Химиялық аккумуляциялау

Кіріспе.Энергия көптеген химиялық элементтердің байланысында ұсталып тұра алады және ішіндегі ең белгілі жану болып табылатын экзотермиялық реакциялардың кезінде бөлінеді. Кейде мұндай реакцияны іске қосу үшін алдын ала қыздыру немесе катализатор (мысалы энзим) қолдану керек. Биологиялық компоненттер ерекше жағдай ұсынады. Бұл жерде айырықша кең таралған аккумулятор болып келетін, энергиясы ауада жанған кезде бөлінетін ,органикалық емес қосылу жайлы айтылады.

Сутек. Кез-келген токтын көмегімен судың электролизы арқылы алына алады. Газ түрінде ол жинақталады, қашықтықта тасымалдана алады және жылуэнергиясын алу үшін жанады. Сутектің жану өнімі тек қана су болып табылады: ешқандай ластаушы заттар болмауын қадағалайды. Энтальния сутектің құрылуы Н=-242 кДж/моль, атап айтқанда 1моль Н2О (18г) 242Дж жылу энергиясы болып келеді.

Көп жылдар бойы көмірден алынатын сутегі СО қоспасының құрамында(«жарық беретін газ») жылу энергиясын алу үшін қолданылды.

Таза Н₂ –ні алуда анағұрлым кең пайдаланылатын тәсіл – электролиз, алайда бұл үдерістің тиімділігі 60%-ға тең болады. Газдағы шығынның бір бөлігі электролиттегі иондардың орын ауыстыруына кедергі келтіретін және электрлік тізбектің жалпы кедергісінің көлемін үлкейтетін электродтардың қасында көпіршіктердің пайда болуына байланысты. Жойылған көпіршіктердің механизмін зерттеу және дамыған беткейлі борпылдақ материалдың жасалуы тиімділік мөлшерін 80%-ға арттыруға көмектесті. Жаңа электродтар жоғары тығыздықтағы тоқты өткізеді, ол ұяшықтар көлемін азайтуға көмектеседі және өндіріліп жатқан газдың құнын түсіреді. Катализаторларды қолданғаннан кейін электролиздің тиімділігі артады деп күтіледі.

Суды жоғары температурадағы қыздырудың көмегімен де ыдыратуға болады. Электрохимиялық реакцияның айналымымен байланысты Т абсолютті температурада Гиббстің еркін энергиясының өзгеруі:

(16.1)

Мұндағы ζ- электрлік потенциал; ∆S – энтропияның өзгеруі; F – Фарадей тұрақтысы, 96500Кл/моль; n – реакцияға түскен заттардың моль көлемі.

Ыдырату реакциясында ∆G, ∆H, ∆S сияқты оң мәндері бар:

(16.2)

Осы жағдайда (16.1) суды ыдыратуға қажетті ζ- электрлік потенциал Т-ның өсуімен азаяды. 16.1 тапсырмасында Т=2700 K ζ=0 болғанда, суды тікелей қыздыру пайдасыз.

Мұнда көп үміт күттіретін әдіс – суды ыдыратуға қажетті электроэнергияны арзан көзден шығатын жылумен алмастыру, мысалы күн сәулесін қолдануға болады. Т=1000K болатын жылуды күннің концентраттарынан алу арқылы сутегін алуды айтарлықтай арзандатуға болады.

Сутегіні алуда электролит ретінде теңіз суы қолданылуы мүмкін. Бірақ бұл жағдайда «оттегі» электродында хлордың бөлінуіне байланысты кейбір техникалық қиындықтар туады. Жуықтатылған химиялық есептер электолиздік ұяшықта 1,8В кернеуін ұстап тұрған жағдайда таза оттегін алуға болатынын көрсетеді. Алайда бұл тоқтың тығыздығын шектейді, ол үшін электродтың беткі алаңын үлкейту қажет.

Зертханаларда сутегін қазынды жылуды қолданусыз –ақ алудан оны «фотосинтездейтін» ерекше балдырларды қолдану арқылы алуға шейінгі бірнеше тәсіл зерттелуде, бірақ олардың ешқайсысы қолайлы тиімділік көрсетпеді(§10.7 қараңыз).

Сутегін үлкен мөлшерде сақтау оңай емес. Ең тиімді тәсіл – табиғи газ алынатын жер асты қуысын қолдану. Бірақ газды сақтау, тіпті ең жоғары қысымда, үлкен көлемді керек етеді. Сутегі сұйылтылуы мүмкін, бірақ оның қайнауы 20К болғандықтан, мұндай сақтау түрі қиын. Қыздырған кезде сутегі бөлініп шығатын металлгидрид түріндегі химиялық шоғырландыру пайдалануға ыңғайлы және сутегінің үлкен қорын сақтауға мүмкіндік береді, мысалы:

(16.3)

Бұл реакция қайтымды, сондықтан ықшам гидридтік аккумулятор жанармай құю станцияларында орталықтанған түрде қуатталуы мүмкін. Қуатталу барысында бөлінетін жылу аймақтық мәндегі жылу торларында қолданылады, ал гидридтік аккумуляторлар тасымалдаушы құралдардағы «жылу багы»ретінде қолданылады. Мұндағы ең басты қиындық – аталған аккумуляторларда қолданылатын металлдың массасы мен құны(16.1-кестені қараңыз). Сутегіні көптеген елдерде табиғи газды тасымалдауға арналған тармақты құбыр жүйесімен де беруге болатыны айта кету керек. Одан басқа оны жылу элементтерінің көмегімен тікелей электр энергиясын алу үшін қолдануға болады(§16.6).

Аммиак. Аммиактың судан айырмашылығы – оны қолайлы температурада құраушы элементтерге ыдыратуға болады.

(16.4)

Жылу қозғалтқышының ұстанымымен сәйкестіргенде бұл реакция күн көзінің жылуын қолданып, электр энергиясын алудың ең тиімді тәсілі болуы мүмкін. Карден ұсынған сәйкес жүйе §6.9 сипатталған.

Жылуды шоғырландыру

Төмен температурадағы жылуды қолдану әлемдік энергия қолданудың айтарлықтай бөлігін құрайды. Мысал ретінде 16.2 – суретте жылыту шығынын қоса есептегенде Ұлыбританияның жалпы энергияны тұтынуы көрсетілген. Қыста ұлттық энергияның жартысынан көбі тұрғын үйлерді жылытуға кететінін байқауға болады(18 3С⁰ температураны ұстап тұру үшін).

16.2 – сурет. Ұлыбританияда түрлі мақсаттар үшін энергияны қолданудың маусымдық өзгерісі энергетикалық эквивалент түрінде берілген, ГВт. Әрбір маусым үшін екі баған анағұрлым суық күндерге(сол жақтағы) және түндерге(оң жақтағы) сәйкес келеді. Штрихталған аймақ жылытуға және ыстық сумен қамтамасыз етуге кеткен энергияны көрсетеді(тұрмыстық, қоғамдық орындар, өндіріс). Жуан сызықпен ауа-райының және технологияның ауытқуын теңестіретін 7 күндік жылуды шоғырландыратын жүйе бар болған жағдайдағы энергияға қажеттілік берілген. Штрихталған аумақтар жұмсалуға қажетті жылу шығынын көрсетеді, сондықтан тіпті 12 сағаттық шоғырландыру белгіленген күндізгі – түнгі ауытқуды айтарлықтай төмендетеді(а). Ұлыбританияда 7 күндік жылу шоғырлануын ескере отырып, күн көзінің жылуын(*), жел энергиясын (˅), толқын энергиясын(∆) қолданатын қуаттың тұрақты мәндері, ГВт. Осы үш жаңартылатын энергия көздерінен алынатын қуатты тұтыну сомасы оның шоғырлану көмегімен түзетілген сомасынан асып кетеді(қисық жуан сызық)16.4-тапсырманы қарау.

Жылыту үшін жоғары температурадағы энергия көздерін пайдалану міндетті емес, себебі оларды басқа мақсаттар үшін қолдану тиімдірек. Тұрғын үйлерді жылыту үшін күн көзінің жылуын енжар қабылдағыштар мен жылу аккумуляторларын қолданған тиімдірек, себебі олар түнде және бұлтты күндерде ыңғайлы жағдай туғызады.

Бұдан басқа, егер энергия өз ортасына сәйкес төменгі температурада қолданылып жатса, оны жылу түрінде сақтаған дұрысырақ. Түрлі қондырғылардың жұмыс істеуі барысында туындайтын жылу «қалдығын» қолданғанда да жылуды шоғырландыру өнімдірек(§1.4 қараңыз).

Жоғарғы тереңдікте күн сәулесінің қарқындылығы жазға қарағанда қыста айтарлықтай жоғары(4.7 және 4.10 – суреттерді қараңыз), себебі қыста жылуға қажеттілік өседі. Сондықтан күн көзінен алынатын жылуды максималды тиімділікпен қолдану үшін оны тым болмағанда үш айдай сақтауды үйрену қажет.

Осыған қатысты T_s тұрақты температурасынан _Та температуралы ортаға әкелінген аккумулятор қордағы 50% жылуды шығындайтын t_l уақытын есептейік.

(16.5)

Бұл жерже с – жылусыйымдылық, ал R – аккумулятор мен қоршаған орта арасындағы термиялық кедергі. (16.5) теңдеуінің шешімі

(16.6)

Осыдан, (16.7)

Егер аккумулятор α радиусымен сфера түрінде болса, онда термиялық кедергісі , мұндағы r – ерекше термиялық кедергі, ал m=4π /3 сондықтан,

=0.43ρcrα (16.8)

16.1 Мысалы. Үйдегі жылу аккумулятордың көлемі мен оқшаулануы. Үлкен емес жаксы оқшауланған күн үйі орташа ішкі жылу шығыны шамамен 1 кВт. Қосымша жылумен және жарықтандырумен және т.б. тәсілдермен ішкі температура 20˚С. Тіктөртбұрышты ыстық су аккумуляторын құрастыруға шешім қабылданды. Оның үстіңгі жағы үйдің едені болып қызмет етеді және А=200 . Аккумулятор суыту процессінде 100 күн ішінде 60-тан 40˚С-ға дейін жылуын жоғалтады.

Шешуі.

1) Қажетті жылу мөлшері = (1 кВт)(100 күн)(24 сағ/күн)*[3,6 МДж/(кВт*ч)] =8640 МДж

Судың мөлшері = (8640 МДж)/[(1000 кг/м³)(4200 Дж/(кг*К))*(20 К)] =103 м³

Ыдыс тереңдігі = 103 м³/200 м²= 0,5 м.

2) Егер жылу шығыны ыдыстың жоғарғы жағынан ғана шығатын болса. (16.7) бойынша термиялық кедергі

3) Оқшауланған материал (мысалы, пенополистирол) λ~0,04 Вт/(м*К) жылуөткізгішіне ие. Ыдыстың жоғарғы жағындағы қабаттың қалыңдығы.

d = (3,1 м³*К/Вт) [0,04 Вт/(м*К)] = 12 см

Астыңғы және жанындағы қабырғалары арқылы қажет емес шығындарды болдырмау үшін бір қабат 50 см қалыңдықта пенополистиролмен қаптаса болады.

4) Аккумуляторда сақталған энергияның тығыздығы ≈ (8640 МДж)/(103 м³) = 84 МДж/м³

Қоршаған орта температурасын 20˚С азайтса, жинақталған энергия тығыздығы 2 есе артады.

16.1 – мысалдан көргендей, тұрғын үйді үш ай бойы жылыту үшін жылу қорын жасау – шешуге болатын мәселе. Бұл жағдайда тек жақсы жоба жасап қана қоймай, оны дұрыс іске асыра білу керек. Көбінесе, жылу өткізгіштікті сапалы орындау, үйді ылғалдан сақтау, оны басқарылатын вентиляциямен қамтамасыз ету, жылудан, тамақ дайындаудан, тұрғындардың қажеттіліктерінен артылған жылу «қалдықтарын» қолдану керек. Бұдан басқа осындай жоғары технологиялық жағдаймен қамтамасыз етілген, архитектурасы керемет, өмір сүруге ыңғайлы жағдай жасайтын тұрғын үйлер бар. Ортаның шоғырланған жылуының орнына жартасты жыныстағы суды да қолдануға болады.

16.1 – мысалдан төрт күнге дейінгі қысқа мерзімде ғимараттың өзін жылу шоғырландырғыш ретінде қолдануға болады. Климаты ыстық жақтағы ғимараттарды жобалау кезінде жылу қорымен бірге суық аккумуляторлар кең қолданылады.

Жоғарғы ендегі теңіздік елдерде кең масштабтағы жылу шоғырландырғышын қолдану жылумен қамтамасыз ету мәселесін жел және толқын энергетикасының дамуы есебінен шешеді. Екі қайнар көз де қыста анағұрлым өнімдірек, ал олардың қуаты сағат өткен сайын күлтеленсе де, бірнеше күннен астам уақытта құлдырайды.

Жылу сіңіретін жүйемен салыстырғанда температураның шектелген интервалында ең көп жылу сыйымдылығы температура өзгергенде, фазалық жағдайы қоса өзгеретін материалдарда болады. Мысалы, глаубер тұзын бөлме температурасында жылуды шоғырландыру үшін қолдануға болады. 32⁰- та ол қаныққан ерітіндісіне және тұнбасына ыдырайды. Бұл реакция қайтымды және 250кДж/кг~650МДж/м³ жылу энергиясын береді. Ғимараттарды жылытуға қолданылатын аккумуляторлардың бағасы оның құрылымымен байланысты болған соң, мұндай аккумуляторлар энергия қоры жалпы тығыздығы төмен болатын су сыятын ыдыстарға қарағанда арзан болып келеді. Өкінішке орай, мұндай аккумулятор жасауда кейбір практикалық мәселелер шешілмеген.