Альтернативная энергетика подразумевает возможность получать тепло и энергию из того, чего много: где-то хватает солнечных дней, где-то — ветра, а чего предостаточно в Сибири? Правильно, холода. Учёные из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН предлагают использовать его для обогрева домов. О сенсационной разработке «ТепХол» мы поговорили с одним из её создателей, руководителем группы энергоаккумулирующих процессов и материалов ИК СО РАН доктором химических наук Юрием Ивановичем Аристовым.
— Новость о вашей разработке получила большую популярность, её активно обсуждают в различных СМИ. В комментарии к одной из статей утверждается, что по такому же принципу, как у «ТепХола», работали старые аммиачные холодильники. Так ли это?
— Такая аналогия действительно может быть проведена. С точки зрения термодинамики, эти устройства достаточно близки. Первое различие: аммиачные холодильники используют абсорбцию (объемное поглощение газа жидкостью), а «ТепХол» — адсорбцию (поглощение газа на поверхностни твёрдого тела). Общее название подобных устройств — сорбционные термоотрансформаторы, функции генерации холода и тепла в них осуществляются одновременно. Второе различие: в холодильниках используют первое, а тепло рассеивают в окружающую среду. Мы же делаем наоборот. В мире работает много групп, которые умеют с помощью адсорбентов генерировать холод. Есть и коммерческие адсорбционные холодильники. А вот таких нагревателей пока нет.
— В работе «ТепХола» заложен парадоксальный принцип: чем холоднее на улице, тем легче получить тепло. С чем это связано?
— Здесь действуют фундаментальные законы физики: если есть разность температур между двумя термостатами, то эту неравновесность системы можно использовать для того, чтобы произвести работу и направить её, например, на увеличение температурного потенциала тепла. Чем больше разность температур, тем лучше. Сердце нашего устройства — адсорбер, в нем находятся два теплообменника, в которых засыпаны гранулы адсорбента. Морозный воздух охлаждает метанол и понижает давление его пара. Это способствует «высыханию» адсорбента. При последующей адсорбции паров метанола на «сухом» адсорбенте выделяется большое количество тепла, адсорбент разогревается до 40—60°C, нагревает воду, текущую по специальным каналам вблизи адсорбента, а эта вода уже поступает в батарею или создает эффект «тёплого пола». Соответственно, чем холоднее воздух, тем легче «высушить» адсорбент и тем эффективнее он будет разогреваться. Кроме того, эффективность может сильно вырасти при наличии в предполагаемом месте эксплуатации доступа к грунтовой воде, температура которой уже не около 0°C, а гораздо больше (10°C, а еще лучше 20—30°C). Кстати говоря, в Новосибирской области есть достаточно много пробуренных скважин, которые сейчас уже не используются, но в рамках нашего подхода могут снова представлять интерес. Однако в любом случае для того, чтобы наше устройство эффективно работало, необходимо сделать его очень «умным». Обычно тепловые машины — двигатели внутреннего сгорания и другие — работают на разнице температур примерно в 1000°C. В нашем цикле предлагается использовать разницу температур всего в 30—60°C. Но даже если КПД будет не слишком большим, учитывая, что тепло окружающей среды «дармовое», этим стоит заниматься, и здесь можно сильно выиграть. Ведь использование даже небольшого количества «низкотемпературной теплоты» окружающей среды может уменьшить зависимость общества от органического топлива, сделать тепло практически бесплатным и при этом еще улучшить экологию нашей планеты за счет отсутствия каких бы то ни было вредных выбросов в атмосферу.
— Описывая установку, вы говорите, что для её работы нужно два фактора: температура воздуха ниже -20°C и незамерзающий источник воды. Много ли в России мест, потенциально подходящих для «ТепХола»? Если к холоду вопросов нет, то с водой могут возникнуть проблемы, ведь большинство водоёмов в России зимой всё же сковывает льдом…
— Но ведь эти водоемы не промерзают полностью? Воду можно взять и из-подо льда. Любая река, любой пруд может подойти, ну и само собой все моря, океаны. Вот карта средних температур января на территории бывшего СССР. Здесь видно, что две трети России — потенциальное место для применения нашей технологии, и Новосибирск ещё достаточно тёплый город по сравнению со всем этим огромным пространством. Возьмём, например, Оймякон (село в Якутии, один из самых суровых «полюсов холода» на планете — Прим. ред.). Там средняя температура с ноября по март ниже -30°C. В то же время название поселения с местного диалекта переводится как «незамерзающая вода». «ТепХол» может быть реальной альтернативой традиционному топливу, особенно, учитывая, что в северные регионы завозить последнее очень дорого. Там тонна мазута стоит уже совершенно другие деньги, чем под Новосибирском. Холодный климат России считается конкурентным недостатком, а наша технология (точнее пока не технология, а способ получения тепла), мы надеемся, может превратить его в конкурентное преимущество. По нашему мнению, особенно этот подход будет интересен для Арктики, освоению которой в последнее время уделяется особое внимание.
— А что делать, когда на улице недостаточно холодно, а обогреваться надо? Использовать другие источники тепла?
— Здорово было бы полностью заменить органическое топливо. Но, скорее всего, это действительно будет какой-то комбинированный способ, когда зимой дом обогревает, в основном, наше устройство, а весной-осенью — уголь, например, или солнечные нагреватели. «ТепХол» — это тоже в каком-то смысле часть солнечной энергетики. Ведь всё, что мы берём из окружающей среды (кроме энергии приливов и геотермальных вод), связано с солнечным излучением. Сюда относятся и перепады давления, создающие ветер, и разность температур, и гидроэнергетика.
— Почему для «ТепХола» не подошли коммерчески доступные адсорбенты, и пришлось синтезировать свои?
— Наши опыты показали, что коммерческие угли позволяют реализовать эту технологию, но количество тепла, которое они выделяют, недостаточно. Наши новые адсорбенты двухкомпонентные: в качества матрицы выступает специальный силикагель (его собственная адсорбционная емкость также небольшая), а в него помещено активное вещество, способное сорбировать много метанола и выделять много тепла. В качестве последнего выступают различные соли. Причём, варьируя их, можно подобрать адсорбент, который будет наиболее эффективно работать в том или ином климатическом регионе — например, в Новосибирской области или в Оймяконе. Здесь, в основном, имеет значение температура воздуха в холодное время года, а также температура доступной воды.
— На каком этапе сейчас находится проект? Есть ли какие-то заинтересованные инвесторы?
— Проект сейчас находится на стадии фундаментальных исследований. Работа финансируется Российским научным фондом, которому мы за это очень благодарны, потому что пока «ТепХол» — достаточно дорогое удовольствие. Например, в лаборатории мы используем термокриостаты, которые имитируют условия окружающей среды (морозный воздух и незамерзающую воду), потом это всё будет натуральным. Промышленное устройство, конечно, должно быть дешевым и доступным, но это задача будущего. В настоящее время мы доказали принципиальную возможность реализации этого метода обогрева, разобрались, какие нужны адсорбенты, научились их синтезировать, испытали их, оказалось, что они действительно работают гораздо лучше, чем коммерческие. Сейчас мы занимаемся оптимизацией условий преобразования. Пока еще есть много работы, которая связана с выяснением именно фундаментальных аспектов нового подхода. Хотя после «утечки информации» в СМИ интерес к разработке очень большой. Один активный читатель пишет: «Могу предоставить вам для испытаний свой дом в г. Чита. Зимой холодно. Буду собирать данные по работе установки. Помогу с монтажом — руки и голова есть. Только оставьте мне эту систему…». Хочется сказать таким энтузиастам большое спасибо. Обращаются и организации — предлагают свои площадки для испытаний. Но промышленного образца у нас нет, только исследовательская установка, которая нам пока самим нужна, и её эксплуатация требует определенной квалификации. Мы готовы сотрудничать по внедрению, но чуть позже.
— Правильно я понимаю, «ТепХол» будет работать не по принципу центрального отопления, а более автономно — для обогрева отдельных предприятий, частных домов?
— Мы сейчас ориентируемся на изолированные дома и устройства мощностью от 5 до 20 кВт. Предполагается, что установка будет функционировать по принципу «тёплого пола», то есть обогревать помещение не через отдельные батареи, а с помощью проложенных под полом труб. Она обязательно должна быть установлена в доме с хорошей теплоизоляцией, построенном по специальной «умной» технологии. В идеале, всё это должно работать в совокупности. Важно не терять тепло, ведь в зоне холода его очень нелегко производить.
— В одном из телесюжетов о «ТепХоле» рассказывается, что в Северной Европе уже применяются методы обогрева, также использующие разницу температур и тепло из воды. Чем они отличаются от вашей технологии?
— Источники тепла здесь, действительно, одинаковые, как и термодинамические принципы, а разница состоит в том, что их устройство больше похоже не на аммиачный, а на обычный компрессионный фреоновый холодильник. У таких устройств есть контур, в котором вырабатывается холод, а сзади — решётка, где рассеивается тепло. То есть холодильник охлаждает холодильную камеру и греет комнату. В упомянутых обогревающих устройствах используется как раз это второе свойство.
В более широком плане, разрабатываемые в нашем институте подходы могут быть полезными не только для холодного климата, но и для рационального использования любых низкотемпературных тепловых отходов энергетики и промышленности (например, охлаждающей воды тепловых электростанций, и газов — побочных продуктов многих производств), транспорта и жилищно-коммунального хозяйства.
Беседовала Диана Хомякова
Фото: предоставлены Юрием Аристовым (анонс, 1, 2), автора (3)
