Хранитель тепла

Немецкие ученые придумали, как сохранять тепло с помощью цеолитовых гранул. Этот природный материал способен изменить структуру современной энергетики.

Электростанции производят не только электричество: они также выделяют тепло. Коэффициент полезного действия физически не может быть стопроцентным, а у современных электростанций он равен 30-40%. Значительная часть энергии уходит в виде тепла — в атмосферу или сточные воды. Особенно это касается биогазовых электростанций. Немецкие учёные из Фраунгоферского института межфазных процессов и биотехнологий (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB Stuttgart) придумали как использовать это тепло во благо: они изобрели систему хранения тепла, практически без потерь, на протяжении неопределенно длительного времени.
Ядро новой системы — цеолитовые гранулы. Цеолит сам по себе не новость: термин был придуман шведским минералогом Акселем Фредериком Кронстедом ещё в 1756 году, и в переводе с греческого означает «кипящий камень». Исследуя минерал десмин, Кронстед заметил, что при нагревании он выпускает большое количество пара, образованного из ранее накопленной в минерале воды. В природе существует несколько представителей группы цеолитов, основная страна происхождения — Китай, в котором ежегодно добывается 2 из 3 миллионов тонн цеолита. Существуют также способы промышленного производства искусственных цеолитов. В основном они используются в качестве адсорбентов в водоочистительных сооружениях, в качестве ионообменного компонента для смягчения воды, а также в химии и нефтяной промышленности.

Уникальное свойство цеолита состоит в том, что при контакте с водяным паром происходит физико-химическая реакция, в результате которой связывается пар и выделяется тепло. Наоборот, при поглощении тепла цеолит выделяет накопленную воду и сохраняет энергию, но не нагревается сам — он сохраняет не тепло, а потенциал выделить энергию при последующем поглощении воды — учёные назвали систему «сорбционное хранение тепла».

В отличие от природно встречающихся цеолитов, в новой разработке используются небольшие гранулы с очень большой пористостью, поэтом у них огромная площадь поверхности — один грам цеолитовых гранул обладает поверхностью в 1000 квадратных метров. Благодаря этому цеолит может хранить в 4 раза больше тепла, чем вода того же объема.

Физико-химические свойства цеолита были известны давно, но до сих пор никто не мог решить задачу, как их использовать для практичного промышленного использования для хранения энергии. Мике Бликер, руководитель проекта, говорит:«Сперва мы разработали инженерную составляющую самого процесса, а потом пришлось искать, как физически воплотить идею — то есть как сконструировать само устройство хранения тепла, как расположить радиаторы, насосы, вентили. Мы начали с принципа, и доказали, что это технически возможно». Сначала учёные построили 1.5-литровый реактор, а затем и 15-литровый.

Партнёры Фраунгоферского института, научно-исследовательская компания ZeoSys GmbH в это время занимались исследованием материалов, выясняли какой из циолитов лучше всего подойдёт для поставленной задачи и какого размера гранулы будут наиболее эффективными. Беспокойство представлял вопрос о жизненном цикле циолитов, однако тесты показали, что они выдерживают тысячи циклов зарядки-разрядки без потери своих свойств. В результате был разработан текущий тестовый образец — мобильный 750-литровый контейнер, который можно транспортировать вместе со всей необходимой инфраструктурой, чтобы проверить работоспособность системы «на местах».
Следующей своей задачей учёные ставят удешевить производство системы, оптимизировать её и сделать более компактной.

— то есть это должна быть модульная система, которая позволит собирать теплохранилище под индивидуальные условия (площадь помещения, планировка, мощность, и так далее).

У цеолитовой системы хранения тепла огромный потенциал. Практически любое технологическое и индустриальное производство выделяет избыточное тепло, не говоря уже об электростанциях. Но способов использовать такое тепло практически нет, а хранить его пока представляется возможным в основном только с помощью контейнеров с водой. Но они занимают большие площади, и довольно быстро теряют тепло. Цеолитовое храние тепла сможет значительно увеличить эффективность современных экологичных био-газовых электростанций: сейчас больше половины энергии био-топлива уходит в атмосферу в форме тепла, но с помощью цеолита био-газовая электростанция могла бы одновременно производить и электричество, и тепло. Вероятно, что благодаря сыпучести цеолитовых гранул, «заряженные» гранулы можно будет в больших объемах перевозить в необходимое место, возвращая назад «разряженные».

Разумеется, это не единственный проект по эффективному использованию вторичного избыточного тепла. В то время как разработчики целитовой системы рассчитывают в первую очередь на крупные производства, Microsoft разрабатывает концепцию «информационной печи» (Data Furnace) для домов. Инженеры научно-исследовательского отдела компании считают, что воздух от вентиляции серверных шкафов, который нагревается до 40-50 градусов Цельсия, можно использовать для отопления частных домов. Идея заключается в том, чтобы вместо того, чтобы строить эффективные с точки зрения площади огромные дата-центры, размещать небольшие центры , от одного до десяти шкафов (40-400 компьютеров) непосредственно в подвалах жилых домов и офисов.

Даже учитывая более высокую стоимость электроэнергии в жилых районах, разработчики считают, что можно будет сэкономить от 280 до 320 долларов с каждого сервера. А избыточное тепло от шкафов будет использоваться для центрального отопления и горячего водоснабжения. Разумеется, встают вопросы обслуживания и безопасности, но инженеры уверены, что нет ничего нерешаемого — двери в подвалы можно опечатать и установить сенсоры проникновения, которые будут блокировать информацию на серверах при попытках незаконно копирования информации. Не такая большая плата за бесплатное отопление.

Если же получится внедрить в жизнь технологию цеолитового хранения тепла, то идея «подвальных» дата-центров обретает ещё больший смысл — тогда тепло от серверов можно будет ещё и эффективно аккумулировать.

Использование вторичного избыточного тепла на данный момент является весьма перспективным направлением. «Большая» энергетика — слишком сильно завязанная на политику и мировые капиталы сфера, чтобы быстро измениться и перейти на экологичное топливо. Конечный же потребитель, напротив, гибок и будет готов использовать вторичное тепло даже не ради экологии, а просто с целью экономии. Если появится доступное решение — как, например, компактная цеолитовая батарея или серверная подстанция, то, вполне вероятно, что обычные жители городов станут первыми активными потребителями вторичного тепла.