Ученые из Университета Аалто в Финляндии создали прототип необычного накопителя энергии, в котором вместо литий-ионных аккумуляторов используется обычный кварцевый песок. Эта система относится к так называемым «батареям Карно», в которых электричество сначала превращается в тепло, а затем накопленное тепло снова используется для выработки энергии. В новой установке роль теплоаккумулятора выполняет песок. Его нагревают электрическими тэнами внутри теплоизолированного резервуара, после чего накопленное тепло приводит в работу двигатель Стирлинга, преобразующий разницу температур в электричество.
Для эксперимента исследователи собрали установку мощностью около 1 кВт. Внутри резервуара объемом 0,2 кубометра находился кварцевый песок с размером зерен от 0,6 до 2 миллиметров. В качестве преобразователя энергии использовался коммерческий двигатель Стирлинга Microgen, а для нагрева – обычные тэны ля сауны.
Во время испытаний песок нагревали до 300-350 °C, после чего он постепенно отдавал тепло двигателю. При температуре 300 °C установка могла вырабатывать электричество примерно 9 часов, а при 350 °C – уже до 14 часов. Пиковая мощность при этом достигала 690 Вт.
Однако общая эффективность системы пока остается сравнительно низкой. В ходе экспериментов обратно в электричество удалось преобразовать лишь 4,4-8,3% затраченной энергии. Для сравнения: современные литий-ионные аккумуляторы обычно возвращают более 90% накопленной энергии. Причина оказалась не столько в самом песке, сколько в потерях тепла. Значительная часть энергии уходила через стенки установки и систему охлаждения двигателя. Например, в одном из циклов система получила 53 кВт·ч электроэнергии, но обратно выдала только 2,33 кВт·ч. Еще около 16,5 кВт·ч ушло на охлаждение двигателя, а более 34 кВт·ч просто рассеялось в окружающую среду.
Еще одна проблема связана с низкой теплопроводностью песка. Тепло внутри него распространялось медленно, поэтому двигатель периодически испытывал нехватку теплового потока и мог временно отключаться. Чтобы решить эту проблему, ученые предлагают добавлять в песок металлические элементы или специальные теплопроводящие структуры, которые ускорят передачу тепла к двигателю.
При этом сама концепция «песочной батареи Карно» показала свою работоспособность и, по мнению исследователей, может стать значительно эффективнее после доработки конструкции. Песок в целом оказался удобным материалом для хранения тепла: он дешев, широко доступен, не токсичен и способен выдерживать температуры свыше 1700 °C без разрушения. Кроме того, срок службы таких систем потенциально может быть значительно выше, чем у химических аккумуляторов.
