Солнечная энергия нестабильна: летом и днем ее избыток, ночью и зимой — дефицит. С электричеством проблему частично решают аккумуляторы, а вот с теплом все несколько сложнее. Чтобы отапливать дом и греть воду, его приходится запасать заранее. Но бак с горячей водой постепенно остывает, да и другие материалы, например парафины или соли, тоже не позволяют хранить большой запас надолго. Использовать для обогрева крупные литий-ионные системы накопления электроэнергии возможно, но это дорогое решение, которое доступно далеко не всем.
Химики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Грейс Хан предложили другой подход: накапливать солнечную энергию в химических связях органической молекулы. Они «запирают» тепло в измененной структуре. В результате получается стабильный носитель, который может долго сохранять запасенную энергию с медленным распадом и отдавать ее по требованию. Давайте посмотрим, что предлагают ученые.
Что это за технология
Она относится к так называемым молекулярным солнечно-тепловым системам (MOST). Принцип довольно простой: молекула поглощает свет в определенной части спектра и меняет форму, оказываясь в конфигурации с большей внутренней энергией. Ее она и хранит до момента разряда. Позже, когда системе дают сигнал (например, добавляют катализатор), молекула возвращается в исходную позицию и высвобождает накопленное тепло. Вещество при этом не разрушается: в экспериментах система выдержала более двадцати циклов «заряд — разряд» без заметного ухудшения свойств.
В качестве рабочего соединения исследователи выбрали соединение на основе 2-пиримидона — молекулы, родственной одному из кирпичиков ДНК. Под действием ультрафиолета 300–310 нм ее структура меняется. Она переходит в более компактную и напряженную форму. В этом состоянии химические связи преобразуются, поэтому в них запасается энергия света.
Новый вариант оказался достаточно стабильным. При комнатной температуре процесс обратного перехода идет очень небыстро: примерно через 481 день в исходное состояние возвращается лишь половина молекул. В некоторых модификациях процесс идет еще медленнее. Чтобы высвободить энергию быстрее, добавляют кислотный катализатор — он запускает обратную реакцию, и накопленное тепло выделяется практически мгновенно.
Материал жидкий при комнатной температуре и водорастворимый, поэтому не требует токсичных органических растворителей, как у многих других MOST-систем. Жидкость прокачивают через солнечный коллектор на крыше: ультрафиолет переводит молекулы в заряженное состояние, после чего вещество сливается в бак. После разряда структура возвращается в исходную форму и готова к новой зарядке.
Чем отличается от привычных способов хранения тепла
Обычные системы накопления устроены просто: вещество разогревают и пытаются как можно дольше удержать высокую температуру. Это может быть вода, расплавленные соли или бетон. Но даже при очень хорошей изоляции энергия постепенно уходит в окружающую среду — и содержимое резервуара остывает. Долго сохранять такой запас возможно, но это требует сложных решений и дополнительных затрат.
В молекулярной системе все устроено иначе. Энергия не хранится в виде высокой температуры. Она сохраняется в измененной структуре молекулы, поэтому потери определяются скоростью обратной химической реакции, а не тем, насколько хорошо утеплен бак. Это помогает гораздо дольше хранить энергию.
Есть еще один важный момент. Многие ранние MOST-системы требовали органических растворителей, из-за чего на единицу массы приходилось меньше запасенной энергии. В новой версии само вещество остается жидким или может работать в водной среде, без лишних добавок. Благодаря этому реальная энергоемкость системы оказывается выше.
По удельной энергоемкости материал достигает 1,65 МДж на килограмм — это выше, чем у большинства предыдущих соединений такого класса. Для понимания: по массе на единицу энергии он находится в диапазоне, близком к литий-ионным аккумуляторам. При этом важно учитывать, что здесь запасается не электричество, а тепло, поэтому практическая отдача определяется эффективностью самой системы.
Почему за основу взяли структуру из ДНК
Разработка выросла из изучения того, как ультрафиолет воздействует на ДНК. Под действием ультрафиолета соседние тиминовые основания в цепочке могут связываться между собой, образуя так называемые (6–4)-фотопродукты. При дальнейшем облучении эта структура способна переходить в вариант молекулы с повышенной внутренней энергией, возникающей из-за искаженной геометрии химических связей.
В живых клетках существует фермент фотолиаза, который под действием видимого света разрывает такие связи и возвращает ДНК к исходному состоянию. При этом накопленная избыточная энергия рассеивается в виде тепла. То есть в природе уже существует обратимый процесс: свет изменяет структуру молекулы, другой свет запускает ее восстановление.
Исследователи использовали тот же принцип, но перенесли его в более простую и компактную систему. Вместо сложной биологической молекулы они взяли производное пиримидона — небольшое соединение, способное превращаться в ту же форму Дьюара и сохранять ее длительное время. Свет переводит молекулу в более высокоэнергетическое состояние, а катализатор запускает обратное превращение с выделением тепла.
За счет упрощения структуры удалось д��биться высокой стабильности «заряженной» формы и увеличить плотность запасаемой энергии: в молекуле практически нет тех фрагментов, которые не участвуют в накоплении.
Проблемы и ограничения технологии
Несмотря на впечатляющие показатели, до практического применения технологии еще далеко. Главная проблема — спектр поглощения. Молекула работает только в узком диапазоне 300–310 нанометров, а это примерно пять процентов солнечного излучения. Основная часть видимого и инфракрасного света остается неиспользованной, поэтому для полной зарядки требуется длительное облучение.
Вторая проблема — низкая эффективность процесса. Лишь несколько процентов поглощенного света приводят к переходу молекулы в заряженное состояние, а остальная энергия теряется, что ограничивает общий КПД системы.
Но и это не все. Для разряда используется кислотный катализатор, который после реакции нужно нейтрализовать или отделить, чтобы цикл оставался замкнутым. Это добавляет дополнительную стадию и усложняет конструкцию установки. В качестве альтернативы рассматриваются твердые поверхности с закрепленными кислотными группами, через которые можно прокачивать жидкость без добавления реагентов в сам раствор.
Наконец, процесс синтеза нужного для системы накопления тепла вещества пока остается лабораторным и сравнительно дорогим. Для выхода на промышленный уровень потребуется упрощение технологии производства и снижение стоимости исходных компонентов.
Тем не менее направления для улучшения уже понятны: расширить диапазон поглощения света, повысить квантовый выход и упростить механизм разряда. Если эти задачи удастся решить, система сможет выйти за пределы лаборатории и занять свою нишу в сезонном хранении тепла.
Варианты применения
В частных домах, где летом много солнца, а зимой требуется отопление, такая схема выглядит вполне практично. В теплое время года жидкость прокачивают через солнечный коллектор и «заряжают», затем она хранится в баке до холодного сезона. Когда нужно тепло, запускают обратную реакцию, и энергия поступает в систему отопления или нагрева воды. Никакой сложной электроники — по сути, обычный контур с баком и теплообменником.
В промышленности такая система может быть полезна там, где нужен стабильный источник тепла: в теплицах, сушильных установках, на пищевых или текстильных производствах. Жидкость можно накапливать в больших резервуарах и использовать по мере необходимости — например, в периоды повышенной нагрузки. Это позволило бы снизить зависимость от внешних источников энергии.
Еще один возможный вариант — использование в транспорте для подогрева. Например, в грузовиках, судах или поездах жидкость можно заранее «зарядить», а затем применять для отопления салона или технических нужд. То, что вещество растворяется в воде, упрощает его включение в уже существующие системы обогрева.
Пока это все еще лабораторная разработка — до реального применения нужно повысить эффективность, расширить диапазон поглощения света и упростить процесс разряда. Но сама идея хранить солнечную энергию не в нагретом баке, а в измененной структуре молекулы предлагает иной взгляд на тепловые накопители.
Похоже на хороший способ удерживать тепло там, где его нужно сохранить надолго и использовать по мере необходимости. А вы как считаете?