Учёные из Университета Аалто в Финляндии разработали прототип необычного накопителя энергии, где вместо традиционных литий-ионных аккумуляторов применяется обычный кварцевый песок. Эта система относится к «батареям Карно», в которых электричество преобразуется в тепло, а затем накопленное тепло вновь используется для выработки энергии. В новой установке роль теплоаккумулятора выполняет песок, который нагревается электрическими тэнами внутри теплоизолированного резервуара, после чего тепло приводит в действие двигатель Стирлинга, преобразующий разницу температур в электричество.
Для эксперимента исследователи собрали установку мощностью около 1 кВт. Внутри резервуара объемом 0,2 кубометра находился кварцевый песок с размером зерен от 0,6 до 2 миллиметров. В качестве преобразователя энергии применялся коммерческий двигатель Стирлинга Microgen, а для нагрева использовались обычные тэны для сауны. Во время испытаний песок нагревали до 300–350 °C, после чего он постепенно отдавал тепло двигателю, позволяя установке вырабатывать электричество:
- примерно 9 часов при 300 °C
- до 14 часов при 350 °C с пиковой мощностью 690 Вт
Однако общая эффективность системы пока остаётся сравнительно низкой. В ходе экспериментов обратно в электричество удалось преобразовать лишь 4,4–8,3 % затраченной энергии, тогда как современные литий-ионные аккумуляторы обычно возвращают более 90 % накопленной энергии. Причина заключалась не столько в самом песке, сколько в потерях тепла через стенки установки и систему охлаждения двигателя. Например, в одном из циклов система получила 53 кВт·ч электроэнергии, но обратно выдала только 2,33 кВт·ч, ещё около 16,5 кВт·ч ушло на охлаждение двигателя, а более 34 кВт·ч просто рассеялось в окружающую среду.
Низкая теплопроводность песка создавала дополнительные трудности, поскольку тепло внутри него распространялось медленно, и двигатель периодически испытывал нехватку теплового потока. Чтобы решить эту проблему, учёные предлагают добавлять в песок металлические элементы или специальные теплопроводящие структуры. При этом сама концепция «песочной батареи Карно» показала работоспособность, а песок оказался удобным материалом для хранения тепла:
- он дешев,
- широко доступен,
- не токсичен,
- способен выдерживать температуры свыше 1700 °C без разрушения,
что обещает значительно больший срок службы таких систем по сравнению с химическими аккумуляторами.