Использование солнечной энергии зимой или длительное хранение тепла для бытовых нужд

Можно ли хранить до зимы, а затем использовать тепловую энергию солнца? Ученые европейского исследовательского консорциума Empa потратили четыре года на изучение этого вопроса, сопоставив три разных метода.

Человечеству предстоит пройти еще долгий путь к использованию экологически чистых видов энергии. В 2014 году, 71% частных квартир и домов Швейцарии отапливались за счет использования ископаемого топлива, то же происхождение имели 60% горячей воды, потребляемой частными домохозяйствами, Другими словами, можно было бы экономить значительное количество ископаемых видов топлива, если бы люди научились запасать тепло в солнечные летние дни, хранить его до зимы и использовать простым щелчком выключателя. Возможно ли такое? Похоже, что да. После многолетних исследований, в Empa создана и с осени 2016 года, надежно работает установка лабораторного масштаба, способная обеспечивать длительное хранение тепловой энергии. Но путь к ней был долгим и извилистым.

Хранение тепла, полученного из возобновляемых источников энергии

Теоретическая основа такого хранения тепла – довольно проста. При наполнении водой в стакана, который содержит гидроксид натрия (NaOH) в твердом или концентрированном виде, температура смеси повышается. Процесс растворения носит экзотермический характер, то есть проходит с высвобождением химической энергии в форме тепла. Кроме того, раствор гидроксида натрия – очень гигроскопичный и способен поглощать водяной пар. Получаемая в результате этого теплота конденсации еще больше нагревает раствор.

Возможен и обратный вариант: если подавать энергию в форме тепла в разбавленный раствор гидроксида натрия, вода испаряется, и раствор становится более концентрированным, сохраняя таким образом добавленную энергию. Такой раствор можно хранить месяцами и даже годами, транспортируя в резервуарах. При повторном контакте с водой (паром), он будет отдавать накопленное ранее тепло.

Вот и вся теория. Но можно ли эксперимент, проделанный в лабораторном стакане, воспроизвести в масштабах, позволяющих запасать количество энергии, достаточное для нужд одной семьи? Роберт Вебер и Бенджамин Фьюми, исследователи из Empa, засучили рукава и принялись за работу. Для своего лабораторного эксперимента, который проводится на базе Empa в Дюбендорфе, они использовали герметичный морской контейнер, что обусловлено мерами безопасности, так как концентрированный раствор гидроксида натрия обладает высокой коррозионной способностью: если в системе появится течь, то лучше уж пусть будет испорчен контейнер, чем здание лаборатории Empa.

Испытания лабораторной модели Empa

К сожалению, так называемый прототип COMTES работал не так, как ожидалось. Исследователи выбрали выпарной аппарат с падающей плёнкой, применяемый в пищевой промышленности для получения концентрата апельсинового сока. Однако, вместо того, чтобы протекать по теплообменнику правильным потоком, густой раствор гидроксида натрия образовывал крупные капли. Он поглощал слишком мало водяного пара, и количество передаваемого тепла оставалось слишком маленьким.

Затем Фьюми пришла блестящая идея: вязкая среда хранения тепла должна струиться вдоль спиральной трубки, поглощая по пути водяной пар и передавая трубке генерируемое тепло. Обратный процесс – заряд среды хранения – тоже можно было бы реализовать таким образом, только наоборот. Это сработало. Самое лучшее в этом то, что спиральные теплообменники уже существуют – они используются в проточных водонагревателях.

На следующем шаге оптимизации лабораторной системы надо было определить диапазон значений концентрации NaOH, который обеспечивал бы оптимальную эффективность, а также температуру воды на входе и выходе спиральной трубки.

В процессе потребления запасенного тепла, концентрация раствора гидроксида натрия, текущего по внешней стороне трубки теплообменника, снижается с 50% до 30%, обеспечивая нагрев воды в трубке до 50 градусов, что идеально подходит для системы подогрева пола.

При пополнении запасов энергии, 30% раствор омывает спираль, внутри которой протекает вода, нагретая до 60 градусов (что может обеспечить, например, солнечный коллектор). При этом, вода из раствора испаряется, а водяной пар удаляется и конденсируется. Тепло конденсации передается в геотермальный зонд, где и сохраняется. Раствор на выходе теплообменника снова будет иметь концентрацию 50%, то есть «заряжен» тепловой энергией.

«Данный метод позволяет хранить солнечную энергию от лета до зимы в форме химической энергии», - говорит Фьюми. «И это еще не все: сохраненное тепло можно транспортировать в виде концентрированного раствора гидроксида натрия куда угодно, что позволяет гибко его использовать». В настоящее время ведутся поиски промышленных партнеров для создания компактной бытовой системы на базе лабораторной модели Empa.

Открыть счет для торговли акциями высокотехнологичных компаний