В 2017 году исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции представили инновационную систему для хранения солнечной энергии в жидком виде. Технология, названная MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage Systems), основана на специально разработанной молекуле, которая может менять форму под воздействием солнечного света. Энергия может храниться таким образом в течение 18 лет! Ученые, стоящие за этой концепцией, теперь демонстрируют, что их технология может быть использована и для выработки электроэнергии.
Технология MOST представляет собой замкнутую энергетическую систему, основанную на молекуле, состоящей из углерода, водорода и азота, специально разработанной таким образом, чтобы она изменялась под воздействием солнечного света: она принимает другую конформацию (атомы перестраиваются), которая особенно богата энергией. Затем этот изомер можно хранить в жидком виде для последующего использования при необходимости (например, ночью или зимой). Катализатор высвобождает накопленную энергию в виде тепла, возвращая молекулу в ее первоначальную форму, которая затем может быть использована тем же способом.
Исследователям удалось усовершенствовать свою систему и добиться исключительной производительности: энергия может храниться таким образом в течение 18 лет. В сотрудничестве с исследователями из Шанхайского университета Цзяо Тун они демонстрируют, что их система хранения может быть объединена с термоэлектрическим генератором для производства электроэнергии "по требованию". "Это означает, что мы можем использовать солнечную энергию для производства электричества независимо от погоды, времени суток, сезона или географического положения", — говорит руководитель исследования Каспер Мот-Поулсен, профессор кафедры химии и химического машиностроения Университета Чалмерса.
Более эффективное использование солнечной энергии
Генератор, о котором идет речь, представляет собой ультратонкий чип, который может быть интегрирован в портативные электронные устройства, такие как наушники, умные часы и телефоны. Эта энергетическая система привлекательна не только с точки зрения автономности - потенциально устройства могут быть самозаряжающимися - но и отсутствием вредных выбросов. "Это закрытая система, которая может работать, не вызывая выбросов углекислого газа", — сказал Мот-Поулсен.
Эта технология имеет непосредственное отношение к поиску энергетических решений для замедления или ограничения роста глобальной температуры. Ожидается, что к 2040 году общее мировое потребление энергии во всех секторах достигнет 21 ТВт. Сегодня 85% производимой электроэнергии приходится на ископаемое топливо, поэтому существует острая необходимость в поиске источников энергии, которые выбрасывают меньше парниковых газов.
Атомная энергия - это источник энергии с низким уровнем выбросов углекислого газа, но для ее производства требуются сложные и дорогостоящие установки. Гидроэнергетика географически ограничена, как и солнечные и ветровые энергетические системы, производительность которых также колеблется в зависимости от сезона или времени суток. Солнечная энергия является самым богатым энергетическим ресурсом на Земле, и поэтому оптимизация ее использования может потенциально удовлетворить интенсивный и растущий спрос на энергию при одновременном снижении негативного воздействия на окружающую среду, говорят исследователи. "Например, по оценкам, 2,3 × 104 ТВт солнечной энергии достигает Земли каждый год, что эквивалентно всего 7 часам солнечного света, необходимым для удовлетворения текущих годовых глобальных потребностей в энергии", — говорит команда.
Современные фотоэлектрические элементы могут преобразовывать солнечную энергию непосредственно в электрическую с максимальным КПД около 30% - большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла. Поэтому существует необходимость в разработке технологий, способных лучше использовать и хранить солнечную энергию (особенно тепловую, которая сегодня используется неэффективно). Устройство, разработанное исследователями, отвечает этой потребности.
Первое непрерывное производство электроэнергии
Система состоит из материалов, способных использовать солнечный свет посредством обратимых фотохимических реакций. "Ранее было подсчитано, что для идеального жидкостного устройства MOST до 21% солнечной энергии может быть сохранено в виде химической энергии для последующего производства тепла", — говорят исследователи. Преимущество термоэлектрического генератора, используемого для производства электроэнергии, заключается в том, что преобразование тепла происходит напрямую - в то время как в традиционных системах преобразование происходит в два этапа, от тепла к механической энергии и затем к электрической энергии.
Обратите внимание, что большинство систем могут работать как в жидкой, так и в пленочной форме. В жидком виде энергия может транспортироваться и, таким образом, накапливаться и высвобождаться в двух разных местах; в виде пленки эти системы могут быть использованы, например, для разработки "умных" окон, среди прочих применений. В рамках своего исследования ученые протестировали свою систему в обеих формах в сочетании с ультратонким термоэлектрическим генератором толщиной в несколько микрометров. При комнатной температуре оба устройства могли хранить солнечную энергию более месяца.
Команда сообщает о выходной мощности до 0,1 нВт (до 1,3 Вт/м³) для доказательства концепции, что является относительно низким показателем. Но впервые устройство генерировало электричество непрерывно в течение более 25 минут. "До сих пор мы производили лишь небольшое количество электроэнергии, но новые результаты показывают, что концепция действительно работает. Это выглядит очень многообещающе", — сказал Чжихан Ванг, исследователь из Университета Чалмерса и первый автор , представившего устройство.
Хотя технология выглядит очень многообещающей, она не собирается питать нашу электронику или обогревать наши дома! Очевидно, что количество тепла или электроэнергии, производимое системой MOST, должно быть адаптировано к потребностям. Поэтому необходимо подумать о том, как разработать устройство в больших масштабах и с меньшими затратами, чтобы сделать технологию рентабельной.
