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.

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.

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.

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 ΔH_storage 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.

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.

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.

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

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 6 369