Запасы ископаемых энергетических ресурсов истощаются, электричество и газ дорожают, экологические проблемы становятся все острее… Российские ученые нашли решение для всего — сорбционный накопитель тепла (СНТ). Дальнейшие разработки обещают раскрыть неимоверный потенциал этого генератора чистой энергии.
Сибирские Прометеи
Подобно герою древнегреческих мифов, группа исследователей из Новосибирского Института катализа имени Г. К. Борескова собираются подарить людям новый источник тепла. Они создали новый материал для устройства адсорбционного запасания теплоты. Такое устройство состоит из реактора с сорбентом и двух емкостей с жидкостью: для испарения и конденсации.
Принцип работы таков: сорбент, находящийся во влажном состоянии, сушится, влага с него поступает в конденсатор. Во время этого процесса запасается энергия. На следующем этапе сухой сорбент соединяют с испарителем, происходит адсорбация (поглощение) молекул жидкости рабочим веществом (сорбентом) и, как следствие, выделение тепла. Эти два этапа составляют один цикл. Он может быть суточным — запасание энергии днем и отдача ночью, и сезонным — запасание летом, отдача зимой. Продолжительность цикла зависит от габаритов и мощности устройства.
Ученые из Института катализа создали уникальный вариант сорбента для описанного энергоносителя. Это композитный материал на основе минерала вермикулита, модифицированного высокодисперсными добавками оксида алюминия, и соли — хлорида лития. В качестве рабочей жидкости применяется метанол. Ранее проводились опыты только с вермикулитом и хлоридом лития. Энергоаккумулирующая способность такой пары была отличной, но имелся недостаток — крайне медленный процесс запасания энергии. В процессе опытов команде удалось решить проблему и увеличить скорость реакции до 12 раз.
«Для ускорения десорбции, во время которой происходит запасание тепла, мы предложили модифицировать поверхность исходного вермикулита добавками высокодисперсных частиц оксида алюминия. Это действительно сработало, и мы ускорили десорбцию в 2–12 раз в зависимости от условий процесса. Это решение поможет повысить удельную мощность адсорбционных устройств запасания тепла на основе данного композита», — комментирует разработку нового материала младший научный сотрудник отдела нетрадиционных каталитических процессов Института катализа СО РАН Светлана Стрелова.
Полученный композит позволяет приступить к дальнейшей работе над СНТ для широкого пользования. С его помощью можно будет, например, обогревать помещения в регионах с умеренным климатом. Отметим, что в настоящее время на рынке нет действующих моделей адсорбционных тепловых батарей (АТБ).
SFERA — многофункциональное мобильное приложение от самого амбициозного в России IT-проекта. Это будет целая экосистема в вашем смартфоне. Релиз уже близко. Узнайте подробности на сайте. Скачивайте приложение в раннем доступе в Google Play и AppStore. Команда разработчиков благодарит за поддержку!
Как связаны соль, матрица и экономия?
Как было сказано выше, СНТ или АТБ является перспективной технологией для использования возобновляемых источников энергии. Он может работать на солнечной или геотермальной энергии и даже сбросном тепле от оборудования. Последний вариант, кстати, особенно экологичен, так как сейчас для отвода тепла используются специальные установки, потребляющие электричество.
Основными преимуществами АТБ являются:
· большая энергоемкость;
· возможность варьировать температурный потенциал выделяющегося тепла;
· малые потери тепла на этапе хранения.
Характеристики АТБ зависят от свойств применяемого сорбента. Поэтому наука постоянно находится в поиске новых материалов и методов их модернизации.
Рабочее тело такой батареи представляет собой основу с включениями сорбционного материала. Используемый сейчас класс композитов, в том числе примененный новосибирскими учеными, называется «соль в пористой матрице». Матрица помогает диспергировать соль, предотвращает агрегацию, компенсирует ее набухание и расслаивание. Чем больше пор, тем больше пространства для удержания соли, то есть тем больше рабочего материала будет в батарее. Высокое содержание соли в композите способствует более высокой сорбционной и теплоаккумулирующей способности материала. Поэтому высокопористый вермикулит отлично подходит на роль матрицы.
Хлорид лития в качестве «соли в матрице» характеризуется исключительной сорбционной емкостью и огромной плотностью накопления тепла. Помимо этого, его сорбционные свойства могут быть адаптированы под требования конкретных циклов ATБ.
Недостатком композитного сорбента LiCl/вермикулит (LiCl/V) являлась медленная десорбция, т. е. медленный процесс заряда батареи. Для борьбы с этим в Институте имени Г. К. Борескова вермикулит модифицировали добавкой, содержащей 2,5-8,9% оксида алюминия. В итоге процесс ускорился в 2-12 раз в зависимости от условий реакции, а удельная мощность теплоаккумулирующей ступени АТБ увеличилась в 4 раза.
По результатам опытов была достигнута сорбционная емкость (количество поглощаемого метанола) 1,4 г/г. Теплоёмкость составила 1,5 кДж/г, удельная энергоемкость — 330–670 Вт*ч/кг. Для обычных и ранее разработанных инновационных адсорбентов этот показатель составляет 35-240 Вт*ч/кг. Это свидетельствует о том, что новый композит имеет большие перспективы. Он может способствовать широкому внедрению технологии АТБ. В дальнейшем у новосибирской разработки может быть огромный экспортный потенциал, учитывая текущую мировую обстановку в сфере энергоносителей.
Основа основ
В качестве материнского материала для АТБ выступает вермикулит. Это минерал из группы гидрослюд. Характеристикой, определяющей его применение, является пористость. При нагреве до 900-1000°C минерал вспучивается и увеличивается в объеме в 15-20 раз. Именно большое число пор с высокой суммарной удельной площадью поверхности делает минерал подходящим для процесса адсорбционного запасания тепла.
Наличие в России нескольких крупных месторождений обуславливает доступность и низкую цену вермикулита. Соответственно, снижается себестоимость разрабатываемых АТБ. Основными местами добычи являются:
· Потанинское месторождение (Челябинская обл., г. Кыштым, пос. Тайгинка);
· Татарское месторождение (Красноярский край);
· Ковдорское месторождение (Мурманская область);
· Кокшаровское месторождение (Приморский край).
Ковдорское месторождение является крупнейшим и содержит в себе 70% общероссийских объемов вермикулита. Балансовые запасы в этом месте оцениваются в 475 млн т.
У российских ученых есть наработки, амбиции и сырьевая база, чтобы совершить прорыв в сфере сорбционных накопителей тепла. Остается только следить за их успехами.
Поставьте лайк и подпишитесь, чтобы быть в курсе значимых достижений России!
Читайте также:
Материал создан при поддержке проекта SFERA
