Как страна, больше половины того, что мы тратим на энергию, тратится впустую, согласно отчету Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса.
Одним из основных виновников является тепло. Заводы, такие как сталелитейные заводы, выделяют огромное количество энергии в форме тепла, но это тепло почти всегда выходит в атмосферу, где оно не может принести много пользы.
Но группа ученых, работающая совместно между Массачусетским технологическим институтом и Стэнфордским университетом, разработала новый тип батареи, которая может помочь использовать отвод тепла и направить его обратно в сеть, используя преимущества менее известного принципа, называемого термогальваническим эффектом.
До сих пор большинство исследований, посвященных преобразованию отработанного тепла, было сосредоточено на термоэлектрической энергии. Например, за последние несколько лет популярность термоэлектрических генераторов растет. Системы перемещают электроны от горячей стороны проводящего материала, такого как металл, к холодной стороне; Оказавшись там, электроны могут быть преобразованы в ток для питания устройств или зарядить аккумулятор. Генераторы используются для питания таких устройств, как радио и телеметрические системы на газопроводах, в качестве резервного источника питания для беспилотных исследовательских объектов и даже в качестве возобновляемого источника энергии на марсоходе Mars Curiosity.
Система настолько известна и хорошо изучена, что уже используется в продуктах, ориентированных на потребителя, включая популярный BioLite CampStove.
Но, по словам Йи Цуя, доцента в Стэнфорде, который помогал руководить разработкой новой батареи, термоэлектрические генераторы не могут адекватно собирать энергию с крупных заводов и фабрик, которые не работают так же жарко, как, скажем, у костра.
Например, отработанное тепло, поступающее от сталелитейного завода, недостаточно горячо (или батарея не может быть достаточно охлаждена), чтобы сработала термоэлектрическая реакция.
Работая в тесном сотрудничестве с командой из Массачусетского технологического института во главе с Гангом Ченом, исследователем с глубокими знаниями в области термоэлектрики, Cui разработал батарею, специально разработанную с учетом так называемого «низкого качества».
Новая концепция сосредоточена вокруг довольно стандартной батареи на водной основе с положительным и отрицательным электродом. Команда поместила пустой аккумулятор в область с большим количеством отработанного тепла, а затем начала заряжать его. Как только батарея была полностью заряжена, они охлаждали ее до комнатной температуры, после чего она разряжалась - и охлажденная батарея может разряжать больше энергии, чем было помещено в нее.
Это термогальваническое явление на работе.
«Изменение температуры вызывает изменение свободной энергии, а мощность сильно меняется», - говорит Цуй. По сути, батарея поглощает энергию из-за ненужного тепла - иначе потраченная впустую энергия может быть возвращена в сеть.
Аккумуляторы, в отличие от термоэлектрических систем, в настоящее время не могут полностью отключаться от сети, так как для их зарядки требуется постоянный ток. Идея, однако, в том, что для этого вам понадобится меньше энергии из сетки.
Команда все еще экспериментирует с тем, как быстро она может нагревать и охлаждать батареи, и сколько раз элемент может быть зациклен до того, как он израсходован. В лаборатории батарея заряжается за один цикл зарядки-разрядки в течение нескольких часов. Команда не продвинула ни одну клетку за более чем 50 циклов.
Сейчас у нас нет четкого представления о том, сколько энергии может вырабатывать система, подобная Цуй. Цуй в конечном итоге представляет схему из нескольких ячеек, которые могут быть установлены на заводе. По мере того, как температура одной ячейки повышается от воздействия отработанного тепла, другая переходит в цикл охлаждения.
«Половина из них заряжается при высокой температуре, а половина - при низкой температуре», - говорит он.
В настоящее время основной целью является отработанное тепло, производимое на заводе, но Куй считает, что система может быть применена в других местах в будущем. Команда может также поэкспериментировать с другими материалами для батарей, которые могут позволить применять термогальванический эффект для более высоких уровней нагрева, таких как те, которые производятся камином или духовкой.
В то время, когда системы сбора энергии уже становятся обычным явлением за рубежом, такие системы, как Cui, могут оказаться неоценимыми для изучения новых областей энергетики в Соединенных Штатах. В течение следующих нескольких лет тепло из лондонского метро будет использовано для обогрева около 1400 домов. И большая часть энергии Дании поступает из отработанного тепла.
С такими изобретениями мы могли бы начать догонять.
