L'energia viene immagazzinata sotto forma di ATP, che viene poi utilizzata nel corpo per la sintesi di sostanze, la generazione di calore, le contrazioni muscolari, ecc. Esistono altri modi per ottenere energia? Come il cibo si trasforma in energia

Ogni corpo ha bisogno di energia per funzionare correttamente. Una persona lo riceve grazie al metabolismo, cosa possibile se proviene dall'esterno quantità richiesta proteine, grassi e carboidrati. Questo processo avviene continuamente. Se l'equilibrio tra l'energia ricevuta e quella sprecata non viene disturbato, il metabolismo è in ordine. Il suo fallimento può portare a un deterioramento della salute, dai cambiamenti dell'umore al letto d'ospedale.

Perché il metabolismo viene interrotto?

Ci sono molte ragioni per il deterioramento del metabolismo. Per scoprire la cosa principale, devi analizzare il tuo stile di vita:

• la nutrizione dovrebbe essere regolare ed equilibrata;
• sonno: forte e completo;
• movimento: regolare e attivo;
• l'aria è fresca e pulita;
• umore: buono;
• set completo di vitamine e microelementi.

Chi pratica sport conosce la necessità di seguire una dieta e i benefici aria fresca. Questo è il loro modo di vivere. Anche la dieta ha il diritto di esistere. Ma la qualità dei prodotti consumati spesso non soddisfa gli standard. E il volume non può sempre essere calcolato con precisione. Ma il cibo è la principale fonte di elementi utili necessari per il normale funzionamento degli organi umani. A causa di un'alimentazione insufficiente, prematura e squilibrata, si verificano interruzioni nel processo metabolico.

A cosa servono le vitamine e i microelementi?

Sfortunatamente, il corpo umano non è in grado di produrre vitamine. La loro funzione principale è regolare il metabolismo, fornendo corso normale vari processi. Emopoiesi, cardiovascolare, nervoso e apparato digerente, formazione di enzimi, resistenza a effetti dannosi ambiente: tutto ciò è garantito dal normale livello di vitamine nel corpo. Ognuno di loro è responsabile del proprio settore.

Come le vitamine, i microelementi (sostanze chimiche) sono necessari all'organismo in piccole quantità, ma la loro carenza influisce notevolmente sul funzionamento di tutti i sistemi vitali. Vengono costantemente eliminati dal corpo, quindi è necessario un rifornimento regolare.

Come ricostituire vitamine e microelementi

Ci sono periodi speciali nella vita di una persona in cui la domanda aumenta materiale utile. Se escludiamo la carenza vitaminica stagionale, allora questo è un periodo di crescita e di grande attività fisica (cioè, tanti auguri per bambini e atleti). Non è sempre possibile ricostituire le proprie scorte attraverso il consumo naturale di prodotti di alta qualità. I farmaci sviluppati appositamente dalle principali aziende farmaceutiche vengono in soccorso. Quindi da più di cinquant'anni li produce l'azienda americana a conduzione familiare NOW Foods: Natural, Organic, Wholesome, cioè naturale, biologico, sano.

Se ci sono problemi con il sistema nervoso o cardiovascolare, quando l'immunità è ridotta e il funzionamento del sistema endocrino viene interrotto, dovresti prestare attenzione al farmaco nelle compresse"Vitamina B6".

Eventuali integratori non sono medicinali; aiutano solo a prevenire le malattie o ad accelerare il processo di guarigione. Pertanto, non dovresti aspettare la malattia. Se ritieni che non ci siano abbastanza vitamine nel tuo cibo, puoi seguire un corso preventivo.

Quali sono i benefici delle vitamine del gruppo B?

L'importanza di questi elementi per il pieno funzionamento del corpo è difficile da sopravvalutare.

Tiamina (B1) ha un effetto benefico sull'assorbimento del cibo, normalizza il funzionamento di tutti i sistemi.

Riboflavina (B2) aiuta in tutti i processi metabolici, ottimo antiossidante.

Niacina (B3) colpisce principalmente i vasi sanguigni.

Cianocobalamina (B12) in grado di essere sintetizzato nell'intestino, regola il metabolismo dei grassi e dei carboidrati. È uno dei fattori più importanti altezza normale, serve a prevenire i disturbi nervosi, è responsabile delle capacità riproduttive negli uomini.

Vitamina B6 (piridossina)- uno dei più popolari in questo gruppo, perché:

• prende parte attiva al metabolismo e all'assorbimento delle proteine, aiutando a costruire la massa muscolare;
• riduce i livelli di colesterolo e lipidi nel sangue;
• migliora il funzionamento del muscolo cardiaco;
• ha un effetto benefico sul sistema nervoso, poiché partecipa alla produzione di serotonina;
• normalizza la funzionalità epatica;
• agisce come antiossidante, rallentando il processo di invecchiamento;
• riduce i crampi e gli spasmi muscolari.

Durante l'attività fisica intensa, la norma della vitamina B6 dovrebbe essere raddoppiata. In questo caso, il modo più semplice per ricostituire le riserve è artificialmente. È anche incluso in preparazioni complesse.

Ad esempio, Now Foods produce il complesso vitaminico ZMA, che oltre alla B6 contiene magnesio e zinco, che hanno un effetto benefico su tutti i sistemi umani. Questo integratore alimentare è specificatamente studiato per compensare la carenza di elementi nell'organismo degli atleti. Il magnesio aiuta ad aumentare la forza muscolare alterando i livelli di testosterone. Sfortunatamente, non una quantità sufficiente di questa sostanza proviene dal cibo. E la sua carenza inibisce la formazione di proteine, rallenta i processi cerebrali e provoca interruzioni nel lavoro sistema nervoso. Di conseguenza:

• compaiono crampi e spasmi dei muscoli del polpaccio;
• la pressione sanguigna aumenta;
• il ritmo cardiaco è disturbato;
• compaiono stanchezza e depressione.

Una variazione del volume del magnesio porta ad una diminuzione della quantità di zinco, che è coinvolto nella formazione degli aminoacidi nei muscoli, nella produzione di testosterone e dell'ormone della crescita. Non da lui quantità sufficiente il sistema immunitario e la sintesi degli ormoni sessuali ne soffrono. Aumenta il livello di degradazione dei grassi, prevenendo problemi al fegato.

Tutti i componenti dell'integratore alimentare interagiscono perfettamente, contribuendo ad un effetto più efficace sul corpo umano. ZMA complesso - ottimo rimedio per costruire massa muscolare.

Come mantenere l'equilibrio di vitamine e minerali

A volte l'enorme carico di lavoro degli atleti porta ad un indebolimento del corpo. La ragione di ciò potrebbe essere la cattiva alimentazione, lo stress e altri fattori che interrompono l'equilibrio delle sostanze necessarie per il normale funzionamento di tutti i sistemi umani. Pertanto, poche persone rifiutano i farmaci compensatori, perché i complessi vitaminici sono indicati per una persona con infanzia, e il loro uso corretto dà solo risultati positivi. Non pensare che l'assunzione di dosi più elevate aiuterà a ottenere un effetto migliore. Un eccesso di vitamine e minerali può portare a conseguenze negative, quindi il produttore conduce ricerche approfondite e calcola le dosi ottimali.

Gli integratori alimentari offerti dal negozio online NOW Foods non lo sono medicinali. Non dovresti contare sulla cura di forme avanzate di disturbi nel funzionamento del corpo. I complessi biologicamente attivi sono ottimo modo accelerare il processo di recupero o prevenire le malattie. Tutti sono creati pensando alla salute.

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Il corpo è costantemente connesso con lo scambio energetico. Le reazioni del metabolismo energetico si verificano costantemente, anche quando dormiamo. Dopo complessi cambiamenti chimici, le sostanze alimentari vengono convertite da quelle ad alto peso molecolare a quelle semplici, che è accompagnata dal rilascio di energia. È tutto scambio di energia.

Le richieste energetiche del corpo durante la corsa sono molto elevate. Ad esempio, in 2,5-3 ore di corsa si consumano circa 2600 calorie (questa è la distanza di una maratona), che supera significativamente il consumo energetico di una persona sedentaria al giorno. Durante una gara l’organismo trae energia dal glicogeno muscolare e dalle riserve di grasso.

Il glicogeno muscolare, che è una catena complessa di molecole di glucosio, si accumula gruppi attivi muscoli. La glicolisi aerobica e altri due processi chimici convertono il glicogeno in adenosina trifosfato (ATP).

La molecola ATP è la principale fonte di energia nel nostro corpo. Manutenzione bilancio energetico e il metabolismo energetico avviene a livello cellulare. La velocità e la resistenza di un corridore dipendono dalla respirazione della cellula. Pertanto, per ottenere i migliori risultati, è necessario fornire ossigeno alla cellula per l'intero percorso. A questo serve la formazione.

Energia nel corpo umano. Fasi del metabolismo energetico.

Riceviamo e spendiamo continuamente energia. Sotto forma di cibo riceviamo nutrienti di base, o sostanze organiche già pronte, questo proteine ​​grassi e carboidrati. La prima fase è la digestione; non vi è alcun rilascio di energia che il nostro corpo possa immagazzinare.

Il processo digestivo non ha lo scopo di ottenere energia, ma di scomporre le molecole grandi in piccole. Idealmente, tutto dovrebbe scomporsi in monomeri. I carboidrati vengono scomposti in glucosio, fruttosio e galattosio. Grassi - in glicerolo e acidi grassi, proteine ​​in aminoacidi.

Respirazione cellulare

Oltre alla digestione, c'è una seconda parte o fase. Questo è respirare. Respiriamo e forziamo l'aria nei nostri polmoni, ma questa non è la parte principale della respirazione. La respirazione avviene quando le nostre cellule utilizzano l'ossigeno per bruciare i nutrienti in acqua e anidride carbonica per produrre energia. Questa è la fase finale della produzione di energia che avviene in ciascuna delle nostre cellule.

La principale fonte di nutrimento umano sono i carboidrati accumulati nei muscoli sotto forma di glicogeno; il glicogeno è solitamente sufficiente per 40-45 minuti di corsa. Trascorso questo tempo, il corpo deve passare ad un'altra fonte di energia. Questi sono grassi. I grassi sono un’energia alternativa al glicogeno.

energia alternativa- ciò significa la necessità di scegliere una delle due fonti energetiche: grassi o glicogeno. Il nostro corpo può ricevere energia solo da una fonte.

La corsa su lunghe distanze differisce dalla corsa su brevi distanze in quanto il corpo di chi resta inevitabilmente passa all'utilizzo del grasso muscolare come fonte aggiuntiva di energia.

Gli acidi grassi non sono il sostituto più efficace dei carboidrati, poiché il loro rilascio e utilizzo richiede molta più energia e tempo. Ma se il glicogeno si esaurisce, il corpo non ha altra scelta che utilizzare i grassi, ottenendo così l'energia necessaria. Si scopre che i grassi sono sempre un'opzione di riserva per il corpo.

Tieni presente che i grassi utilizzati durante la corsa sono grassi contenuti nelle fibre muscolari e non negli strati di grasso che ricoprono il corpo.

Quando qualsiasi sostanza organica viene bruciata o degradata, si producono rifiuti industriali: anidride carbonica e acqua. La nostra materia organica è costituita da proteine, grassi e carboidrati. L'anidride carbonica viene espirata come aria e l'acqua viene utilizzata dal corpo o escreta attraverso il sudore o l'urina.

Durante la digestione dei nutrienti, il nostro corpo perde energia sotto forma di calore. È così che il motore di un'auto si riscalda e perde energia nel vuoto, ei muscoli di un corridore spendono un'enorme quantità di energia. convertire l’energia chimica in energia meccanica. Inoltre, l'efficienza è di circa il 50%, ovvero metà dell'energia viene dispersa sotto forma di calore nell'aria.

Si possono distinguere le fasi principali del metabolismo energetico:

Mangiamo per ottenere sostanze nutritive, scomporle, quindi con l'aiuto dell'ossigeno avviene il processo di ossidazione e alla fine otteniamo energia. Parte dell'energia esce sempre sotto forma di calore e noi ne immagazziniamo una parte. L'energia viene immagazzinata sotto forma di un composto chimico chiamato ATP.

Cos'è l'ATP?

L'ATP è l'adenosina trifosfato, che è di grande importanza nello scambio di energia e sostanze negli organismi. L’ATP è una fonte universale di energia per tutti i processi biochimici che si verificano nei sistemi viventi.

Conclusione: il nostro corpo può immagazzinare energia sotto forma di un composto chimico. Questo è l'ATP.

L'ATP è costituito da una base azotata - adenina, ribosio e trifosfato - residui di acido fosforico.

È necessaria molta energia per creare ATP, ma quando viene distrutta, questa energia può essere restituita. Il nostro corpo, quando scompone i nutrienti, crea una molecola di ATP e poi, quando ha bisogno di energia, scompone la molecola di ATP o rompe i legami della molecola. Eliminando uno dei residui di acido fosforico si possono ottenere circa 40 kJ. ⁄ mole.

Questo accade sempre perché abbiamo costantemente bisogno di energia, soprattutto mentre corriamo. Le fonti di immissione di energia nel corpo possono essere diverse (carne, frutta, verdura, ecc.) . Esiste una sola fonte interna di energia: l'ATP. La vita di una molecola è inferiore a un minuto. pertanto, il corpo scompone e riproduce costantemente l'ATP.

Energia di fissione. Energia cellulare

Dissimilazione

Otteniamo la nostra energia principale dal glucosio sotto forma di una molecola di ATP. Poiché abbiamo costantemente bisogno di energia, queste molecole entreranno nel corpo dove è necessario fornire energia.

L'ATP cede energia e viene scomposto in ADP - adenosina difosfato. L'ADP è la stessa molecola dell'ATP, solo senza un residuo di acido fosforico. Di significa due. Il glucosio, una volta scomposto, rilascia energia, che l'ADP assorbe e ripristina i suoi residui di fosforo, trasformandoli in ATP, che è di nuovo pronto a consumare energia, cosa che accade continuamente.

Questo processo è chiamato - dissimilazione.(distruzione).B in questo caso Per ottenere energia, la molecola di ATP deve essere distrutta.

Assimilazione

Ma c'è un altro processo. Puoi costruire le tue sostanze usando l'energia. Questo processo è chiamato - assimilazione. Crea sostanze più grandi da quelle più piccole. Produzione delle proprie proteine, acidi nucleici, grassi e carboidrati.

Ad esempio, se hai mangiato un pezzo di carne, la carne è una proteina che deve essere scomposta in aminoacidi, dai quali verranno assemblate o sintetizzate le proteine ​​che diventeranno i tuoi muscoli. Ciò richiederà parte dell'energia.

Ottenere energia. Cos'è la glicolisi?

Uno dei processi per ottenere energia per tutti gli organismi viventi è la glicolisi. La glicolisi può essere trovata nel citoplasma di qualsiasi nostra cellula. Il nome "glicolisi" deriva dal greco. - dolce e greco. - dissoluzione.

La glicolisi è un processo enzimatico di degradazione sequenziale del glucosio nelle cellule, accompagnato dalla sintesi di ATP. Queste sono 13 reazioni enzimatiche. Glicolisi a aerobico condizioni porta alla formazione di acido piruvico (piruvato).

Glicolisi dentro anaerobico condizioni porta alla formazione di acido lattico (lattato). La glicolisi è la via principale del catabolismo del glucosio negli animali.

La glicolisi è uno dei processi metabolici più antichi, conosciuto in quasi tutti gli organismi viventi. Presumibilmente, la glicolisi è apparsa più di 3,5 miliardi di anni fa in età primaria procarioti. (I procarioti sono organismi le cui cellule mancano di un nucleo formato. Le sue funzioni sono eseguite da un nucleotide (cioè “simile a un nucleo”); a differenza di un nucleo, un nucleotide non ha un proprio guscio).

Glicolisi anaerobica

La glicolisi anaerobica è un modo per ottenere energia da una molecola di glucosio senza utilizzare ossigeno. Il processo di glicolisi (scissione) è il processo di ossidazione del glucosio, in cui due molecole si formano da una molecola di glucosio acido piruvico.

La molecola di glucosio si divide in due metà che possono essere chiamate piruvato, questo è lo stesso dell'acido piruvico. Ciascuna metà del piruvato può ripristinare una molecola di ATP. Si scopre che una molecola di glucosio, una volta scomposta, può ripristinare due molecole di ATP.

Quando si corre a lungo o quando si corre in modalità anaerobica, dopo un po' diventa difficile respirare, i muscoli delle gambe si stancano, le gambe diventano pesanti e, come te, non ricevono più abbastanza ossigeno.

Perché il processo per ottenere energia nei muscoli termina con la glicolisi. Pertanto, i muscoli iniziano a far male e si rifiutano di lavorare a causa della mancanza di energia. Formato acido lattico O lattato Si scopre che più veloce corre un atleta, più velocemente produce lattato. I livelli di lattato nel sangue sono strettamente correlati all’intensità dell’esercizio.

Glicolisi aerobica

La glicolisi stessa è un processo completamente anaerobico, cioè non richiede la presenza di ossigeno affinché avvengano le reazioni. Ma devi essere d'accordo sul fatto che la produzione di due molecole di ATP durante la glicolisi è molto piccola.

Pertanto, il corpo ha Opzione alternativa ricavare energia dal glucosio. Ma già con la partecipazione dell'ossigeno. Questa è la respirazione dell'ossigeno. che ciascuno di noi possiede, o glicolisi aerobica. La glicolisi aerobica è in grado di ripristinare rapidamente le riserve di ATP nel muscolo.

Durante l'esercizio dinamico, come la corsa, il nuoto, ecc., si verifica la glicolisi aerobica. cioè, se stai correndo e non sei senza fiato, ma stai parlando con calma con un amico che corre accanto a te, allora possiamo dire che stai correndo in modalità aerobica.

La respirazione o glicolisi aerobica avviene in mitocondri sotto l'influenza di enzimi speciali e richiede il consumo di ossigeno e, di conseguenza, il tempo per la sua consegna.

L'ossidazione avviene in più fasi, prima c'è la glicolisi, ma le due molecole di piruvato formate durante la fase intermedia di questa reazione non vengono convertite in molecole di acido lattico, ma penetrano nei mitocondri, dove vengono ossidate nel ciclo di Krebs in anidride carbonica CO2 e acqua H2O e forniscono energia per la produzione di altre 36 molecole di ATP.

Mitocondri- questi sono organelli speciali che si trovano nella cellula, motivo per cui esistequalcosa chiamato respirazione cellulare, che avviene in tutti gli organismi che necessitano di ossigeno, compresi voi e me.

La glicolisi è una via catabolica di eccezionale importanza. Fornisce energia per le reazioni cellulari, inclusa la sintesi proteica. I prodotti intermedi della glicolisi vengono utilizzati nella sintesi dei grassi. Il piruvato può anche essere utilizzato per sintetizzare l'alanina, l'aspartato e altri composti. Grazie alla glicolisi, le prestazioni mitocondriali e la disponibilità di ossigeno non limitano la potenza muscolare durante carichi estremi a breve termine. L’ossidazione aerobica è 20 volte più efficiente della glicolisi anaerobica.

Cos'è un mitocondrio?

Il mitocondrio (dal greco μίτος - filo e χόνδρος - grano, grano) è un organello sferico o ellissoidale a doppia membrana con un diametro solitamente di circa 1 micrometro.La stazione energetica della cellula; la funzione principale è l'ossidazione dei composti organici e l'utilizzo dell'energia rilasciata durante la loro degradazione per generare potenziale elettrico, sintesi di ATP e termogenesi.

Il numero di mitocondri in una cellula non è costante. Ce ne sono soprattutto molti nelle cellule in cui la necessità di ossigeno è elevata. A seconda di quale area della cellula in un dato momento si verifica un aumento del consumo energetico, i mitocondri nella cellula sono in grado di spostarsi attraverso il citoplasma verso le aree di maggior consumo energetico.

Funzioni dei mitocondri

Una delle funzioni principali dei mitocondri è la sintesi dell'ATP, una forma universale di energia chimica in ogni cellula vivente. Guarda, all'ingresso ci sono due molecole di piruvato, e all'uscita c'è un'enorme quantità di "molte cose". Questo “molte cose” è chiamato “Ciclo di Krebs”. A proposito, Hans Krebs ha ricevuto il Premio Nobel per la scoperta di questo ciclo.

Possiamo dire che questo è il ciclo dell'acido tricarbossilico. In questo ciclo, molte sostanze vengono successivamente convertite l'una nell'altra. In generale, come capisci, questa cosa è molto importante e comprensibile per i biochimici. In altre parole, è un passaggio fondamentale nella respirazione di tutte le cellule che utilizzano ossigeno.

Di conseguenza, il risultato che otteniamo è anidride carbonica, acqua e 36 molecole di ATP. Permettetemi di ricordarvi che la glicolisi (senza la partecipazione dell'ossigeno) ha prodotto solo due molecole di ATP per molecola di glucosio. Pertanto, quando i nostri muscoli iniziano a lavorare senza ossigeno, perdono notevolmente efficienza. Ecco perché tutto l'allenamento mira a garantire che i muscoli possano lavorare con l'ossigeno il più a lungo possibile.

La struttura dei mitocondri

I mitocondri hanno due membrane: esterna ed interna. Funzione principale La membrana esterna è la separazione dell'organello dal citoplasma della cellula. È costituito da uno strato bilipidico e da proteine ​​che lo penetrano, attraverso le quali viene effettuato il trasporto di molecole e ioni necessari al funzionamento dei mitocondri.

Mentre la membrana esterna è liscia, quella interna forma numerose pieghe -cristas, che aumenta notevolmente la sua area. La membrana interna è costituita principalmente da proteine, inclusi enzimi della catena respiratoria, proteine ​​di trasporto e grandi complessi ATP sintetasi. È in questo luogo che avviene la sintesi dell'ATP. Tra la membrana esterna e quella interna c'è uno spazio intermembrana con i suoi enzimi inerenti.
Si chiama lo spazio interno dei mitocondri matrice. Qui si trovano i sistemi enzimatici per l'ossidazione degli acidi grassi e del piruvato, gli enzimi del ciclo di Krebs, nonché il materiale ereditario dei mitocondri: DNA, RNA e l'apparato di sintesi delle proteine.

I mitocondri sono l'unica fonte di energia delle cellule. Situati nel citoplasma di ogni cellula, i mitocondri sono paragonabili a “batterie” che producono, immagazzinano e distribuiscono l’energia necessaria alla cellula.
Le cellule umane contengono in media 1.500 mitocondri. Sono particolarmente abbondanti nelle cellule con metabolismo intenso (ad esempio nei muscoli o nel fegato).
I mitocondri sono mobili e si muovono nel citoplasma a seconda delle esigenze della cellula. A causa della presenza del proprio DNA, si moltiplicano e si autodistruggono indipendentemente dalla divisione cellulare.
Le cellule non possono funzionare senza i mitocondri; la vita non è possibile senza di essi.

Questo materiale si basa sull'articolo "Revisione dei tipi di dispositivi di accumulo di energia", precedentemente pubblicato su http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm, con l'aggiunta di diversi paragrafi da altre fonti, ad esempio http ://battery-info.ru/alternatives.

Uno dei problemi principali energia alternativa— disomogeneità dell'approvvigionamento da fonti rinnovabili. Il sole splende solo di giorno e con tempo sereno il vento soffia o si calma. E il fabbisogno di elettricità non è costante, ad esempio, durante il giorno è necessaria meno illuminazione e di più la sera. E alla gente piace quando le città e i villaggi sono inondati di illuminazioni di notte. Beh, o almeno le strade sono semplicemente illuminate. Quindi sorge il compito: risparmiare l'energia ricevuta per un po 'di tempo per utilizzarla quando la necessità è massima e la fornitura è insufficiente.

Centrale elettrica con sistema di pompaggio TaumSauk negli Stati Uniti. Nonostante la sua bassa potenza, è conosciuta in tutto il mondo grazie al suo bacino superiore a forma di cuore.

Esistono anche dispositivi di accumulo dell'energia gravitazionale idraulica su scala più piccola. Per prima cosa pompiamo 10 tonnellate di acqua da un serbatoio sotterraneo (pozzo) a un contenitore sulla torre. Quindi l'acqua dal serbatoio rifluisce nel serbatoio sotto l'influenza della gravità, facendo ruotare una turbina con un generatore elettrico. La durata di tale unità può essere di 20 anni o più. Vantaggi: quando si utilizza un motore eolico, quest'ultimo può azionare direttamente la pompa dell'acqua; l'acqua del serbatoio sulla torre può essere utilizzata per altre esigenze.

Sfortunatamente, i sistemi idraulici sono più difficili da mantenere in condizioni tecniche adeguate rispetto a quelli a stato solido: ciò riguarda innanzitutto la tenuta dei serbatoi e delle condutture e la funzionalità delle apparecchiature di intercettazione e pompaggio. E un'altra condizione importante: nei momenti di accumulo e utilizzo dell'energia, il fluido di lavoro (secondo almeno, una parte abbastanza grande di esso) deve trovarsi allo stato liquido di aggregazione, e non sotto forma di ghiaccio o vapore. Ma a volte in tali serbatoi di stoccaggio è possibile ottenere ulteriore energia gratuita, ad esempio, quando si riempie il serbatoio superiore con acqua di fusione o piovana.

Dispositivi meccanici di accumulo dell'energia

L'energia meccanica si manifesta durante l'interazione e il movimento dei singoli corpi o delle loro particelle. Include energia cinetica movimento o rotazione di un corpo, energia di deformazione durante flessione, allungamento, torsione, compressione di corpi elastici (molle).

Dispositivi giroscopici di accumulo dell'energia

Dispositivo di memorizzazione giroscopico di Ufimtsev.

Nei dispositivi di accumulo giroscopici, l'energia viene immagazzinata sotto forma di energia cinetica da un volano in rapida rotazione. L'energia specifica immagazzinata per chilogrammo di peso del volano è significativa più di quello, che è possibile immagazzinare un chilogrammo di carico statico, anche sollevandolo a grande altezza, e gli ultimi sviluppi high-tech promettono una densità di energia accumulata paragonabile alla riserva di energia chimica per unità di massa dei tipi più efficienti di combustibile chimico . Un altro enorme vantaggio del volano è la capacità di rilasciare o ricevere rapidamente una potenza molto elevata, limitata solo dalla resistenza dei materiali nel caso di una trasmissione meccanica o dalla “portata” di trasmissioni elettriche, pneumatiche o idrauliche.

Sfortunatamente, i volani sono sensibili agli urti e alla rotazione su piani diversi da quello di rotazione, poiché ciò crea enormi carichi giroscopici che tendono a piegare l'asse. Inoltre, il tempo di accumulo dell'energia accumulata dal volano è relativamente breve e, per le progettazioni tradizionali, varia solitamente da pochi secondi a diverse ore. Inoltre, le perdite di energia dovute all'attrito diventano troppo evidenti... Tuttavia, tecnologie moderne consentono di aumentare notevolmente il tempo di archiviazione, fino a diversi mesi.

Infine, un altro momento spiacevole: l'energia immagazzinata dal volano dipende direttamente dalla sua velocità di rotazione, quindi, man mano che l'energia viene accumulata o rilasciata, la velocità di rotazione cambia continuamente. Allo stesso tempo, il carico richiede molto spesso una velocità di rotazione stabile che non superi diverse migliaia di giri al minuto. Per questo è puro sistemi meccanici il trasferimento di potenza da e verso il volano potrebbe essere troppo complesso da produrre. A volte una trasmissione elettromeccanica che utilizza un motogeneratore posto sullo stesso albero del volano o collegato ad esso tramite un riduttore rigido può semplificare la situazione. Ma poi sono inevitabili perdite di energia dovute al riscaldamento dei fili e degli avvolgimenti, che possono essere molto superiori alle perdite dovute all'attrito e allo slittamento in buoni variatori.

Particolarmente promettenti sono i cosiddetti supervolani, costituiti da spire di nastro d'acciaio, filo o fibra sintetica ad alta resistenza. L'avvolgimento può essere denso o può avere uno spazio vuoto appositamente lasciato. In quest'ultimo caso, quando il volano si svolge, le spire del nastro si spostano dal suo centro alla periferia di rotazione, modificando il momento di inerzia del volano, e se il nastro è caricato a molla, immagazzinando parte dell'energia in l'energia di deformazione elastica della molla. Di conseguenza, in tali volani la velocità di rotazione non è così direttamente correlata all'energia accumulata ed è molto più stabile rispetto alle strutture solide più semplici e la loro intensità energetica è notevolmente maggiore. Oltre ad una maggiore intensità energetica, sono più sicuri in caso di vari incidenti, poiché, a differenza dei frammenti di un grande volano monolitico, che nella loro energia e potere distruttivo sono paragonabili alle palle di cannone, i frammenti di molla hanno molto meno "potere dannoso" e solitamente rallentare in modo abbastanza efficace lo scoppio del volano a causa dell'attrito contro le pareti dell'alloggiamento. Per lo stesso motivo, i moderni volani solidi, progettati per funzionare in condizioni prossime al limite della resistenza del materiale, sono spesso realizzati non monolitici, ma intrecciati con cavi o fibre impregnati con un legante.

I design moderni con una camera di rotazione a vuoto e una sospensione magnetica di un supervolano in fibra di Kevlar forniscono una densità di energia immagazzinata superiore a 5 MJ/kg e possono immagazzinare energia cinetica per settimane e mesi. Secondo stime ottimistiche, l’uso della fibra ultra resistente “supercarbonio” per l’avvolgimento consentirà di aumentare la velocità di rotazione e la densità specifica dell’energia immagazzinata molte più volte - fino a 2-3 GJ/kg (promettono che un giro di tale fibra un volano del peso di 100-150 kg sarà sufficiente per percorrere un milione di chilometri o più, cioè praticamente per tutta la vita dell'auto!). Tuttavia, il costo di questa fibra è anche molte volte superiore al costo dell'oro, quindi anche gli sceicchi arabi non possono permettersi tali macchine... Puoi leggere di più sulle trasmissioni a volano nel libro di Nurbey Gulia.

Dispositivi di accumulo dell'energia girorisonante

Queste unità sono lo stesso volano, ma fatte di materiale elastico(ad esempio, gomma). Di conseguenza, acquisisce proprietà fondamentalmente nuove. All'aumentare della velocità, su un tale volano iniziano a formarsi "escrescenze" - "petali" - prima si trasforma in un'ellisse, poi in un "fiore" con tre, quattro o più "petali"... Inoltre, dopo la formazione inizia la formazione dei “petali”, la velocità di rotazione del volano praticamente non cambia e l'energia viene immagazzinata nell'onda risonante di deformazione elastica del materiale del volano, che forma questi “petali”.

La Nuova Zelanda Garmash è stata impegnata in tali costruzioni alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80 a Donetsk. I risultati ottenuti sono impressionanti: secondo le sue stime, con una velocità di funzionamento del volano di soli 7-8 mila giri/min, l'energia immagazzinata era sufficiente affinché l'auto potesse percorrere 1.500 km contro 30 km con un volano convenzionale delle stesse dimensioni. Sfortunatamente, non si conoscono informazioni più recenti su questo tipo di unità.

Immagazzinamento meccanico mediante forze elastiche

Questa classe di dispositivi ha una capacità specifica di accumulo di energia molto elevata. Se è necessario mantenere dimensioni ridotte (diversi centimetri), la sua intensità energetica è la più alta tra le trasmissioni meccaniche. Se i requisiti per le caratteristiche di peso e dimensioni non sono così rigorosi, i grandi volani ad altissima velocità lo superano in termini di intensità energetica, ma sono molto più sensibili a fattori esterni e hanno un tempo di accumulo di energia molto più breve.

Stoccaggio meccanico a molla

La compressione e il raddrizzamento della molla possono fornire un flusso e una fornitura di energia molto grandi per unità di tempo, forse la potenza meccanica più grande tra tutti i tipi di dispositivi di accumulo di energia. Come nei volani, è limitato solo dalla resistenza dei materiali, ma di solito sono le molle a realizzare il funzionamento movimento in avanti direttamente, e nei volani non si può fare a meno di una trasmissione piuttosto complessa (non è un caso che le armi pneumatiche utilizzino o molle meccaniche o cartucce a gas, che in sostanza sono molle pneumatiche precaricate; prima dell'avvento delle armi da fuoco si usavano anche armi a molla per il combattimento a distanza armi - archi e balestre, che, molto prima della nuova era, sostituirono completamente la fionda con il suo accumulo cinetico di energia nelle truppe professionali).

Il periodo di stoccaggio dell'energia accumulata in una molla compressa può essere di molti anni. Tuttavia, va tenuto presente che, sotto l'influenza di una deformazione costante, qualsiasi materiale accumula fatica nel tempo e il reticolo cristallino del metallo della molla cambia gradualmente, e maggiori sono le sollecitazioni interne e maggiore è la temperatura ambiente, prima e in misura maggiore ciò avverrà. Pertanto, dopo diversi decenni, una molla compressa, senza cambiare aspetto, può risultare “scarica” completamente o parzialmente. Tuttavia, le molle in acciaio di alta qualità, se non sottoposte a surriscaldamento o ipotermia, possono funzionare per secoli senza alcuna perdita visibile di capacità. Ad esempio, un antico orologio da parete meccanico con una carica completa funziona ancora per due settimane, proprio come quando fu realizzato più di mezzo secolo fa.

Se è necessario “caricare” e “scaricare” gradualmente e in modo uniforme la molla, il meccanismo che provvede a ciò può rivelarsi molto complesso e capriccioso (guarda lo stesso orologio meccanico - in effetti, molti ingranaggi e altre parti servono proprio a questo scopo ). Una trasmissione elettromeccanica può semplificare la situazione, ma di solito impone restrizioni significative sulla potenza istantanea di tale dispositivo e, quando si lavora con potenze basse (diverse centinaia di watt o meno), la sua efficienza è troppo bassa. Un compito separato è l'accumulo massima energia in un volume minimo, poiché si creano sollecitazioni meccaniche prossime alla resistenza a trazione dei materiali utilizzati, che richiedono calcoli particolarmente accurati e una lavorazione impeccabile.

Quando parliamo di molle qui, dobbiamo tenere presente non solo il metallo, ma anche altri elementi solidi elastici. I più comuni tra questi sono gli elastici. A proposito, in termini di energia immagazzinata per unità di massa, la gomma supera l'acciaio decine di volte, ma serve approssimativamente lo stesso numero di volte in meno e, a differenza dell'acciaio, perde le sue proprietà dopo pochi anni anche senza uso attivo e in condizioni esterne ideali - a causa dell'invecchiamento chimico e del degrado relativamente rapidi del materiale.

Accumulatori meccanici a gas

In questa classe di dispositivi, l'energia viene accumulata a causa dell'elasticità del gas compresso. Quando c'è energia in eccesso, il compressore pompa il gas nella bombola. Quando è necessario utilizzare l'energia immagazzinata, il gas compresso viene fornito ad una turbina, che esegue direttamente il lavoro meccanico necessario o mette in rotazione un generatore elettrico. Invece di una turbina, puoi utilizzare un motore a pistoni, che è più efficiente a bassa potenza (a proposito, esistono anche motori con compressori a pistoni reversibili).

Quasi tutti i moderni compressori industriali sono dotati di una batteria simile: un ricevitore. È vero, la pressione raramente supera le 10 atm, e quindi la riserva di energia in un tale ricevitore non è molto grande, ma questo di solito consente di aumentare più volte la durata dell'installazione e di risparmiare energia.

Il gas compresso ad una pressione di decine e centinaia di atmosfere può fornire una densità specifica di energia immagazzinata sufficientemente elevata per un tempo quasi illimitato (mesi, anni e alta qualità le valvole di intercettazione e di ricevitore sono vecchie di decenni; non per niente sono diventate così diffuse le armi pneumatiche che utilizzano cartucce di gas compresso). Tuttavia, il compressore con turbina o motore a pistoni incluso nell'installazione è un dispositivo piuttosto complesso, capriccioso e dispone di risorse molto limitate.

Una tecnologia promettente per creare riserve energetiche è la compressione dell’aria utilizzando l’energia disponibile in un momento in cui non ce n’è bisogno immediato. L'aria compressa viene raffreddata e immagazzinata ad una pressione di 60-70 atmosfere. Se è necessario consumare l'energia immagazzinata, l'aria viene estratta dal dispositivo di accumulo, riscaldata e quindi entra in una speciale turbina a gas, dove l'energia dell'aria compressa e riscaldata fa ruotare gli stadi della turbina, il cui albero è collegato ad un generatore elettrico che fornisce elettricità al sistema di alimentazione.

Per lo stoccaggio dell'aria compressa si propone, ad esempio, di utilizzare appositi scavi minerari o serbatoi sotterranei appositamente realizzati in rocce saline. Il concetto non è nuovo, lo stoccaggio dell'aria compressa in una grotta sotterranea è stato brevettato nel 1948 e il primo impianto con accumulo di energia ad aria compressa (CAES) con una capacità di 290 MW è in funzione presso la centrale elettrica di Huntorf in Germania dal 1978. Nella fase di compressione dell'aria un gran numero di l'energia viene persa sotto forma di calore. Questa perdita di energia deve essere compensata dall'aria compressa prima della fase di espansione nella turbina a gas, e a questo scopo viene utilizzato il combustibile idrocarburico per aumentare la temperatura dell'aria. Ciò significa che gli impianti sono ben lungi dall’essere efficienti al 100%.

Esiste una direzione promettente per migliorare l’efficienza di CAES. Consiste nel trattenere e preservare il calore generato durante il funzionamento del compressore nella fase di compressione e raffreddamento dell'aria, con il suo successivo riutilizzo durante il riscaldamento dell'aria fredda (il cosiddetto recupero). Tuttavia, questa opzione CAES presenta notevoli difficoltà tecniche, soprattutto nella creazione di un sistema di accumulo del calore a lungo termine. Se questi problemi venissero risolti, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) potrebbe aprire la strada a sistemi di accumulo di energia su larga scala, una questione che è stata sollevata da ricercatori di tutto il mondo.

I partecipanti alla startup canadese Hydrostor hanno un'altra soluzione insolita: pompare energia nelle bolle sottomarine.

Accumulo di energia termica

Nelle nostre condizioni climatiche, una parte molto significativa (spesso la principale) dell'energia consumata viene spesa per il riscaldamento. Sarebbe quindi molto conveniente accumulare calore direttamente nell'accumulatore e poi riceverlo indietro. Sfortunatamente, nella maggior parte dei casi, la densità dell’energia immagazzinata è molto piccola e il tempo di immagazzinamento è molto limitato.

Esistono accumulatori di calore con materiale accumulatore di calore solido o fondente; liquido; vapore; termochimico; con un elemento riscaldante elettrico. Gli accumulatori di calore possono essere collegati ad un impianto con caldaia a combustibile solido, ad un impianto solare o ad un impianto combinato.

Accumulo di energia grazie alla capacità termica

Negli accumulatori di questo tipo, l'accumulo di calore viene effettuato a causa della capacità termica della sostanza che funge da fluido di lavoro. Un classico esempio di accumulatore di calore è la stufa russa. Veniva riscaldato una volta al giorno e poi riscaldava la casa per 24 ore. Al giorno d'oggi, un accumulatore di calore significa molto spesso contenitori per lo stoccaggio di acqua calda, rivestiti con materiale con elevate proprietà di isolamento termico.

Esistono accumulatori di calore basati su refrigeranti solidi, ad esempio nei mattoni di ceramica.

Sostanze diverse hanno capacità termiche diverse. Nella maggior parte dei casi è compreso tra 0,1 e 2 kJ/(kg K). L'acqua ha una capacità termica anormalmente elevata: la sua capacità termica nella fase liquida è di circa 4,2 kJ/(kg K). Solo il litio molto esotico ha una capacità termica maggiore - 4,4 kJ/(kg K).

Tuttavia, oltre a capacità termica specifica(in massa) deve essere preso in considerazione capacità termica volumetrica, che consente di determinare la quantità di calore necessaria per modificare della stessa quantità la temperatura dello stesso volume di sostanze diverse. Si calcola dalla consueta capacità termica specifica (di massa) moltiplicandola per la densità specifica della sostanza corrispondente. Dovresti concentrarti sulla capacità termica volumetrica quando il volume è più importante accumulatore di calore rispetto al suo peso. Ad esempio, il calore specifico dell'acciaio è di soli 0,46 kJ/(kg K), ma la densità è di 7800 kg/m3 e, ad esempio, il polipropilene è di 1,9 kJ/(kg K) - in 4 s un'altra volta di più, ma la sua densità è di soli 900 kg/mc. Pertanto, con lo stesso volume l’acciaio sarà in grado di immagazzinare 2,1 volte più calore del polipropilene, anche se sarà quasi 9 volte più pesante. Tuttavia, a causa della capacità termica anomala dell’acqua, nessun materiale può superarla in termini di capacità termica volumetrica. Tuttavia, la capacità termica volumetrica del ferro e delle sue leghe (acciaio, ghisa) differisce da quella dell'acqua meno del 20%: in un metro cubo possono immagazzinare più di 3,5 MJ di calore per ogni grado di variazione della temperatura, la capacità termica volumetrica di rame è leggermente inferiore - 3,48 MJ /(m cubo K). La capacità termica dell'aria in condizioni normali è di circa 1 kJ/kg, ovvero 1,3 kJ/metro cubo, quindi per riscaldare di 1° un metro cubo d'aria è sufficiente raffreddare poco meno di 1/3 di litro d'acqua ( naturalmente, più caldo dell'aria) dello stesso grado).

A causa della semplicità del dispositivo (cosa potrebbe esserci di più semplice di un pezzo solido stazionario di materia solida o di un serbatoio chiuso con un refrigerante liquido?), tali dispositivi di accumulo di energia hanno un numero quasi illimitato di cicli di accumulo e rilascio di energia e un molto lunga durata - per i liquidi refrigeranti finché il liquido non si asciuga o finché il serbatoio non viene danneggiato dalla corrosione o per altri motivi, per i materiali allo stato solido non esistono queste restrizioni. Ma il tempo di conservazione è molto limitato e, di norma, varia da alcune ore a diversi giorni - per periodo più lungo l'isolamento termico convenzionale non è più in grado di trattenere il calore e peso specifico l'energia immagazzinata è piccola.

Infine, va sottolineata un'altra circostanza: per un funzionamento efficiente, non è importante solo la capacità termica, ma anche la conduttività termica della sostanza dell'accumulatore di calore. Con elevata conduttività termica, anche a sufficienza cambiamenti rapidi condizioni esterne, l'accumulatore di calore reagirà con tutta la sua massa, e quindi con tutta l'energia immagazzinata, cioè nel modo più efficiente possibile. In caso di scarsa conduttività termica, solo la parte superficiale dell'accumulatore di calore avrà il tempo di reagire e i cambiamenti a breve termine delle condizioni esterne semplicemente non avranno il tempo di raggiungere gli strati più profondi e una parte significativa della sostanza di tale un accumulatore di calore verrà infatti escluso dal funzionamento. Il polipropilene, menzionato nell'esempio discusso appena sopra, ha una conduttività termica quasi 200 volte inferiore a quella dell'acciaio e quindi, nonostante la sua capacità termica specifica piuttosto elevata, non può essere un efficace accumulatore di calore. Tuttavia, tecnicamente, il problema può essere facilmente risolto organizzando canali speciali per la circolazione del liquido di raffreddamento all'interno dell'accumulatore di calore, ma è ovvio che tale soluzione complica notevolmente la progettazione, ne riduce l'affidabilità e l'intensità energetica e richiederà sicuramente una manutenzione periodica, che è improbabile che sia necessario per un pezzo monolitico di sostanza.

Per quanto strano possa sembrare, a volte è necessario accumulare e immagazzinare non calore, ma freddo. Negli Stati Uniti operano da più di dieci anni aziende che offrono “accumulatori” a base di ghiaccio da installare nei condizionatori d'aria. Di notte, quando l'elettricità è disponibile in abbondanza e viene venduta a tariffe ridotte, il condizionatore congela l'acqua, cioè passa alla modalità frigorifero. IN giorno consuma molte volte meno energia, funzionando come un ventilatore. Durante questo periodo il compressore assetato di energia è spento. Per saperne di più.

Accumulo di energia quando si cambia lo stato di fase di una sostanza

Se si osservano attentamente i parametri termici delle varie sostanze, si può vedere che quando cambia lo stato di aggregazione (fusione-solidificazione, evaporazione-condensazione), si verifica un significativo assorbimento o rilascio di energia. Per la maggior parte delle sostanze, l'energia termica di tali trasformazioni è sufficiente per modificare la temperatura della stessa quantità della stessa sostanza di molte decine o addirittura centinaia di gradi in quegli intervalli di temperatura in cui il suo stato di aggregazione non cambia. Ma, come sai, finché lo stato di aggregazione dell'intero volume di una sostanza non diventa lo stesso, la sua temperatura è praticamente costante! Pertanto, sarebbe molto allettante accumulare energia modificando lo stato di aggregazione: si accumula molta energia e la temperatura cambia poco, quindi di conseguenza non sarà necessario risolvere i problemi associati al riscaldamento ad alte temperature e allo stesso tempo è possibile ottenere una buona capacità di tale accumulatore di calore.

Fusione e cristallizzazione

Sfortunatamente, al momento non esistono praticamente sostanze economiche, sicure e resistenti alla decomposizione grande energia transizione di fase, il cui punto di fusione si troverebbe nell'intervallo più rilevante, da circa +20°C a +50°C (il massimo +70°C è ancora una temperatura relativamente sicura e facilmente raggiungibile). Di norma, in questo intervallo di temperature si sciolgono composti organici complessi, che non sono affatto salutari e spesso si ossidano rapidamente nell'aria.

Forse le sostanze più adatte sono le paraffine, il cui punto di fusione la maggior parte, a seconda del tipo, è compreso tra 40 e 65 ° C (tuttavia esistono anche paraffine “liquide” con punto di fusione di 27 ° C o meno, così come l'ozocerite naturale, correlata alle paraffine, il cui punto di fusione è compreso tra 58 e 100°C). Sia le paraffine che l'ozocerite sono abbastanza sicure e vengono utilizzate scopi medici per il riscaldamento diretto dei punti dolenti del corpo. Tuttavia, con una buona capacità termica, la loro conduttività termica è molto bassa, così bassa che la paraffina o l'ozocerite applicate al corpo, riscaldate a 50-60 ° C, risultano solo piacevolmente calde, ma non scottanti, come nel caso dell'acqua riscaldata alla stessa temperatura, questo è positivo per la medicina, ma per un accumulatore di calore questo è un aspetto negativo assoluto. Inoltre, queste sostanze non sono così economiche, ad esempio, il prezzo all'ingrosso dell'ozocerite nel settembre 2009 era di circa 200 rubli per chilogrammo e un chilogrammo di paraffina costava da 25 rubli (tecnica) a 50 e più (per uso alimentare altamente purificato, ad es. adatto per l'uso nell'imballaggio alimentare). Questi sono i prezzi all'ingrosso per lotti di diverse tonnellate, al dettaglio tutto costa almeno una volta e mezza più caro.

Di conseguenza, l'efficienza economica di un accumulatore di calore a paraffina è una grande questione: dopo tutto, uno o due chilogrammi di paraffina o ozocerite sono adatti solo per riscaldare dal punto di vista medico una zona lombare angusta per un paio di decine di minuti e per garantire una temperatura stabile in una casa più o meno spaziosa per almeno un giorno, la massa di un accumulatore di calore a paraffina dovrebbe essere misurata in tonnellate, quindi il suo costo si avvicina immediatamente al costo di un'autovettura (anche se nel segmento di prezzo più basso)! E la temperatura della transizione di fase, idealmente, dovrebbe corrispondere esattamente all'intervallo confortevole (20..25°C), altrimenti bisognerà comunque organizzare una sorta di sistema di regolazione dello scambio di calore. Tuttavia, il punto di fusione nell'ordine di 50..54 °C, caratteristico delle paraffine altamente purificate, in combinazione con l'elevato calore di transizione di fase (poco più di 200 kJ/kg) è molto adatto per un accumulatore di calore progettato per fornire acqua calda e riscaldamento dell'acqua, l'unico problema è la bassa conduttività termica e l'alto prezzo della paraffina. Ma in caso di forza maggiore, la paraffina stessa può essere utilizzata come combustibile con un buon potere calorifico (anche se non è così facile da fare - a differenza della benzina o del cherosene, la paraffina liquida e soprattutto solida non brucia nell'aria, hai sicuramente bisogno di uno stoppino o altro dispositivo per alimentare nella zona di combustione non la paraffina stessa, ma solo il suo vapore)!

Un esempio di dispositivo di accumulo di energia termica basato sull'effetto di fusione e cristallizzazione è il sistema di accumulo di energia termica TESS a base di silicio, sviluppato dalla società australiana Latent Heat Storage.

Evaporazione e condensazione

Il calore di evaporazione-condensazione, di regola, è molte volte superiore al calore di fusione-cristallizzazione. E sembra che ci siano parecchie sostanze che evaporano nell'intervallo di temperature richiesto. Oltre al disolfuro di carbonio francamente tossico, ci sono anche acetone, etere etilico, ecc etanolo(la sua relativa sicurezza è dimostrata quotidianamente dall'esempio personale di milioni di alcolisti in tutto il mondo!). In condizioni normali, l'alcol bolle a 78°C e il suo calore di evaporazione è 2,5 volte maggiore del calore di fusione dell'acqua (ghiaccio) ed equivale a riscaldare di 200° la stessa quantità di acqua liquida. Tuttavia, a differenza della fusione, quando le variazioni di volume di una sostanza raramente superano pochi punti percentuali, durante l'evaporazione il vapore occupa l'intero volume fornitogli. E se questo volume è illimitato, il vapore evaporerà, portando con sé irrevocabilmente tutta l'energia accumulata. In un volume chiuso, la pressione inizierà immediatamente ad aumentare, impedendo l'evaporazione di nuove porzioni del fluido di lavoro, come avviene nella pentola a pressione più comune, quindi solo una piccola percentuale della sostanza di lavoro subisce un cambiamento di stato aggregazione, mentre il resto continua a riscaldarsi mentre si trova nella fase liquida. Si apre qui campo ampio attività per gli inventori: la creazione di un efficace accumulatore di calore basato sull'evaporazione e sulla condensazione con un volume di lavoro variabile sigillato.

Transizioni di fase del secondo ordine

Oltre alle transizioni di fase associate ai cambiamenti nello stato di aggregazione, alcune sostanze, anche all'interno di uno stato di aggregazione, possono avere diversi stati di fase diversi. Un cambiamento in tali stati di fase, di regola, è anche accompagnato da un notevole rilascio o assorbimento di energia, sebbene di solito molto meno significativo rispetto a quando cambia lo stato aggregato di una sostanza. Inoltre, in molti casi, con tali cambiamenti, in contrasto con un cambiamento nello stato di aggregazione, si verifica un'isteresi di temperatura: le temperature delle transizioni di fase diretta e inversa possono differire in modo significativo, a volte di decine o addirittura centinaia di gradi.

Accumulo di energia elettrica

L’elettricità è la forma di energia più conveniente e versatile in Europa mondo moderno. Non sorprende che i dispositivi di accumulo dell’energia elettrica si stiano sviluppando più rapidamente. Sfortunatamente, nella maggior parte dei casi, la capacità specifica dei dispositivi a basso costo è ridotta, mentre i dispositivi con elevata capacità specifica sono ancora troppo costosi per immagazzinare grandi riserve di energia per un uso di massa e hanno una vita molto breve.

Condensatori

I più comuni dispositivi di accumulo dell’energia “elettrica” sono i normali condensatori radio. Hanno un enorme tasso di accumulo e rilascio di energia, solitamente da diverse migliaia a molti miliardi di cicli completi al secondo, e sono in grado di funzionare in questo modo in un ampio intervallo di temperature per molti anni o addirittura decenni. Combinando più condensatori in parallelo, puoi facilmente aumentare la loro capacità totale al valore desiderato.

I condensatori possono essere divisi in due classe numerosa- non polare (solitamente “secco”, cioè non contenente elettrolita liquido) e polare (solitamente elettrolitico). L'uso di un elettrolita liquido fornisce una capacità specifica significativamente più elevata, ma quasi sempre richiede il rispetto della polarità durante il collegamento. Inoltre, i condensatori elettrolitici sono spesso più sensibili alle condizioni esterne, principalmente alla temperatura, e hanno una durata più breve (nel tempo, l'elettrolita evapora e si secca).

Tuttavia, i condensatori presentano due svantaggi principali. In primo luogo, si tratta di una densità specifica di energia immagazzinata molto bassa e quindi di una capacità ridotta (rispetto ad altri tipi di accumulo). In secondo luogo, si tratta di un tempo di memorizzazione breve, che di solito viene misurato in minuti e secondi e raramente supera diverse ore, e in alcuni casi è solo una piccola frazione di secondo. Di conseguenza, l'ambito di applicazione dei condensatori è limitato a vari circuiti elettronici e all'accumulo a breve termine, sufficienti per rettificare, correggere e filtrare la corrente nell'ingegneria elettrica di potenza - non ce ne sono ancora abbastanza per di più.

A volte chiamati "supercondensatori", possono essere considerati una sorta di collegamento intermedio tra i condensatori elettrolitici e le batterie elettrochimiche. Dai primi hanno ereditato un numero quasi illimitato di cicli di carica-scarica e dai secondi correnti di carica e scarica relativamente basse (un ciclo completo di carica-scarica può durare un secondo o anche molto più a lungo). Anche la loro capacità è compresa tra i condensatori più capacitivi e le piccole batterie: di solito la riserva di energia varia da poche a diverse centinaia di joule.

Inoltre, va notato che gli ionizzatori sono piuttosto sensibili alla temperatura e hanno un tempo di conservazione della carica limitato, da alcune ore a diverse settimane al massimo.

Batterie elettrochimiche

Le batterie elettrochimiche furono inventate agli albori dello sviluppo dell'ingegneria elettrica e ora possono essere trovate ovunque, dai telefoni cellulari agli aeroplani e alle navi. In generale, funzionano in base ad alcuni reazioni chimiche e quindi potrebbero essere attribuiti alla sezione successiva del nostro articolo - "Dispositivi di accumulo di energia chimica". Ma poiché questo punto di solito non viene enfatizzato e si attira l'attenzione sul fatto che le batterie accumulano elettricità, le considereremo qui.

Di norma, se è necessario immagazzinare una certa quantità di energia, da diverse centinaia di kilojoule o più, vengono utilizzate batterie al piombo (ad esempio, qualsiasi automobile). Tuttavia, hanno dimensioni considerevoli e, soprattutto, peso. Se sono richieste leggerezza e mobilità del dispositivo, vengono utilizzati tipi di batterie più moderni: nichel-cadmio, idruro metallico, ioni di litio, ioni polimerici, ecc. Hanno una capacità specifica molto più elevata, ma anche un costo specifico di accumulo di energia notevolmente superiore, per cui il loro utilizzo è solitamente limitato a dispositivi relativamente piccoli ed economici, come telefoni cellulari, fotocamere e videocamere, computer portatili, ecc.

IN Ultimamente Le potenti batterie agli ioni di litio hanno iniziato ad essere utilizzate nei veicoli ibridi ed elettrici. Oltre al peso più leggero e alla maggiore capacità specifica, a differenza del piombo acido, consentono un utilizzo quasi completo della loro capacità nominale, sono considerati più affidabili e hanno una durata di servizio più lunga, e la loro efficienza energetica in un ciclo completo supera il 90%, mentre la efficienza energetica del piombo Quando si carica l'ultimo 20% delle batterie, la loro capacità può scendere al 50%.

In base alla modalità di utilizzo, anche le batterie elettrochimiche (principalmente quelle potenti) si dividono in due grandi classi: le cosiddette da trazione e da avviamento. Di solito, una batteria di avviamento può funzionare con successo come batteria di trazione (l'importante è controllare il grado di scarica e non portarlo a una profondità consentita per le batterie di trazione), ma se utilizzata in retromarcia, troppa corrente di carico possono danneggiare molto rapidamente la batteria di trazione.

Gli svantaggi delle batterie elettrochimiche includono un numero molto limitato di cicli di carica-scarica (nella maggior parte dei casi da 250 a 2000, e se non vengono seguite le raccomandazioni dei produttori - molto meno), e anche in assenza di uso attivo, la maggior parte dei tipi di le batterie si degradano dopo alcuni anni, perdendo le loro proprietà di consumo. Allo stesso tempo, la durata di molti tipi di batterie non inizia dall'inizio del loro funzionamento, ma dal momento della produzione. Inoltre, le batterie elettrochimiche sono caratterizzate da sensibilità alla temperatura, a lungo carica, talvolta decine di volte superiore al tempo di scarica, e la necessità di rispettare le modalità di utilizzo (evitando la scarica profonda per le batterie al piombo e, al contrario, osservando ciclo completo carica-scarica per batterie all'idruro metallico e molti altri tipi di batterie). Anche il tempo di conservazione della carica è piuttosto limitato, di solito da una settimana a un anno. Con le batterie vecchie non diminuisce solo la capacità, ma anche il tempo di conservazione, ed entrambi possono essere ridotti molte volte.

Dispositivi di accumulo dell'energia chimica

Energia chimica- questa è l'energia “immagazzinata” negli atomi delle sostanze, che viene rilasciata o assorbita durante le reazioni chimiche tra le sostanze. L'energia chimica viene rilasciata sotto forma di calore durante reazioni esotermiche (ad esempio, la combustione del carburante) o convertita in energia elettrica in celle galvaniche e batterie. Queste fonti energetiche sono caratterizzate da un'elevata efficienza (fino al 98%), ma da una bassa capacità.

I dispositivi di accumulo dell'energia chimica consentono di ottenere energia sia nella forma in cui è stata immagazzinata, sia in qualsiasi altra forma. Esistono varietà “carburante” e “senza carburante”. A differenza dei dispositivi di accumulo termochimico a bassa temperatura (di cui parleremo più avanti), che possono immagazzinare energia semplicemente collocandoli in un luogo sufficientemente caldo, ciò non può essere fatto senza tecnologie speciali e attrezzature ad alta tecnologia, a volte molto ingombranti. In particolare, mentre nel caso delle reazioni termochimiche a bassa temperatura la miscela di reagenti solitamente non viene separata e si trova sempre nello stesso contenitore, i reagenti per reazioni ad alta temperatura vengono conservati separatamente gli uni dagli altri e vengono combinati solo quando serve energia.

Accumulo di energia mediante la produzione di carburante

Durante la fase di accumulo dell'energia, avviene una reazione chimica che porta alla riduzione del combustibile, ad esempio, alla liberazione di idrogeno dall'acqua - mediante elettrolisi diretta, in celle elettrochimiche che utilizzano un catalizzatore, o mediante decomposizione termica, ad esempio un arco elettrico o luce solare altamente concentrata. L'ossidante "liberato" può essere raccolto separatamente (per l'ossigeno è necessario in un oggetto chiuso e isolato - sott'acqua o nello spazio) o "gettato via" come non necessario, poiché al momento dell'uso del carburante questo ossidante sarà abbastanza sufficiente nel ambiente e non è necessario sprecare spazio e fondi per il suo stoccaggio organizzato.

Nella fase di estrazione dell'energia, il combustibile accumulato viene ossidato, rilasciando energia direttamente all'interno nella forma richiesta, indipendentemente da come è stato ottenuto questo carburante. Ad esempio, l’idrogeno può fornire immediatamente calore (se bruciato in un bruciatore), energia meccanica(quando fornito come combustibile a un motore a combustione interna o a una turbina) o elettricità (quando ossidato in una cella a combustibile). Di norma, tali reazioni di ossidazione richiedono un ulteriore avvio (accensione), il che è molto conveniente per controllare il processo di estrazione dell'energia.

Accumulo di energia mediante reazioni termochimiche

Lungo e ampiamente conosciuto grande gruppo reazioni chimiche che, in un recipiente chiuso, quando riscaldato va in una direzione, assorbendo energia, e quando viene raffreddato va nella direzione opposta, rilasciando energia. Tali reazioni vengono spesso chiamate termochimico. L'efficienza energetica di tali reazioni, di regola, è inferiore rispetto a quando si modifica lo stato di aggregazione di una sostanza, ma è anche molto evidente.

Tali reazioni termochimiche possono essere considerate come una sorta di cambiamento nello stato di fase di una miscela di reagenti e i problemi che sorgono qui sono più o meno gli stessi: è difficile trovare una miscela di sostanze economica, sicura ed efficace che agisca con successo in modo analogo nell'intervallo di temperature da +20°C a +70°C. Tuttavia, una composizione simile è nota da molto tempo: questo è il sale di Glauber.

La mirabilite (aka sale di Glauber, noto anche come solfato di sodio decaidrato Na 2 SO 4 10H 2 O) si ottiene a seguito di reazioni chimiche elementari (ad esempio aggiungendo sale da tavola in acido solforico) o estratto in “forma finita” come minerale.

Dal punto di vista dell’accumulo di calore, la caratteristica più interessante della mirabilite è che quando la temperatura sale sopra i 32°C acqua legata inizia a liberarsi, ed esteriormente sembra lo “scioglimento” dei cristalli, che si dissolvono nell'acqua da essi rilasciata. Quando la temperatura scende a 32°C, l'acqua libera viene nuovamente legata nella struttura cristallina dell'idrato - avviene la “cristallizzazione”. Ma la cosa più importante è che il calore di questa reazione di idratazione-disidratazione è molto elevato e ammonta a 251 kJ/kg, che è notevolmente superiore al calore della cristallizzazione di fusione “onesta” delle paraffine, sebbene un terzo inferiore al calore di fusione del ghiaccio (acqua).

Pertanto, un accumulatore di calore basato su una soluzione satura di mirabilite (saturata precisamente a temperature superiori a 32°C) può mantenere efficacemente la temperatura a 32°C con una lunga risorsa per immagazzinare o rilasciare energia. Naturalmente, per una fornitura di acqua calda completa, questa temperatura è troppo bassa (una doccia a questa temperatura lo è scenario migliore viene percepita come “molto fresca”), ma questa temperatura potrebbe essere più che sufficiente per riscaldare l'aria.

Puoi leggere ulteriori informazioni sull'accumulatore di calore basato su mirabilite sul sito web "DelaySam.ru".

Stoccaggio di energia chimica senza carburante

Una lattina di caffè riscaldata con la calce spenta.

In questo caso, nella fase di “carica”, si formano altre sostanze chimiche e durante questo processo l'energia viene immagazzinata nei nuovi legami chimici formati (ad esempio, la calce spenta viene convertita allo stato di calce viva mediante riscaldamento).

Durante la "scarica" ​​avviene una reazione inversa, accompagnata dal rilascio dell'energia precedentemente immagazzinata (di solito sotto forma di calore, a volte anche sotto forma di gas, che può essere fornita alla turbina) - in particolare, questo è esattamente ciò che avviene quando si “spegne” la calce con acqua. A differenza dei metodi con combustibile, per avviare una reazione di solito è sufficiente collegare semplicemente i reagenti tra loro: non è richiesto alcun ulteriore avvio del processo (accensione).

In sostanza si tratta di un tipo di reazione termochimica, ma a differenza delle reazioni a bassa temperatura descritte per i dispositivi di accumulo dell'energia termica e che non richiedono condizioni particolari, qui parliamo di temperature di molte centinaia o addirittura migliaia di gradi. Di conseguenza, la quantità di energia immagazzinata in ogni chilogrammo di sostanza di lavoro aumenta in modo significativo, ma l'attrezzatura è anche molte volte più complessa, ingombrante e più costosa delle bottiglie di plastica vuote o di un semplice serbatoio per i reagenti.

La necessità di consumare una sostanza aggiuntiva, ad esempio l'acqua per spegnere la calce, non rappresenta uno svantaggio significativo (se necessario, è possibile raccogliere l'acqua rilasciata quando la calce passa allo stato di calce viva). Ma le speciali condizioni di conservazione di questa calce molto viva, la cui violazione è irta non solo di ustioni chimiche, ma anche di un'esplosione, trasferiscono questo e metodi simili nella categoria di quelli che difficilmente verranno ampiamente utilizzati.

Altri tipi di dispositivi di accumulo dell'energia

Oltre a quelli sopra descritti, esistono altri tipi di dispositivi di accumulo dell'energia. Tuttavia, attualmente sono molto limitati in termini di densità di energia immagazzinata e tempo di stoccaggio ad un costo specifico elevato. Pertanto per ora vengono utilizzati più per l'intrattenimento e non è previsto il loro sfruttamento per scopi seri. Un esempio sono le vernici fosforescenti, che immagazzinano energia da una fonte di luce intensa e poi brillano per diversi secondi o anche lunghi minuti. Le loro modifiche moderne sono da tempo prive di fosforo tossico e sono completamente sicure anche per l'uso nei giocattoli per bambini.

I dispositivi di accumulo dell'energia magnetica superconduttrice la immagazzinano nel campo di una grande bobina magnetica con corrente continua. Può essere convertito in corrente elettrica alternata secondo necessità. I dispositivi di stoccaggio a bassa temperatura sono raffreddati con elio liquido e sono disponibili per applicazioni industriali. I dispositivi di stoccaggio ad alta temperatura raffreddati a idrogeno liquido sono ancora in fase di sviluppo e potrebbero diventare disponibili in futuro.

I dispositivi di accumulo di energia magnetica superconduttori sono di grandi dimensioni e vengono generalmente utilizzati per brevi periodi di tempo, ad esempio durante le operazioni di commutazione.

Molto probabilmente, questo articolo non copre tutto modi possibili accumulazione e conservazione dell’energia. Puoi segnalare altre opzioni o nei commenti oppure per e-mail all'indirizzo kos at alternergiya punto ru.

Il cibo che consumiamo produce energia, necessaria per svolgere qualsiasi funzione del nostro corpo, dal camminare e la capacità di parlare alla digestione e alla respirazione. Ma perché spesso ci lamentiamo di mancanza di energia, irritabilità o letargia? La risposta sta negli alimenti che compongono la nostra dieta quotidiana.

Produzione di energia

Oltre all'acqua e all'aria, il nostro corpo ha costantemente bisogno di un apporto regolare di cibo, che fornisce le riserve energetiche necessarie per il movimento, la respirazione, la termoregolazione, la funzione cardiaca, la circolazione sanguigna e l'attività cerebrale. Sorprendentemente, anche a riposo, il nostro cervello consuma circa il 50% dell’energia immagazzinata dal cibo che mangiamo, con un consumo di energia che aumenta notevolmente durante un’intensa attività cerebrale, come sostenere gli esami. Come viene convertito il cibo in energia?

Durante il processo di digestione, descritto più dettagliatamente nella sezione corrispondente (-79), il cibo viene scomposto in singole molecole di glucosio, che poi passano attraverso la parete intestinale nel sangue. Il glucosio viene trasportato attraverso il flusso sanguigno al fegato, dove viene filtrato e immagazzinato come riserva. Ghiandola pituitaria (ghiandola situata nel cervello secrezione interna) dà al pancreas e alle ghiandole tiroidee un segnale per rilasciare ormoni che costringono il fegato a rilasciare il glucosio accumulato nel flusso sanguigno, dopodiché il sangue lo consegna a quegli organi e muscoli che ne hanno bisogno.

Avendo raggiunto l'organo desiderato, le molecole di glucosio entrano nelle cellule, dove vengono convertite in una fonte di energia disponibile per l'uso da parte delle cellule. Pertanto, il processo di fornitura costante di energia agli organi dipende dal livello di glucosio nel sangue.

Per aumentare le riserve energetiche dell'organismo, dobbiamo consumare alcuni tipi di alimenti, in particolare quelli che possono aumentare il tasso metabolico e mantenere il livello di energia richiesto. Per capire come tutto ciò avviene, considera le seguenti domande:

Come fa il cibo a trasformarsi in energia?

Ogni cellula del nostro corpo contiene mitocondri. Ecco i componenti inclusi nella composizione prodotti alimentari, subiscono una serie di trasformazioni chimiche, con conseguente formazione di energia. Ogni cella in questo caso è una centrale elettrica in miniatura. È interessante notare che il numero di mitocondri in ciascuna cellula dipende dal fabbisogno energetico. Con l'esercizio regolare aumenta per garantire una maggiore produzione dell'energia necessaria. Al contrario, uno stile di vita sedentario porta ad una diminuzione della produzione di energia e, di conseguenza, ad una diminuzione del numero di mitocondri. Per essere convertiti in energia sono necessari diversi nutrienti, ognuno dei quali contribuisce a diverse fasi del processo energetico (vedi Alimenti energetici). Pertanto, il cibo consumato non dovrebbe solo saziare, ma contenere anche tutti i tipi di nutrienti necessari per la produzione di energia: carboidrati, proteine ​​e grassi.

È MOLTO IMPORTANTE LIMITARE NELLA DIETA IL CONTENUTO DI PRODOTTI CHE ASSUMONO ENERGIA O OSTACOLANO LA SUA FORMAZIONE. TUTTI QUESTI PRODOTTI STIMOLANO IL RILASCIO DELL'ORmone ADRENALINA.

Mantenere un livello costante di glucosio nel sangue è importante affinché l’organismo funzioni correttamente (vedere Mantenimento livello normale zucchero nel sangue - 46). A questo scopo è consigliabile privilegiare gli alimenti a basso indice glicemico. Aggiungendo proteine ​​e fibre a ogni pasto o spuntino, puoi assicurarti di avere abbastanza energia per ottenere l'energia di cui hai bisogno.

Carboidrati e glucosio

L’energia che estraiamo dal cibo proviene più dai carboidrati che dalle proteine ​​o dai grassi. I carboidrati vengono convertiti più facilmente in glucosio e rappresentano quindi la fonte di energia più conveniente per il corpo.

Il glucosio può essere utilizzato immediatamente per il fabbisogno energetico, oppure immagazzinato come riserva nel fegato e nei muscoli. Viene immagazzinato sotto forma di glicogeno che, se necessario, viene facilmente riconvertito in esso. Nella sindrome di lotta o fuga (vedi), il glicogeno viene rilasciato nel flusso sanguigno per fornire al corpo energia aggiuntiva. Il glicogeno è immagazzinato in forma solubile.

Le proteine ​​devono essere bilanciate con i carboidrati

Sebbene tutti abbiano bisogno di carboidrati e proteine, i loro rapporti possono variare a seconda delle esigenze e delle abitudini individuali. Il rapporto ottimale viene selezionato individualmente per tentativi ed errori, ma puoi lasciarti guidare dai dati presentati nella tabella a pagina 43.

Fai attenzione agli scoiattoli. Integra sempre con carboidrati complessi di alta qualità, come verdure dense o cereali. La predominanza degli alimenti proteici porta all'acidificazione dell'ambiente interno del corpo, mentre dovrebbe essere leggermente alcalino. Il sistema di autoregolazione interno consente al corpo di ritornare ad uno stato alcalino rilasciando calcio dalle ossa. In definitiva, questo può distruggere la struttura ossea e portare all’osteoporosi, che spesso causa fratture.

Le bevande salutari e gli snack contenenti glucosio forniscono una rapida carica di energia, ma l'effetto è fugace. Inoltre, è accompagnato dall'esaurimento delle riserve energetiche accumulate dal corpo. Durante lo sport spendi molte energie, quindi puoi "fare rifornimento" con cagliata di soia con frutti di bosco freschi prima dell'esercizio.

Buon cibo, buon umore

Prova ad aumentare leggermente l'apporto proteico riducendo al contempo l'apporto di carboidrati, o viceversa, fino a determinare il livello energetico ottimale.

Fabbisogno energetico per tutta la vita

La necessità di energia aggiuntiva sorge in diverse fasi della nostra vita. Nell'infanzia, ad esempio, l'energia è necessaria per la crescita e l'apprendimento, nell'adolescenza per garantire i cambiamenti ormonali e fisici durante la pubertà. Durante la gravidanza, il bisogno di energia aumenta sia nella madre che nel feto e, durante lo stress, l'energia in eccesso viene spesa per tutta la vita. Inoltre, una persona che conduce uno stile di vita attivo richiede più energia rispetto alla gente comune.

Predatori di energia

È molto importante limitare nella dieta il contenuto di alimenti che tolgono energia o interferiscono con la sua formazione. Tra questi prodotti figurano alcolici, tè, caffè e bevande gassate, oltre a torte, biscotti e dolciumi. Tutti questi prodotti stimolano il rilascio dell'ormone adrenalina, che viene prodotto nelle ghiandole surrenali. L'adrenalina viene prodotta più rapidamente durante la cosiddetta sindrome di “lotta o fuga”, quando qualcosa ci minaccia. Il rilascio di adrenalina mobilita il corpo all'azione. Il cuore inizia a battere più velocemente, i polmoni assorbono più aria, il fegato rilascia più glucosio nel sangue e il sangue scorre dove è più necessario, ad esempio alle gambe. Una produzione costantemente aumentata di adrenalina, soprattutto con un'alimentazione adeguata, può portare ad una persistente sensazione di stanchezza.

Lo stress è anche considerato uno spazzino di energia perché rilascia il glucosio immagazzinato dal fegato e dai muscoli, provocando un’esplosione di energia a breve termine seguita da uno stato di affaticamento prolungato.

Energia ed emozioni

Nella sindrome di lotta o fuga, il glicogeno (carboidrati immagazzinati) si sposta dal fegato al sangue, provocando un aumento dei livelli di zucchero nel sangue. Per questo motivo, lo stress prolungato può influenzare seriamente i livelli di zucchero nel sangue. La caffeina e la nicotina hanno effetti simili; questi ultimi favoriscono la secrezione di due ormoni – cortisone e adrenalina – che interferiscono con il processo digestivo e inducono il fegato a rilasciare glicogeno immagazzinato.

Alimenti ricchi di energia

Il più ricco di energeticamente sono prodotti contenenti il ​​complesso di vitamine del gruppo B: B1, B2, B3, B5, B6, B12, B9 (acido folico) e biotina. Tutti si trovano in abbondanza nei chicchi di miglio, grano saraceno, segale, quinoa (un cereale sudamericano molto diffuso in Occidente), mais e orzo. Nei chicchi germogliati il ​​valore energetico aumenta molte volte: il valore nutrizionale dei germogli viene aumentato dagli enzimi che favoriscono la crescita. Molte vitamine del gruppo B si trovano anche nelle verdure fresche.

Importante per l’energia dell’organismo è anche la vitamina C, presente nella frutta (ad esempio le arance) e nella verdura (patate, peperoni); magnesio, che è abbondante in verdure, noci e semi; zinco ( tuorlo d'uovo, pesce, semi di girasole); ferro (cereali, semi di zucca, lenticchie); rame (gusci di noci brasiliane, avena, salmone, funghi), nonché coenzima Q10, presente nella carne di manzo, nelle sardine, negli spinaci e nelle arachidi.

Mantenimento dei normali livelli di zucchero nel sangue

Quante volte ti sei svegliato al mattino di cattivo umore, sentendoti letargico, esausto e sentendo il bisogno urgente di dormire un'altra o due ore? E la vita non sembra essere una gioia. O forse, dopo aver faticato fino a mezzogiorno, ti stai chiedendo se ce la farai fino a pranzo. È ancora peggio quando la stanchezza ti prende dopo pranzo, alla fine della giornata lavorativa, e non hai idea di come tornerai a casa. E poi devi ancora preparare la cena. E poi - mangialo. E non ti chiedi: “Signore, dove sono finite le ultime tue forze?”

La stanchezza costante e la mancanza di energia possono essere causate da per vari motivi, ma il più delle volte sono il risultato di una dieta povera e/o di un'alimentazione irregolare, nonché dell'abuso di stimolanti che aiutano a "resistere".

Depressione, irritabilità e bruschi cambiamenti Gli stati d'animo, insieme alla sindrome premestruale, agli scoppi di rabbia, all'agitazione e al nervosismo, possono essere il risultato di squilibri nella produzione di energia, malnutrizione e frequenti diete alla moda.

Avendo maturato un'idea di come e da quale energia si forma nel nostro corpo, possiamo aumentare rapidamente i nostri livelli di energia, cosa che ci permetterà non solo di mantenere l'efficienza e buon umore durante il giorno, ma garantirà anche un sonno profondo e salutare durante la notte.

Ecologia del consumo Scienza e tecnologia: uno dei principali problemi dell'energia alternativa è la disomogeneità del suo approvvigionamento da fonti rinnovabili. Diamo un'occhiata a come possono essere immagazzinati i tipi di energia (anche se per l'uso pratico dovremo poi trasformare l'energia accumulata in elettricità o calore).

Uno dei principali problemi dell’energia alternativa è la disomogeneità del suo approvvigionamento da fonti rinnovabili. Il sole splende solo di giorno e con tempo sereno il vento soffia o si calma. E il fabbisogno di elettricità non è costante, ad esempio, durante il giorno è necessaria meno illuminazione e di più la sera. E alla gente piace quando le città e i villaggi sono inondati di illuminazioni di notte. Beh, o almeno le strade sono semplicemente illuminate. Quindi sorge il compito: risparmiare l'energia ricevuta per un po 'di tempo per utilizzarla quando la necessità è massima e la fornitura è insufficiente.

Esistono 6 tipi principali di energia: gravitazionale, meccanica, termica, chimica, elettromagnetica e nucleare. Ormai l'umanità ha imparato a creare batterie artificiali per i primi cinque tipi di energia (beh, tranne per il fatto che le riserve esistenti di combustibile nucleare sono di origine artificiale). Vediamo quindi come ciascuno di questi tipi di energia può essere accumulato e immagazzinato (anche se per l’uso pratico dovremo poi convertire l’energia accumulata in elettricità o calore).

Dispositivi di accumulo dell'energia gravitazionale

Negli azionamenti di questo tipo, nella fase di accumulo di energia, il carico sale verso l'alto, accumulandosi energia potenziale, e al momento giusto si abbassa, restituendo questa energia a beneficio. L'utilizzo di solidi o liquidi come carico apporta le proprie caratteristiche alla progettazione di ciascuna tipologia. Una posizione intermedia tra loro è occupata dall'utilizzo di sostanze sfuse (sabbia, pallini di piombo, palline di acciaio, ecc.).

Dispositivi di accumulo dell'energia gravitazionale a stato solido

L'essenza dei dispositivi di stoccaggio meccanico gravitazionale è che un certo carico sale ad un'altezza e dentro momento giusto viene rilasciato, facendo ruotare l'asse del generatore lungo il percorso. Un esempio di implementazione di questo metodo di accumulo di energia è il dispositivo proposto dalla società californiana Advanced Rail Energy Storage (ARES). L'idea è semplice: in un'epoca in cui i pannelli solari e le turbine eoliche producono molta energia, speciali auto pesanti vengono guidate su per la montagna utilizzando motori elettrici. Di notte e di sera, quando le fonti energetiche sono insufficienti per rifornire i consumatori, le auto si fermano e i motori, funzionando come generatori, restituiscono alla rete l'energia accumulata.

Quasi tutte le trasmissioni meccaniche di questa classe hanno un design molto semplice e quindi elevata affidabilità e lunga durata. Il tempo di accumulo dell'energia una volta immagazzinata è praticamente illimitato, a meno che il carico e gli elementi strutturali non si disintegrino nel tempo a causa dell'età o della corrosione.

L'energia immagazzinata durante il sollevamento dei solidi può essere rilasciata in un tempo molto breve. L'unica limitazione alla potenza ricevuta da tali dispositivi è l'accelerazione. caduta libera, che determina il tasso massimo di aumento della velocità del carico in caduta.

Sfortunatamente, l'intensità energetica specifica di tali dispositivi è bassa ed è determinata dalla formula classica E = m · g · h. Pertanto, per immagazzinare energia per riscaldare 1 litro d'acqua da 20°C a 100°C, è necessario sollevare una tonnellata di carico ad un'altezza di almeno 35 metri (o 10 tonnellate per 3,5 metri). Pertanto, quando si presenta la necessità di immagazzinare maggiore energia, ciò porta immediatamente alla necessità di realizzare strutture ingombranti e, come inevitabile conseguenza, costose.

Lo svantaggio di tali sistemi è anche che il percorso lungo il quale si muove il carico deve essere libero ed abbastanza rettilineo, inoltre è necessario escludere la possibilità che cose, persone ed animali entrino accidentalmente in tale zona.

Stoccaggio di fluidi per gravità

A differenza dei carichi solidi, quando si utilizzano liquidi non è necessario creare alberi diritti di grande sezione trasversale per l'intera altezza di sollevamento: il liquido si muove bene anche attraverso tubi curvi, la cui sezione trasversale dovrebbe essere sufficiente solo per il massimo flusso di progetto per attraversarli. Pertanto i serbatoi superiore ed inferiore non devono necessariamente essere posizionati uno sotto l'altro, ma possono essere distanziati sufficientemente.

Appartengono a questa classe le centrali elettriche ad accumulo con pompaggio (PSPP).

Esistono anche dispositivi di accumulo dell'energia gravitazionale idraulica su scala più piccola. Per prima cosa pompiamo 10 tonnellate di acqua da un serbatoio sotterraneo (pozzo) a un contenitore sulla torre. Quindi l'acqua dal serbatoio rifluisce nel serbatoio sotto l'influenza della gravità, facendo ruotare una turbina con un generatore elettrico. La durata di tale unità può essere di 20 anni o più. Vantaggi: quando si utilizza un motore eolico, quest'ultimo può azionare direttamente la pompa dell'acqua; l'acqua del serbatoio sulla torre può essere utilizzata per altre esigenze.

Sfortunatamente, i sistemi idraulici sono più difficili da mantenere in condizioni tecniche adeguate rispetto a quelli a stato solido: ciò riguarda innanzitutto la tenuta dei serbatoi e delle condutture e la funzionalità delle apparecchiature di intercettazione e pompaggio. E un'altra condizione importante: nei momenti di accumulo e utilizzo dell'energia, il fluido di lavoro (almeno una parte abbastanza grande di esso) deve trovarsi in uno stato liquido di aggregazione e non sotto forma di ghiaccio o vapore. Ma a volte in tali serbatoi di stoccaggio è possibile ottenere ulteriore energia gratuita, ad esempio, quando si riempie il serbatoio superiore con acqua di fusione o piovana.

Dispositivi meccanici di accumulo dell'energia

L'energia meccanica si manifesta durante l'interazione e il movimento dei singoli corpi o delle loro particelle. Comprende l'energia cinetica del movimento o della rotazione di un corpo, l'energia della deformazione durante la flessione, l'allungamento, la torsione, la compressione dei corpi elastici (molle).

Dispositivi giroscopici di accumulo dell'energia

Nei dispositivi di accumulo giroscopici, l'energia viene immagazzinata sotto forma di energia cinetica da un volano in rapida rotazione. L’energia specifica immagazzinata per chilogrammo di peso del volano è significativamente maggiore di quella che può essere immagazzinata in un chilogrammo di carico statico, anche quando sollevato a grande altezza, e i recenti sviluppi high-tech promettono una densità di energia accumulata paragonabile alla riserva di sostanze chimiche. energia per unità di massa dei tipi più efficaci di sostanze chimiche, carburante.

Un altro enorme vantaggio del volano è la capacità di rilasciare o ricevere rapidamente una potenza molto elevata, limitata solo dalla resistenza dei materiali nel caso di una trasmissione meccanica o dalla “portata” di trasmissioni elettriche, pneumatiche o idrauliche.

Sfortunatamente, i volani sono sensibili agli urti e alla rotazione su piani diversi da quello di rotazione, poiché ciò crea enormi carichi giroscopici che tendono a piegare l'asse. Inoltre, il tempo di accumulo dell'energia accumulata dal volano è relativamente breve e, per le progettazioni tradizionali, varia solitamente da pochi secondi a diverse ore. Inoltre, le perdite di energia dovute all'attrito diventano troppo evidenti... Tuttavia, le moderne tecnologie consentono di aumentare notevolmente il tempo di conservazione, fino a diversi mesi.

Infine, un altro momento spiacevole: l'energia immagazzinata dal volano dipende direttamente dalla sua velocità di rotazione, quindi, man mano che l'energia viene accumulata o rilasciata, la velocità di rotazione cambia continuamente. Allo stesso tempo, il carico richiede molto spesso una velocità di rotazione stabile che non superi diverse migliaia di giri al minuto. Per questo motivo, i sistemi puramente meccanici per il trasferimento di potenza da e verso il volano potrebbero essere troppo complessi da produrre. A volte una trasmissione elettromeccanica che utilizza un motogeneratore posto sullo stesso albero del volano o collegato ad esso tramite un riduttore rigido può semplificare la situazione. Ma poi sono inevitabili perdite di energia dovute al riscaldamento dei fili e degli avvolgimenti, che possono essere molto superiori alle perdite dovute all'attrito e allo slittamento in buoni variatori.

Particolarmente promettenti sono i cosiddetti supervolani, costituiti da spire di nastro d'acciaio, filo o fibra sintetica ad alta resistenza. L'avvolgimento può essere denso o può avere uno spazio vuoto appositamente lasciato. In quest'ultimo caso, quando il volano si svolge, le spire del nastro si spostano dal suo centro alla periferia di rotazione, modificando il momento di inerzia del volano, e se il nastro è caricato a molla, immagazzinando parte dell'energia in l'energia di deformazione elastica della molla. Di conseguenza, in tali volani la velocità di rotazione non è così direttamente correlata all'energia accumulata ed è molto più stabile rispetto alle strutture solide più semplici e la loro intensità energetica è notevolmente maggiore.

Oltre ad una maggiore intensità energetica, sono più sicuri in caso di vari incidenti, poiché, a differenza dei frammenti di un grande volano monolitico, che nella loro energia e potere distruttivo sono paragonabili alle palle di cannone, i frammenti di molla hanno molto meno "potere dannoso" e solitamente rallentare in modo abbastanza efficace lo scoppio del volano a causa dell'attrito contro le pareti dell'alloggiamento. Per lo stesso motivo, i moderni volani solidi, progettati per funzionare in condizioni prossime al limite della resistenza del materiale, sono spesso realizzati non monolitici, ma intrecciati con cavi o fibre impregnati con un legante.

I design moderni con una camera di rotazione a vuoto e una sospensione magnetica di un supervolano in fibra di Kevlar forniscono una densità di energia immagazzinata superiore a 5 MJ/kg e possono immagazzinare energia cinetica per settimane e mesi. Secondo stime ottimistiche, l’uso della fibra ultra resistente “supercarbonio” per l’avvolgimento consentirà di aumentare la velocità di rotazione e la densità specifica dell’energia immagazzinata molte più volte - fino a 2-3 GJ/kg (promettono che un giro di tale fibra un volano del peso di 100-150 kg sarà sufficiente per percorrere un milione di chilometri o più, cioè praticamente per tutta la vita dell'auto!). Tuttavia, il costo di questa fibra è ancora molte volte superiore al costo dell'oro, quindi anche gli sceicchi arabi non possono permettersi tali macchine... Puoi leggere di più sulle trasmissioni a volano nel libro di Nurbey Gulia.

Dispositivi di accumulo dell'energia girorisonante

Queste unità sono lo stesso volano, ma realizzate in materiale elastico (ad esempio gomma). Di conseguenza, acquisisce proprietà fondamentalmente nuove. All'aumentare della velocità, su un tale volano iniziano a formarsi "escrescenze" - "petali" - prima si trasforma in un'ellisse, poi in un "fiore" con tre, quattro o più "petali"... Inoltre, dopo la formazione inizia la formazione dei “petali”, la velocità di rotazione del volano praticamente non cambia e l'energia viene immagazzinata nell'onda risonante di deformazione elastica del materiale del volano, che forma questi “petali”.

La Nuova Zelanda Garmash è stata impegnata in tali costruzioni alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80 a Donetsk. I risultati ottenuti sono impressionanti: secondo le sue stime, con una velocità di funzionamento del volano di soli 7-8 mila giri/min, l'energia immagazzinata era sufficiente affinché l'auto potesse percorrere 1.500 km contro 30 km con un volano convenzionale delle stesse dimensioni. Sfortunatamente, non si conoscono informazioni più recenti su questo tipo di unità.

Immagazzinamento meccanico mediante forze elastiche

Questa classe di dispositivi ha una capacità specifica di accumulo di energia molto elevata. Se è necessario mantenere dimensioni ridotte (diversi centimetri), la sua intensità energetica è la più alta tra le trasmissioni meccaniche. Se i requisiti per le caratteristiche di peso e dimensioni non sono così rigorosi, i grandi volani ad altissima velocità lo superano in termini di intensità energetica, ma sono molto più sensibili a fattori esterni e hanno un tempo di accumulo di energia molto più breve.

Stoccaggio meccanico a molla

La compressione e il raddrizzamento della molla possono fornire un flusso e una fornitura di energia molto grandi per unità di tempo, forse la potenza meccanica più grande tra tutti i tipi di dispositivi di accumulo di energia. Come nei volani, è limitato solo dal limite di resistenza dei materiali, ma le molle di solito implementano direttamente il movimento traslatorio di lavoro, e nei volani non si può fare a meno di una trasmissione piuttosto complessa (non è un caso che le armi pneumatiche utilizzino molle meccaniche o cartucce di gas, che, per loro natura, sono essenzialmente molle pneumatiche precaricate; prima dell'avvento delle armi da fuoco, per il combattimento a distanza venivano utilizzate anche armi a molla: archi e balestre, che, molto prima della nuova era, sostituirono completamente la fionda con il suo accumulo cinetico di energia nelle truppe professionali).

Il periodo di stoccaggio dell'energia accumulata in una molla compressa può essere di molti anni. Tuttavia, va tenuto presente che, sotto l'influenza di una deformazione costante, qualsiasi materiale accumula fatica nel tempo e il reticolo cristallino del metallo della molla cambia gradualmente, e maggiori sono le sollecitazioni interne e maggiore è la temperatura ambiente, prima e in misura maggiore ciò avverrà. Pertanto, dopo diversi decenni, una molla compressa, senza cambiare aspetto, può risultare “scarica” completamente o parzialmente. Tuttavia, le molle in acciaio di alta qualità, se non sottoposte a surriscaldamento o ipotermia, possono funzionare per secoli senza alcuna perdita visibile di capacità. Ad esempio, un antico orologio da parete meccanico con una carica completa funziona ancora per due settimane, proprio come quando fu realizzato più di mezzo secolo fa.

Se è necessario “caricare” e “scaricare” gradualmente e in modo uniforme la molla, il meccanismo che provvede a ciò può rivelarsi molto complesso e capriccioso (guarda lo stesso orologio meccanico - in effetti, molti ingranaggi e altre parti servono proprio a questo scopo ). Una trasmissione elettromeccanica può semplificare la situazione, ma di solito impone restrizioni significative sulla potenza istantanea di tale dispositivo e, quando si lavora con potenze basse (diverse centinaia di watt o meno), la sua efficienza è troppo bassa. Un compito a parte è l'accumulo della massima energia in un volume minimo, poiché ciò crea sollecitazioni meccaniche prossime alla resistenza alla trazione dei materiali utilizzati, il che richiede calcoli particolarmente accurati e una lavorazione impeccabile.

Quando parliamo di molle qui, dobbiamo tenere presente non solo il metallo, ma anche altri elementi solidi elastici. I più comuni tra questi sono gli elastici. A proposito, in termini di energia immagazzinata per unità di massa, la gomma supera l'acciaio decine di volte, ma serve approssimativamente lo stesso numero di volte in meno e, a differenza dell'acciaio, perde le sue proprietà dopo pochi anni anche senza uso attivo e in condizioni esterne ideali - a causa dell'invecchiamento chimico e del degrado relativamente rapidi del materiale.

Accumulatori meccanici a gas

In questa classe di dispositivi, l'energia viene accumulata a causa dell'elasticità del gas compresso. Quando c'è energia in eccesso, il compressore pompa il gas nella bombola. Quando è necessario utilizzare l'energia immagazzinata, il gas compresso viene fornito ad una turbina, che esegue direttamente il lavoro meccanico necessario o mette in rotazione un generatore elettrico. Invece di una turbina, puoi utilizzare un motore a pistoni, che è più efficiente a bassa potenza (a proposito, esistono anche motori con compressori a pistoni reversibili).

Quasi tutti i moderni compressori industriali sono dotati di una batteria simile: un ricevitore. È vero, la pressione raramente supera le 10 atm, e quindi la riserva di energia in un tale ricevitore non è molto grande, ma questo di solito consente di aumentare più volte la durata dell'installazione e di risparmiare energia.

Il gas compresso a una pressione di decine e centinaia di atmosfere può fornire una densità specifica sufficientemente elevata di energia immagazzinata per un tempo quasi illimitato (mesi, anni e con un ricevitore e valvole di intercettazione di alta qualità - decine di anni - non è per niente che le armi pneumatiche che utilizzano cartucce a gas compresso, sono diventate così diffuse). Tuttavia, il compressore con turbina o motore a pistoni incluso nell'installazione è un dispositivo piuttosto complesso, capriccioso e dispone di risorse molto limitate.

Una tecnologia promettente per creare riserve energetiche è la compressione dell’aria utilizzando l’energia disponibile in un momento in cui non ce n’è bisogno immediato. L'aria compressa viene raffreddata e immagazzinata ad una pressione di 60-70 atmosfere. Se è necessario consumare l'energia immagazzinata, l'aria viene estratta dal dispositivo di accumulo, riscaldata e quindi entra in una speciale turbina a gas, dove l'energia dell'aria compressa e riscaldata fa ruotare gli stadi della turbina, il cui albero è collegato ad un generatore elettrico che fornisce elettricità al sistema di alimentazione.

Per lo stoccaggio dell'aria compressa si propone, ad esempio, di utilizzare appositi scavi minerari o serbatoi sotterranei appositamente realizzati in rocce saline. Il concetto non è nuovo, lo stoccaggio dell'aria compressa in una grotta sotterranea è stato brevettato nel 1948 e il primo impianto con accumulo di energia ad aria compressa (CAES) con una capacità di 290 MW è in funzione presso la centrale elettrica di Huntorf in Germania dal 1978. Durante la fase di compressione dell'aria, una grande quantità di energia viene dispersa sotto forma di calore. Questa perdita di energia deve essere compensata dall'aria compressa prima della fase di espansione nella turbina a gas, e a questo scopo viene utilizzato il combustibile idrocarburico per aumentare la temperatura dell'aria. Ciò significa che gli impianti sono ben lungi dall’essere efficienti al 100%.

Esiste una direzione promettente per migliorare l’efficienza di CAES. Consiste nel trattenere e preservare il calore generato durante il funzionamento del compressore nella fase di compressione e raffreddamento dell'aria, con il suo successivo riutilizzo durante il riscaldamento dell'aria fredda (il cosiddetto recupero). Tuttavia, questa opzione CAES presenta notevoli difficoltà tecniche, soprattutto nella creazione di un sistema di accumulo del calore a lungo termine. Se questi problemi venissero risolti, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) potrebbe aprire la strada a sistemi di accumulo di energia su larga scala, una questione che è stata sollevata da ricercatori di tutto il mondo.

I partecipanti alla startup canadese Hydrostor hanno proposto un'altra soluzione insolita: pompare energia nelle bolle sottomarine.

Accumulo di energia termica

Nelle nostre condizioni climatiche, una parte molto significativa (spesso la principale) dell'energia consumata viene spesa per il riscaldamento. Sarebbe quindi molto conveniente accumulare calore direttamente nell'accumulatore e poi riceverlo indietro. Sfortunatamente, nella maggior parte dei casi, la densità dell’energia immagazzinata è molto piccola e il tempo di immagazzinamento è molto limitato.

Esistono accumulatori di calore con materiale accumulatore di calore solido o fondente; liquido; vapore; termochimico; con un elemento riscaldante elettrico. Gli accumulatori di calore possono essere collegati ad un impianto con caldaia a combustibile solido, ad un impianto solare o ad un impianto combinato.

Accumulo di energia grazie alla capacità termica

Negli accumulatori di questo tipo, l'accumulo di calore viene effettuato a causa della capacità termica della sostanza che funge da fluido di lavoro. Un classico esempio di accumulatore di calore è la stufa russa. Veniva riscaldato una volta al giorno e poi riscaldava la casa per 24 ore. Al giorno d'oggi, un accumulatore di calore significa molto spesso contenitori per lo stoccaggio di acqua calda, rivestiti con materiale con elevate proprietà di isolamento termico.

Esistono accumulatori di calore basati su refrigeranti solidi, ad esempio nei mattoni di ceramica.

Sostanze diverse hanno capacità termiche diverse. Nella maggior parte dei casi è compreso tra 0,1 e 2 kJ/(kg K). L'acqua ha una capacità termica anormalmente elevata: la sua capacità termica nella fase liquida è di circa 4,2 kJ/(kg K). Solo il litio molto esotico ha una capacità termica maggiore - 4,4 kJ/(kg K).

Tuttavia, oltre alla capacità termica specifica (in massa), è necessario tenere conto anche della capacità termica volumetrica, che permette di determinare quanto calore è necessario per modificare la temperatura di uno stesso volume di sostanze diverse mediante la la stessa quantità. Si calcola dalla consueta capacità termica specifica (di massa) moltiplicandola per la densità specifica della sostanza corrispondente. Dovresti concentrarti sulla capacità termica volumetrica quando il volume dell'accumulatore di calore è più importante del suo peso.

Ad esempio, la capacità termica specifica dell'acciaio è solo 0,46 kJ/(kg K), ma la densità è 7800 kg/m cubo e, ad esempio, il polipropilene è 1,9 kJ/(kg K) - più di 4 volte superiore, ma la sua densità è di soli 900 kg/mc. Pertanto, a parità di volume, l’acciaio può immagazzinare 2,1 volte più calore del polipropilene, anche se sarà quasi 9 volte più pesante. Tuttavia, a causa della capacità termica anomala dell’acqua, nessun materiale può superarla in termini di capacità termica volumetrica. Tuttavia, la capacità termica volumetrica del ferro e delle sue leghe (acciaio, ghisa) differisce da quella dell'acqua meno del 20%: in un metro cubo possono immagazzinare più di 3,5 MJ di calore per ogni grado di variazione della temperatura, la capacità termica volumetrica di rame è leggermente inferiore - 3,48 MJ /(m cubo K). La capacità termica dell'aria in condizioni normali è di circa 1 kJ/kg, ovvero 1,3 kJ/metro cubo, quindi per riscaldare di 1° un metro cubo d'aria è sufficiente raffreddare poco meno di 1/3 di litro d'acqua ( naturalmente, più caldo dell'aria) dello stesso grado).

A causa della semplicità del dispositivo (cosa potrebbe esserci di più semplice di un pezzo solido stazionario di materia solida o di un serbatoio chiuso con un refrigerante liquido?), tali dispositivi di accumulo di energia hanno un numero quasi illimitato di cicli di accumulo e rilascio di energia e un molto lunga durata - per i liquidi refrigeranti finché il liquido non si asciuga o finché il serbatoio non viene danneggiato dalla corrosione o per altri motivi, per i materiali allo stato solido non esistono queste restrizioni. Ma il tempo di accumulo è molto limitato e di norma varia da alcune ore a diversi giorni: l'isolamento termico convenzionale non è più in grado di trattenere il calore per un periodo più lungo e la densità specifica dell'energia immagazzinata è bassa.

Infine, va sottolineata un'altra circostanza: per un funzionamento efficiente, non è importante solo la capacità termica, ma anche la conduttività termica della sostanza dell'accumulatore di calore. Con un'elevata conduttività termica, anche a cambiamenti abbastanza rapidi delle condizioni esterne, l'accumulatore di calore risponderà con tutta la sua massa, e quindi con tutta l'energia immagazzinata, cioè nel modo più efficiente possibile.

In caso di scarsa conduttività termica, solo la parte superficiale dell'accumulatore di calore avrà il tempo di reagire e i cambiamenti a breve termine delle condizioni esterne semplicemente non avranno il tempo di raggiungere gli strati più profondi e una parte significativa della sostanza di tale un accumulatore di calore verrà infatti escluso dal funzionamento.

Il polipropilene, menzionato nell'esempio discusso appena sopra, ha una conduttività termica quasi 200 volte inferiore a quella dell'acciaio e quindi, nonostante la sua capacità termica specifica piuttosto elevata, non può essere un efficace accumulatore di calore. Tuttavia, tecnicamente, il problema può essere facilmente risolto organizzando canali speciali per la circolazione del liquido di raffreddamento all'interno dell'accumulatore di calore, ma è ovvio che tale soluzione complica notevolmente la progettazione, ne riduce l'affidabilità e l'intensità energetica e richiederà sicuramente una manutenzione periodica, che è improbabile che sia necessario per un pezzo monolitico di sostanza.

Per quanto strano possa sembrare, a volte è necessario accumulare e immagazzinare non calore, ma freddo. Negli Stati Uniti operano da più di dieci anni aziende che offrono “accumulatori” a base di ghiaccio da installare nei condizionatori d'aria. Di notte, quando l'elettricità è disponibile in abbondanza e viene venduta a tariffe ridotte, il condizionatore congela l'acqua, cioè passa alla modalità frigorifero. Durante il giorno consuma molte volte meno energia, funzionando come un ventilatore. Durante questo periodo il compressore assetato di energia è spento. .

Accumulo di energia quando si cambia lo stato di fase di una sostanza

Se si osservano attentamente i parametri termici delle varie sostanze, si può vedere che quando cambia lo stato di aggregazione (fusione-solidificazione, evaporazione-condensazione), si verifica un significativo assorbimento o rilascio di energia. Per la maggior parte delle sostanze, l'energia termica di tali trasformazioni è sufficiente per modificare la temperatura della stessa quantità della stessa sostanza di molte decine o addirittura centinaia di gradi in quegli intervalli di temperatura in cui il suo stato di aggregazione non cambia. Ma, come sai, finché lo stato di aggregazione dell'intero volume di una sostanza non diventa lo stesso, la sua temperatura è praticamente costante! Pertanto, sarebbe molto allettante accumulare energia modificando lo stato di aggregazione: si accumula molta energia e la temperatura cambia poco, quindi di conseguenza non sarà necessario risolvere i problemi associati al riscaldamento ad alte temperature e allo stesso tempo è possibile ottenere una buona capacità di tale accumulatore di calore.

Fusione e cristallizzazione

Sfortunatamente, attualmente non esistono praticamente sostanze economiche, sicure e resistenti alla decomposizione con un'elevata energia di transizione di fase, il cui punto di fusione si troverebbe nell'intervallo più rilevante - da circa +20°C a +50°C (massimo +70 °C - Questa è ancora una temperatura relativamente sicura e facilmente raggiungibile). Di norma, in questo intervallo di temperature si sciolgono composti organici complessi, che non sono affatto salutari e spesso si ossidano rapidamente nell'aria.

Forse le sostanze più adatte sono le paraffine, il cui punto di fusione la maggior parte, a seconda del tipo, è compreso tra 40 e 65 ° C (tuttavia esistono anche paraffine “liquide” con punto di fusione di 27 ° C o meno, così come l'ozocerite naturale, correlata alle paraffine, il cui punto di fusione è compreso tra 58 e 100°C). Sia le paraffine che l'ozocerite sono abbastanza sicure e vengono utilizzate anche per scopi medici per riscaldare direttamente i punti dolenti del corpo.

Tuttavia, con una buona capacità termica, la loro conduttività termica è molto bassa, così bassa che la paraffina o l'ozocerite applicate al corpo, riscaldate a 50-60 ° C, risultano solo piacevolmente calde, ma non scottanti, come nel caso dell'acqua riscaldata alla stessa temperatura, questo è positivo per la medicina, ma per un accumulatore di calore questo è un aspetto negativo assoluto. Inoltre, queste sostanze non sono così economiche, ad esempio, il prezzo all'ingrosso dell'ozocerite nel settembre 2009 era di circa 200 rubli per chilogrammo e un chilogrammo di paraffina costava da 25 rubli (tecnica) a 50 e più (per uso alimentare altamente purificato, ad es. adatto per l'uso nell'imballaggio alimentare). Questi sono i prezzi all'ingrosso per lotti di diverse tonnellate, al dettaglio tutto costa almeno una volta e mezza più caro.

Di conseguenza, l'efficienza economica di un accumulatore di calore a paraffina è una grande questione: dopo tutto, uno o due chilogrammi di paraffina o ozocerite sono adatti solo per riscaldare dal punto di vista medico una zona lombare angusta per un paio di decine di minuti e per garantire una temperatura stabile in una casa più o meno spaziosa per almeno un giorno, la massa di un accumulatore di calore a paraffina dovrebbe essere misurata in tonnellate, quindi il suo costo si avvicina immediatamente al costo di un'autovettura (anche se nel segmento di prezzo più basso)!

E la temperatura della transizione di fase, idealmente, dovrebbe corrispondere esattamente all'intervallo confortevole (20..25°C), altrimenti bisognerà comunque organizzare una sorta di sistema di regolazione dello scambio di calore. Tuttavia, il punto di fusione nell'ordine di 50..54 °C, caratteristico delle paraffine altamente purificate, in combinazione con l'elevato calore di transizione di fase (poco più di 200 kJ/kg) è molto adatto per un accumulatore di calore progettato per fornire acqua calda e riscaldamento dell'acqua, l'unico problema è la bassa conduttività termica e l'alto prezzo della paraffina.

Ma in caso di forza maggiore, la paraffina stessa può essere utilizzata come combustibile con un buon potere calorifico (anche se non è così facile da fare - a differenza della benzina o del cherosene, la paraffina liquida e soprattutto solida non brucia nell'aria, hai sicuramente bisogno di uno stoppino o altro dispositivo per alimentare nella zona di combustione non la paraffina stessa, ma solo il suo vapore)!

Un esempio di dispositivo di accumulo di energia termica basato sull'effetto di fusione e cristallizzazione è il sistema di accumulo di energia termica TESS a base di silicio, sviluppato dalla società australiana Latent Heat Storage.

Evaporazione e condensazione

Il calore di evaporazione-condensazione, di regola, è molte volte superiore al calore di fusione-cristallizzazione. E sembra che ci siano parecchie sostanze che evaporano nell'intervallo di temperature richiesto. Oltre al disolfuro di carbonio, all'acetone, all'etere etilico, ecc., francamente tossici, esiste anche l'alcol etilico (la sua relativa sicurezza è dimostrata quotidianamente dall'esempio personale di milioni di alcolisti in tutto il mondo!). In condizioni normali, l'alcol bolle a 78°C e il suo calore di evaporazione è 2,5 volte maggiore del calore di fusione dell'acqua (ghiaccio) ed equivale a riscaldare di 200° la stessa quantità di acqua liquida.

Tuttavia, a differenza della fusione, quando le variazioni di volume di una sostanza raramente superano pochi punti percentuali, durante l'evaporazione il vapore occupa l'intero volume fornitogli. E se questo volume è illimitato, il vapore evaporerà, portando con sé irrevocabilmente tutta l'energia accumulata. In un volume chiuso, la pressione inizierà immediatamente ad aumentare, impedendo l'evaporazione di nuove porzioni del fluido di lavoro, come avviene nella pentola a pressione più comune, quindi solo una piccola percentuale della sostanza di lavoro subisce un cambiamento di stato aggregazione, mentre il resto continua a riscaldarsi mentre si trova nella fase liquida. Ciò apre un ampio campo di attività per gli inventori: la creazione di un efficace accumulatore di calore basato sull'evaporazione e sulla condensazione con un volume di lavoro variabile sigillato.

Transizioni di fase del secondo ordine

Oltre alle transizioni di fase associate ai cambiamenti nello stato di aggregazione, alcune sostanze, anche all'interno di uno stato di aggregazione, possono avere diversi stati di fase diversi. Un cambiamento in tali stati di fase, di regola, è anche accompagnato da un notevole rilascio o assorbimento di energia, sebbene di solito molto meno significativo rispetto a quando cambia lo stato aggregato di una sostanza. Inoltre, in molti casi, con tali cambiamenti, in contrasto con un cambiamento nello stato di aggregazione, si verifica un'isteresi di temperatura: le temperature delle transizioni di fase diretta e inversa possono differire in modo significativo, a volte di decine o addirittura centinaia di gradi.

Accumulo di energia elettrica

L’elettricità è la forma di energia più conveniente e versatile nel mondo moderno. Non sorprende che i dispositivi di accumulo dell’energia elettrica si stiano sviluppando più rapidamente. Sfortunatamente, nella maggior parte dei casi, la capacità specifica dei dispositivi a basso costo è ridotta, mentre i dispositivi con elevata capacità specifica sono ancora troppo costosi per immagazzinare grandi riserve di energia per un uso di massa e hanno una vita molto breve.

Condensatori

I più comuni dispositivi di accumulo dell’energia “elettrica” sono i normali condensatori radio. Hanno un enorme tasso di accumulo e rilascio di energia, solitamente da diverse migliaia a molti miliardi di cicli completi al secondo, e sono in grado di funzionare in questo modo in un ampio intervallo di temperature per molti anni o addirittura decenni. Combinando più condensatori in parallelo, puoi facilmente aumentare la loro capacità totale al valore desiderato.

I condensatori possono essere suddivisi in due grandi classi: non polari (solitamente "a secco", cioè non contenenti elettrolita liquido) e polari (solitamente elettrolitici). L'uso di un elettrolita liquido fornisce una capacità specifica significativamente più elevata, ma quasi sempre richiede il rispetto della polarità durante il collegamento. Inoltre, i condensatori elettrolitici sono spesso più sensibili alle condizioni esterne, principalmente alla temperatura, e hanno una durata più breve (nel tempo, l'elettrolita evapora e si secca).

Tuttavia, i condensatori presentano due svantaggi principali. In primo luogo, si tratta di una densità specifica di energia immagazzinata molto bassa e quindi di una capacità ridotta (rispetto ad altri tipi di accumulo). In secondo luogo, si tratta di un tempo di memorizzazione breve, che di solito viene misurato in minuti e secondi e raramente supera diverse ore, e in alcuni casi è solo una piccola frazione di secondo. Di conseguenza, l'ambito di applicazione dei condensatori è limitato a vari circuiti elettronici e all'accumulo a breve termine, sufficienti per rettificare, correggere e filtrare la corrente nell'ingegneria elettrica di potenza - non ce ne sono ancora abbastanza per di più.

Ionisti

Gli ionistori, talvolta chiamati “supercondensatori”, possono essere considerati una sorta di collegamento intermedio tra i condensatori elettrolitici e le batterie elettrochimiche. Dai primi hanno ereditato un numero quasi illimitato di cicli di carica-scarica e dai secondi correnti di carica e scarica relativamente basse (un ciclo completo di carica-scarica può durare un secondo o anche molto più a lungo). Anche la loro capacità è compresa tra i condensatori più capacitivi e le piccole batterie: di solito la riserva di energia varia da poche a diverse centinaia di joule.

Inoltre, va notato che gli ionizzatori sono piuttosto sensibili alla temperatura e hanno un tempo di conservazione della carica limitato, da alcune ore a diverse settimane al massimo.

Batterie elettrochimiche

Le batterie elettrochimiche furono inventate agli albori dello sviluppo dell'ingegneria elettrica e ora possono essere trovate ovunque, dai telefoni cellulari agli aeroplani e alle navi. In generale funzionano sulla base di alcune reazioni chimiche e quindi potrebbero essere classificati nella prossima sezione del nostro articolo - “Dispositivi di accumulo di energia chimica”. Ma poiché questo punto di solito non viene enfatizzato e si attira l'attenzione sul fatto che le batterie accumulano elettricità, le considereremo qui.

Di norma, se è necessario immagazzinare una certa quantità di energia, da diverse centinaia di kilojoule o più, vengono utilizzate batterie al piombo (ad esempio, qualsiasi automobile). Tuttavia, hanno dimensioni considerevoli e, soprattutto, peso. Se sono richieste leggerezza e mobilità del dispositivo, vengono utilizzati tipi di batterie più moderni: nichel-cadmio, idruro metallico, ioni di litio, ioni polimerici, ecc. Hanno una capacità specifica molto più elevata, ma anche un costo specifico di accumulo di energia notevolmente superiore, per cui il loro utilizzo è solitamente limitato a dispositivi relativamente piccoli ed economici, come telefoni cellulari, fotocamere e videocamere, computer portatili, ecc.

Recentemente, potenti batterie agli ioni di litio hanno iniziato ad essere utilizzate nei veicoli ibridi ed elettrici. Oltre al peso più leggero e alla maggiore capacità specifica, a differenza del piombo acido, consentono un utilizzo quasi completo della loro capacità nominale, sono considerati più affidabili e hanno una durata di servizio più lunga, e la loro efficienza energetica in un ciclo completo supera il 90%, mentre la efficienza energetica del piombo Quando si carica l'ultimo 20% delle batterie, la loro capacità può scendere al 50%.

In base alla modalità di utilizzo, anche le batterie elettrochimiche (principalmente quelle potenti) si dividono in due grandi classi: le cosiddette da trazione e da avviamento. Di solito, una batteria di avviamento può funzionare con successo come batteria di trazione (l'importante è controllare il grado di scarica e non portarlo a una profondità consentita per le batterie di trazione), ma se utilizzata in retromarcia, troppa corrente di carico possono danneggiare molto rapidamente la batteria di trazione.

Gli svantaggi delle batterie elettrochimiche includono un numero molto limitato di cicli di carica-scarica (nella maggior parte dei casi da 250 a 2000, e se non vengono seguite le raccomandazioni dei produttori - molto meno), e anche in assenza di uso attivo, la maggior parte dei tipi di le batterie si degradano dopo alcuni anni, perdendo le loro proprietà di consumo.

Allo stesso tempo, la durata di molti tipi di batterie non inizia dall'inizio del loro funzionamento, ma dal momento della produzione. Inoltre, le batterie elettrochimiche sono caratterizzate dalla sensibilità alla temperatura, da un tempo di carica lungo, talvolta decine di volte superiore a quello di scarica, e dalla necessità di rispettare la modalità di utilizzo (evitando la scarica profonda per le batterie al piombo e, al contrario, mantenendo una ciclo completo di carica-scarica per batterie all'idruro metallico e molti altri tipi di batterie). Anche il tempo di conservazione della carica è piuttosto limitato, di solito da una settimana a un anno. Con le batterie vecchie non diminuisce solo la capacità, ma anche il tempo di conservazione, ed entrambi possono essere ridotti molte volte.

Gli sviluppi per creare nuovi tipi di batterie elettriche e migliorare i dispositivi esistenti non si fermano.

Dispositivi di accumulo dell'energia chimica

L'energia chimica è l'energia “immagazzinata” negli atomi delle sostanze che viene rilasciata o assorbita durante le reazioni chimiche tra le sostanze. L'energia chimica viene rilasciata sotto forma di calore durante reazioni esotermiche (ad esempio, la combustione del carburante) o convertita in energia elettrica in celle galvaniche e batterie. Queste fonti energetiche sono caratterizzate da un'elevata efficienza (fino al 98%), ma da una bassa capacità.

I dispositivi di accumulo dell'energia chimica consentono di ottenere energia sia nella forma in cui è stata immagazzinata, sia in qualsiasi altra forma. Esistono varietà “carburante” e “senza carburante”. A differenza dei dispositivi di accumulo termochimico a bassa temperatura (di cui parleremo più avanti), che possono immagazzinare energia semplicemente collocandoli in un luogo sufficientemente caldo, ciò non può essere fatto senza tecnologie speciali e attrezzature ad alta tecnologia, a volte molto ingombranti. In particolare, mentre nel caso delle reazioni termochimiche a bassa temperatura la miscela di reagenti solitamente non viene separata e si trova sempre nello stesso contenitore, i reagenti per reazioni ad alta temperatura vengono conservati separatamente gli uni dagli altri e vengono combinati solo quando serve energia.

Accumulo di energia mediante la produzione di carburante

Durante la fase di accumulo dell'energia, avviene una reazione chimica che porta alla riduzione del combustibile, ad esempio, alla liberazione di idrogeno dall'acqua - mediante elettrolisi diretta, in celle elettrochimiche che utilizzano un catalizzatore, o mediante decomposizione termica, ad esempio un arco elettrico o luce solare altamente concentrata. L'ossidante "liberato" può essere raccolto separatamente (per l'ossigeno è necessario in un oggetto chiuso e isolato - sott'acqua o nello spazio) o "gettato via" come non necessario, poiché al momento dell'uso del carburante questo ossidante sarà abbastanza sufficiente nel ambiente e non è necessario sprecare spazio e fondi per il suo stoccaggio organizzato.

Nella fase di recupero energetico, il combustibile accumulato viene ossidato per rilasciare energia direttamente nella forma desiderata, indipendentemente da come è stato ottenuto il combustibile. Ad esempio, l’idrogeno può fornire immediatamente calore (se bruciato in un bruciatore), energia meccanica (se fornito come combustibile a un motore a combustione interna o a una turbina) o elettricità (se ossidato in una cella a combustibile). Di norma, tali reazioni di ossidazione richiedono un ulteriore avvio (accensione), il che è molto conveniente per controllare il processo di estrazione dell'energia.

Questo metodo è molto interessante per l'indipendenza delle fasi di accumulo dell'energia (“carica”) e del suo utilizzo (“scarica”), per l'elevata capacità specifica dell'energia immagazzinata nel carburante (decine di megajoule per ogni chilogrammo di carburante) e la possibilità di stoccaggio a lungo termine (a condizione che i contenitori siano adeguatamente sigillati - per molti anni). Tuttavia, la sua diffusione è ostacolata dallo sviluppo incompleto e dai costi elevati della tecnologia, dall’elevato rischio di incendio ed esplosione in tutte le fasi di lavoro con tale combustibile e, di conseguenza, dalla necessità di personale altamente qualificato durante la manutenzione e l’utilizzo di questi combustibili. sistemi. Nonostante queste carenze, in tutto il mondo si stanno sviluppando diversi impianti che utilizzano l’idrogeno come fonte di energia di riserva.

Accumulo di energia mediante reazioni termochimiche

Un folto gruppo di reazioni chimiche, che in un recipiente chiuso, quando riscaldato, va in una direzione con l'assorbimento di energia, e quando raffreddato va nella direzione opposta con il rilascio di energia, è ampiamente noto da tempo. Tali reazioni sono spesso chiamate termochimiche. L'efficienza energetica di tali reazioni, di regola, è inferiore rispetto a quando si modifica lo stato di aggregazione di una sostanza, ma è anche molto evidente.

Tali reazioni termochimiche possono essere considerate come una sorta di cambiamento nello stato di fase di una miscela di reagenti e i problemi che sorgono qui sono più o meno gli stessi: è difficile trovare una miscela di sostanze economica, sicura ed efficace che agisca con successo in modo analogo nell'intervallo di temperature da +20°C a +70°C. Tuttavia, una composizione simile è nota da molto tempo: questo è il sale di Glauber.

La mirabilite (nota anche come sale di Glauber, noto anche come solfato di sodio decaidrato Na2SO4 · 10H2O) si ottiene come risultato di reazioni chimiche elementari (ad esempio aggiungendo sale da cucina all'acido solforico) o viene estratta in "forma finita" come minerale.

Dal punto di vista dell'accumulo di calore, la caratteristica più interessante della mirabilite è che quando la temperatura sale sopra i 32°C, l'acqua legata comincia a fuoriuscire, ed esteriormente questo appare come uno “scioglimento” di cristalli, che si dissolvono nell'acqua liberata da loro. Quando la temperatura scende a 32°C, l'acqua libera viene nuovamente legata nella struttura cristallina dell'idrato - avviene la “cristallizzazione”. Ma la cosa più importante è che il calore di questa reazione di idratazione-disidratazione è molto elevato e ammonta a 251 kJ/kg, che è notevolmente superiore al calore della cristallizzazione di fusione “onesta” delle paraffine, sebbene un terzo inferiore al calore di fusione del ghiaccio (acqua).

Pertanto, un accumulatore di calore basato su una soluzione satura di mirabilite (saturata precisamente a temperature superiori a 32°C) può mantenere efficacemente la temperatura a 32°C con una lunga risorsa per immagazzinare o rilasciare energia. Naturalmente, per una fornitura di acqua calda a tutti gli effetti, questa temperatura è troppo bassa (una doccia a questa temperatura è, nella migliore delle ipotesi, percepita come "molto fresca"), ma per riscaldare l'aria questa temperatura potrebbe essere abbastanza.

Stoccaggio di energia chimica senza carburante

In questo caso, nella fase di “carica”, si formano altre sostanze chimiche e durante questo processo l'energia viene immagazzinata nei nuovi legami chimici formati (ad esempio, la calce spenta viene convertita allo stato di calce viva mediante riscaldamento).

Durante la "scarica" ​​avviene una reazione inversa, accompagnata dal rilascio dell'energia precedentemente immagazzinata (di solito sotto forma di calore, a volte anche sotto forma di gas, che può essere fornita alla turbina) - in particolare, questo è esattamente ciò che avviene quando si “spegne” la calce con acqua. A differenza dei metodi con combustibile, per avviare una reazione di solito è sufficiente collegare semplicemente i reagenti tra loro: non è richiesto alcun ulteriore avvio del processo (accensione).

In sostanza si tratta di un tipo di reazione termochimica, ma a differenza delle reazioni a bassa temperatura descritte per i dispositivi di accumulo dell'energia termica e che non richiedono condizioni particolari, qui parliamo di temperature di molte centinaia o addirittura migliaia di gradi. Di conseguenza, la quantità di energia immagazzinata in ogni chilogrammo di sostanza di lavoro aumenta in modo significativo, ma l'attrezzatura è anche molte volte più complessa, ingombrante e più costosa delle bottiglie di plastica vuote o di un semplice serbatoio per i reagenti.

La necessità di consumare una sostanza aggiuntiva, ad esempio l'acqua per spegnere la calce, non rappresenta uno svantaggio significativo (se necessario, è possibile raccogliere l'acqua rilasciata quando la calce passa allo stato di calce viva). Ma le speciali condizioni di conservazione di questa calce molto viva, la cui violazione è irta non solo di ustioni chimiche, ma anche di un'esplosione, trasferiscono questo e metodi simili nella categoria di quelli che difficilmente verranno ampiamente utilizzati.

Altri tipi di dispositivi di accumulo dell'energia

Oltre a quelli sopra descritti, esistono altri tipi di dispositivi di accumulo dell'energia. Tuttavia, attualmente sono molto limitati in termini di densità di energia immagazzinata e tempo di stoccaggio ad un costo specifico elevato. Pertanto per ora vengono utilizzati più per l'intrattenimento e non è previsto il loro sfruttamento per scopi seri. Un esempio sono le vernici fosforescenti, che immagazzinano energia da una fonte di luce intensa e poi brillano per diversi secondi o anche lunghi minuti. Le loro modifiche moderne sono da tempo prive di fosforo tossico e sono completamente sicure anche per l'uso nei giocattoli per bambini.

I dispositivi di accumulo dell'energia magnetica superconduttrice la immagazzinano nel campo di una grande bobina magnetica con corrente continua. Può essere convertito in corrente elettrica alternata secondo necessità. I dispositivi di stoccaggio a bassa temperatura sono raffreddati con elio liquido e sono disponibili per applicazioni industriali. I dispositivi di stoccaggio ad alta temperatura raffreddati a idrogeno liquido sono ancora in fase di sviluppo e potrebbero diventare disponibili in futuro.

I dispositivi di accumulo di energia magnetica superconduttori sono di grandi dimensioni e vengono generalmente utilizzati per brevi periodi di tempo, ad esempio durante le operazioni di commutazione. pubblicato