хранения тепловой энергии для зданий и сооружений, а ведь это огромная доля в общем энергопотреблении, которая будет продолжать увеличиваться, см. рис. 1.

Изображение потребление конечных видов энергии Рис. 1. Прогноз мирового потребления конечных видов энергии до 2050 г.
Источник: DNV GL Energy Transition Outlook 2018, a forecast to 2050

Хранение энергии в электрическом виде – ныне это ключевая технология мирового перехода на модель устойчивой энергетики из переменных видов ВИЭ. Накопление энергии позволит создать не только резервные мощности для преодоления пикового потребления, но и регулировать стабильность напряжения и частоты во всех видах энергосистем – от автономных, локальных до региональных.

Самыми распространенными системами хранения энергии остаются ГАЭС – гидроаккумулирующие электростанции. По данным агентства IRENA в 2017 г. они составляли 96% всей мировой установленной мощности, предназначенной для хранения энергии. В то же время огромный прирост получили стационарные батарейные системы (электроаккумуляторы) разной мощности благодаря стремительному уменьшению их стоимости. Ожидается, что мировая мощность стационарных батарейных хранилищ для индивидуального жилья и для коммунального сектора вырастет от 2 ГВт в 2017 г. до 125 ГВт в 2030 г., см. рис. 2.

Изображение батарейные системы хранения электроэнергии Рис. 2. Развитие стационарных батарейных систем хранения электроэнергии, 2017-2030 гг.
Источник: IRENA Electricity Storage and Renewables: Costs and markets to 2030

Особая проблема в настоящее время – хранение и накопление солнечной тепловой энергии, в том числе для целей отопления и горячей водоподготовки. Общемировая установленная мощность всех видов преобразователей солнечной энергии в тепловую не превышает 1% от всей установленной мощности для использования энергии солнца. Тепловая энергия может широко использоваться напрямую, без преобразования в электрическую – бытовое отопление, тепловая энергия для промышленных процессов – однако надолго накапливать энергию непосредственно в виде тепла (например, в подземных теплоизолированных хранилищах) очень дорого и неэффективно. Поэтому на сегодня основная технология генерации тепла из ВИЭ – получение тепла от электронагревателей и прямое сжигание разных видов биотоплива.

«Бутилированный» солнечный свет

Ученые давно ищут способы сохранения солнечной энергии для преобразования в тепло без ее преобразования в электричество. Помимо дороговизны электрических батарейных хранилищ, резистивные преобразователи электричества в тепло имеют низкий КПД. Предлагались различные способы хранения тепла от солнца, однако все они отличались плохой масштабируемостью – более или менее приличные показатели по экономичности и общей энергоэффективности можно получить лишь на установках очень большой мощности. Т. е. сегмент индивидуальных домашних систем или установок для коммунального сектора оставался неохваченным.

В прошлом году ученые из Технологического университета Чалмерса, Швеция, совершили настоящий технологический прорыв, о котором этой осенью опубликовали отчет о результатах своих достижений.

Речь идет об одном из перспективных способов хранения солнечной тепловой энергии – это так называемые молекулярно-солнечные тепловые (МОСТ) системы хранения энергии, где фоточувствительная молекула поглощает солнечный свет, подвергается химической изомеризации и преобразуется в метастабильное высокоэнергетическое соединение, которое «запасает» энергию и способно впоследствии при определенных условиях выделить ее в виде тепла. После выделения тепла фоточувствительная молекула меняет свою структуру, снова приобретает первоначальную форму и опять готова поглощать солнечную энергию. Главные проблемы МОСТа – нестойкость самих фоточувствительных изомеров, химически «аккумулирующих» тепло, применение токсичных и дорогих катализаторов или взрывоопасных присадок.

Примерно год назад исследователи из университета Чалмерса получили первые многообещающие результаты со своим изомером «солнечного топлива» на основе норборнадиена (NBD). Хотя другие исследователи тоже экспериментировали с подобным применением норборнадиена, их «топливо» утрачивало свойства всего после нескольких циклов фотосенсибилизации, и они не стали продолжать работы в этом направлении. Шведская команда решила проблемы, с которыми ранее сталкивались другие разработчики. Исследователи работали в первую очередь над стабильностью реактивов.

Сначала команда из Чалмерса применяла свой изомер NBD в смеси с легковоспламеняющимся толуолом. Однако теперь они разработали способ использования изомера без опасных и токсичных добавок.

Как это работает

Жидкое топливо, содержащее соединение норборнадиена (NBD), при облучении солнечным светом переводит атомы углерода, водорода и азота в энергоемкий изомер квадрициклан (QC), см. рис. 3. После «солнечного удара» hv, полученного NBD (энергетические уровни NBD → NBD*, рис. 3), образуется изомер квадрициклан QC, который на длительное время запасает примерно 250 ватт-часов энергии на килограмм массы, даже после того, как охладится.

Изображение МОСТ-реакции Рис. 3. Энергетическая диаграмма МОСТ-реакции
NBD → NBD* → QC+ΔH→ NBD

Для извлечения энергии QC пропускается через катализатор на основе кобальта, в этот момент выделяется энергия ΔHstorage в виде тепла и изомер QC преобразуется в свою первичную форму NBD. «Разряженный» NBD снова готов к облучению солнечной энергией до уровня hv, необходимой для изомеризации до состояния QC. Цикл повторяется.

Как это использовать

Норборнадиен поступает в трубчатый прозрачный солнечный коллектор с концентратором, где подвергается экспозиции солнечным светом. По мере зарядки энергией до уровня NBD* происходит его превращение в квадрициклан QC. Затем QC можно собрать и накопить в резервуаре и использовать по мере надобности. Чтобы QC выделил термохимическую энергию «по требованию», его направляют в специальный кобальтсодержащий каталитический реактор-«разрядник», где QC (с температурой, например, +20°C) при обратном превращении в NBD скачкообразно изменяет температуру на несколько минут на 63°C (до +83°C) и выделяет тепло.

Это тепло через систему теплообмена можно утилизировать, например, для отопления дома и в системе ГВП. Вся система замкнута, см. рис. 4. Общий расчетный КПД системы пока достигает 29 – 37%. «Сегодня у нас есть замкнутая система без выбросов, которая работает круглый год», – говорит один из разработчиков Каспер Мотт-Поульсен.

Изображение отопления с использованием МОСТ Рис. 4. Система отопления с использованием МОСТ

Замечательная особенность этой системы МОСТ в том, что «заряженный» солнечной энергией NBD можно извлекать из резервуара-накопителя, перевозить на любое расстояние и в виде жидкого QC хранить при обычной температуре месяцы и годы до момента использования. Вместо него до входа в солнечный коллектор систему можно пополнять до нужного объема «незаряженным» NBD.

Это означает, что в течение сезона с интенсивным солнечным излучением можно накопить в компактном жидком виде достаточное количество энергии для прохождения погодных, ночных и сезонных провалов в поступлении естественной солнечной энергии на коллектор. Это также означает, что в летний максимум солнечной иррадиации не нужно сбрасывать избыток тепла, а, наоборот, можно последовательно накопить его на зиму, имея небольшую экономичную установку.

Это также означает, что в принципе можно не только перевозить «заряженное» топливо, а и разработать тепловые двигатели, работающие с таким перепадом температур, например, для транспортных средств. Разработчики системы MOST из университета Чалмерса сейчас продолжают работать над оптимизацией системы и состава «солнечного топлива», чтобы достичь высокой плотности накопления энергии до 0,4 МДж/кг, и проводят тщательное моделирование квантово-химических расчетов механизма данной каталитической реакции. Более того, команда корректирует молекулярный состав своего топлива, чтобы он не разрушался в результате многократного цикличного поглощения, хранения и выделения энергии. Это «топливо» можно использовать снова и снова. «Энергия в этом изомере теперь может храниться до 18 лет. И количество получаемой полезной тепловой энергии превышает все самые смелые ожидания», – сообщает один из авторов исследования Каспер Мотт-Поульсен в университетском пресс-релизе.

Это открытие может привести к более широкому использованию солнечной энергии для нагрева воды, особенно для автономного отопления и в коммунальном секторе. Отзываясь об этом изобретении, проф. Дж. Гроссман из Массачусетского технологического института, США, высказался, что также имеются грандиозные возможности и для промышленного применения «солнечного топлива» по системе МОСТ, предлагаемой Технологическим университетом Чалмерса.

Солнечная система HVAC

Создание комфортной жилой или рабочей среды для людей системами отопления, вентиляции, охлаждения и кондиционирования воздуха (HVAC) обходится всё дороже. Больше всего энергии затрачивается на охлаждение летом, а это означает, что в это время выгодно использовать для HVAC именно энергию от солнца.

Имеется несколько солнечных технологий, применяемых в системах HVAC, кратко рассмотрим два наиболее распространенных решения.

Изображение cовременные решения для HVAC Первый подход подразумевает, что для электропитания системы HVAC используются солнечные фотоэлектрические панели. Выход энергии из них как раз совпадает с максимальной потребностью в охлаждении. Идея состоит в том, чтобы использовать меньше покупного электричества, потребляемого зданием. Современные решения для HVAC, работающие с использованием солнечной электрической энергии, так оптимизируют работу панелей, что в любое время, когда эта энергия не используется в качестве питания для системы HVAC, ее можно перенаправить на другие домашние потребности в электричестве.

Зображення колектор та тепловий насос Вторая солнечная технология использует солнечный кондиционер с перегретым хладагентом. Эта достаточно новая технология предусматривает отвод хладагента к солнечному термоколлектору на крыше как часть функции компрессора по нагреву и сжатию хладагента. Эта система способна сэкономить от 40 до 60% электроэнергии.

Когда солнце светит в жаркий полдень (когда больше всего и необходим кондиционер), система работает с максимальной эффективностью – до 32 SEER (сезонная энергоэффективность). Фактически, фототермальный коллектор служит теплообменником с очень большой поверхностью между змеевиком конденсатора и окружающим воздухом, что позволяет повысить эффективность теплообмена всей системы, тем самым экономя затраты энергии, а значит – деньги.

По материалам публикаций издания solarenergy.com

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 3 618

Вас может заинтересовать:



2 комментария

  • Очень хорошая статья. Не смог пролестнуть.

  • Нещодавно читав фантастичний роман на цю тему , вони сонячну енергію по банках розфасовували , майже 100 років тому був написаний

5
5
5
Оставьте комментарий

Telegram