Человечество активно использует энергию двух типов: тепловую и электрическую. Отличительным преимуществом электрической энергии является возможность создать большой потенциал. Как следствие, ее можно транспортировать и накапливать эффективнее, чем тепловую. Передача тепловой энергии осуществляется достаточно эффективно только на короткие расстояния — не более 15 километров, поскольку потери тепла на пути к потребителю очень большие.

В России тепловая энергия используется для систем централизованного отопления, которые в большинстве случаев подразумевают просто сжигание различных видов топлива и превращение их в тепло. При этом затраты на теплоснабжение в нашей стране очень велики и сопоставимы с затратами на электроэнергию. Поэтому одной из важнейших задач является рациональное использование тепла. В России наиболее эффективными системами являются системы одновременной генерации электричества и тепла на тепловых электростанциях. Высокотемпературное тепло, образующееся при сгорании топлива, используется и для отопления, и для получения электричества — КПД этих систем достаточно высок. Естественно, работают они преимущественно зимой, поскольку летом использование полезного тепла минимально. Реализация такой системы возможна при локализации электростанций вблизи больших городов.

В то же время в стране существует большое количество котельных, которые просто сжигают топливо и снабжают теплом здания и сооружения.

Решения для избыточного тепла

При этом существует проблема нерационального использования энергии остаточного тепла, которое образуется как при выработке электроэнергии, так и при сгорании топлива. Такое тепло имеет низкую температуру, его транспортировка и использование затруднены. К сожалению, универсального решения для этого нет, как и для тепла от выхлопных труб автомобилей. Создание эффективных систем преобразования низкопотенциального тепла в электричество могло бы позволить существенно снизить затраты на энергоснабжение, а также нагрузку на окружающую среду. В то же время эффективность существующих термоэлектрических преобразователей недостаточно высока. Другим способом могло бы быть накопление тепла для его использования в необходимое время. Если мы создадим аккумуляторы, способные накапливать тепло летом из воздуха и солнечного света, чтобы использовать его зимой, а зимой накапливать холод, чтобы использовать его летом, то это могло бы существенно сократить затраты на отопление и кондиционирование. К сожалению, эта проблема пока также не решена.

 

Существуют различные типы тепловых аккумуляторов, но их эффективность на сегодняшний день невелика. То есть они эффективно справляются с циклами «день — ночь» или циклами на уровне недели, но их эффективность недостаточна для сезонных циклов (зима — лето). Нельзя сказать, что попыток создать такие устройства не было, однако существующие решения имеют большие размеры и требуют существенных вложений.

Аккумуляторы для тепла

Пока мне сложно представить, как будет устроен тепловой аккумулятор в прекрасном будущем, но на сегодняшний день подобные устройства работают следующим образом. Некое вещество или материал с высокой теплоемкостью, например вода, нагревается, в результате энергия аккумулируется. Есть материалы, которые мы просто нагреваем, как воду, а есть так называемые материалы с фазовым переходом. Дело в том, что при фазовом переходе — например, при замерзании воды или плавлении парафина в узком диапазоне температур — можно накопить больше энергии, чем при простом нагреве или охлаждении.

Также существуют аккумуляторы, которые позволяют, например, поглощать или выделять энергию в заданном диапазоне температур за счет реализации химической реакции, а не для одной конкретной температуры. В частности, глауберова соль претерпевает обратимые реакции дегидратации с поглощением тепла (при нагреве) и кристаллизации с его выделением при охлаждении при температуре 35 °C. Модификация состава позволяет проводить эти реакции при температуре около 23 °C — наиболее комфортной температуре для человека, что позволяет стабилизировать температуру при циклах «день — ночь». То тепло, которое мы хотим аккумулировать или утилизировать, обладает низким потенциалом. Чем меньше разница требуемой температуры и температуры теплоносителя, тем ниже потенциал. Чем ниже потенциал, тем тяжелее аккумулировать такую энергию.

Сейчас область наших научных интересов — это химические аккумуляторы тепла. То есть это попытка преобразовать тепло в химические вещества, которые обладают более высоким потенциалом, чем вода или парафин. Ими могут выступать различные соли, кристаллогидраты, оксиды, неорганические вещества. Они должны быть недорогими, доступными, нетоксичными и невзрывоопасными.

Процессы в тепловых аккумуляторах

Естественно, чем более емкий аккумулятор, тем сильнее он подвержен деградации. Скажем, в солевых аккумуляторах возникают различные процессы коагуляции — нарушения исходной структуры, которые ухудшают свойства. Также в этих аккумуляторах есть проблема теплопроводности. То есть они должны не только накапливать энергию, но и уметь эффективно ее отдавать. С другой стороны, так как потенциал проходящих процессов не так велик, как в электрических аккумуляторах, то, конечно, они намного менее подвержены деградации. Они намного устойчивее.

Нужно сказать, что в основе любого аккумулятора лежит либо физический, либо химический процесс. И именно его особенности определяют ту температуру, которую он накапливает и отдает. В частности, вода может накапливать и отдавать температуру эффективно в том диапазоне, в котором она сохраняет свои свойства. Например, если мы говорим о жидкой воде, которая может сама являться и аккумулятором, и теплоносителем, то это температуры выше замерзания, но ниже кипения. Если мы говорим о таком накопителе, как лед, — тогда в диапазоне его устойчивости и плавления. В случае химических накопителей важна температура реакции, которая определяет емкость аккумулятора. В накопителях на фазовых переходах важна температура плавления или кристаллизации вещества. Если мы научимся работать с низкоэффективной тепловой энергией, то сможем решить проблему загрязнения.

Утилизация тепловых устройств

Считается, что технологии альтернативной энергетики, которые создают и преобразуют тепловую и электрическую энергию, экологичнее существующих ТЭЦ. Но нужно понимать, что производство таких систем и цикл их утилизации тоже могут наносить вред окружающей среде. Например, промышленное производство солнечных панелей или ветрогенераторов осуществляется на промышленных предприятиях, которые также оказывают воздействие на окружающую среду. Кроме того, устройства альтернативной энергетики нужно правильно утилизировать. В случае с солнечными батареями, например, перерабатывать кремний, используемый в качестве основы. Существующие отопления и охлаждения используют низкопотенциальную энергию, поэтому использования токсичных или высокоэнергетических материалов не предполагается. Скажем, обычный радиатор отопления состоит из металла, который всегда можно переплавить. Кондиционеры, тепловые насосы и системы, как правило, состоят из металла и пластика, которые подвергаются вторичной переработке. В то же время в условиях ограничения запасов ископаемого топлива и негативного влияния глобального потепления надо приложить все усилия, чтобы максимально использовать образующуюся энергию и стараться не греть атмосферу неэффективно используемым теплом.

Артем Малахо, химик