Енергія запасається. Забезпечення клітин енергією. Джерела енергії. Їжа, багата на енергію

Енергетичний обмін- це по-етапний розпад складних органічних сполук, що з виділенням енергії, що запасається в макроергічних зв'язках молекул АТФ і потім використовується у процесі життєдіяльності клітини, зокрема на біосинтез, тобто. пластичний обмін.

В аеробних організмах виділяють:

1. Підготовчий- Розщеплення біополімерів до мономерів.
2. Безкисневий- гліколіз – розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти.
3. Кисневий- розщеплення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу та води.

Підготовчий етап

На попередньому етапі енергетичного обміну відбувається розщеплення органічних сполук, що надійшли з їжею, на більш прості, зазвичай мономери. Так вуглеводи розщеплюються до цукрів, зокрема глюкози; білки – до амінокислот; жири - до гліцерину та жирних кислот.

Хоча у своїй виділяється енергія, вона запасається в АТФ і, отже, може бути використана згодом. Енергія розсіюється як тепла.

Розщеплення полімерів у багатоклітинних складноорганізованих тварин протікає в травному тракті під дією ферментів, що виділяються сюди залозами. Потім мономери, що утворилися, всмоктуються в кров в основному через кишечник. Вже кров'ю поживні речовини розносяться клітинами.

При цьому не всі речовини розкладаються до мономерів у системі травлення. Розщеплення багатьох відбувається безпосередньо у клітинах, у тому лізосомах. У одноклітинних організмів поглинені речовини потрапляють у травні вакуолі, де і перетравлюються.

Мономери, що утворилися, можуть використовуватися як для енергетичного, так і пластичного обміну. У першому випадку вони розщеплюються, по-друге – їх синтезуються компоненти самих клітин.

Безкисневий етап енергетичного обміну

Безкисневий етап протікає в цитоплазмі клітин і у разі аеробних організмів включає тільки гліколіз - ферментативне багатоступінчасте окиснення глюкози та її розщеплення до піровиноградної кислоти, яку також називають піруватом

Молекула глюкози містить шість атомів вуглецю. При гліколізі вона розщеплюється до двох молекул пірувату, що включає три атоми вуглецю. При цьому відщеплюється частина атомів водню, які передаються на кофермент НАД, який, у свою чергу, потім братиме участь у кисневому етапі.

Частина енергії, що виділяється при гліколізі, запасається в молекулах АТФ. На одну молекулу глюкози синтезується лише дві молекули АТФ.

Енергія, що залишилася в піруваті, запасена НАД, у аеробів далі буде вилучено на наступному етапі енергетичного обміну.

В анаеробних умовах, коли кисневого етапу клітинного дихання відсутня, піруват «знешкоджується» в молочну кислоту або піддається бродінню. У цьому енергія не запасається. Таким чином, тут корисний енергетичний вихід забезпечується малоефективним гліколізом.

Кисневий етап

Кисневий етап протікає в мітохондріях. У ньому виділяють два підетапи: цикл Кребса та окисне фосфорилювання. Кисень, що надходить у клітини, використовується тільки на другому. У циклі Кребса відбувається утворення та виділення вуглекислого газу.

Цикл Кребсапротікає в матриксі мітохондрій, здійснюється безліччю ферментів. У нього надходить не сама молекула піровиноградної кислоти (або жирної кислоти, амінокислоти), а ацетильна група, що відокремилася від неї за допомогою коферменту-А, що включає два атоми вуглецю колишнього пірувату. За багатоступінчастий цикл Кребса відбувається розщеплення ацетильної групи до двох молекул CO2 та атомів водню. Водень з'єднується з НАД та ФАД. Також відбувається синтез молекули ГДФ, що призводить до синтезу згодом АТФ.

На одну молекулу глюкози, з якої утворюється два пірувати, припадає два цикли Кребса. Отже, утворюється дві молекули АТФ. Якби енергетичний обмін закінчувався тут, то сумарно розщеплення молекули глюкози давало б чотири молекули АТФ (дві від гліколізу).

Окисне фосфорилюванняпротікає на кристах - виростах внутрішньої мембрани мітохондрій. Його забезпечує конвеєр ферментів та коферментів, що утворює так званий дихальний ланцюг, що закінчується ферментом АТФ-синтетазою.

З дихального ланцюга відбувається передача водню та електронів, що надійшли в нього від коферментів НАД та ФАД. Передача здійснюється таким чином, що протони водню накопичуються із зовнішнього боку внутрішньої мембрани мітохондрій, а останні ферменти в ланцюзі передають лише електрони.

Зрештою електрони передаються молекулам кисню, що є з внутрішньої сторони мембрани, у результаті вони заряджаються негативно. Виникає критичний рівень градієнта електричного потенціалу, що веде до переміщення протонів через канали АТФ-синтетази. Енергія руху протонів водню використовується для синтезу молекул АТФ, а самі протони поєднуються з аніонами кисню з утворенням молекул води.

Енергетичний вихід функціонування дихального ланцюга, виражений у молекулах АТФ, великий і сумарно становить від 32 до 34 молекул АТФ однією вихідну молекулу глюкози.

З клітин складаються всі живі організми, окрім вірусів. Вони забезпечують всі необхідні для життя рослини чи тварини процеси. Клітина сама може бути окремим організмом. І хіба така складна структура може жити без енергії? Звичайно, ні. То як же відбувається забезпечення клітин енергією? Воно базується на процесах, які ми розглянемо нижче.

Забезпечення клітин енергією: як це відбувається?

Деякі клітини отримують енергію ззовні, вони виробляють її самі. мають своєрідні "станції". І джерелом енергії у клітці є мітохондрія — органоїд, який її виробляє. У ньому відбувається процес клітинного дихання. За рахунок нього відбувається забезпечення клітин енергією. Однак присутні вони тільки у рослин, тварин та грибів. У клітинах бактерій мітохондрії відсутні. Тому забезпечення клітин енергією відбувається у основному з допомогою процесів бродіння, а чи не дихання.

Будова мітохондрії

Це двомембранний органоїд, який з'явився в еукаріотичній клітині в процесі еволюції в результаті поглинання нею дрібнішою.

Внутрішня мембрана має вирости, які називаються кристи, або гребені. На кристах відбувається процес клітинного дихання.

Те, що знаходиться всередині двох мембран називається матрикс. У ньому розташовані білки, ферменти, необхідні прискорення хімічних реакцій, і навіть молекули РНК, ДНК і рибосоми.

Клітинне дихання - основа життя

Воно проходить у три етапи. Давайте розглянемо кожен із них докладніше.

Перший етап - підготовчий

Під час цієї стадії складні органічні сполуки розщеплюються більш прості. Так, білки розпадаються до амінокислот, жири – до карбонових кислот та гліцерину, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів, а вуглеводи – до глюкози.

Гліколіз

Це безкисневий етап. Він у тому, що речовини, отримані під час першого етапу, розщеплюються далі. Головні джерела енергії, які використовує клітина на цьому етапі, — молекули глюкози. Кожна з них у процесі гліколізу розпадається до двох молекул пірувату. Це відбувається протягом десяти послідовних хімічних реакцій. Внаслідок перших п'яти глюкоза фосфорилюється, а потім розщеплюється на дві фосфотріози. При наступних п'яти реакціях утворюється дві молекули та дві молекули ПВК (піровиноградної кислоти). Енергія клітини і запасається у вигляді АТФ.

Весь процес гліколізу можна спрощено зобразити таким чином:

2НАД+ 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + З 6 Н 12 Про 6 → 2Н 2 Про + 2НАД. Н 2 +2С 3 Н 4 Про 3 + 2АТФ

Таким чином, використовуючи одну молекулу глюкози, дві молекули АДФ та дві фосфорної кислоти, клітина отримує дві молекули АТФ (енергія) та дві молекули піровиноградної кислоти, яку вона використовуватиме на наступному етапі.

Третій етап – окислення

Ця стадія відбувається лише за наявності кисню. Хімічні реакції цього етапу відбуваються у мітохондріях. Саме це і є основна частина, під час якої вивільняється найбільше енергії. На цьому етапі вступаючи в реакцію з киснем, розщеплюється до води та вуглекислого газу. Крім того, утворюється 36 молекул АТФ. Отже, можна дійти невтішного висновку, що основні джерела енергії у клітині — глюкоза і піровиноградна кислота.

Підсумовуючи всі хімічні реакції та опускаючи подробиці, можна виразити весь процес клітинного дихання одним спрощеним рівнянням:

6О 2 + З 6 Н 12 О 6 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 → 6СО 2 + 6Н2О + 38АТФ.

Таким чином, у ході дихання з однієї молекули глюкози, шести молекул кисню, тридцяти восьми молекул АДФ та такої ж кількості фосфорної кислоти клітина отримує 38 молекул АТФ, як і запасається енергія.

Різноманітність ферментів мітохондрій

Енергію для життєдіяльності клітина отримує за рахунок дихання - окиснення глюкози, а потім піровиноградної кислоти. Усі ці хімічні реакції не могли б проходити без ферментів – біологічних каталізаторів. Давайте розглянемо ті з них, які знаходяться в мітохондріях – органоїдах, які відповідають за клітинне дихання. Всі вони називаються оксидоредуктазами, тому що потрібні для забезпечення протікання окисно-відновних реакцій.

Усі оксидоредуктази можна розділити на дві групи:

• оксидази;
• дегідрогенази;

Дегідрогенази, у свою чергу, діляться на аеробні та анаеробні. Аеробні містять у своєму складі кофермент рибофлавіну, який організм отримує з вітаміну В2. Аеробні дегідрогенази містять як коферменти молекули НАД і НАДФ.

Оксидази різноманітніші. Насамперед вони поділяються на дві групи:

• ті, що містять мідь;
• ті, у складі яких є залізо.

До перших відносяться поліфенолоксидази, аскорбатоксидаза, до других – каталаза, пероксидаза, цитохроми. Останні, у свою чергу, поділяються на чотири групи:

• цитохроми a;
• цитохроми b;
• цитохроми c;
• цитохроми d.

Цитохроми а містять у своєму складі залізоформілпорфірин, цитохроми b - залізопротопорфірин, c - заміщений залізомезопорфірин, d - залізодигідропорфірин.

Чи можливі інші шляхи отримання енергії?

Незважаючи на те, що більшість клітин отримують її в результаті клітинного дихання, існують також анаеробні бактерії, для існування яких не потрібен кисень. Вони виробляють потрібну енергію шляхом бродіння. Це процес, у ході якого за допомогою ферментів вуглеводи розщеплюються без участі кисню, внаслідок чого клітина отримує енергію. Розрізняють кілька видів бродіння залежно від кінцевого продукту хімічних реакцій. Воно буває молочнокисле, спиртове, маслянокисле, ацетон-бутанове, лимоннокисле.

Наприклад розглянемо Його можна висловити ось таким рівнянням:

З 6 Н 12 Про 6 → З 2 Н 5 ВІН + 2СО 2

Тобто одну молекулу глюкози бактерія розщеплює до однієї молекули етилового спирту та двох молекул оксиду (IV) карбону.

Екологія споживання. Наука та техніка: Одна з основних проблем альтернативної енергетики – нерівномірність надходження її з відновлюваних джерел. Розглянемо, яким чином можна накопичити види енергії (хоча для практичного використання нам потім потрібно буде перетворити накопичену енергію або на електрику, або на тепло).

Однією з основних проблем альтернативної енергетики є нерівномірність надходження її з відновлюваних джерел. Сонце світить лише вдень і у безхмарну погоду, вітер то дме, а то вщухне. Та й потреби в електроенергії не постійні, наприклад, на освітлення вдень її потрібно менше, увечері – більше. А людям подобається, коли ночами міста та села залиті вогнями ілюмінацій. Ну, чи хоча б просто вулиці освітлені. Ось і постає завдання - зберегти отриману енергію на якийсь час, щоб використовувати тоді, коли потреба в ній максимальна, а надходження недостатньо.

Існує 6 основних видів енергії: гравітаційна, механічна, теплова, хімічна, електромагнітна та ядерна. На сьогодні людство навчилося створювати штучні акумулятори для енергії перших п'яти видів (ну, якщо не вважати, що наявні запаси ядерного палива мають штучне походження). Ось і розглянемо, яким чином можна накопичити і зберегти кожен із цих видів енергії (хоча для практичного використання нам потім потрібно буде перетворити накопичену енергію або на електрику, або на тепло).

Нагромаджувачі гравітаційної енергії

У накопичувачах цього на етапі накопичення енергії вантаж піднімається вгору, накопичуючи потенційну енергію, а потрібний момент опускається назад, повертаючи цю енергію з користю. Застосування як вантаж твердих тіл або рідин вносить свої особливості у конструкції кожного типу. Проміжне положення між ними займає використання сипких речовин (піску, свинцевого дробу, дрібних сталевих кульок тощо).

Гравітаційні твердотільні накопичувачі енергії

Суть гравітаційних механічних накопичувачів у тому, що певний вантаж піднімається на висоту й у потрібний час відпускається, змушуючи по ходу обертатися вісь генератора. Прикладом реалізації такого способу накопичення енергії може бути пристрій, запропонований каліфорнійською компанією Advanced Rail Energy Storage (ARES). Ідея проста: у той час, коли сонячні батареї та вітряки виробляють чимало енергії, спеціальні важкі вагони за допомогою електромоторів заганяються на гору. Вночі та ввечері, коли джерел енергії недостатньо для забезпечення споживачів, вагони спускаються вниз, і мотори, що працюють як генератори, повертають накопичену енергію назад у мережу.

Практично всі механічні накопичувачі цього класу мають дуже просту конструкцію, а отже, високу надійність і великий термін служби. Час зберігання одного разу запасеної енергії практично не обмежений, якщо тільки вантаж та елементи конструкції з часом не розсипляться від старості або корозії.

Енергію, запасену під час підняття твердих тіл, можна звільнити за дуже короткий час. Обмеження на потужність, що отримується з таких пристроїв, накладає тільки прискорення вільного падіння, що визначає максимальний темп наростання швидкості падаючого вантажу.

На жаль, питома енергоємність таких пристроїв невелика і визначається класичною формулою E = m · g · h. Таким чином, щоб запасти енергію для нагрівання 1 літра води від 20 до 100 ° С, треба підняти тонну вантажу як мінімум на висоту 35 метрів (або 10 тонн на 3.5 метра). Тому, коли виникає необхідність запасти енергії більше, це відразу призводить до необхідності створення громіздких і, як неминуче наслідок, дорогих споруд.

Недоліком таких систем є також те, що шлях, яким рухається вантаж, повинен бути вільним і досить прямим, а також необхідно виключити можливість випадкового попадання в цю область речей, людей та тварин.

Гравітаційні рідинні накопичувачі

На відміну від твердотільних вантажів, при використанні рідин немає необхідності у створенні прямих шахт великого перерізу на всю висоту підйому - рідина відмінно переміщається і по вигнутих трубах, перетин яких має бути достатнім для проходження по них максимального розрахункового потоку. Тому верхній та нижній резервуари необов'язково повинні розміщуватися один під одним, а можуть бути рознесені на досить велику відстань.

Саме до цього класу відносяться гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС).

Існують і менш масштабні гідравлічні накопичувачі гравітаційної енергії. Спочатку перекачуємо 10 т води з підземного резервуару (криниці) у ємність на вежі. Потім вода з ємності під дією сили тяжіння перетікає назад у резервуар, обертаючи турбіну з електрогенератором. Термін служби такого накопичувача може становити 20 років. Позитивні якості: при використанні вітродвигуна останній може безпосередньо приводити в рух водяний насос, вода з ємності на вежі може використовуватися для інших потреб.

На жаль, гідравлічні системи важче підтримувати в належному технічному стані, ніж твердотільні, - насамперед це стосується герметичності резервуарів та трубопроводів та справності запірного та перекачувального обладнання. І ще одна важлива умова - у моменти накопичення та використання енергії робоче тіло (принаймні його досить велика частина) має перебувати в рідкому агрегатному стані, а не перебувати у вигляді льоду або пари. Зате іноді в подібних накопичувачах можливе отримання додаткової дарової енергії, - скажімо, при поповненні верхнього резервуару талими або дощовими водами.

Накопичувачі механічної енергії

Механічна енергія проявляється при взаємодії, русі окремих тіл або їх частинок. До неї відносять кінетичну енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні, стисканні пружних тіл (пружин).

Гіроскопічні накопичувачі енергії

У гіроскопічних накопичувачах енергія запасається у вигляді кінетичної енергії маховика, що швидко обертається. Питома енергія, що запасається на кожен кілограм ваги маховика, значно більша за ту, що можна запасти в кілограмі статичного вантажу, навіть піднявши його на велику висоту, а останні високотехнологічні розробки обіцяють щільність накопиченої енергії, порівнянну із запасом хімічної енергії в одиниці маси найбільш ефективних видів палива.

Інший величезний плюс маховика - це можливість швидкої віддачі або прийому дуже великої потужності, обмеженої лише межею міцності матеріалів у разі механічної передачі або "пропускною здатністю" електричної, пневматичної або гідравлічної передач.

На жаль, маховики чутливі до струсу і поворотів у площинах, відмінних від площини обертання, оскільки при цьому виникають величезні гіроскопічні навантаження, що прагнуть погнути вісь. До того ж час зберігання накопиченої маховиком енергії відносно невеликий і для традиційних конструкцій зазвичай становить від кількох секунд до кількох годин. Далі втрати енергії на тертя стають надто помітними… Втім, сучасні технологіїдозволяють кардинально збільшити час зберігання – аж до кількох місяців.

Нарешті, ще один неприємний момент - запасена маховиком енергія прямо залежить від його швидкості обертання, тому в міру накопичення або віддачі енергії швидкість обертання постійно змінюється. У той же час у навантаженні дуже часто потрібна стабільна швидкість обертання, що не перевищує кількох тисяч обертів на хвилину. Тому чисто механічні системи передачі енергії на маховик і назад можуть виявитися занадто складними у виготовленні. Іноді спростити ситуацію може електромеханічна передача з використанням мотор-генератора, розміщеного на одному валу з маховиком або пов'язаного з ним жорстким редуктором. Але тоді неминучі втрати енергії на нагрівання проводів і обмоток, які можуть бути набагато вищими, ніж втрати на тертя і прослизання в хороших варіаторах.

Особливо перспективними є так звані супермаховики, що складаються з витків сталевої стрічки, дроту або високоміцного синтетичного волокна. Навивка може бути щільною, а може мати спеціально залишений порожній простір. В останньому випадку в міру розкручування маховика витки стрічки переміщуються від його центру до периферії обертання, змінюючи момент інерції маховика, а якщо пружинна стрічка, то і запасаючи частина енергії в енергії пружної деформації пружини. В результаті в таких маховиках швидкість обертання не так прямо пов'язана з накопиченою енергією і набагато стабільніше, ніж у найпростіших цілісних конструкціях, а їх енергоємність помітно більша.

Крім більшої енергоємності, вони більш безпечні у разі різних аварій, так як на відміну від уламків великого монолітного маховика, за своєю енергії і руйнівною силою порівнянних з гарматними ядрами, уламки пружини мають набагато меншу «вражаючу здатність» і зазвичай досить ефективно гальмують лопнувши. рахунок тертя об стінки корпусу. З цієї ж причини і сучасні цільнотілі маховики, розраховані на роботу в режимах, близьких до переділу міцності матеріалу, часто виготовляються не монолітними, а з тросів або волокон, просочених сполучною речовиною.

Сучасні конструкції з вакуумною камерою обертання та магнітним підвісом супермаховика з кевларового волокна забезпечують щільність запасеної енергії понад 5 МДж/кг, причому можуть зберігати кінетичну енергію тижнями та місяцями. За оптимістичними оцінками, використання для навивки надміцного «суперкарбонового» волокна дозволить збільшити швидкість обертання і питому щільність енергії, що запасається, ще в багато разів - до 2-3 ГДж/кг (обіцяють, що однієї розкрутки такого маховика вагою 100-150 кг вистачить для пробігу в мільйон кілометрів і більше, тобто фактично на весь час життя автомобіля!). Проте вартість цього волокна поки що також у багато разів перевищує вартість золота, так що подібні машини ще не по кишені навіть арабським шейхам. Докладніше про маховичні накопичувачі можна почитати в книзі Нурбея Гуліа.

Гірорезонансні накопичувачі енергії

Ці накопичувачі являють собою той самий маховик, але виконаний з еластичного матеріалу (наприклад, гуми). Через війну в нього виникають принципово нові характеристики. У міру наростання обертів на такому маховику починають утворюватися «вирости»-«пелюстки» - спочатку він перетворюється на еліпс, потім на «квітку» з трьома, чотирма і більше «пелюстками»… При цьому після початку утворення «пелюсток» швидкість обертання маховика вже практично не змінюється, а енергія запасається в резонансній хвилі пружної деформації матеріалу маховика, що формує ці пелюстки.

Такими конструкціями наприкінці 1970-х та на початку 1980-х років у Донецьку займався Н.З.Гармаш. Отримані ним результати вражають - за його оцінками, при робочій швидкості маховика, що становить всього 7-8 тисяч об/хв, запасної енергії було достатньо для того, щоб автомобіль міг проїхати 1500 км проти 30 км зі звичайним маховиком тих самих розмірів. На жаль, свіжіші відомості про цей тип накопичувачів невідомі.

Механічні накопичувачі з використанням сил пружності

Цей клас пристроїв має дуже велику питому ємність енергії, що запасається. За необхідності дотримання невеликих габаритів (кілька сантиметрів) його енергоємність – найбільша серед механічних накопичувачів. Якщо вимоги до масогабаритних характеристик не настільки жорсткі, то великі надшвидкісні маховики перевершують його за енергоємністю, але вони набагато чутливіші до зовнішніх факторів і мають набагато менший час зберігання енергії.

Пружинні механічні накопичувачі

Стиснення та розпрямлення пружини здатне забезпечити дуже велику витрату та надходження енергії в одиницю часу – мабуть, найбільшу механічну потужність серед усіх типів накопичувачів енергії. Як і в маховиках, вона обмежена лише межею міцності матеріалів, але пружини зазвичай реалізують робочий поступальний рух безпосередньо, а в маховиках без досить складної передачі не обійтися (не випадково в пневматичній зброї використовуються або механічні бойові пружини, або балончики з газом, які за своєю суті є попередньо зарядженими пневматичними пружинами, до появи вогнепальної зброї для бою на дистанції застосовувалася також пружинна зброя - луки і арбалети, ще задовго до нової ери повністю витіснили в професійних військ пращу з її кінетичним накопиченням енергії).

Термін зберігання накопиченої енергії у стиснутій пружині може становити багато років. Однак слід враховувати, що під дією постійної деформації будь-який матеріал з часом накопичує втому, а кристалічна решітка металу пружини потихеньку змінюється, причому чим більше внутрішні напруги і чим вище навколишня температура, тим швидше і в більшою міроюце трапиться. Тому через кілька десятиліть стиснута пружина, не змінившись зовні, може бути «розрядженою» повністю або частково. Проте якісні сталеві пружини, якщо вони не піддаються перегріву або переохолодженню, здатні працювати століттями без видимої втрати ємності. Наприклад, старовинні настінні механічні годинники з одного повного заводу, як і раніше, йдуть два тижні - як і більше півстоліття тому, коли вони були виготовлені.

При необхідності поступової рівномірної «зарядки» і «розрядки» пружини, що забезпечує це механізм, може виявитися дуже складним і примхливим (загляньте в ті ж механічні годинники - по суті, безліч шестерень та інших деталей служать саме цій меті). Спростити ситуацію може електромеханічна передача, але вона зазвичай накладає суттєві обмеження на миттєву потужність такого пристрою, а при роботі з малими потужностями (кілька сотень ват і менше) її ККД дуже низький. Окремим завданням є накопичення максимальної енергії в мінімальному обсязі, так як при цьому виникають механічні напруги, близькі до межі міцності матеріалів, що вимагає особливо ретельних розрахунків і бездоганної якості виготовлення.

Говорячи тут про пружини, потрібно мати на увазі не тільки металеві, але й інші ціліснотілі пружні елементи. Найпоширеніші серед них – це гумові джгути. До речі, за енергією, що запасається на одиницю маси, гума перевершує сталь в десятки разів, зате і служить вона приблизно в стільки ж разів менше, причому, на відміну від сталі, втрачає свої властивості вже через кілька років навіть без активного використання і при ідеальних зовнішніх умов - в силу щодо швидкого хімічного старіння та деградації матеріалу.

Газові механічні накопичувачі

У цьому вся класі пристроїв енергія накопичується рахунок пружності стисненого газу. При надлишку енергії компресор закачує газ у балон. Коли потрібно використовувати запасну енергію, стислий газ подається в турбіну, що безпосередньо виконує необхідну механічну роботу або обертає електрогенератор. Замість турбіни можна використовувати поршневий двигун, який ефективніший при невеликих потужностях (до речі, існують і оборотні поршневі двигуни-компресори).

Майже кожен сучасний промисловий компресор оснащений подібним акумулятором - ресівером. Правда, тиск там рідко перевищує 10 атм, і тому запас енергії в такому ресівері не дуже великий, але це зазвичай дозволяє в кілька разів збільшити ресурс установки і заощадити енергію.

Газ, стиснений до тиску в десятки і сотні атмосфер, може забезпечити досить високу питому щільність запасеної енергії протягом практично необмеженого часу (місяці, роки, а при високій якості ресивера та запірної арматури - десятки років, - недарма пневматичне зброю, що використовує балончики зі стиснутим) газом, набуло такого широкого поширення). Однак компресор з турбіною або поршневий двигун, що входять до складу установки, - пристрої досить складні, примхливі і мають дуже обмежений ресурс.

Перспективною технологією створення запасів енергії є стиснення повітря за рахунок доступної енергії в той час, коли безпосередня потреба в останній відсутня. Стиснене повітря охолоджується і зберігається при тиску 60-70 атмосфер. При необхідності витрачати запасену енергію, повітря витягується з накопичувача, нагрівається, а потім надходить у спеціальну газову турбіну, де енергія стисненого та нагрітого повітря обертає щаблі турбіни, вал якої з'єднаний з електричним генератором, що видає електроенергію в енергосистему.

Для зберігання стисненого повітря пропонується, наприклад, використовувати підходящі гірничі виробки або підземні ємності, що спеціально створюються, в соляних породах. Концепція не нова, зберігання стисненого повітря в підземній печері було запатентовано ще 1948 року, а перший завод із накопичувачем енергії стисненого повітря (CAES - compressed air energy storage) з потужністю 290 МВт працює на електростанції Huntorf у Німеччині з 1978 року. На етапі стиснення повітря велика кількість енергії втрачається як тепла. Ця втрачена енергія повинна бути компенсована стиснутому повітрі до етапу розширення в газовій турбіні, для цього використовується вуглеводневе паливо, за допомогою якого підвищують температуру повітря. Це означає, що установки мають далеко не стовідсотковий ККД.

Існує перспективний напрямокпідвищення ефективності CAES. Воно полягає у утриманні та збереженні тепла, що виділяється при роботі компресора на етапі стиснення та охолодження повітря, з подальшим його повторним використанням при зворотному нагріванні холодного повітря (т.зв. рекуперація). Проте цей варіант CAES має суттєві технічні складності, особливо у напрямку створення системи тривалого збереження тепла. У разі вирішення цих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) може прокласти шлях для великомасштабних систем зберігання енергії, проблема була піднята дослідниками у всьому світі.

Учасники канадського стартапу Hydrostor запропонували інше незвичайне рішення – закачувати енергію у підводні бульки.

Накопичення теплової енергії

У наших кліматичних умовах дуже істотна (часто - основна) частина енергії, що споживається, витрачається на обігрів. Тому було б дуже зручно акумулювати в накопичувачі безпосередньо тепло, а потім отримувати його назад. На жаль, здебільшого щільність запасеної енергії дуже мала, а терміни її збереження дуже обмежені.

Існують теплові акумулятори з твердим або плавиться теплоакумулюючим матеріалом; рідинні; парові; термохімічні; з електронагрівальним елементом. Теплові акумулятори можуть підключатися до системи з твердопаливним котлом, геліосистеми або комбінованої системи.

Накопичення енергії рахунок теплоємності

У накопичувачах цього акумулювання тепла здійснюється за рахунок теплоємності речовини, що служить робочим тілом. Класичним прикладом теплового акумулятора може бути російська піч. Її протоплювали раз на день і вона потім обігрівала будинок протягом доби. В наш час під тепловим акумулятором найчастіше мають на увазі ємності для зберігання гарячої води, обшиті матеріалом із високими теплоізоляційними властивостями.

Існують теплоакумулятори і на основі твердих теплоносіїв, наприклад, в керамічній цеглині.

Різні речовини мають різну теплоємність. У більшості вона знаходиться в межах від 0.1 до 2 кДж/(кг К). Аномально великий теплоємністю має вода - її теплоємність у рідкій фазі становить приблизно 4.2 кДж/(кг·К). Більш високу теплоємність має тільки екзотичний літій - 4.4 кДж/(кг·К).

Однак крім питомої теплоємності (за масою) треба враховувати і об'ємну теплоємність, що дозволяє визначити, скільки тепла потрібно, щоб змінити на ту саму величину температуру одного і того ж обсягу різних речовин. Вона обчислюється зі звичайної питомої (масової) теплоємності множенням її на питому щільність відповідної речовини. На об'ємну теплоємність слід орієнтуватися тоді, коли важливіший обсяг теплоакумулятора, ніж його вага.

Наприклад, питома теплоємність стали всього 0.46 кДж/(кг·К), але щільність 7800 кг/куб.м, а, скажімо, у поліпропілену - 1.9 кДж/(кг·К) - у 4 з лишком рази більша, проте щільність його складає всього 900 кг/куб. Тому при однаковому обсязі сталь зможе запасти в 2.1 рази більше тепла, ніж поліпропілен, хоч і буде важчою майже в 9 разів. Втім, завдяки аномально великій теплоємності води жоден матеріал не може перевершити її за об'ємною теплоємністю. Однак об'ємна теплоємність заліза та його сплавів (сталь, чавун) відрізняється від води менш ніж на 20% - в одному кубічному метрі вони можуть запасти більше 3.5 МДж тепла на кожен градус зміни температури, трохи менше об'ємна теплоємність у міді - 3.48 МДж / (Куб.м · До). Теплоємність повітря в нормальних умовахстановить приблизно 1 кДж/кг, або 1.3 кДж/куб.м, тому щоб нагріти кубометр повітря на 1°, достатньо остудити на той самий градус трохи менше 1/3 літра води (природно, гарячішою за повітря).

Через простоту пристрою (що може бути простіше нерухомого суцільного шматка твердої речовини або закритого резервуара з рідким теплоносієм?) подібні накопичувачі енергії мають практично необмежену кількість циклів накопичення-віддачі енергії і дуже тривалий термін служби - для рідких теплоносіїв до висихання рідини або до пошкодження резервуара від корозії чи інших причин, для твердотілих відсутні ці обмеження. Але час зберігання дуже обмежена і, як правило, становить від декількох годин до декількох діб - на більший термін звичайна теплоізоляція утримати тепло вже не здатна, та й питома щільність запасається енергії невелика.

Нарешті, слід підкреслити ще одну обставину - для ефективної роботиважлива як теплоємність, а й теплопровідність речовини теплоакумулятора. При високій теплопровідності навіть на досить швидкі зміни зовнішніх умов теплоакумулятор відреагує всією своєю масою, а отже, і всією запасною енергією - тобто максимально ефективно.

У разі поганої теплопровідності зреагувати встигне тільки поверхнева частина теплоакумулятора, а до глибинних шарів короткочасні зміни зовнішніх умов просто не встигнуть дійти, і істотна частина речовини такого теплоакумулятора буде фактично виключена з роботи.

Поліпропілен, згаданий у розглянутому трохи вище прикладі, має теплопровідність майже в 200 разів менше, ніж сталь, і тому, незважаючи на досить велику питому теплоємність, ефективним теплоакумулятором бути не може. Втім, технічно проблема легко вирішується організацією спеціальних каналів для циркуляції теплоносія всередині теплоакумулятора, але очевидно, що таке рішення суттєво ускладнює конструкцію, знижує її надійність та енергоємність і неодмінно вимагатиме періодичного техобслуговування, яке навряд чи потрібно монолітному шматку речовини.

Як це не здасться дивним, іноді потрібно накопичувати і зберігати не тепло, а холод. У США вже понад десять років працюють компанії, які пропонують акумулятори на основі льоду для установки в кондиціонери повітря. У нічний час, коли електроенергії надміру і вона продається за зниженими тарифами, кондиціонер заморожує воду, тобто переходить в режим холодильника. Вдень він споживає в кілька разів менше енергії, працюючи як вентилятор. Енергопрожерливий компресор на цей час вимикається. .

Накопичення енергії при зміні фазового стану речовини

Якщо уважно подивитися на теплові параметри різних речовин, то можна побачити, що за зміни агрегатного стану (плавлення-твердіння, випаровування-конденсації) відбувається значне поглинання або виділення енергії. Для більшості речовин теплової енергії таких перетворень достатньо, щоб змінити температуру тієї ж кількості цієї речовини на багато десятків, а то й сотні градусів у тих діапазонах температур, де його агрегатний стан не змінюється. Адже, як відомо, поки агрегатний стан всього обсягу речовини не стане одним і тим же, його температура практично постійна! Тому було б дуже привабливо накопичувати енергію за рахунок зміни агрегатного стану - енергії накопичується багато, а температура змінюється мало, так що в результаті не потрібно вирішувати проблеми, пов'язані з нагріванням до високих температур, і водночас можна отримати хорошу ємність такого теплоакумулятора.

Плавлення та кристалізація

На жаль, нині практично немає дешевих, безпечних та стійких до розкладання речовин з великою енергією. фазового переходу, температура плавлення яких лежала б у найбільш актуальному діапазоні - приблизно від +20°С до +50°С (максимум +70°С - це відносно безпечна і легко досяжна температура). Як правило, в цьому діапазоні температур плавляться складні органічні сполуки, аж ніяк не корисні для здоров'я і часто швидко окислюються на повітрі.

Мабуть, найбільш підходящими речовинами є парафіни, температура плавлення більшості яких, залежно від сорту, лежить в діапазоні 40..65°С (правда, існують і «рідкі» парафіни з температурою плавлення 27°С і менше, а також споріднений з парафінами природний озокерит, температура плавлення якого лежить у межах 58...100°С). І парафіни, і озокерит цілком безпечні і використовуються навіть у медичних цілях для безпосереднього прогріву хворих місць на тілі.

Однак при хорошій теплоємності теплопровідність їх дуже мала - мала настільки, що прикладений до тіла парафін або озокерит, нагрітий до 50-60°С, відчувається лише приємно гарячим, але не обпалюючим, як це було б з водою, нагрітою до тієї ж температури, - Для медицини це добре, але для теплоакумулятора це безумовний мінус. Крім того, ці речовини не такі вже й дешеві, скажімо, оптова ціна на озокерит у вересні 2009 р. становила близько 200 рублів за кілограм, а кілограм парафіну коштував від 25 рублів (технічний) до 50 і вище (високоочищений харчовий, тобто. придатний для використання під час упаковки продуктів). Це оптові ціни для партій у кілька тонн, уроздріб все дорожче як мінімум рази на півтора.

В результаті економічна ефективність парафінового теплоакумулятора виявляється під великим питанням, - адже кілограм-другий парафіну або озокериту годиться лише для медичного прогріву попереку, що заломив, протягом пари десятків хвилин, а для забезпечення стабільної температури більш-менш просторого житла в перебігу хоча б доби маса парафінового теплоак повинна вимірюватися тоннами, тому його вартість відразу наближається до вартості легкового автомобіля(щоправда, нижнього цінового сегмента)!

Та й температура фазового переходу в ідеалі все ж таки повинна точно відповідати комфортному діапазону (20..25°С) - інакше все одно доведеться організовувати якусь систему регулювання теплообміну. Тим не менш, температура плавлення в районі 50..54°С, характерна для високоочищених парафінів, у поєднанні з високою теплотою фазового переходу (трохи більше 200 кДж/кг) дуже добре підходить для теплоакумулятора, розрахованого на забезпечення гарячого водопостачання та водяного опалення, проблема лише в невисокій теплопровідності та високій ціні парафіну.

Зате у випадку форс-мажору сам парафін можна використовувати як паливо з хорошою теплотворною здатністю (хоча зробити це не так просто - на відміну від бензину або гасу, рідкий і тим більше твердий парафін на повітрі не горить, обов'язково потрібен гніт або інший пристрій подачі в зону горіння не самого парафіну, а лише його пари)!

Прикладом накопичувача теплової енергії на основі ефекту плавлення та кристалізації може бути система зберігання теплової енергії TESS на основі кремнію, яку розробила австралійська компанія Latent Heat Storage.

Випаровування та конденсація

Теплота випаровування-конденсації, як правило, у кілька разів перевищує теплоту плавлення-кристалізації. І начебто є не так вже й мало речовин, що випаровуються в потрібному діапазоні температур. Крім відверто отруйних сірковуглецю, ацетону, етилового ефіру тощо, є й етиловий спирт (його відносна безпека щодня доводиться на особистому прикладі мільйонами алкоголіків по всьому світу!). В нормальних умовах спирт кипить при 78°С, а його теплота випаровування в 2.5 рази більша за теплоту плавлення води (льоду) і еквівалентна нагріванню тієї ж кількості рідкої води на 200°.

Однак на відміну від плавлення, коли зміни обсягу речовини рідко перевищують кілька відсотків, при випаровуванні пар займає весь наданий йому обсяг. І якщо цей обсяг буде необмежений, то пара випарується, безповоротно несучи з собою всю накопичену енергію. У замкнутому ж обсязі відразу почне зростати тиск, перешкоджаючи випаровування нових порцій робочого тіла, як це має місце у звичайній скороварці, тому зміну агрегатного стану відчуває лише невеликий відсоток робочої речовини, решта ж продовжує нагріватися, перебуваючи в рідкій фазі. Тут відкривається велике поле діяльності для винахідників – створення ефективного теплоакумулятора на основі випаровування та конденсації з герметичним змінним робочим об'ємом.

Фазові переходи другого роду

Крім фазових переходів, пов'язаних із зміною агрегатного стану, деякі речовини та в рамках одного агрегатного стану можуть мати кілька різних фазових станів. Зміна таких фазових станів, як правило, також супроводжується помітним виділенням або поглинанням енергії, хоча зазвичай значно менш значним, ніж при зміні агрегатного стану речовини. Крім того, у багатьох випадках при подібних змінах на відміну від зміни агрегатного стану має місце температурний гістерезис – температури прямого та зворотного фазового переходу можуть суттєво відрізнятися, іноді на десятки і навіть на сотні градусів.

Електричні накопичувачі енергії

Електрика - найбільш зручна та універсальна форма енергії в сучасному світі. Не дивно, що саме накопичувачі електричної енергії розвиваються найшвидше. На жаль, у більшості випадків питома ємність недорогих пристроїв невелика, а пристрої з високою питомою ємністю поки що занадто дорогі для зберігання великих запасів енергії при масовому застосуванні і дуже недовговічні.

Конденсатори

Наймасовіші «електричні» накопичувачі енергії – це звичайні радіотехнічні конденсатори. Вони мають величезну швидкість накопичення і віддачі енергії - як правило, від кількох тисяч до багатьох мільярдів повних циклів за секунду, і здатні так працювати в широкому діапазоні температур багато років, а то й десятиліття. Поєднуючи кілька конденсаторів паралельно, легко можна збільшити їхню сумарну ємність до потрібної величини.

Конденсатори можна розділити на два великі класи – неполярні (як правило, «сухі», тобто не містять рідкого електроліту) і полярні (зазвичай електролітичні). Використання рідкого електроліту забезпечує істотно більшу питому ємність, але майже завжди вимагає дотримання полярності при підключенні. Крім того, електролітичні конденсатори часто більш чутливі до зовнішніх умов, насамперед до температури і мають менший термін служби (з часом електроліт випаровується і висихає).

Однак у конденсаторів є два основних недоліки. По-перше, це дуже мала питома щільність енергії, що запасається, і тому невелика (щодо інших видів накопичувачів) ємність. По-друге, це малий час зберігання, який зазвичай обчислюється хвилинами і секундами і рідко перевищує кілька годин, а в деяких випадках становить лише малі частки секунди. В результаті область застосування конденсаторів обмежується різними електронними схемами та короткочасним накопиченням, достатнім для випрямлення, корекції та фільтрації струму в силовій електротехніці - на більше їх поки що не вистачає.

Іоністори

Іоністори, які іноді називають «суперконденсаторами», можна розглядати як своєрідну проміжну ланку між електролітичними конденсаторами та електрохімічними акумуляторами. Від перших вони успадкували практично необмежену кількість циклів заряду-розряду, а від других - відносно невисокі струми зарядки та розрядки (цикл повної зарядки-розрядки може тривати секунду, а то й набагато довше). Ємність їх також знаходиться в діапазоні між найбільш ємними конденсаторами і невеликими акумуляторами - зазвичай запас енергії становить від одиниць до кількох сотень джоулів.

Додатково слід зазначити досить високу чутливість іоністорів до температури та обмежений час зберігання заряду – від кількох годин до кількох тижнів максимум.

Електрохімічні акумулятори

Електрохімічні акумулятори були винайдені ще на початку розвитку електротехніки, і зараз їх можна зустріти всюди - від мобільного телефону до літаків і кораблів. Взагалі, вони працюють на основі деяких хімічних реакцій і тому їх можна було б віднести до наступного розділу нашої статті – «Хімічні накопичувачі енергії». Але оскільки цей момент зазвичай не наголошується, а звертається увага на те, що акумулятори накопичують електрику, розглянемо їх тут.

Як правило, при необхідності запасати досить велику енергію – від кількох сотень кілоджоулів і більше – використовуються свинцево-кислотні акумулятори (приклад – будь-який автомобіль). Однак вони мають чималі габарити та, головне, вагу. Якщо ж потрібна мала вага і мобільність пристрою, то використовуються більш сучасні типи акумуляторів - нікель-кадмієві, метал-гідридні, літій-іонні, полімер-іонні та ін. помітно вище, тому їх застосування зазвичай обмежується відносно невеликими та економічними пристроями, такими як мобільні телефони, фото- та відеокамери, ноутбуки тощо.

Останнім часом на гібридних автомобілях та електромобілях почали застосовуватися потужні літій-іонні акумулятори. Крім меншої ваги та більшої питомої ємності, на відміну від свинцево-кислотних вони дозволяють практично повністю використовувати свою номінальну ємність, вважаються більш надійними та мають більший термін служби, а їхня енергетична ефективність у повному циклі перевищує 90%, у той час як енергетична ефективність свинцевих акумуляторів при заряді останніх 20% ємності може зменшуватися до 50%.

За режимом використання електрохімічні акумулятори (насамперед потужні) також поділяються на два великі класи - так звані тягові та стартові. Зазвичай стартовий акумулятор досить успішно може працювати як тяговий (головне - контролювати ступінь розряду і не доводити його до такої глибини, яка допустима для тягових акумуляторів), а ось при зворотному застосуванні занадто великий струм навантаження може дуже швидко вивести тяговий акумулятор з ладу.

До недоліків електрохімічних акумуляторів можна віднести дуже обмежену кількість циклів заряду-розряду (у більшості випадків від 250 до 2000, а при недотриманні рекомендацій виробників - набагато менше), і навіть за відсутності активної експлуатації більшість типів акумуляторів через кілька років деградують, втрачаючи свої потреби. .

При цьому термін служби багатьох видів акумуляторів не з початку їх експлуатації, а з моменту виготовлення. Крім того, для електрохімічних акумуляторів характерні чутливість до температури, тривалий час заряду, іноді в десятки разів перевищує час розряду, і необхідність дотримання методики використання (недопущення глибокого розряду для свинцевих акумуляторів і, навпаки, дотримання повного циклу заряду-розряду для метал-гідр багатьох інших типів акумуляторів). Час зберігання заряду також досить обмежений - зазвичай від тижня до року. У старих акумуляторів зменшується не тільки ємність, але й час зберігання, причому те й інше може скоротитися в багато разів.

Розробки з метою створення нових типів електричних акумуляторів та вдосконалення наявних пристроїв не припиняються.

Хімічні накопичувачі енергії

Хімічна енергія – це енергія, «запасена» в атомах речовин, яка вивільняється чи поглинається при хімічних реакціях між речовинами. Хімічна енергія або виділяється у вигляді теплової при проведенні екзотермічних реакцій (наприклад, горінні палива), або перетворюється на електричну в гальванічних елементах та акумуляторах. Ці джерела енергії характеризуються високим ККД (до 98%), але низькою ємністю.

Хімічні накопичувачі енергії дають змогу отримувати енергію як у тому вигляді, з якого вона запасалася, так і в будь-якому іншому. Можна виділити «паливні» та «безпаливні» різновиди. На відміну від низькотемпературних термохімічних накопичувачів (про них трохи пізніше), які можуть запасти енергію, просто будучи поміщеними в досить тепле місце, тут не обійтися без спеціальних технологій та високотехнологічного обладнання, іноді дуже громіздкого. Зокрема, якщо у разі низькотемпературних термохімічних реакцій суміш реагентів зазвичай не розділяється і завжди знаходиться в одній і тій же ємності, реагенти для високотемпературних реакцій зберігаються окремо один від одного і з'єднуються лише тоді, коли необхідно отримати енергію.

Накопичення енергії напрацюванням палива

На етапі накопичення енергії відбувається хімічна реакція, в результаті якої відновлюється паливо, наприклад, з води виділяється водень - прямим електролізом, електрохімічних осередках з використанням каталізатора або за допомогою термічного розкладання, скажімо, електричною дугою або сильно сконцентрованим сонячним світлом. Окислювач, що «звільнився», може бути зібраний окремо (для кисню це необхідно в умовах замкнутого ізольованого об'єкта - під водою або в космосі) або за непотрібністю «викинутий», оскільки в момент використання палива цього окислювача буде цілком достатньо в навколишньому середовищі і немає необхідності витрачати місце та кошти на його організоване зберігання.

На етапі вилучення енергії напрацьоване паливо окислюється з виділенням енергії безпосередньо в потрібної формінезалежно від того, яким способом було отримано це паливо. Наприклад, водень може дати відразу тепло (при спалюванні в пальнику), механічну енергію (при подачі його як паливо у двигун внутрішнього згоряння або турбіну) або електрику (при окисленні в паливному осередку). Як правило, такі реакції окиснення вимагають додаткової ініціації (запалювання), що дуже зручно для управління процесом вилучення енергії.

Цей спосіб дуже привабливий незалежністю етапів накопичення енергії («зарядки») та її використання («розрядки»), високою питомою ємністю енергії, що запасається в паливі (десятки мегаджоулів на кожен кілограм палива) і можливістю тривалого зберігання (при забезпеченні належної герметичності ємностей - багато років ). Однак його широкому поширенню перешкоджає неповна відпрацьованість та дорожнеча технології, висока пожежо- та вибухонебезпечність на всіх стадіях роботи з таким паливом, і, як наслідок, необхідність високої кваліфікації персоналу при обслуговуванні та експлуатації цих систем. Незважаючи на ці недоліки у світі розробляються різні установки, що використовують водень як резервне джерело енергії.

Накопичення енергії за допомогою термохімічних реакцій

Давно і широко відома велика група хімічних реакцій, які в закритій посудині при нагріванні йдуть в один бік із поглинанням енергії, а при охолодженні - у зворотний із виділенням енергії. Такі реакції часто називають термохімічними. Енергетична ефективність таких реакцій, як правило, менша, ніж при зміні агрегатного стану речовини, проте теж дуже помітна.

Подібні термохімічні реакції можна розглядати як свого роду зміну фазового стану суміші реагентів, і проблеми тут виникають приблизно ті ж - важко знайти дешеву, безпечну та ефективну суміш речовин, що успішно діє подібним чином у діапазоні температур від +20°С до +70°С. Втім, один подібний склад відомий вже давно – це глауберова сіль.

Мірабіліт (він же глауберова сіль, він же десятиводний сульфат натрію Na2SO4 · 10H2O) одержують у результаті елементарних хімічних реакцій (наприклад, при додаванні кухонної солів сірчану кислоту) або видобувають у «готовому вигляді» як корисну копалину.

З точки зору акумуляції тепла найбільше цікава особливістьМірабіліта полягає в тому, що при підвищенні температури вище 32°С пов'язана вода починає звільнятися, і зовні це виглядає як «плавлення» кристалів, які розчиняються в воді, що виділилася з них. При зниженні температури до 32 ° С вільна вода знову зв'язується в структуру кристалогідрату - відбувається «кристалізація». Але найголовніше - теплота цієї реакції гідратації-дегідратації дуже велика і становить 251 кДж/кг, що помітно вище за теплоту «чесного» плавлення-кристалізації парафінів, хоча і на третину менше, ніж теплота плавлення льоду (води).

Таким чином, теплоакумулятор на основі насиченого розчину мірабіліту (насиченого саме при температурі вище 32°С) може ефективно підтримувати температуру на рівні 32°З великим ресурсом накопичення або віддачі енергії. Звичайно, для повноцінного гарячого водопостачання ця температура дуже низька (душ з такою температурою найкращому випадкусприймається як «дуже прохолодний»), але для підігріву повітря такої температури може виявитися цілком достатньо.

Безпаливне хімічне накопичення енергії

В даному випадку на етапі заряджання з одних хімічних речовинутворюються інші, і в ході цього процесу в нових хімічних зв'язках, що утворюються, запасається енергія (скажімо, гашене вапно за допомогою нагріву переводиться в негашений стан).

При «розрядці» відбувається зворотна реакція, що супроводжується виділенням раніше запасеної енергії (зазвичай у вигляді тепла, іноді додатково у вигляді газу, який можна подати в турбіну) - зокрема, саме це має місце при «гашенні» вапна. На відміну від паливних методів, для початку реакції зазвичай досить просто з'єднати реагенти один з одним – додаткова ініціація процесу (запалювання) не потрібна.

По суті, це різновид термохімічної реакції, проте на відміну від низькотемпературних реакцій, описаних при розгляді теплових накопичувачів енергії і не потребують якихось особливих умов, тут йдеться про температури в сотні, а то й тисячі градусів. В результаті кількість енергії, що запасається в кожному кілограмі робочої речовини, суттєво зростає, але й обладнання набагато складніше, об'ємніше і дорожче, ніж порожні пластикові пляшки або простий бак для реагентів.

Необхідність витрати додаткової речовини - скажімо, води для гасіння вапна - не є істотним недоліком (при необхідності можна зібрати воду, що виділяється при переході вапна в негашений стан). А ось особливі умови зберігання цього самого негашеного вапна, порушення яких загрожує не тільки хімічними опіками, а й вибухом, переводять цей і йому подібні способи в розряд тих, які навряд чи вийдуть у широке життя.

Інші типи накопичувачів енергії

Крім описаних вище, є інші типи накопичувачів енергії. Проте в даний час вони дуже обмежені за щільністю енергії, що запасається, і часу її зберігання за високої питомої вартості. Тому поки що вони більше застосовуються для розваги, які експлуатація в скільки-небудь серйозних цілях не розглядається. Прикладом є фосфорецирующие фарби, що запасають енергію від яскравого джерела світла і потім що світяться протягом кількох секунд, або навіть довгих хвилин. Їхні сучасні модифікації вже давно не містять отруйного фосфору і цілком безпечні навіть для використання в дитячих іграшках.

Суперпровідні накопичувачі магнітної енергії зберігають її в полі великої магнітної котушки з постійним струмом. Вона може бути перетворена на змінний електричний струм при необхідності. Низькотемпературні накопичувачі охолоджуються рідким гелієм та доступні для промислових підприємств. Високотемпературні накопичувачі, що охолоджуються рідким воднем, все ще перебувають у стадії розробки і можуть стати доступними в майбутньому.

Суперпровідні накопичувачі магнітної енергії мають значні розміри і зазвичай використовуються протягом коротких періодівчасу, наприклад, під час перемикання. опубліковано

Як саме енергія запасається в АТФ(аденозинтрифосфат), і як вона віддається для здійснення якоїсь корисної роботи? Здається неймовірно складним, що абстрактна енергія раптом отримує матеріальний носій у вигляді молекули, що знаходиться всередині живих клітин, і що вона може вивільнятися не у вигляді тепла (що більш-менш зрозуміло), а у вигляді створення іншої молекули. Зазвичай автори підручників обмежуються фразою «енергія запасається у вигляді високоенергетичного зв'язку між частинами молекули, і віддається при розриві зв'язку, здійснюючи корисну роботу», але це нічого не пояснює.

У найзагальніших рисах ці маніпуляції з молекулами та енергією відбуваються так: спочатку. Або створюються в хлоропластах у ланцюзі схожих реакцій. На це витрачається енергія, яка отримується при контрольованому згорянні поживних речовин прямо всередині мітохондрій або енергія фотонів сонячного світла, що падають на молекулу хлорофілу. Потім АТФ доставляється у ті місця клітини, де необхідно здійснити якусь роботу. І при відщепленні від неї однієї чи двох фосфатних груп виділяється енергія, яка цю роботу й здійснює. АТФ при цьому розпадається на дві молекули: якщо відщепилася тільки одна фосфатна група, то АТФ перетворюється на АДФ(аденозинДИфосфат, що відрізняється від аденозинТРИфосфата тільки відсутністю тієї самої фосфатної групи, що відокремилася). Якщо АТФ віддала відразу дві фосфатні групи, то енергії виділяється більше, а від АТФ залишається аденозин. АМФ).

Очевидно, що клітині необхідно здійснювати і зворотний процес, перетворюючи молекули АДФ або АМФ на АТФ, щоб цикл міг повторитися. Але ці молекули-«заготівлі» можуть спокійно плавати поруч із недостатнім для перетворення на АТФ фосфатами, і ніколи з ними не об'єднатися, тому що така реакція об'єднання енергетично невигідна.

Що таке «енергетичний зиск» хімічної реакції, зрозуміти досить просто, якщо знати про другому законі термодинаміки: у Всесвіті або в будь-якій системі, ізольованій від інших, безлад може лише наростати. Тобто складноорганізовані молекули, що сидять у клітці у чинному порядку, відповідно до цього закону можуть лише руйнуватися, утворюючи дрібніші молекули або навіть розпадаючись на окремі атоми, адже тоді порядку буде помітно менше. Щоб зрозуміти цю думку, можна порівняти складну молекулу із зібраним із Лего літачком. Тоді дрібні молекули, на які розпадається складна, асоціюватимуться з окремими частинами цього літака, а атоми — з окремими кубиками Лего. Подивившись на акуратно зібраний літак і порівнявши його з безладною купою деталей, стає зрозумілим, чому складні молекули містять більше порядку, ніж дрібні.

Така реакція розпаду (молекул, не літака) буде енергетично вигідною, а значить може здійснюватися мимовільно, і при розпаді виділятиметься енергія. Хоча насправді і розщеплення літака буде енергетично вигідно: незважаючи на те, що самі по собі деталі відщеплюватися одна від одної не будуть і над їх відчепленням доведеться попихкати сторонній силі у вигляді пацана, який хоче використовувати ці деталі для чогось іншого, він витратить на перетворення літака на хаотичну купу деталей енергію, отриману від поїдання високоупорядкованої їжі. І що щільніше злиплися деталі, то більше енергії буде витрачено, зокрема виділено як тепла. Підсумок: шматок плюшки (джерело енергії) і літак перетворені на безладну масу, молекули повітря навколо дитини нагрілися (а отже рухаються безладніше) — хаосу стало більше, тобто розщеплення літака енергетично вигідне.

Підсумовуючи, можна сформулювати такі правила, що випливають з другого закону термодинаміки:

1. При зниженні кількості порядку енергія виділяється, відбуваються енергетично вигідні реакції

2. При збільшенні кількості порядку енергія поглинається, відбуваються енергетично-витратні реакції

На перший погляд, такий неминучий рух від порядку до хаосу унеможливлює зворотні процеси, такі як побудова з однієї заплідненої яйцеклітини та молекул поживних речовин, поглинених матір'ю-коровою, безсумнівно, дуже впорядкованого порівняно з пережованою травою теля.

Але все-таки це відбувається, і причина цього в тому, що живі організми мають одну фішку, що дозволяє підтримати прагнення Всесвіту до ентропії, і побудувати себе і своє потомство: вони об'єднують в один процес дві реакції, одна з яких енергетично вигідна, а інша енерговитратна. Таким суміщенням двох реакцій можна домогтися того, щоб енергія, що виділяється за першої реакції, з надлишком перекривала енергетичні витрати другої. У прикладі з літаком окремо взяте його розбирання енерговитратно, і без стороннього джерела енергії у вигляді зруйнованої метаболізмом пацана плюшки літак стояв би вічно.

Це як при катанні з гірки на санчатах: спочатку людина під час поглинання їжі запасає енергію, отриману внаслідок енергетично вигідних процесів розщеплення високоупорядкованої курки на молекули та атоми у його організмі. А потім витрачає цю енергію, затягуючи санчата на гору. Переміщення санок від підніжжя до вершини енергетично невигідне, тому мимоволі вони туди ніколи не закотяться, на це потрібна якась стороння енергія. І якщо енергії, отриманої від поїдання курки, буде недостатньо для подолання підйому, то процесу «скочування на санчатах з вершини гори» не буде.

Саме енерговитратні реакції ( energy-consuming reaction ) збільшують кількість порядку, поглинаючи енергію, що виділяється при сполученій реакції. І баланс між виділенням і споживанням енергії у цих сполучених реакціях завжди має бути позитивним, тобто їхня сукупність збільшуватиме кількість хаосу. Прикладом збільшення ентропії(невпорядкованості) ( entropy['entrə pɪ]) є виділення тепла при енергодаючій реакції ( energy supply reaction): сусідні з молекулами частинки речовини, що вступили в реакцію, отримують енергійні поштовхи від реагуючих, починають рухатися швидше і хаотичніше, розпихаючи в свою чергу інші молекули і атоми цього і сусідніх речовин.

Повернемося ще раз до отримання енергії з їжі: шматок Banoffee Pie набагато більш впорядкований, ніж маса, що вийшла в результаті пережовування, що потрапила в шлунок. Яка, у свою чергу, складається з великих, більш упорядкованих молекул, ніж ті, на які її розщепить кишечник. А вони у свою чергу будуть доставлені в клітини тіла, де від них будуть відривати вже окремі атоми і навіть електрони... І на кожному етапі збільшення хаосу в окремо взятому шматку торта відбуватиметься виділення енергії, яку вловлюють органи та органели щасливого поїдавця, запасаючи її в вигляді АТФ (енерговитратно), пускаючи на побудову нових потрібних молекул (енерговитратно) або на нагрівання тіла (теж енерговитратно). У системі «людина — Banoffee Pie — Всесвіт» порядку в результаті цього стало менше (за рахунок руйнування кейка і виділення теплової енергії органелами, що його переробляють), але в окремо взятому людському тілі щастя порядку стало більше (за рахунок виникнення нових молекул, частин органел цілих клітинних органів).

Якщо повернутися до молекули АТФ, після цього термодинамічного відступу стає зрозуміло, що створення її з складових частин (дрібніших молекул) необхідно витратити енергію, отриману від енергетично вигідних реакцій. Один із способів її створення докладно описаний, інший (дуже схожий) використовується в хлоропластах, де замість енергії протонного градієнта використовується енергія фотонів, випущених Сонцем.

Можна виділити три групи реакцій, у яких виробляється АТФ (дивись схему справа):

• розщеплення глюкози та жирних кислот на великі молекули в цитоплазмі вже дозволяє отримати деяку кількість АТФ (невелика, на одну розщеплену на цьому етапі молекулу глюкози припадає лише 2 отримані молекули АТФ). Але основна мета цього етапу полягає у створенні молекул, що використовуються в дихальному ланцюзі мітохондрій.
• подальше розщеплення отриманих на попередньому етапі молекул у циклі Кребса, що протікає в матриксі мітохондрій, дає лише одну молекулу АТФ, його основна мета та сама, що і в минулому пункті.
• Нарешті накопичені на попередніх етапах молекули застосовуються в дихальному ланцюгу мітохондрій для виробництва АТФ, і ось тут його виділяється багато (про це докладніше нижче).

Якщо описати все це більш розгорнуто, поглянувши на ті ж реакції з точки зору отримання та витрат енергії, вийде:

0. Молекули їжі акуратно спалюються (окислюються) у первинному розщепленні, що відбувається в цитоплазмі клітини, а також у ланцюзі хімічних реакцій під назвою «цикл Кребса», що протікає вже в матриксі мітохондрій. енергодаючачастина підготовчого етапу.

В результаті поєднання з цими енергетично вигідними реакціями інших, вже енергетично невигідних реакцій створення нових молекул утворюються 2 молекули АТФ і кілька молекул інших речовин. енерговитратначастина підготовчого етапу. Ці молекули, що попутно утворюються, є переносниками високоенергетичних електронів, які будуть використані в дихальному ланцюгу мітохондрій на наступному етапі.

1. На мембранах мітохондрій, бактерій та деяких архей відбувається енергодаюче відщеплення протонів та електронів від молекул, отриманих у попередньому етапі (але не від АТФ). Проходження електронів по комплексах дихального ланцюга (I, III і IV на схемі зліва) показано жовтими звивистими стрілками, проходження через ці комплекси (отже, і через внутрішню мембрану мітохондрії) протонів - червоними стрілками.

Чому електрони не можна просто відщепити від молекули-переносника з використанням потужного окислювача-кисню і використовувати енергію, що виділяється? Навіщо передавати їх від одного комплексу до іншого, адже врешті-решт вони до того ж кисню і приходять? Виявляється, чим більше різницяу здатності притягувати електрони у електронодаючої ( відновлювача) та електроноберучої ( окислювача) молекул, що у реакції передачі електрона, тим більша енергія виділяється за цієї реакції.

Різниця в такій здатності у утворюються в циклі Кребса молекул-переносників електронів і кисню така, що енергії, що виділилася при цьому, було б достатньо для синтезу декількох молекул АТФ. Але через такий різкий перепад в енергії системи ця реакція протікала б з майже вибуховою міццю, і майже вся енергія виділялася б у вигляді неуловлюваного тепла, тобто фактично губилася.

Живі клітини ж ділять цю реакцію на кілька маленьких стадій, спочатку передаючи електрони від слабо притягуючих молекул-носіїв до трохи сильнішого першого комплексу в дихальному ланцюгу, від нього до ще трохи сильнішого притягуючого убіхінону(або коензиму Q-10), чия задача полягає в перетягуванні електронів до наступного, ще трохи сильніше дихального комплексу, що притягує, який отримує свою частину енергії від цього вибуху, що не відбувся, пускаючи її на прокачування протонів через мембрану.. І так до моменту, поки електрони не зустрінуться нарешті з киснем, притягнувшись до нього, прихопивши пару протонів і не утворюють молекулу води. Такий поділ однієї потужної реакцію дрібні кроки дозволяє майже половину корисної енергії направити скоєння корисної роботи: у разі створення протонного електрохімічного градієнта, Про який йтиметься в другому пункті.

Як саме енергія електронів, що передаються, допомагає сполученої енерговитратної реакції прокачування протонів через мембрану, зараз тільки починають з'ясовувати. Швидше за все, присутність електрично зарядженої частинки (електрона) впливає конфігурацію того місця у вбудованому в мембрану протеїні, де він знаходиться: так, що ця зміна провокує затягування протона в протеїн та його рух через протеїновий канал у мембрані. Важливо те, що енергія, отримана в результаті відщеплення високоенергетичних електронів від молекули-носія і підсумкової передачі їх кисню, запасається у вигляді протонного градієнта.

2. Енергія протонів, що накопичилися в результаті подій з пункту 1 із зовнішньої сторони мембрани і прагнуть потрапити на внутрішню сторону, складається з двох односпрямованих сил:

• електричної(позитивний заряд протонів прагне перейти у місце накопичення негативних зарядів з іншого боку мембрани) і
• хімічної(як у будь-яких інших речовин, протони намагаються рівномірно розсіятися у просторі, поширившись із місць зі своїми високої концентрацією у місця, де їх мало)

Електричне тяжіння протонів до негативно зарядженої стороні внутрішньої мембрани є набагато потужнішою силою, ніж виникає через різницю в концентрації протонів їхнє прагнення перейти у місце з меншою концентрацією (це позначено шириною стрілок на схемі вгорі). Спільна енергія цих сил, що тягнуть, настільки велика, що її вистачає і на переміщення протонів всередину мембрани, і на підживлення супутньої енерговитратної реакції: створення АТФ з АДФ і фосфату.

Розглянемо докладніше, чому на це потрібна енергія, і як саме енергія прагнення протонів перетворюється на енергію хімічного зв'язку між двома частинами молекули АТФ.

Молекула АДФ (на схемі справа) не жадає обзаводитися ще однією фосфатною групою: той атом кисню, якого ця група може прикріпитися, заряджений як і негативно, як і фосфат, отже вони взаємно відштовхуються. І взагалі АДФ не має наміру вступати в реакції, вона хімічно пасивна. У фосфату, своєю чергою, до атома фосфору, який міг стати місцем зв'язку фосфату і АДФ під час створення молекули АТФ, приєднаний власний атом кисню, отже і він ініціативи виявити неспроможна.

Тому ці молекули необхідно зв'язати одним ферментом, розгорнути їх так, щоб зв'язки між ними та «зайвими» атомами ослабли і розірвалися, а після цього підвести два хімічно активні кінця цих молекул, на яких атоми відчувають нестачу і надлишок електронів, один до одного.

Потрапили в поле взаємної досяжності іони фосфору (P +) і кисню (O -) зв'язуються міцним ковалентним зв'язком за рахунок того, що спільно опановують один електрон, що спочатку належав кисню. Цим обробним молекули ферментом є АТФ-синтаза, А енергію на зміну і своєї конфігурації, і взаємного розташування АДФ і фосфату вона отримує від протонів, що проходять через неї. Протонам енергетично вигідно потрапити на протилежно заряджений бік мембрани, де ще їх мало, а єдиний шлях проходить через фермент, «ротор» якого протони попутно обертають.

Будова АТФ-синтази показана на схемі праворуч. Її елемент, що обертається за рахунок проходження протонів, виділений фіолетовим кольором, а на рухомому малюнку внизу показана схема його обертання і створення при цьому молекул АТФ. Фермент працює практично як молекулярний мотор, перетворюючи електрохімічнуенергію струму протонів в механічну енергіютертя двох наборів протеїнів один про одного: обертається «ніжка» треть про нерухомі протеїни «капелюшки гриба», при цьому субодиниці «капелюшки» змінюють свою форму. Ця механічна деформація перетворюється на енергію хімічних зв'язківпри синтезі АТФ, коли молекули АДФ і фосфату обробляються і розгортаються необхідним освіти між ними ковалентного зв'язку образом.

Кожна АТФ-синтаза здатна синтезувати до 100 молекул АТФ в секунду, і на кожну синтезовану молекулу АТФ через синтетазу має пройти близько трьох протонів. Більшість синтезованих у клітинах АТФ утворюється саме цим шляхом, і лише невелика частина є результатом первинної обробки молекул їжі, що відбувається поза мітохондріями.

Будь-якої миті в типовій живій клітині знаходиться приблизно мільярд молекул АТФ. У багатьох клітинах вся ця АТФ змінюється (тобто використовується і створюється знову) кожні 1-2 хвилини. Середня людина у стані спокою використовує кожні 24 години масу АТФ, приблизно рівну її власної маси.

Загалом майже половина енергії, що виділяється при окисленні глюкози або жирних кислот до вуглекислого газу та води, уловлюється та використовується для протікання енергетично невигідної реакції утворення АТФ з АДФ та фосфатів. Коефіцієнт корисної дії в розмірі 50% - це дуже непогано, наприклад двигун автомобіля пускає на корисну роботу лише 20% енергії, що міститься в паливі. При цьому решта енергії в обох випадках розсіюється у вигляді тепла, і так само, як деякі автомобілі, тварини постійно витрачають цей надлишок (хоч і не повністю, звичайно) на розігрівання тіла. У процесі згаданих реакцій одна молекула глюкози, поступово розщеплена до вуглекислого газу і води, поставляє клітині 30 молекул АТФ.

Отже, з тим, звідки береться енергія і як вона запасається в АТФ, все більш-менш зрозуміло. Залишилося зрозуміти, як саме запасена енергія віддається і що при цьому відбуваєтьсяна молекулярно-атомному рівні.

Утворений ковалентний зв'язок між АДФ та фосфатом називається високоенергетичноїз двох причин:

• при її руйнуванні виділяється багато енергії
• електрони, що беруть участь у створенні цього зв'язку (тобто обертаються навколо атомів кисню і фосфору, між якими цей зв'язок утворено) високоенергетичні, тобто знаходяться на високих орбітах навколо ядер атомів. І їм було б енергетично вигідно перескочити на нижчий рівень, виділивши надлишок енергії, але поки вони знаходяться саме в цьому місці, скріплюючи атоми кисню і фосфору, «стрибнути» не вдасться.

Це прагнення електронів впасти на зручнішу низькоенергетичну орбіту забезпечує і легкість руйнування високоенергетичного зв'язку, і що виділяється при цьому у вигляді фотона (що є переносником електромагнітної взаємодії) енергію. Залежно від того, які молекули будуть підставлені ферментами до молекули АТФ, що руйнується, яка саме молекула поглине випущений електроном фотон, можуть відбуватися різні варіанти подій. Але щоразу енергія, запасена у вигляді високоенергетичного зв'язку, використовуватиметься на якісь потреби клітини:

Сценарій 1:фосфат можна перенести на молекулу іншої речовини. При цьому високоенергетичні електрони утворюють новий зв'язок вже між фосфатом і крайнім атомом цієї молекули-реципієнта. Умовою протікання такої реакції є її енергетична вигода: у цьому новому зв'язку електрон повинен мати трохи меншу енергію, ніж коли він був частиною молекули АТФ, випустивши частину енергії у вигляді фотона зовні.

Ціль такої реакції полягає в активації молекули-рецепієнта (на схемі зліва вона позначена В-ВІН): до приєднання фосфату вона була пасивною і не могла вступити в реакцію з іншою пасивною молекулою ААле тепер вона є власником запасу енергії у вигляді високоенергетичного електрона, а значить може її кудись витратити. Наприклад, на те, щоб приєднати до себе молекулу А, яку без такого фінта вухами (тобто високої енергії сполучного електрона) приєднати неможливо. Фосфат у своїй від'єднується, зробивши свою справу.

Виходить такий ланцюжок реакцій:

1. АТФ+ пасивна молекула В ➡️ АДФ+ активна за рахунок приєднаного фосфату молекула В-Р

2. активована молекула В-Р+ пасивна молекула А➡️сполучені молекули А-В+ фосфат, що відщепився ( Р)

Обидві ці реакції енергетично вигідні: у кожній з них бере участь високоенергетичний сполучний електрон, який при руйнуванні одного зв'язку та побудові іншого втрачає частину своєї енергії у вигляді випромінювання фотона. Внаслідок цих реакцій з'єдналися дві пасивні молекули. Якщо розглянути реакцію сполук цих молекул безпосередньо (пасивна молекула В+ пасивна молекула А➡️сполучені молекули А-В), вона виявляється енергетично витратною, і відбутися неспроможна. Клітини «вчиняють неможливе», поєднуючи цю реакцію з енергетично вигідною реакцією розщеплення АТФ на АДФ та фосфат під час здійснення тих двох реакцій, які описані вище. Відщеплення відбувається у два етапи, кожному з яких частина енергії сполучного електрона витрачається скоєння корисної роботи, саме створення необхідних зв'язків між двома молекулами, у тому числі виходить третя ( А-В), необхідна для функціонування клітини.

Сценарій 2:фосфат може бути відщеплений одномоментно від молекули АТФ, а енергія, що виділяється, вловлюється ферментом або робочим протеїном і витрачається на здійснення корисної роботи.

Як можна вловити щось настільки невідчутне, як мізерне обурення електромагнітного поля в момент падіння електрона на нижчу орбіту? Дуже просто: за допомогою інших електронів і за допомогою атомів, здатних поглинути фотон, що виділяється при цьому електроном.

Атоми, що становлять молекули, скріплені в міцні ланцюжки та кільця за рахунок (такий ланцюжок є незгорнутим протеїном на картинці праворуч). А окремі частини цих молекул притягнуті одна до одної слабкішими електромагнітними взаємодіями (наприклад, водневими зв'язками або силами Ван дер Ваальса), що дозволяє їм форкуватися в складні структури. Деякі з цих конфігурацій атомів дуже стабільні, і ніяке обурення електромагнітного поля їх не похитне.. не похитне.. загалом, вони стійкі. А деякі досить рухливі, і досить легкого електромагнітного стусана, щоб вони змінили свою конфігурацію (зазвичай це не ковалентні зв'язки). І саме такий стусан дає їм той фотон-переносник електромагнітного поля, що прилетів, випущений перейшов на нижчу орбіту електроном при від'єднанні фосфату.

Зміни конфігурації протеїнів в результаті розщеплення молекул АТФ відповідальні за найдивовижніші події, що відбуваються в клітині. Напевно, ті, хто цікавляться клітинними процесами хоча б на рівні «подивлюся їх анімацію на youtube», натикалися на відео, що показує протеїнову молекулу. кінезіна, у прямому значенні слова крокуючу, переставляючи ноги, по нитці клітинного скелета, перетягуючи приєднаний до неї вантаж.

Саме відщеплення фосфату від АТФ забезпечує це крокування, і ось яким чином:

Кінезін ( kinesin) відноситься до особливого виду протеїнів, яким властиво спонтанно міняти свою конформацію(Взаємне становище атомів у молекулі). Залишений у спокої, він випадково переходить з конформації 1, в якій він прикріплений однією «ногою» до актинового філаменту ( actin filament) - найтоншої нитки, що утворює цитоскелетклітини ( cytoskeleton), в конформацію 2, зробивши таким чином крок уперед і стоячи на двох ногах. З конформації 2 він з рівною ймовірністю перейде як у конформацію 3 (приставляє задню ногу до передньої), так і назад в конформацію 1. Тому руху кінезину в якомусь напрямку не відбувається, він безцільно фланує.

Але все змінюється, чи варто йому з'єднатися з молекулою АТФ. Як показано на схемі ліворуч, приєднання АТФ до кінезину, що знаходиться в конформації 1, призводить до зміни його просторового положення і він переходить у конформацію 2. Причина цього - взаємний електромагнітний вплив молекул АТФ та кінезину один на одного. Ця реакція є оборотною, тому що енергії не було витрачено, і якщо АТФ від'єднається від кінезину, він просто підніме «ногу», залишившись на місці, і чекатиме наступну молекулу АТФ.

Але якщо вона затримається, то через взаємне тяжіння цих молекул зв'язок, що утримує фосфат у межах АТФ, руйнується. Енергія, що виділилася при цьому, а так само розпад АТФ на дві молекули (які вже інакше впливають своїми електромагнітними полями на атоми кінезину) призводять до того, що конформація кінезину змінюється: він «підтягує задню ногу». Залишилося зробити крок уперед, що відбувається при від'єднанні АДФ і фосфату, повертає кінезин у вихідну конформацію 1.

В результаті гідролізу АТФ кінезин зрушив праворуч, і як тільки до нього приєднається наступна молекула, він зробить ще одну пару кроків, використавши запасену в ній енергію.

Важливо, що кінезин, що знаходиться в конформації 3 з приєднаними АДФ і фосфатом, не може повернутися в конформацію 2, зробивши крок назад. Це пояснюється тим самим принципом відповідності другому закону терморегуляції: перехід системи «кінезин + АТФ» з конформації 2 до конформації 3 супроводжується виділенням енергії, а значить зворотний перехід буде енерговитратним. Щоб він стався, треба звідкись взяти енергію на з'єднання АДФ із фосфатом, а взяти її в цій ситуації нема звідки. Тому сполученому з АТФ кінезину відкритий шлях тільки в один бік, що і дозволяє робити корисну роботу з перетягування чогось з одного кінця клітини в інший. Кінезин наприклад бере участь у розтягуванні хромосом клітини, що ділиться при мітоз(процес розподілу еукаріотичних клітин). А м'язовий протеїн міозинбіжить уздовж актинових філаментів, викликаючи скорочення м'язів.

Цей рух буває дуже швидким: деякі моторні(відповідають різні форми клітинної рухливості) протеїни, задіяні в реплікації генів, мчать уздовж ланцюжка ДНК зі швидкістю тисячі нуклеотидів за секунду.

Усі вони пересуваються за рахунок гідролізуАТФ (руйнування молекули з приєднанням до менших молекул атомів, що виходять в результаті розпаду, взятих з молекули води. Гідроліз показаний на правій частині схеми взаємоперетворення АТФ і АДФ). Або за рахунок гідролізу ГТФщо відрізняється від АТФ тільки тим, що до його складу входить інший нуклеотид (гуанін).

Сценарій 3: відщеплення від АТФ або іншої подібної молекули, що містить нуклеотид, відразу двох фосфатних груп призводить до ще більшого викиду енергії, ніж коли відщеплюється лише один фосфат. Такий потужний викид дозволяє створювати міцний сахарофосфатний кістяк молекул ДНК і РНК:

1. для того, щоб нуклеотиди могли приєднуватися до ланцюга ДНК або РНК, що будується, їх потрібно активувати, приєднавши дві молекули фосфату. Це енерговитратна реакція, яка виконується клітинними ферментами.

2. фермент ДНК- або РНК-полімераза (на схемі внизу не показаний) приєднує активований нуклеотид (на схемі показаний ГТФ) до полінуклеотиду, що будується, і каталізує відщеплення двох фосфатних груп. Енергія, що виділилася використовується на створення зв'язку між фосфатною групою одного нуклеотиду і рибозою іншого. Створені в результаті зв'язку не є високоенергетичними, а значить зруйнувати їх не просто, що є перевагою для побудови молекули, що містить спадкову інформацію або передає клітини.

У природі можливе спонтанне перебіг лише енергетично вигідних реакцій, що зумовлено другим законом термодинаміки

Тим не менш, живі клітини можуть поєднувати дві реакції, одна з яких дає трохи більше енергії, ніж поглинає друга, і таким чином здійснювати енерговитратні реакції. Енерговитратні реакції спрямовані на створення з окремих молекул і атомів більших молекул, клітинних органел і цілих клітин, тканин, органів та багатоклітинних живих істот, а також на запасання енергії для їх метаболізму

Запасання енергії здійснюється за рахунок контрольованого та поступового руйнування органічних молекул (енергодаючий процес), пов'язаного зі створенням молекул-енергоносіїв (енерговитратний процес). Фотосинтезуючі організми запасають таким чином енергію сонячних фотонів, що вловлюються хлорофілом.

Молекули-енергоносії поділяються на дві групи: що зберігають енергію у вигляді високоенергетичного зв'язку або як приєднаного високоенергетичного електрона. Втім, у першій групі висока енергія забезпечується таким же високоенергетичним електроном, тому можна сказати, що енергія запасається в загнаних на високий рівень електронах, що знаходяться у складі різних молекул

Запасена таким чином енергія віддається так само двома способами: руйнуванням високоенергетичного зв'язку або передачі високоенергетичних електронів для поступового зниження їх енергії. В обох випадках енергія виділяється у вигляді випромінювання переходить на нижчий енергетичний рівень електроном частинки-переносника електромагнітного поля (фотона) і тепла. Цей фотон уловлюється таким чином, щоб була виконана корисна робота (утворення необхідної для метаболізму молекули в першому випадку та прокачування протонів через мембрану мітохондрії у другому)

Запасена у вигляді протонного градієнта енергія використовується для синтезу АТФ, а також інших клітинних процесів, які залишилися за рамками цього розділу (думаю, ніхто не в образі, враховуючи її розмір). А синтезована АТФ використовується так, як описано у попередньому пункті.

Цей матеріал складено на основі статті "Огляд типів накопичувачів енергії", раніше опублікованої на http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm, з додаванням кількох абзаців з інших джерел, наприклад http://battery-info. ru/alternatives.

Однією з основних проблем альтернативної енергетики є нерівномірність надходження її з відновлюваних джерел. Сонце світить лише вдень і у безхмарну погоду, вітер то дме, а то вщухне. Та й потреби в електроенергії не постійні, наприклад, на освітлення вдень її потрібно менше, увечері — більше. А людям подобається, коли ночами міста та села залиті вогнями ілюмінацій. Ну, чи хоча б просто вулиці освітлені. Ось і виникає завдання — зберегти отриману енергію на якийсь час, щоб використати тоді, коли потреба в ній є максимальною, а надходження недостатньо.

ГАЕС TaumSauk в США. Незважаючи на невелику потужність, відома всьому світу завдяки верхньому басейну у формі серця.

Існують і менш масштабні гідравлічні накопичувачі гравітаційної енергії. Спочатку перекачуємо 10 т води з підземного резервуару (криниці) у ємність на вежі. Потім вода з ємності під дією сили тяжіння перетікає назад у резервуар, обертаючи турбіну з електрогенератором. Термін служби такого накопичувача може становити 20 років. Позитивні якості: при використанні вітродвигуна останній може безпосередньо приводити в рух водяний насос, вода з ємності на вежі може використовуватися для інших потреб.

На жаль, гідравлічні системи важче підтримувати в належному технічному стані, ніж твердотільні, - насамперед це стосується герметичності резервуарів та трубопроводів та справності запірного та перекачувального обладнання. І ще одна важлива умова - у моменти накопичення та використання енергії робоче тіло (принаймні його досить велика частина) має перебувати в рідкому агрегатному стані, а не перебувати у вигляді льоду або пари. Зате іноді в подібних накопичувачах можливе отримання додаткової дарової енергії, - скажімо, при поповненні верхнього резервуару талими або дощовими водами.

Накопичувачі механічної енергії

Механічна енергія проявляється при взаємодії, русі окремих тіл або їх частинок. До неї відносять кінетичну енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні, стисканні пружних тіл (пружин).

Гіроскопічні накопичувачі енергії

Гіроскопічний накопичувач Уфімцева.

У гіроскопічних накопичувачах енергія запасається у вигляді кінетичної енергії маховика, що швидко обертається. Питома енергія, що запасається на кожен кілограм ваги маховика, значно більша за ту, що можна запасти в кілограмі статичного вантажу, навіть піднявши його на велику висоту, а останні високотехнологічні розробки обіцяють щільність накопиченої енергії, порівнянну із запасом хімічної енергії в одиниці маси найбільш ефективних видів палива. Інший величезний плюс маховика - це можливість швидкої віддачі або прийому дуже великої потужності, обмеженої лише межею міцності матеріалів у разі механічної передачі або "пропускною здатністю" електричної, пневматичної або гідравлічної передач.

На жаль, маховики чутливі до струсу і поворотів у площинах, відмінних від площини обертання, оскільки при цьому виникають величезні гіроскопічні навантаження, що прагнуть погнути вісь. До того ж час зберігання накопиченої маховиком енергії відносно невеликий і для традиційних конструкцій зазвичай становить від кількох секунд до кількох годин. Втім, сучасні технології дозволяють кардинально збільшити час зберігання – аж до кількох місяців.

Нарешті, ще один неприємний момент - запасена маховиком енергія прямо залежить від його швидкості обертання, тому в міру накопичення або віддачі енергії швидкість обертання постійно змінюється. У той же час у навантаженні дуже часто потрібна стабільна швидкість обертання, що не перевищує кількох тисяч обертів на хвилину. Тому чисто механічні системи передачі енергії на маховик і назад можуть виявитися занадто складними у виготовленні. Іноді спростити ситуацію може електромеханічна передача з використанням мотор-генератора, розміщеного на одному валу з маховиком або пов'язаного з ним жорстким редуктором. Але тоді неминучі втрати енергії на нагрівання проводів і обмоток, які можуть бути набагато вищими, ніж втрати на тертя і прослизання в хороших варіаторах.

Особливо перспективними є так звані супермаховики, що складаються з витків сталевої стрічки, дроту або високоміцного синтетичного волокна. Навивка може бути щільною, а може мати спеціально залишений порожній простір. В останньому випадку в міру розкручування маховика витки стрічки переміщуються від його центру до периферії обертання, змінюючи момент інерції маховика, а якщо пружинна стрічка, то і запасаючи частина енергії в енергії пружної деформації пружини. В результаті в таких маховиках швидкість обертання не так прямо пов'язана з накопиченою енергією і набагато стабільніше, ніж у найпростіших цілісних конструкціях, а їх енергоємність помітно більша. Крім більшої енергоємності, вони більш безпечні у разі різних аварій, так як на відміну від уламків великого монолітного маховика, за своєю енергії і руйнівною силою порівнянних з гарматними ядрами, уламки пружини мають набагато меншу «вражаючу здатність» і зазвичай досить ефективно гальмують лопнувши. рахунок тертя об стінки корпусу. З цієї ж причини і сучасні цільнотілі маховики, розраховані на роботу в режимах, близьких до переділу міцності матеріалу, часто виготовляються не монолітними, а з тросів або волокон, просочених сполучною речовиною.

Сучасні конструкції з вакуумною камерою обертання та магнітним підвісом супермаховика з кевларового волокна забезпечують щільність запасеної енергії понад 5 МДж/кг, причому можуть зберігати кінетичну енергію тижнями та місяцями. За оптимістичними оцінками, використання для навивки надміцного «суперкарбонового» волокна дозволить збільшити швидкість обертання і питому щільність енергії, що запасається, ще в багато разів - до 2-3 ГДж/кг (обіцяють, що однієї розкрутки такого маховика вагою 100-150 кг вистачить для пробігу в мільйон кілометрів і більше, тобто фактично на весь час життя автомобіля!). Однак вартість цього волокна поки також у багато разів перевищує вартість золота, так що подібні машини ще не по кишені навіть арабським шейхам.

Гірорезонансні накопичувачі енергії

Ці накопичувачі являють собою той самий маховик, але виконаний з еластичного матеріалу (наприклад, гуми). Через війну в нього виникають принципово нові характеристики. У міру наростання обертів на такому маховику починають утворюватися «вирости»-«пелюстки» - спочатку він перетворюється на еліпс, потім на «квітку» з трьома, чотирма і більше «пелюстками»… При цьому після початку утворення «пелюсток» швидкість обертання маховика вже практично не змінюється, а енергія запасається в резонансній хвилі пружної деформації матеріалу маховика, що формує ці пелюстки.

Такими конструкціями наприкінці 1970-х та на початку 1980-х років у Донецьку займався Н.З.Гармаш. Отримані ним результати вражають - за його оцінками, при робочій швидкості маховика, що становить всього 7-8 тисяч об/хв, запасної енергії було достатньо для того, щоб автомобіль міг проїхати 1500 км проти 30 км зі звичайним маховиком тих самих розмірів. На жаль, свіжіші відомості про цей тип накопичувачів невідомі.

Механічні накопичувачі з використанням сил пружності

Цей клас пристроїв має дуже велику питому ємність енергії, що запасається. За необхідності дотримання невеликих габаритів (кілька сантиметрів) його енергоємність – найбільша серед механічних накопичувачів. Якщо вимоги до масогабаритних характеристик не настільки жорсткі, то великі надшвидкісні маховики перевершують його за енергоємністю, але вони набагато чутливіші до зовнішніх факторів і мають набагато менший час зберігання енергії.

Пружинні механічні накопичувачі

Стиснення та розпрямлення пружини здатне забезпечити дуже велику витрату та надходження енергії в одиницю часу – мабуть, найбільшу механічну потужність серед усіх типів накопичувачів енергії. Як і в маховиках, вона обмежена лише межею міцності матеріалів, але пружини зазвичай реалізують робочий поступальний рух безпосередньо, а в маховиках без досить складної передачі не обійтися (не випадково в пневматичній зброї використовуються або механічні бойові пружини, або балончики з газом, які за своєю суті є попередньо зарядженими пневматичними пружинами, до появи вогнепальної зброї для бою на дистанції застосовувалася також пружинна зброя - луки і арбалети, ще задовго до нової ери повністю витіснили в професійних військ пращу з її кінетичним накопиченням енергії).

Термін зберігання накопиченої енергії у стиснутій пружині може становити багато років. Однак слід враховувати, що під дією постійної деформації будь-який матеріал з часом накопичує втому, а кристалічна решітка металу пружини потихеньку змінюється, причому чим більша внутрішні напруги і чим вище навколишня температура, тим швидше і більшою мірою це відбудеться. Тому через кілька десятиліть стиснута пружина, не змінившись зовні, може бути «розрядженою» повністю або частково. Проте якісні сталеві пружини, якщо вони не піддаються перегріву або переохолодженню, здатні працювати століттями без видимої втрати ємності. Наприклад, старовинні настінні механічні годинники з одного повного заводу, як і раніше, йдуть два тижні - як і більше півстоліття тому, коли вони були виготовлені.

При необхідності поступової рівномірної «зарядки» і «розрядки» пружини, що забезпечує це механізм, може виявитися дуже складним і примхливим (загляньте в ті ж механічні годинники - по суті, безліч шестерень та інших деталей служать саме цій меті). Спростити ситуацію може електромеханічна передача, але вона зазвичай накладає суттєві обмеження на миттєву потужність такого пристрою, а при роботі з малими потужностями (кілька сотень ват і менше) її ККД дуже низький. Окремим завданням є накопичення максимальної енергії в мінімальному обсязі, так як при цьому виникають механічні напруги, близькі до межі міцності матеріалів, що вимагає особливо ретельних розрахунків і бездоганної якості виготовлення.

Говорячи тут про пружини, потрібно мати на увазі не тільки металеві, але й інші ціліснотілі пружні елементи. Найпоширеніші серед них – це гумові джгути. До речі, за енергією, що запасається на одиницю маси, гума перевершує сталь в десятки разів, зате і служить вона приблизно в стільки ж разів менше, причому, на відміну від сталі, втрачає свої властивості вже через кілька років навіть без активного використання і при ідеальних зовнішніх умов - в силу щодо швидкого хімічного старіння та деградації матеріалу.

Газові механічні накопичувачі

У цьому вся класі пристроїв енергія накопичується рахунок пружності стисненого газу. При надлишку енергії компресор закачує газ у балон. Коли потрібно використовувати запасну енергію, стислий газ подається в турбіну, що безпосередньо виконує необхідну механічну роботу або обертає електрогенератор. Замість турбіни можна використовувати поршневий двигун, який ефективніший при невеликих потужностях (до речі, існують і оборотні поршневі двигуни-компресори).

Майже кожен сучасний промисловий компресор оснащений подібним акумулятором - ресівером. Правда, тиск там рідко перевищує 10 атм, і тому запас енергії в такому ресівері не дуже великий, але це зазвичай дозволяє в кілька разів збільшити ресурс установки і заощадити енергію.

Газ, стиснений до тиску в десятки і сотні атмосфер, може забезпечити досить високу питому щільність запасеної енергії протягом практично необмеженого часу (місяці, роки, а при високій якості ресивера та запірної арматури - десятки років, - недарма пневматичне зброю, що використовує балончики зі стиснутим) газом, набуло такого широкого поширення). Однак компресор з турбіною або поршневий двигун, що входять до складу установки, - пристрої досить складні, примхливі і мають дуже обмежений ресурс.

Перспективною технологією створення запасів енергії є стиснення повітря за рахунок доступної енергії в той час, коли безпосередня потреба в останній відсутня. Стиснене повітря охолоджується і зберігається при тиску 60-70 атмосфер. При необхідності витрачати запасену енергію, повітря витягується з накопичувача, нагрівається, а потім надходить у спеціальну газову турбіну, де енергія стисненого та нагрітого повітря обертає щаблі турбіни, вал якої з'єднаний з електричним генератором, що видає електроенергію в енергосистему.

Для зберігання стисненого повітря пропонується, наприклад, використовувати підходящі гірничі виробки або підземні ємності, що спеціально створюються, в соляних породах. Концепція не нова, зберігання стисненого повітря в підземній печері було запатентовано ще 1948 року, а перший завод із накопичувачем енергії стисненого повітря (CAES - compressed air energy storage) з потужністю 290 МВт працює на електростанції Huntorf у Німеччині з 1978 року. На етапі стиснення повітря велика кількість енергії втрачається як тепла. Ця втрачена енергія повинна бути компенсована стиснутому повітрі до етапу розширення в газовій турбіні, для цього використовується вуглеводневе паливо, за допомогою якого підвищують температуру повітря. Це означає, що установки мають далеко не стовідсотковий ККД.

Існує перспективний напрямок підвищення ефективності CAES. Воно полягає у утриманні та збереженні тепла, що виділяється при роботі компресора на етапі стиснення та охолодження повітря, з подальшим його повторним використанням при зворотному нагріванні холодного повітря (т.зв. рекуперація). Проте цей варіант CAES має суттєві технічні складності, особливо у напрямку створення системи тривалого збереження тепла. У разі вирішення цих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) може прокласти шлях для великомасштабних систем зберігання енергії, проблема була піднята дослідниками у всьому світі.

Учасники канадського стартапу Hydrostor інше незвичайне рішення – закачувати енергію у підводні бульбашки.

Накопичення теплової енергії

У наших кліматичних умовах дуже істотна (часто - основна) частина енергії, що споживається, витрачається на обігрів. Тому було б дуже зручно акумулювати в накопичувачі безпосередньо тепло, а потім отримувати його назад. На жаль, здебільшого щільність запасеної енергії дуже мала, а терміни її збереження дуже обмежені.

Існують теплові акумулятори з твердим або плавиться теплоакумулюючим матеріалом; рідинні; парові; термохімічні; з електронагрівальним елементом. Теплові акумулятори можуть підключатися до системи з твердопаливним котлом, геліосистеми або комбінованої системи.

Накопичення енергії рахунок теплоємності

У накопичувачах цього акумулювання тепла здійснюється за рахунок теплоємності речовини, що служить робочим тілом. Класичним прикладом теплового акумулятора може бути російська піч. Її протоплювали раз на день і вона потім обігрівала будинок протягом доби. В наш час під тепловим акумулятором найчастіше мають на увазі ємності для зберігання гарячої води, обшиті матеріалом із високими теплоізоляційними властивостями.

Існують теплоакумулятори і на основі твердих теплоносіїв, наприклад, в керамічній цеглині.

Різні речовини мають різну теплоємність. У більшості вона знаходиться в межах від 0.1 до 2 кДж/(кг К). Аномально великий теплоємністю має вода - її теплоємність у рідкій фазі становить приблизно 4.2 кДж/(кг·К). Більш високу теплоємність має тільки екзотичний літій - 4.4 кДж/(кг·К).

Проте крім питомої теплоємності(за масою) треба враховувати і об'ємну теплоємність, що дозволяє визначити, скільки тепла потрібно, щоб змінити на ту саму величину температуру одного і того ж обсягу різних речовин. Вона обчислюється зі звичайної питомої (масової) теплоємності множенням її на питому щільність відповідної речовини. На об'ємну теплоємність слід орієнтуватися тоді, коли важливіший обсяг теплоакумулятора, ніж його вага. Наприклад, питома теплоємність стали всього 0.46 кДж/(кг·К), але щільність 7800 кг/куб.м, а, скажімо, у поліпропілену - 1.9 кДж/(кг·К) - у 4 з лишком рази більша, проте щільність його складає всього 900 кг/куб. Тому за однакового обсязісталь зможе запасти в 2.1 рази більше тепла, ніж поліпропілен, хоч і буде важчим майже в 9 разів. Втім, завдяки аномально великій теплоємності води жоден матеріал не може перевершити її за об'ємною теплоємністю. Однак об'ємна теплоємність заліза та його сплавів (сталь, чавун) відрізняється від води менш ніж на 20% - в одному кубічному метрі вони можуть запасти більше 3.5 МДж тепла на кожен градус зміни температури, трохи менше об'ємна теплоємність у міді - 3.48 МДж / (Куб.м · До). Теплоємність повітря в нормальних умовах становить приблизно 1 кДж/кг, або 1.3 кДж/куб.м, тому щоб нагріти кубометр повітря на 1°, достатньо охолодити на той же градус трохи менше 1/3 літра води (природно, гарячішою за повітря ).

Через простоту пристрою (що може бути простіше нерухомого суцільного шматка твердої речовини або закритого резервуара з рідким теплоносієм?) подібні накопичувачі енергії мають практично необмежену кількість циклів накопичення-віддачі енергії і дуже тривалий термін служби - для рідких теплоносіїв до висихання рідини або до пошкодження резервуара від корозії чи інших причин, для твердотілих відсутні ці обмеження. Але час зберігання дуже обмежена і, як правило, становить від декількох годин до декількох діб - на більший термін звичайна теплоізоляція утримати тепло вже не здатна, та й питома щільність запасається енергії невелика.

Нарешті, слід підкреслити ще одну обставину, - для ефективної роботи важливою є не тільки теплоємність, але й теплопровідність речовини теплоакумулятора. При високій теплопровідності навіть на досить швидкі зміни зовнішніх умов теплоакумулятор відреагує всією своєю масою, а отже, і всією запасною енергією - тобто максимально ефективно. У разі поганої теплопровідності зреагувати встигне тільки поверхнева частина теплоакумулятора, а до глибинних шарів короткочасні зміни зовнішніх умов просто не встигнуть дійти, і істотна частина речовини такого теплоакумулятора буде фактично виключена з роботи. Поліпропілен, згаданий у розглянутому трохи вище прикладі, має теплопровідність майже в 200 разів менше, ніж сталь, і тому, незважаючи на досить велику питому теплоємність, ефективним теплоакумулятором бути не може. Втім, технічно проблема легко вирішується організацією спеціальних каналів для циркуляції теплоносія всередині теплоакумулятора, але очевидно, що таке рішення суттєво ускладнює конструкцію, знижує її надійність та енергоємність і неодмінно вимагатиме періодичного техобслуговування, яке навряд чи потрібно монолітному шматку речовини.

Як це не здасться дивним, іноді потрібно накопичувати і зберігати не тепло, а холод. У США вже понад десять років працюють компанії, які пропонують акумулятори на основі льоду для установки в кондиціонери повітря. У нічний час, коли електроенергії надміру і вона продається за зниженими тарифами, кондиціонер заморожує воду, тобто переходить в режим холодильника. Вдень він споживає в кілька разів менше енергії, працюючи як вентилятор. Енергопрожерливий компресор на цей час вимикається. Детальніше .

Накопичення енергії при зміні фазового стану речовини

Якщо уважно подивитися на теплові параметри різних речовин, то можна побачити, що за зміни агрегатного стану (плавлення-твердіння, випаровування-конденсації) відбувається значне поглинання або виділення енергії. Для більшості речовин теплової енергії таких перетворень достатньо, щоб змінити температуру тієї ж кількості цієї речовини на багато десятків, а то й сотні градусів у тих діапазонах температур, де його агрегатний стан не змінюється. Адже, як відомо, поки агрегатний стан всього обсягу речовини не стане одним і тим же, його температура практично постійна! Тому було б дуже привабливо накопичувати енергію за рахунок зміни агрегатного стану - енергії накопичується багато, а температура змінюється мало, так що в результаті не потрібно вирішувати проблеми, пов'язані з нагріванням до високих температур, і водночас можна отримати хорошу ємність такого теплоакумулятора.

Плавлення та кристалізація

На жаль, в даний час практично немає дешевих, безпечних та стійких до розкладання речовин з великою енергією фазового переходу, температура плавлення яких лежала б у найбільш актуальному діапазоні – приблизно від +20°С до +50°С (максимум +70°С - це ще відносно безпечна та легко досяжна температура). Як правило, в цьому діапазоні температур плавляться складні органічні сполуки, аж ніяк не корисні для здоров'я і часто швидко окислюються на повітрі.

Мабуть, найбільш підходящими речовинами є парафіни, температура плавлення більшості яких, залежно від сорту, лежить в діапазоні 40..65°С (правда, існують і «рідкі» парафіни з температурою плавлення 27°С і менше, а також споріднений з парафінами природний озокерит, температура плавлення якого лежить у межах 58...100°С). І парафіни, і озокерит цілком безпечні і використовуються навіть у медичних цілях для безпосереднього прогріву хворих місць на тілі. Однак при хорошій теплоємності теплопровідність їх дуже мала - мала настільки, що прикладений до тіла парафін або озокерит, нагрітий до 50-60°С, відчувається лише приємно гарячим, але не обпалюючим, як це було б з водою, нагрітою до тієї ж температури, - Для медицини це добре, але для теплоакумулятора це безумовний мінус. Крім того, ці речовини не такі вже й дешеві, скажімо, оптова ціна на озокерит у вересні 2009 р. становила близько 200 рублів за кілограм, а кілограм парафіну коштував від 25 рублів (технічний) до 50 і вище (високоочищений харчовий, тобто. придатний для використання під час упаковки продуктів). Це оптові ціни для партій у кілька тонн, уроздріб все дорожче як мінімум рази на півтора.

В результаті економічна ефективність парафінового теплоакумулятора виявляється під великим питанням, - адже кілограм-другий парафіну або озокериту годиться лише для медичного прогріву попереку, що заломив, протягом пари десятків хвилин, а для забезпечення стабільної температури більш-менш просторого житла в перебігу хоча б доби маса парафінового теплоак повинна вимірюватися тоннами, тому його вартість відразу наближається до вартості легкового автомобіля (щоправда, нижнього цінового сегмента)! Та й температура фазового переходу в ідеалі все ж таки повинна точно відповідати комфортному діапазону (20..25°С) - інакше все одно доведеться організовувати якусь систему регулювання теплообміну. Тим не менш, температура плавлення в районі 50..54°С, характерна для високоочищених парафінів, у поєднанні з високою теплотою фазового переходу (трохи більше 200 кДж/кг) дуже добре підходить для теплоакумулятора, розрахованого на забезпечення гарячого водопостачання та водяного опалення, проблема лише в невисокій теплопровідності та високій ціні парафіну. Зате у випадку форс-мажору сам парафін можна використовувати як паливо з хорошою теплотворною здатністю (хоча зробити це не так просто - на відміну від бензину або гасу, рідкий і тим більше твердий парафін на повітрі не горить, обов'язково потрібен гніт або інший пристрій подачі в зону горіння не самого парафіну, а лише його пари)!

Прикладом накопичувача теплової енергії на основі ефекту плавлення та кристалізації може бути система зберігання теплової енергії TESS на основі кремнію, яку розробила австралійська компанія Latent Heat Storage.

Випаровування та конденсація

Теплота випаровування-конденсації, як правило, у кілька разів перевищує теплоту плавлення-кристалізації. І начебто є не так вже й мало речовин, що випаровуються в потрібному діапазоні температур. Крім відверто отруйних сірковуглецю, ацетону, етилового ефіру тощо, є й етиловий спирт (його відносна безпека щодня доводиться на особистому прикладі мільйонами алкоголіків по всьому світу!). В нормальних умовах спирт кипить при 78°С, а його теплота випаровування в 2.5 рази більша за теплоту плавлення води (льоду) і еквівалентна нагріванню тієї ж кількості рідкої води на 200°. Однак на відміну від плавлення, коли зміни обсягу речовини рідко перевищують кілька відсотків, при випаровуванні пар займає весь наданий йому обсяг. І якщо цей обсяг буде необмежений, то пара випарується, безповоротно несучи з собою всю накопичену енергію. У замкнутому ж обсязі відразу почне зростати тиск, перешкоджаючи випаровування нових порцій робочого тіла, як це має місце у звичайній скороварці, тому зміну агрегатного стану відчуває лише невеликий відсоток робочої речовини, решта ж продовжує нагріватися, перебуваючи в рідкій фазі. Тут відкривається велике поле діяльності для винахідників – створення ефективного теплоакумулятора на основі випаровування та конденсації з герметичним змінним робочим об'ємом.

Фазові переходи другого роду

Крім фазових переходів, пов'язаних із зміною агрегатного стану, деякі речовини та в рамках одного агрегатного стану можуть мати кілька різних фазових станів. Зміна таких фазових станів, як правило, також супроводжується помітним виділенням або поглинанням енергії, хоча зазвичай значно менш значним, ніж при зміні агрегатного стану речовини. Крім того, у багатьох випадках при подібних змінах на відміну від зміни агрегатного стану має місце температурний гістерезис – температури прямого та зворотного фазового переходу можуть суттєво відрізнятися, іноді на десятки і навіть на сотні градусів.

Електричні накопичувачі енергії

Електрика - найбільш зручна та універсальна форма енергії у сучасному світі. Не дивно, що саме накопичувачі електричної енергії розвиваються найшвидше. На жаль, у більшості випадків питома ємність недорогих пристроїв невелика, а пристрої з високою питомою ємністю поки що занадто дорогі для зберігання великих запасів енергії при масовому застосуванні і дуже недовговічні.

Конденсатори

Наймасовіші «електричні» накопичувачі енергії – це звичайні радіотехнічні конденсатори. Вони мають величезну швидкість накопичення і віддачі енергії - як правило, від кількох тисяч до багатьох мільярдів повних циклів за секунду, і здатні так працювати в широкому діапазоні температур багато років, а то й десятиліття. Поєднуючи кілька конденсаторів паралельно, легко можна збільшити їхню сумарну ємність до потрібної величини.

Конденсатори можна розділити на два великі класи – неполярні (як правило, «сухі», тобто не містять рідкого електроліту) і полярні (зазвичай електролітичні). Використання рідкого електроліту забезпечує істотно більшу питому ємність, але майже завжди вимагає дотримання полярності при підключенні. Крім того, електролітичні конденсатори часто більш чутливі до зовнішніх умов, насамперед до температури і мають менший термін служби (з часом електроліт випаровується і висихає).

Однак у конденсаторів є два основних недоліки. По-перше, це дуже мала питома щільність енергії, що запасається, і тому невелика (щодо інших видів накопичувачів) ємність. По-друге, це малий час зберігання, який зазвичай обчислюється хвилинами і секундами і рідко перевищує кілька годин, а в деяких випадках становить лише малі частки секунди. В результаті область застосування конденсаторів обмежується різними електронними схемами та короткочасним накопиченням, достатнім для випрямлення, корекції та фільтрації струму в силовій електротехніці - на більше їх поки що не вистачає.

Які іноді називають «суперконденсаторами», можна розглядати як своєрідну проміжну ланку між електролітичними конденсаторами та електрохімічними акумуляторами. Від перших вони успадкували практично необмежену кількість циклів заряду-розряду, а від других - відносно невисокі струми зарядки та розрядки (цикл повної зарядки-розрядки може тривати секунду, а то й набагато довше). Ємність їх також знаходиться в діапазоні між найбільш ємними конденсаторами і невеликими акумуляторами - зазвичай запас енергії становить від одиниць до кількох сотень джоулів.

Додатково слід зазначити досить високу чутливість іоністорів до температури та обмежений час зберігання заряду – від кількох годин до кількох тижнів максимум.

Електрохімічні акумулятори

Електрохімічні акумулятори були винайдені ще на початку розвитку електротехніки, і зараз їх можна зустріти всюди - від мобільного телефону до літаків і кораблів. Взагалі, вони працюють на основі деяких хімічних реакцій і тому їх можна було б віднести до наступного розділу нашої статті – «Хімічні накопичувачі енергії». Але оскільки цей момент зазвичай не наголошується, а звертається увага на те, що акумулятори накопичують електрику, розглянемо їх тут.

Як правило, при необхідності запасати досить велику енергію – від кількох сотень кілоджоулів і більше – використовуються свинцево-кислотні акумулятори (приклад – будь-який автомобіль). Однак вони мають чималі габарити та, головне, вагу. Якщо ж потрібна мала вага і мобільність пристрою, то використовуються більш сучасні типи акумуляторів - нікель-кадмієві, метал-гідридні, літій-іонні, полімер-іонні та ін. помітно вище, тому їх застосування зазвичай обмежується відносно невеликими та економічними пристроями, такими як мобільні телефони, фото- та відеокамери, ноутбуки тощо.

Останнім часом на гібридних автомобілях та електромобілях почали застосовуватися потужні літій-іонні акумулятори. Крім меншої ваги та більшої питомої ємності, на відміну від свинцево-кислотних вони дозволяють практично повністю використовувати свою номінальну ємність, вважаються більш надійними та мають більший термін служби, а їхня енергетична ефективність у повному циклі перевищує 90%, у той час як енергетична ефективність свинцевих акумуляторів при заряді останніх 20% ємності може зменшуватися до 50%.

За режимом використання електрохімічні акумулятори (насамперед потужні) також поділяються на два великі класи - так звані тягові та стартові. Зазвичай стартовий акумулятор досить успішно може працювати як тяговий (головне - контролювати ступінь розряду і не доводити його до такої глибини, яка допустима для тягових акумуляторів), а ось при зворотному застосуванні занадто великий струм навантаження може дуже швидко вивести тяговий акумулятор з ладу.

До недоліків електрохімічних акумуляторів можна віднести дуже обмежену кількість циклів заряду-розряду (у більшості випадків від 250 до 2000, а при недотриманні рекомендацій виробників - набагато менше), і навіть за відсутності активної експлуатації більшість типів акумуляторів через кілька років деградують, втрачаючи свої потреби. . При цьому термін служби багатьох видів акумуляторів не з початку їх експлуатації, а з моменту виготовлення. Крім того, для електрохімічних акумуляторів характерні чутливість до температури, тривалий час заряду, іноді в десятки разів перевищує час розряду, і необхідність дотримання методики використання (недопущення глибокого розряду для свинцевих акумуляторів і, навпаки, дотримання повного циклу заряду-розряду для метал-гідр багатьох інших типів акумуляторів). Час зберігання заряду також досить обмежений - зазвичай від тижня до року. У старих акумуляторів зменшується не тільки ємність, але й час зберігання, причому те й інше може скоротитися в багато разів.

Хімічні накопичувачі енергії

Хімічна енергія- це енергія, «запасена» в атомах речовин, що вивільняється чи поглинається під час хімічних реакцій між речовинами. Хімічна енергія або виділяється у вигляді теплової при проведенні екзотермічних реакцій (наприклад, горінні палива), або перетворюється на електричну в гальванічних елементах та акумуляторах. Ці джерела енергії характеризуються високим ККД (до 98%), але низькою ємністю.

Хімічні накопичувачі енергії дають змогу отримувати енергію як у тому вигляді, з якого вона запасалася, так і в будь-якому іншому. Можна виділити «паливні» та «безпаливні» різновиди. На відміну від низькотемпературних термохімічних накопичувачів (про них трохи пізніше), які можуть запасти енергію, просто будучи поміщеними в досить тепле місце, тут не обійтися без спеціальних технологій та високотехнологічного обладнання, іноді дуже громіздкого. Зокрема, якщо у разі низькотемпературних термохімічних реакцій суміш реагентів зазвичай не розділяється і завжди знаходиться в одній і тій же ємності, реагенти для високотемпературних реакцій зберігаються окремо один від одного і з'єднуються лише тоді, коли необхідно отримати енергію.

Накопичення енергії напрацюванням палива

На етапі накопичення енергії відбувається хімічна реакція, в результаті якої відновлюється паливо, наприклад, з води виділяється водень - прямим електролізом, електрохімічних осередках з використанням каталізатора або за допомогою термічного розкладання, скажімо, електричною дугою або сильно сконцентрованим сонячним світлом. Окислювач, що «звільнився», може бути зібраний окремо (для кисню це необхідно в умовах замкнутого ізольованого об'єкта - під водою або в космосі) або за непотрібністю «викинутий», оскільки в момент використання палива цього окислювача буде цілком достатньо в навколишньому середовищі і немає необхідності витрачати місце та кошти на його організоване зберігання.

На етапі вилучення енергії напрацьоване паливо окислюється з виділенням енергії у потрібній формі, незалежно від цього, як було отримано це паливо. Наприклад, водень може дати відразу тепло (при спалюванні в пальнику), механічну енергію (при подачі його як паливо у двигун внутрішнього згоряння або турбіну) або електрику (при окисленні в паливному осередку). Як правило, такі реакції окиснення вимагають додаткової ініціації (запалювання), що дуже зручно для управління процесом вилучення енергії.

Накопичення енергії за допомогою термохімічних реакцій

Давно і широко відома велика група хімічних реакцій, які в закритій посудині при нагріванні йдуть в один бік із поглинанням енергії, а при охолодженні - у зворотний із виділенням енергії. Такі реакції часто називають термохімічними. Енергетична ефективність таких реакцій, як правило, менша, ніж при зміні агрегатного стану речовини, проте теж дуже помітна.

Подібні термохімічні реакції можна розглядати як свого роду зміну фазового стану суміші реагентів, і проблеми тут виникають приблизно ті ж - важко знайти дешеву, безпечну та ефективну суміш речовин, що успішно діє подібним чином у діапазоні температур від +20°С до +70°С. Втім, один подібний склад відомий вже давно – це глауберова сіль.

Мірабіліт (він же глауберова сіль, він же десятиводний сульфат натрію Na 2 SO 4 · 10H 2 O) отримують в результаті елементарних хімічних реакцій (наприклад, при додаванні кухонної солі в сірчану кислоту) або видобувають у готовому вигляді як корисну копалину.

З точки зору акумуляції тепла найбільш цікава особливість мірабіліту полягає в тому, що при підвищенні температури вище 32°С пов'язана вода починає звільнятися, і зовні це виглядає як «плавлення» кристалів, які розчиняються у воді, що виділилася з них. При зниженні температури до 32 ° С вільна вода знову зв'язується в структуру кристалогідрату - відбувається «кристалізація». Але найголовніше - теплота цієї реакції гідратації-дегідратації дуже велика і становить 251 кДж/кг, що помітно вище за теплоту «чесного» плавлення-кристалізації парафінів, хоча і на третину менше, ніж теплота плавлення льоду (води).

Таким чином, теплоакумулятор на основі насиченого розчину мірабіліту (насиченого саме при температурі вище 32°С) може ефективно підтримувати температуру на рівні 32°З великим ресурсом накопичення або віддачі енергії. Звичайно, для повноцінного гарячого водопостачання ця температура дуже низька (душ з такою температурою в кращому випадку сприймається як «дуже прохолодний»), але для підігріву повітря такої температури може виявитися цілком достатньо.

Детальніше про теплоакумулятор на основі мірабіліту можна прочитати на сайті «DelaySam.ru».

Безпаливне хімічне накопичення енергії

Банку кави з розігрівом за рахунок гасіння вапна.

В даному випадку на етапі «зарядки» з одних хімічних речовин утворюються інші, і в ході цього процесу в нових хімічних зв'язках, що утворюються, запасається енергія (скажімо, гашене вапно за допомогою нагріву переводиться в негашений стан).

При «розрядці» відбувається зворотна реакція, що супроводжується виділенням раніше запасеної енергії (зазвичай у вигляді тепла, іноді додатково у вигляді газу, який можна подати в турбіну) - зокрема, саме це має місце при «гашенні» вапна. На відміну від паливних методів, для початку реакції зазвичай досить просто з'єднати реагенти один з одним – додаткова ініціація процесу (запалювання) не потрібна.

По суті, це різновид термохімічної реакції, проте на відміну від низькотемпературних реакцій, описаних при розгляді теплових накопичувачів енергії і не потребують якихось особливих умов, тут йдеться про температури в сотні, а то й тисячі градусів. В результаті кількість енергії, що запасається в кожному кілограмі робочої речовини, суттєво зростає, але й обладнання набагато складніше, об'ємніше і дорожче, ніж порожні пластикові пляшки або простий бак для реагентів.

Необхідність витрати додаткової речовини - скажімо, води для гасіння вапна - не є істотним недоліком (при необхідності можна зібрати воду, що виділяється при переході вапна в негашений стан). А ось особливі умови зберігання цього самого негашеного вапна, порушення яких загрожує не тільки хімічними опіками, а й вибухом, переводять цей і йому подібні способи в розряд тих, які навряд чи вийдуть у широке життя.

Інші типи накопичувачів енергії

Крім описаних вище, є інші типи накопичувачів енергії. Проте в даний час вони дуже обмежені за щільністю енергії, що запасається, і часу її зберігання за високої питомої вартості. Тому поки що вони більше застосовуються для розваги, які експлуатація в скільки-небудь серйозних цілях не розглядається. Прикладом є фосфорецирующие фарби, що запасають енергію від яскравого джерела світла і потім що світяться протягом кількох секунд, або навіть довгих хвилин. Їхні сучасні модифікації вже давно не містять отруйного фосфору і цілком безпечні навіть для використання в дитячих іграшках.

Суперпровідні накопичувачі магнітної енергії зберігають її в полі великої магнітної котушки з постійним струмом. Вона може бути перетворена на змінний електричний струм при необхідності. Низькотемпературні накопичувачі охолоджуються рідким гелієм та доступні для промислових підприємств. Високотемпературні накопичувачі, що охолоджуються рідким воднем, все ще перебувають у стадії розробки і можуть стати доступними в майбутньому.

Суперпровідні накопичувачі магнітної енергії мають значні розміри та зазвичай використовуються протягом коротких періодів часу, наприклад, під час перемикань.

Швидше за все, у цій статті відображені не всі можливі способи накопичення та збереження енергії. Ви можете повідомити про інші варіанти або в коментарях, або електронним листом на адресу kos at altenergiya dot ru.