Откуда дровишки?
мысль на самом деле не нова и не я её автор, её вполне можно вывести из закона сохранения энергии. в том или ином виде я её высказывал давно, но не так давно окончательно осознал.
мысль довольно простая:
вся энергия используемая человечеством заключена в том или ином виде аккумулятора.
но вроде бы литиевый аккумулятор мобильника и бензин выглядят по разному? но суть одна, давайте обо все по порядку для себя я выделил 3 основных поколения таких аккумуляторов.
I поколение
использование ископаемого топлива
да по сути это тоже аккумулятор мы аккумулировали энергию Солнца. живые организмы, которые питались растениями и сформировали то, что мы называем углеводородами не могли жить без Солнца, растениям тоже требуется энергия Солнца. постепенно живые организмы сформировали залежы угля и нефти.
каменный уголь это первое природное топливо, которое освоил человек т.к. сравнительно легко добывать.
плотность каменного угля ~1500 кг/м³ насыпная плотность несколько меньше 900 кг/м³ теплота сгорания каменного угля ~30 МДж/кг т.е. кубический метр угля будет весить около 1 тонны и иметь теплотворную способность около 30 000 МДж.
неплохое топливо что бы топить печку в коттедже - от паровых двигателей которые по своей природе всеядны человечество отказалось довольно давно ввиду их низкой эффективности.
паровой двигатель заменил ДВС КПД которого несколько выше. но ему понадобился другой вид топлива тех или иных продуктов перегонки нефти.
бензин. для различных типов бензинов плотность разная возьмем среднее значение ~750 кг/м³. удельная теплота сгорания бензина составляет ~47 МДж/кг. в одном кубе бензина заключена энергия 35 250 МДж т.е. как видно цифры вобщем-то сравнимые с угольными.
я тут упомяну еще одно топливо так рекламируемое любителями ТогоКовоНельзяНазвать. чисто для демонстрации - показать что волшебством это топливо тоже не обладает:
метан. плотность жидкой фазы метана доходит до 424,5 кг/м³ теплотворная способность метана составляет 50 МДж/кг. в одном кубе метана всего 21 250 МДж, что обеспечивает ему самую низкую строчку в нашем рейтинге. конечно у метана есть свои при имущества.
казалось бы CH4 т.е. на один углерод сразу 4 водорода, при этом метан проще в обращении. при этом плотность жидкого водорода 70,8 кг/м³ а метана 415 кг/м³. молярная масса водорода 1 а углерода 12 т.е. 1/3 веса водород. т.е. плотность водорода в метане 138 кг/м³. т.е. по объему в жидком метане водорода в два раза больше чем просто в жидком водороде.
но я бы не торопился с выводами. удельная теплота сгорания чистого метана - 50 МДж/кг. а например у водорода 140 МДж/кг.
но технологи развиваются раз углеводороды это всего лишь аккумулятор энергии, давайте воссоздадим природный процесс и повысим его эффективность.
использование возобновляемого топлива
водород первое что приходит на ум конечно. т.е. мы взяли энергию от солнечных панелей (я не хочу обсуждать эффективность солнечный панелей за полярным кругом) взяли воду получили водород, при сжигание водорода снова получили воду и опять запихнули в водород энергию солнечных панелей. впринципе все как в природе матушке.
проблема как это водород хранить. существуют несколько способов, но я рассмотрю один т.к. он на мой взгляд наиболее перспективен. это хранение водорода внутри тех иди иных абсорбентов. в случае металлов такие вещества называются гидридами. вообще говоря гидридом может быть и не металл но мы не будем лезть в дебри.
магний обладает неплохими характеристиками хоть и имеет определенные технологические сложности получение гидридов.
плотность гидрида магния 1450 кг/м³ при этом 7,5% массы это водород, или 109 кг в 1 м³, что превосходит значения для жидкого водорода 71 кг на 1 м³. теплотворная способность водорода водорода составляет 141 МДж/кг. т.е 1 м³ при таком способе хранения будет запасать всего 15 369 МДж но если отнести к массе, то хочется плакать. цифры энергии у нас сравнимые, но весит это хозяйство почти 1,5 тонны и получается всего 10,5 МДж/кг. и просто так жечь водород не особо то умное занятие.
II поколение
аккумуляторы
раз топливо это всего лишь метод хранения энергии, а тепловая энергия это энергия хаотически движущихся частиц, так давайте будем использовать электроэнергию. Электрический ток это исть направленное перемешение зарядов. так появились аккумуляторы.
сейчас еще свицово-кислотные аккумуляторы имеют наибольшее распространение, но постепенно их доля падает. это самый первый более или менее удачный тип.
плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов составляет до 0,15 МДж/кг, что не много. если сравнивать с «тепловыми» энергоносителями. однако это все таки электричество. например КПД электрического двигателя может быть больше 95%
самые распространенные аккумуляторы электромобилей это литий-железо-фосфатные. плотность энергии батарей LiFePO4 составляет 0,3-0.6 МДж/кг, что тоже немного.
надежные литий-титанатные аккумуляторы способны обеспечить плотность энергии около 0,4 МДж/кг что в 100 раз меньше удельной теплоты сгорания бензина, но и КПД тепловой машины меньше. для бензиновых моторов средние значения КПД составляют около 30 %. для дизельных моторов - ~37 %.т.е. не в 100 а в 33 раза меньше :).
но это еще не все. все это неиспользованное ДВС тепло обычно ставят на службу человечеству и оно может условно бесплатно отапливать салон автомобиля, если же сделать электрическую печку, то она быстро сожрет всю запасаемую энергию. поэтому логично использовать печку на традиционном топливе в тем более, что у неё «выхлоп» намного чище.
если говорить более общё, то плотность энергии литиевого аккумулятора может быть до 1 МДж/кг. если учесть КПД двигателя то 3 МДж/кг что хуже чем бензин + ДВС в 16 раз.
кроме того такой аккумулятор затруднительно использовать на транспорте, но как иллюстрация.
с литиевыми аккумуляторам вообще не все хорошо, они достаточно капризные, лития на Земле мало и следовательно он дорогой. поэтому литий хотят заменить в десятки раз более дешевым и доступным натрием.
основная проблема натрия в том что, хоть он имеет химические свойства близкие к литию, но нет естественных материалов способных накапливать ионы лития. но плюсом натриевых аккумуляторов это доступность сырья и его лучшие эксплуатационные характеристики: например его в отличи от литиевых можно разрежать до нуля.
по информации на май 2024 года, китайская компания CATL разрабатывает второе поколение натриево-ионных батарей, которое увеличит плотность хранения заряда до 0,7 МДж/кг (200 Вт·ч/кг)
но этого тоже мало. чтобы сравнятся с бензином, учитывая КПД тепловой машины нужно 15 МДж/кг (4167 Вт·ч/кг) что кажется фантастической цифрой. но технологи развиваются и к подобраться этому в принципе возможно.
топливные элементы, проточные батареи
самый известный это конечно водородный топливный элемент, конечно хранение и использование водорода имеет свои проблемы, одного решения проблемы хранения я касался выше.
топливный элемент
экспериментальные топливные элементов могут достигать плотности энергии до 1500 Вт·ч/кг это 5,4 МДж/кг, что очень неплохо, все равно в 9 раз меньше удельной теплоты сгорания бензина ну в 3 если учесть КПД тепловой машины.
тут уместно вспомнить нашу систему хранения водорода с её, на первый взгляд, бесперспективными 10,5 МДж/кг, однако если учесть КПД тепловой машины они превратятся в 30 МДж/кг, что вполне конкурентноспособно.
III поколение
ну то была все химия, а есть физика. например вес современной ядерной боеголовки может составлять порядка 200 кг при этом мощность порядка 300 Ктонн. тут работает самая известная формула в физике:
E = mc²
где с - скорость света.
на в самом деле эта формула касается всего, просто масса энергии химической реакции не поддается измерению. на сегодняшний день существуют те или иные источники использующие нестабильные ядра. эта технология успешно используются. тяжелые ядра образуются при взрывах сверхновой по сути это тоже такой метод хранения энергии.
процесс можно улучшить используя реакцию синтеза тяжелых ядер из более легких - тогда получится больше энергии. основная проблема таких реакций на сегодняшней день как-то утилизировать энергию выделяющихся частиц (нейтронов) которые довольно плохо взаимодействуют с веществом.
в будущем возможно будут аккумуляторы на новых физических принципах например явлении изомерии.