Мечтаем, экспериментируем. Новые тепловые аккумуляторы

Солнечная химия: Проблема в рутении

Хранение энергии солнца в химической форме позволит транспортировать её и запасать на долгий срок. Что же мешает реализации этого подхода?

Существует два основных подхода к получению солнечной энергии: во-первых, это солнечные батареи, которые преобразуют энергию солнечного излучения в электричество; во-вторых — системы, передающие тепловую энергию солнца для нагрева воды, которая может быть либо использована в системах отопления и горячего водоснабжения, либо (при достижении температуры кипения) служить рабочей средой турбины. Но есть и третий подход, потенциал которого был замечен десятилетия назад. Однако из-за отсутствия практичных и экономичных способов реализации этого подхода он долгое время оставался в стороне.

Речь идет о термохимическом способе запасания солнечной энергии, который предполагает использование химических связей как накопителей энергии. И в отличие от систем, использующих нагретый теплоноситель, термохимические «хранилища» энергии не требуют эффективной теплоизоляции и могут запасать энергию на долгие годы.

Ученые занимались изучением термохимических солнечных систем еще в 1970-х годах, но они столкнулись с серьезной проблемой: никому не удавалось найти вещество, способное надежно и обратимо «переключаться» между двумя состояниями. Такое вещество должно поглощать энергию солнца и переходить из состояния №1 в состояние №2, а затем в нужный момент выделять энергию и возвращаться в состояние №1. Одно из таких соединений было обнаружено в 1996 году, но в его состав входит рутений, довольно редкий и дорогой элемент, что делает широкое использование этого вещества непрактичным. Кроме того, никто так и не понял механизм работы данного соединения, что затруднило поиски более дешевых аналогов.

Разгадать эту загадку удалось исследователям из Массачусетского технологического института (MIT). В результате серии экспериментов и теоретических изысканий они смогли выяснить, как именно молекулы (фульвален) тетракарбонилдирутения выполняют функцию поглощения и высвобождения энергии. Это понимание, по словам ученых, открывает дорогу к созданию аналогичных веществ на основе менее редких и дорогих элементов, чем рутений.

Фактически, молекула претерпевает структурные преобразования, поглощая энергию солнечного излучения, и переходит в более высокое энергетическое состояние, в котором может оставаться в течение неопределенного времени. Затем, при воздействии катализатора, молекула возвращается к своей первоначальной форме, выделяя при этом тепло. Но исследователи обнаружили, что на самом деле процесс этот несколько сложнее.

«Оказывается, есть промежуточный этап, который играет важную роль», — говорит Джеффри Гроссман (Jeffrey Grossman), ведущий автор исследования, результаты которого опубликованы в журнале Angewandte Chemie. На полпути между двумя известными ранее состояниями молекулы образуют полустабильные конфигурации. По словам Гроссмана, это было неожиданным открытием. Наличие промежуточной энергетической ступени позволяет объяснить устойчивость конечных состояний молекулы, а также — почему процесс обратим и почему «не работали» соединения с другими элементами вместо рутения.

«Солнечное топливо» на основе (фульвален) тетракарбонилдирутения, говорит Гроссман, может нагреваться до температур около 200 °C, что достаточно для отопления здания или работы генератора электроэнергии. Его можно хранить долгое время без «утечек» энергии, а после использования поместить на солнце для «подзарядки». Проблема высокой стоимости рутения — слабое место в этой замечательной схеме. Но теперь, когда ученые выяснили механизм работы (фульвален) тетракарбонилдирутения, найти ему замену будет гораздо легче, считает Гроссман. «Зная, что заставляет этот материал работать, мы обнаружим и другие», — говорит он. Следующим шагом на пути к дешевому «солнечному топливу» должен стать поиск молекул, имеющих с известным соединением рутения структурное сходство и способных демонстрировать аналогичное поведение.

Химик Роман Булатов (Университет штата Иллинойс) говорит, что «главным достижением этого исследования стало решение значительных проблем квантово-механического моделирования реакции», что позволит синтезировать новые вещества, которые могут накапливать и отдавать энергию. Но остаются и нерешенные вопросы, например — как трудно будет получить такие соединения, и какой катализатор необходим для запуска процесса?

Хранение энергии солнца в химической форме позволит транспортировать её и запасать на долгий срок. Что же мешает реализации этого подхода?

https://www.popmech.ru/science/11031-solnechnaya-khimiya-problema-v-rutenii/

 

Я что-то не понял, как действует катализатор. Цепная ли реакция или он должен прореагировать с каждой молекулой. И о том, сколько тепла накапливается, почему-то тоже ни слова.
Рутений покупают по 30 баксов за грамм.

 

Ну, да, пока только ля-ля-тополя...
Но интересно...

 

Провёл эксперименты (точнее поигрался ) с ацетатом натрия. Это та соль, которая содержится в солевых грелках. Её можно получить и самому из уксуса и соды. Чем и занимался.
На Ю-тубе много роликов с объяснениями. Жидкого раствора мне получить не удалось, после остывания полукристалическая смесь получается, но экзотермическая реакция после затравки кристаллом идёт.
Доступность реагентов делает использование этого вещества привлекательным.

 

На мой взгляд главное- это сколько циклов выдержит данный тип ТА.

 

Выдержка из "Удивительной механики" Гулиа:
>при затвердевании жидкости выделяется «скрытая» энергия, которая была затрачена при плавлении. Когда жидкость остывает, тепло постоянно отбирается от нее, но пока вся она не затвердеет, пока не застынет последняя капля, температура ее будет держаться на точке плавления. Для парафина – это 54 °С
И наоборот, температура плавящегося тела, например льда, не поднимется ни на градус, пока последний его кусочек не расплавится, не превратится в жидкость...
>Американские инженеры уже испытали парафиновые накопители тепла, которые действительно оказались гораздо лучше водяных. Я мог не пачкать термос парафином…
Японские энергетики строят накопители тепла, состоящие из множества шариков, сделанных из окиси алюминия. Шарики сначала обдувают горячим воздухом, а потом они сами нагревают холодный воздух, который затем идет на отопление.
Немецкие ученые построили накопитель тепла в виде вращающегося котла с глауберовой солью. Когда котел подогревают, соль плавится, поглощая большое количество энергии. Накопленное тепло используют для разных целей, в частности для обогрева жилых помещений. Глауберова соль запасает тепла в 7 раз больше, чем нагретая вода, и в 12 раз больше, чем нагретые камни. Объем такого котла – около 3 м3

- Окись алюминия - интересное словечко. Надо понимать это обыкновенный каолин, а шарики из обычной глины (описан самый простой вариант постройки активного воздушного рекуператора);
- Если применить в качестве накопителя бойлер косвенного нагрева - лучше и долговечнее парафина ничего не придумать;

На мой взгляд, лучший химический аккумулятор солнечной энергии в номинациях доступность\цена\экология - сухие листья широколистных деревьев и трава. И все попытки "химиков" преплюнуть в этом природу заведомо обречены.

 

Заметьте, что этот ТА должен вращаться.
Я достаточно много эксперименторовал с глауберовой солью, пытаясь добится стабильного плавления соли при определенной Т.
Это оказалось непростой задачей и поэтому пришлось вычеркнуть этот вариант ТА.
А вот если постоянно перемешивать емкость с солью, то можно добится лучших результатов. Однако затраты энергии на вращение емкости ТА уменьшают кпд и значительно усложняют конструкцию такого ТА.

 

Разумеется сложно - и спорить не о чем - ведь тут мы имеем совмещение механики и химии-физики - 3-х (!) наук. А на примере супермаховика - только одной. Почитав кое-чего о листьях, субъективно пришел к выводу, что природа давно уже изобрела этот велосипед. Только мы на него всё никак залезть не можем - гордость не позволяет.

 

всё здорово.

Реально ли сегодня это как то использовать?

Сколько стоит эта глауберова соль?

Сколько её надо что бы запасти 3000кВт*ч на всю зиму?

Какая у неё Т плавления?

По парафину если можно по подробней.

Всё интересно с практической точки зрения.
Конкретно как сделать более компактный ТА, взамен обычного земляного под домом.

 

Были эксперименты.
Накапливает хорошо, а отдаёт плохо - требуется разветвлённая сеть теплообменных трубок.
Эта проблема с любым плавящимся теплонакопителем с малой собственной теплопроводностью.

А это смотря как считать.
Если мы ограничены площадью, то любой тепловой накопитель (например вода) превосходит траву и деревья по эффективности запасания на порядок-другой. И с экологичностью у воды тоже всё в порядке.
Вот с ценой - вопрос. Одноразовые капвложения в ТА и СК будут весьма приличными. Но сколько будет стоить листья-трава для зимнего отопления, если их будут использовать все дома в деревне, а не хитрые одиночки?

 

Я проводил эксперимент с парафином, у него есть проблемы и основная проблема - это плохая теплопроводность твердого парафина.
Выражается это в том, что когда расплавленный парафин налитый в емкость начинает остывать, то у стенок емкости образуется слой остывшего парафина и этот слой начинает эффективно теплоизолировать оставшийся расплавленный парафин.
Сделать компактный ТА для ТН вполне возможно, эксперименты проводятся.

 

Ответы про мирабилит, как мне кажется, вполне очевидны:
- нереально;
- не многим дороже мешка цемента
- десятки тонн (точно не могу сказать - когда-то очень долго аналогично разбирался с раствоением купороса для контура в ТН);
- там имеется в виду не плавление, а обезвоживание ( с 30-ти градусов начинается)

Ещё совсем недавно глубокоуважаемый лично мной Ю.М.Лужков предлагал начать переводить энергетику "небольшого" города Москвы на биогаз из областной соломы. Что уж там про деревню-то говорить Хотя Лужков кое-в-чём просчитался, но совсем не с техникой, с другим...
Для тех, кто травку у себя на участке косит и листья гребёт и возможность имеет это дело высушить летом - стоимость топлива будет невелика. Я выбрасываю около 500 кг с газона за сезон. Рядом парк - там это тоннами на свалку возят.
Говоря про листья, сено и солому, я не биогаз имею в виду, а аэробное окисление совместно с жидкой водой - в этом случае мы имеем дело с низшей теплотой сгорания топлива(она для травы и опилок наравне с метаном) + жидкая вода, тоже как теплоноситель (вы к ней неравнодушны ). В основе процесса - саморазогрев. Его нужно контролировать не допуская самовоспламенения. Подробности в справочниках по пожарной безопасности при хранении таких материалов - как опилки, хлопок, сено, уголь, шерсть и др (любые пористые, вплоть до металлической стружки). Капвложения: сарай с водопроводом типа сеновал + воздуховод + утеплитель + вентилятор.
А что у нас в России уже проблемы с листьями в сельской местности начались или площадей стало мало? Чисто же будет!

 

Насколько я понимаю процесс, то саморазогрев будет непродолжительным.
А если ещё и отнимать тепло у этого процесса, то он закончится ещё быстрее.

 

Я не вижу никаких особых проблем с парафином - что мешает наполнить им тонкие металлические трубки, закупорить и уложить в водяной ТА? Не нужно даже бочку открывать - через штуцер пролезет. Всяк будет мощнее, чем просто с горячей водой. Интересно совместить такой ТА с радиатором отопления - получим аналог масляного.

5 кубов дров тоже могут сгореть и быстро (без печки, вместе с домом) и медленно в печке то есть - за отопительный период - как захотите
Без катализаторов саморазогрев идет 0.5 - 5 градусов в сутки. Важно не дать ему перерасти в самовоспламенение, т. е. держать 50 градусов теплоотводом или душить углекислотой.

 

По парафину:
Тоже так предполагал сделать.
Однако у парафина есть особенность- он весьма сильно увеличивает свой объем при плавлении, поэтому наливать его в трубки придется не до конца.
Но тогда получается, что при нагревании парафина и его плавлении из этих трубок должен будет выходить воздух (в воду), а при остывании уже вода попадет в эти трубки.
Контакт парафина с водой не самый лучший режим работы ТА, наверняка будут идти какие-либо необратимые процессы.
Что бы избежать этого неприятного явления нужно концы трубок не оставлять в воде.
И ещё одна особенность плавления парафина- при его нагревании выделяются пары и это ощущается в виде слабого характерного запаха.
Сомневаюсь, что дышать парами парафина полезно.