Реакция воды и расплавленной соли. Некоторые физико-химические свойства расплавленных солей и их смесей

Электроэнергетика - одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей - следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро - вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии - из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.

Гидроаккумуляторы

Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды - один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.

В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть ЗагорскаяГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС - важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.

Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире - порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.

Накопители энергии сжатого воздуха

Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию - однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.

Недостаток такого рода накопителей - низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.

Расплавленная соль для хранения солнечной энергии

Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов (больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри - в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре - более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.

Эта технология помогает продлевать рабочее время, либо обогревать помещения и давать электричество в вечернее время.

Подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи.

Проточные редокс-системы

Проточные батареи представляют собой огромный контейнер с электролитом, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Электролитом может служить ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы.

Пока нет коммерческих проектов, общая установленная мощность - 320 МВт, в основном в рамках исследовательских проектов. Главный плюс - пока единственная технология на батареях с длительной выдачей энергии - более 4 часов. Среди недостатков - громоздкость и отсутствие технологии утилизации, что является общей проблемой для всех батарей.

Немецкая электростанция EWE планирует построить в Германии крупнейшую в мире проточную батарею на 700 МВт/ч в пещерах, где раньше хранили природный газ, сообщает Clean Technica.

Традиционные аккумуляторы

Это батареи, подобные тем, что работают в ноутбуках и смартфонах, только промышленного размера. Tesla поставляет такие батареи для ветряных и солнечных станций, а компания Daimler использует для этого старые автомобильные аккумуляторы.

Термальные хранилища

Современный дом необходимо охлаждать - особенно в регионах с жарким климатом. Термальные хранилища позволяют в течение ночи заморозить хранящуюся к цистернах воду, днем лед тает и охлаждает дом, без использования привычного всем дорогостоящего кондиционера и лишних расходов электроэнергии.

Калифорнийская компания «Ice Energy» разработала несколько подобных проектов. Их идея заключается в том, что лед производится только во время непиковой нагрузки на электросети, а затем, вместо расхода дополнительной электроэнергии, используется лед для охлаждения помещений.

«Ice Energy» сотрудничает с австралийскими фирмами, которые собираются внедрять технологию «ледяного аккумулятора« на рынке. В Австарлии из-за активного солнца развито использование солнечных батарей. Сочетание солнца и льда увеличит общую энергоэффективность и экологичность домов.

Маховик

Супермаховик - это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.

В качестве электролитов при получении металлов электролизом расплавленных солей могут служить индивидуальные соли, но обычно, исходя из стремления иметь электролит относительно легкоплавкий, обладающий благоприятной плотностью, характеризующейся достаточно малой вязкостью и высокой электропроводностью, относительно большим проверхностным натяжением, а также низкой летучестью и способностью в малой степени растворять металлы, в практике современной металлургии применяют более сложные по составу расплавленные электролиты, представляющие собой системы из нескольких (двух-четырех) компонентов.
С этой точки зрения весьма важное значение имеют физико-химические свойства отдельных расплавленных солей, особенно систем (смесей) расплавленных солей.
Достаточно большой экспериментальный материал, накопленный в этой области, показывает, что физико-химические свойства расплавленных солей находятся между собой в определенной связи и зависят от Строения этих солей как в твердом, так и в расплавленном состоянии. Последнее же определяется такими факторами, как размеры и относительное количество катионов и анионов в кристаллической решетке соли, характер связи между ними, поляризация и склонность соответствующих ионов к комплексообразованию в расплавах.
В табл. 1 сопоставлены температуры плавления, температуры кипения, величины молярных объемов (при температуре плавления) и эквивалентная электропроводность некоторых расплавленных хлоридов, расположенных в соответствии с группами таблицы периодического закона элементов Д.И. Менделеева.

В табл. 1 видно, что хлориды щелочных металлов, относящиеся к I группе, и хлориды щелочноземельных металлов (II группа) характеризуются высокими температурами плавления и кипения, высокой электропроводностью и меньшими полярными объемами по сравнению с хлоридами, относящимися к последующим группам.
Это связано с тем, что в твердом состоянии указанные соли имеют ионные кристаллические решетки, силы взаимодействия между ионами в которых весьма значительны. Разрушить такие решетки по этой причине весьма трудно, поэтому хлориды щелочных и щелочноземельных металлов обладают высокими температурами плавления и кипения. Меньший молярный объем хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов также вытекает из наличия большой доли прочной ионной связи в кристаллах этих солей. Ионное же строение расплавов рассматриваемых солей обусловливает и их высокую электропроводность.
Согласно веpзрениям А.Я. Френкеля, электропроводность расплавленных солей определяется переносом тока, главным образом малыми по размерам подвижными катионами, а вязкие свойства обусловлены более громоздкими анионами. Отсюда падение электропроводности от LiCl к CsCl по мере увеличения радиуса катиона (от 0,78 А для Li+ к 1,65 А для Cs+) и соответственно уменьшения его подвижности.
Некоторые хлориды II и III групп (как например, MgCl2, ScCl2, УСl3 и LaCl3) характеризуются пониженной электропроводностью в расплавленном состоянии, но в то же время достаточно высокими температурами плавления и кипения. Последнее говорит о значительной доли ионной связи в кристаллических решетках этих солей. Ho в расплавах заметно взаимодействуют простые ионы с образованием более крупных и менее подвижных комплексных ионов, что снижает электропроводность и повышает вязкость расплавов этих солей.
Сильная поляризация небольшими по размерам катионами Be2+ и Al3+ аниона хлора приводит к резкому сокращению доли ионной связи в этих солях и к возрастанию доли молекулярной связи. Это уменьшает прочность кристаллических решеток BeCl2 и AlCl3, в силу чего указанные хлориды характеризуются низкими температурами плавления и кипения, большими молярными объемами и весьма малыми величинами электропроводности. Последнее обусловлено, по-видимому, тем, что (под влиянием сильного поляризующего действия Be2+ и Al3+) в расплавленных хлоридах бериллия и алюминия происходит сильное комплексообразование с образованием в них громоздких комплексных ионов.
Весьма низкими темпераутрами плавления (значения которых нередко лежат ниже нуля) и кипения характеризуются хлористые соли элементов IV группы, а также первого элемента III группы бора, имеющие чисто молекулярные решетки со слабыми остаточными связями между молекулами. В расплаве таких солей нет ионов, а они так же, как и кристаллы, построены из нейтральных молекул (хотя внутри последних связи могут быть и ионные). Отсюда - большие молярные объемы этих солей при температуре плавления и отсутствие электропроводности соответствующих расплавов.
Фториды металлов I, II и III групп характеризуются, как правило, повышенными температурами плавления и кипения по сравнению с соответствующими хлоридами. Это обусловлено меньшим радиусом аниона F+ (1,33 А) по сравнению с радиусом аниона Cl+ (1,81 А) и соответственно меньшей склонностью ионов фтора к поляризации, а следовательно, образованием этими фторидами прочных ионных кристаллических решеток.
Большое значение для выбора благоприятных условий электролиза имеют диаграммы плавкости (фазовые диаграммы) систем солей. Так, в случае применения расплавленных солей в качестве электролитов при электролитическом получении металлов обычно прежде всего необходимо иметь относительно легкоплавкие солевые сплавы, обеспечивающие достаточно низкую температуру электролиза и меньший расход электрической энергии на поддержание электролита в расплавленном состоянии.
Однако при определенных соотношениях компонентов в системах солей могут возникать химические соединения с повышенными температурами плавления, но обладающие иными благоприятными свойствами (например, способностью в расплавленном состоянии более легко растворять окислы, нежели индивидуальные расплавленные соли, и т. п.).
Исследования показывают, что тогда, когда мы имеем дело с системами из двух или более солей (или солей и окислов) между компонентами этих систем могут возникать взаимодействия, приводящие (в зависимости от силы такого взаимодействия) к образованию фиксируемых на диаграммах плавкости или эвтектик, или областей твердых растворов, или инконгруэнтно (с разложением), или конгруэнтно (без разложения) плавящихся химических соединений. Большая упорядоченность строения вещества в соответствующих точках состава системы, обусловленная этими взаимодействиями, сохраняется в той или иной степени и в расплаве, т. е. выше линии ликвидуса.
Поэтому системы (смеси) расплавленных солей являются часто более сложными по своей структуре, нежели индивидуальные расплавленные соли, причем в общем случае структурными составляющими смесей расплавленных солей одновременно могут быть простые ионы, комплексные ионы и даже нейтральные молекулы, особенно, когда в кристаллических решетках соответствующих солей имеется определенная доля молекулярной связи.
В качестве примера рассмотрим влияние катионов щелочных металлов на плавкость системы MeCl-MgCl2 (где Me - щелочной металл рис. 1), характеризующуюся линиями ликвидуса на соответствующих фазовых диаграммах. Из рисунка видно, что по мере увеличения радиуса катиона хлорида щелочного металла от Li+ к Cs+ (соответственно от 0,78 А до 1,65 А) происходит все большее усложнение диаграммы плавкости: в системе LiC-MgCl2 компоненты образуют твердые растворы; в системе NaCl-MgCl2 имеется эвтектический минимум; в системе KCl-MgCl2 в твердой фазе образуется одно конгруэнтно плавящееся соединение KCl*MgCl2 и, возможно, одно инконгруэнтно плавящееся соединение 2КСl*MgCl2; в системе RbCl-MgCl2 на диаграмме плавкости имеются уже два максимума, отвечающие образованию двух конгруэнтно плавящихся соединений; RbCl*MgCl2 и 2RbCl*MgCla; наконец, в системе CsCl-MgClg образуется три конгруэнтно плавящихся химических соединения; CsCl*MgCl2, 2CsCl*MgCl2 и SCsCl*MgCl2, а также одно инконгруэнтно плавящееся соединение CsCl*SMgCl2. В системе LiCl-MgCb ионы Li и Mg примерно в одинаковой степени взаимодействуют с нонами хлора, и поэтому сооветствующие расплавы приближаются по своему строению к простейшим растворам, в силу чего диаграмма Плавкости этой системы характеризуется наличием в ней твердых растворов. В системе NaCi-MgCl2 в силу увеличения радиуса катиона натрия происходит некоторое ослабление связи между ионами натрия и хлора и соответственно усиление взаимодействия между ионами Mg2+ и Cl-, но не приводящее, однако, еще к появлению комплексных ионов в расплаве. Возникшая в силу этого несколько большая упорядоченность расплава обусловливает появление на диаграмме плавкости системы NaCl-MgCl2 эвтектики. Возрастающее ослабление связи между ионами К+ и С1- в силу еще большего радиуса катиона калия обусловливает такое усиление взаимодействия между ионами и Сl-, которое приводит, как показывает диаграмма плавкости KCl-MgCl2, к образованию устойчивого химического соединения KMgCl3, а в расплаве - к появлению соответствующих комплексных анионов (MgCl3-). Дальнейшее увеличение радиусов Rb+ (1,49 А) и Cs+ (1,65 А) вызывает еще большее ослабление связи между ионами Rb и Сl-, с одной, и ионами Cs+ и Cl-, - с другой стороны, приводящее к дальнейшему усложнению диаграммы плавкости системы RbCl-MgCb по сравнению с диаграммой плавкости системы KCl - MgCb и еще в большей степени - к усложнению диаграммы плавкости системы CsCl-MgCl2.

Аналогично положение в системах MeF-AlF3, где в случае системы LiF - AlF3 диаграммой плавкости отмечается одно конгруэнтно плавящееся химическое соединение SLiF-AlFs, а диаграммой плавкости системы NaF-AIF3 -одно конгруэнтно и одно инконгруэнтно плавящиеся химические соединения; соответственно 3NaF*AlFa и 5NaF*AlF3. В силу того что образование в солевой фазе при кристаллизации того или другого химического соединения отражается и на строении данного расплава (большая упорядоченность, связанная с появлением комплексных ионов), это вызывает соответствующее изменение, помимо плавкости, и других физико-химических свойств, которые резко меняются (не подчиняясь правилу аддитивности) для составов смесей расплавленных солей, отвечающих по диаграмме плавкости образованию химических соединений.
Поэтому между диаграммами состав - свойство в солевых системах наблюдается соответствие, которое выражается в том, что там, где на диаграмме плавкости системы отмечается химическое соединение, соответствующей ему по составу расплав характеризуется максимумом температуры кристаллизации, максимумом плотности, максимумом вязкости, минимумом электропроводности и минимумом упругости пара.
Такое соответствие в изменении физико-химических свойств смесей расплавленных солей в местах, отвечающих образованию химических соединений, фиксируемых на диаграммах плавкости, не связано, однако, с появлением в расплаве нейтральных молекул этих соединений, как полагали ранее, а обусловлено большей упорядоченностью структуры соответствующего расплава, большей плотностью его упаковки. Отсюда - резкое повышение температуры кристаллизации и плотности такого расплава. Присутствие же в таком расплаве в наибольшем количестве крупных комплексных ионов (отвечающих образованию в твердой фазе определенных химических соединений) приводит также к резкому повышению вязкости расплава благодаря появлению в нем громоздких комплексных анионов и к снижению электропроводности расплава за счет сокращения числа переносчиков тока (в силу объединения простых ионов в комплексные).
На рис. 2 в качестве примера сделано сопоставление диаграммы состав - свойство расплавов систем NaF-AlF3 и Na3AlF6-Al2O3, где в первом случае диаграмма плавкости характеризуется наличием химического соединения, а во втором - эвтектики. В соответствии с этим на кривых изменения физико-химических свойств расплавов в зависимости от состава в первом случае имеются экстремумы (максимумы и минимумы), а во втором - соответствующие кривые изменяются монотонно.

04.03.2020

Заготовка дров, спиливание ветвей и сучков, строительные работы, уход за садом – все это спектр применения бензопилы. По ссылке...

04.03.2020

Механизм для подъемно-транспортных операций посредством тягового усилия называется лебедка. Тяга передается при помощи каната, троса или цепи, находящейся на барабане....

03.03.2020

Хотите чтобы ванная комната и санузел в квартире имели презентабельный вид? Для этого, в первую очередь, необходимо скрыть коммуникации (водопроводные и канализационные...

03.03.2020

Как художественный стиль, барокко зародился в конце XVI века в Италии. Название происходит от итальянского «barocco», что переводится как раковина причудливой формы....

02.03.2020

Уровень строительных работ определяется профессионализмом мастеров, соблюдением технологических процессов и качеством используемых материалов и расходников. Изменение...

Главная идея всего проекта - обеспечить непрерывность подачи энергии, генерируемой альтернативными источниками, прежде всего, ветром и солнцем.

У холдинга Alphabet, частью которого является Google, есть подразделение «Х», занимающееся проектами, которые выглядят как чистой воды фантастика. Один из таких проектов сейчас как раз собираются реализовать. Он называется Project Malta, а участие в нем собирается принять участие Билл Гейтс. Правда, не непосредственно, а через свой фонд Breakthrough Energy Ventures. Выделить планируется около $1 млрд.

Пока что неясно, когда именно будет выделено финансирование, но намерения всех партнеров более чем серьезные. Идея хранилища энергии, часть которого - резервуар расплавленной соли, а часть - охлажденный теплоноситель принадлежит ученому Роберту Лафлину. Он профессор физики и прикладной физики в Стэнфордском университете, Лафлин получил Нобелевскую премию по физике в 1998 году.


Главная идея всего проекта - обеспечить непрерывность подачи энергии, генерируемой альтернативными источниками, прежде всего, ветром и солнцем. Да, конечно, есть разного рода аккумуляторные системы, которые позволяют запасать энергию днем и отдавать ее ночью или в проблемные для альтернативных источников периоды времени (облачность, безветрие и т.п.). Но они могут хранить относительно небольшой объем энергии. Если же говорить о масштабах города, области или страны, то таких аккумуляторных систем нет.

Но их можно создать, воспользовавшись идеей Лафлина. Она предусматривает следующие структурные элементы:

  • Источник «зеленой» энергии, например, ветро- или солнечную электростанцию, которая передает энергию в хранилище.
  • Далее электрическая энергия приводит в действие тепловой насос, идет преобразование электричества в тепло, причем образуются две области - горячая и охлаждённая.
  • Тепло запасается в виде расплава соли, кроме того, есть и «резервуар холода», это сильно охлажденный теплоноситель (как пример).
  • Когда требуется энергия, запускается «тепловой двигатель» (система, которую можно назвать антитепловым насосом) и снова вырабатывается электричество.
  • Нужный объем энергии отправляется в общую сеть.

Патент на технологию уже получен Лафлином, так что теперь лишь дело за технологиями и финансированием. Сам проект может быть реализован, например, в Калифорнии. Здесь было «потеряно» около 300 000 кВт*ч энергии, сгенерированной ветровыми и солнечными электростанциями. Дело в том, что ее было произведено столько, что не было возможности сохранить весь объем. А этого достаточно для снабжения энергией более 10 000 домохозяйств.

Аналогичная ситуация сложилась в Германии, где в 2015 году было потеряно 4% «ветровой» электроэнергии. В Китае этот показатель и вообще превысил 17%.

К сожалению, представители «Х» ничего не говорят о возможной стоимости проекта. Вполне может быть, что при условии грамотной реализации хранилище энергии с солью и охлажденной жидкостью обойдется дешевле, чем традиционные литиевые аккумуляторы. Тем не менее, сейчас стоимость литиево-ионных батарей падает, примерно на одном уровне держится и стоимость «грязной» энергии. Так что если инициаторы проекта «Мальта» хотят конкурировать с традиционными решениями, им нужно достичь значительного удешевления стоимости киловатта в своей системе.

Как бы там ни было, реализация проекта уже не за горами, так что в скором времени мы сможем узнать все необходимые детали. опубликовано Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

Чтобы вырастить соляной кристалл, потребуются:

1) - соль .

Она должна быть как можно более чистой. Лучше всего подойдет соль морская, так как в обычной поваренной очень много мусора незаметного для глаз.

2) - вода .

Идеальным вариантом будет использовать дистиллированную воду, или хотя бы кипяченую, максимально очистив ее от примесей фильтрованием.

3) - стеклянная посуда , в которой будет выращиваться кристалл.

Основные требования к ней: она также должна быть идеально чистой, никакие посторонние предметы, даже незначительные соринки не должны присутствовать внутри нее на протяжении всего процесса, поскольку они могут спровоцировать рост других кристалликов в ущерб основному.

4) - кристаллик соли .

Его можно «добыть» из пачки с солью или в опустевшей солонке. Там на дне почти наверняка найдется подходящий, который не смог пролезть через отверстие в солонке. Выбрать надо прозрачный кристалл по форме более близкий к параллелепипеду.

5) - палочка : пластиковая или деревянная керамическая, или ложка из тех же материалов.

Один из этих предметов потребуется для перемешивания раствора. Наверное, излишним будет напоминать, что после каждого использования, они должны быть вымыты и высушены.

6) - лак .

Лак потребуется для защиты уже готового кристалла, потому что без защиты в сухом воздухе он рассыплется, а во влажном расползется в бесформенную массу.

7) - марля или фильтровальная бумага.

Процесс выращивания кристалла.

Емкость с подготовленной водой помещается в теплую воду (примерно, 50-60 градусов), в нее, при постоянном помешивании, понемножку засыпают соль. Когда соль уже не сможет растворяться, раствор переливают в другую чистую посуду таким образом, чтобы в нее не попал осадок из первой емкости. Для гарантии получения лучшей чистоты можно переливать через воронку с фильтром.

Теперь, «добытый» ранее кристалл на нитке опускают в этот раствор так, чтобы он не касался дна и стенок сосуда.

Затем накрывают посуду крышкой или чем-нибудь другим, но так чтобы туда не попали посторонние предметы и пыль.

Поместите емкость в темное прохладное место и запаситесь терпением - видимый процесс начнется через пару-тройку суток, но для выращивания большого кристалла потребуется несколько недель.

По мере роста кристалла жидкость, естественно, будет уменьшаться, а потому, примерно, раз в десять дней необходимо будет добавлять свежий раствор, приготовленный в соответствии с выше указанными условиями.

Во время всех дополнительных операций нельзя допускать частых передвижений, сильных механических воздействий, значительных колебаний температуры.

Когда кристалл достигнет желаемой величины, его достают из раствора. Делать это надо очень осторожно, потому что на этом этапе он еще очень хрупок. Вынутый кристалл обсушивают от воды с помощью салфеток. Высушенный кристалл для придания прочности покрывают бесцветным лаком, для чего можно использовать как бытовой, так и маникюрный.

И напоследок ложка дегтя.

Выращенный таким образом кристалл нельзя будет использовать для изготовления полноценной соляной лампы, так как там используется специальный природный минерал - галит, который содержит множество природных минералов.

Но и из того, что получилось у Вас, вполне можно смастерить какую-нибудь поделку, например, миниатюрный макет той же соляной лампы, вставив в кристалл маленький светодиодик, запитав его от батарейки.