Биоуголь из отходов: дешевый способ хранить тепловую энергию

По мере того как возобновляемая энергетика набирает обороты по всему миру, одна из ключевых проблем остается нерешенной – как эффективно и экологично хранить тепло, когда солнце не светит или спрос на энергию колеблется. Новое исследование показывает, что сельскохозяйственные отходы, а именно выброшенные семена дерева ним, могут быть преобразованы в мощный и безопасный для природы материал для аккумулирования тепловой энергии.

Исследователи разработали материал на основе биоугля с фазовым переходом, который способен с высокой эффективностью улавливать, хранить и высвобождать тепло, одновременно удерживая в себе углерод. Эта работа демонстрирует, как температура, используемая для производства биоугля, напрямую влияет на его способность накапливать тепловую энергию, открывая путь к созданию недорогих и углеродно-отрицательных технологий хранения энергии.

Команда ученых превратила отходы семян нима в биоуголь путем их нагрева при недостатке кислорода при двух разных температурах – 300 и 500 градусов Цельсия. Полученный пористый углеродный материал затем пропитали лауриновой кислотой – жирной кислотой, часто используемой для хранения тепла. Такая комбинация создает стабильный материал с фазовым переходом, который может поглощать тепло при плавлении и отдавать его при застывании, не допуская утечек.

Разница между двумя видами биоугля оказалась поразительной. Биоуголь, произведенный при 500 градусах, приобрел исключительно большую внутреннюю поверхность – более 600 квадратных метров на грамм. Эта губчатая структура позволила надежно удержать внутри пор гораздо больше лауриновой кислоты. В результате композит на основе высокотемпературного биоугля смог накопить почти вдвое больше скрытой теплоты, чем материал, изготовленный из низкотемпературного аналога.

Лабораторные испытания показали, что оптимизированный композит способен хранить почти 95 джоулей тепла на грамм, сохраняя стабильность плавления и затвердевания на протяжении сотен циклов нагрева и охлаждения. Что особенно важно, тесты на утечку подтвердили, что материал с фазовым переходом остается заключенным в матрице биоугля даже при нагревании выше точки плавления.

«Такая стабильность необходима для реального применения, – отмечают исследователи. – Материалы для хранения тепловой энергии должны надежно работать годами, не разрушаясь и не протекая, особенно в зданиях, солнечных энергосистемах и системах рекуперации промышленного тепла».

Помимо производительности, ключевым преимуществом этого подхода является его экологичность. Семена нима – это широко распространенные сельскохозяйственные остатки во многих тропических регионах, которые часто выбрасываются после извлечения масла. Превращение их в биоуголь не только повышает ценность отходов биомассы, но и связывает углерод, который в противном случае вернулся бы в атмосферу.

В отличие от традиционных технологий хранения энергии, основанных на добываемых полезных ископаемых или сложном производстве, тепловые аккумуляторы на основе биоугля можно производить с относительно низкими затратами, используя местное сырье. Это делает их особенно привлекательными для децентрализованных энергетических систем и регионов, ищущих доступные решения в области чистой энергетики. Ученые подчеркивают, что их результаты указывают на важность контроля условий производства биоугля для создания материалов под конкретные энергетические задачи. При дальнейшей разработке такие композиты могут сыграть ключевую роль в повышении энергоэффективности и поддержке перехода к более устойчивому энергетическому будущему.