влияние на расходы материала, определение количества, маркировка

Бетон — это материал, который получают искусственным способом после смешивания воды, вяжущего вещества, при необходимости добавок и наполнителей. Наиболее активными компонентами раствора являются вода и вяжущее вещество, а применение разного рода наполнителей позволяет получить раствор с разными показателями.

• Как подбирается состав бетонной смеси
• Цемент в составе бетона
• Что может повлиять на цементный расход
• Как определить количество цемента
• Как марка цемента влияет на качество бетона?

Бетон классифицируют:

• по плотности (тяжелый и особо тяжелый, легкий и особо легкий),
• по виду применяемого вяжущего вещества (асфальтобетонный, цементный, гипсовый, полимерцементный, силикатный),
• по структуре (крупнопористый, поризованный, ячеистый, плотный),
• по назначению (дорожный, гидротехнический, специальный, конструкционный, для стен и перекрытий).

Как подбирается состав бетонной смеси

Правильный выбор состава бетона напрямую зависит от соотношения всех его составляющих. Именно благодаря разнице в соотношении бетонная смесь обладает разными показателями и характеристиками, которые используются в каждом случае индивидуально. Состав раствора выражается обычно в виде массового соотношения, иногда объемного, между тремя компонентами бетона: цемент-песок-гравий. Самым простым методом подбора состава бетонной смеси является ориентировочный расчет, который впоследствии уточняется и проверяется посредством испытаний и пробных замесов.

Цемент в составе бетона

Марочная прочность бетона и его качество напрямую зависят от выбранного цемента, который и является компонентом будущей смеси. Клеящая способность и прочность зависят от помола клинкера: чем он мельче, тем эти показатели выше. Именно по этой причине в качественном строительстве стараются использовать только сверхтонкий помол, от которого зависит и активность бетонной смеси.

В зависимости от возводимого объекта подбирается тип цемента, который повлияет на конечный вид бетона. Если предполагается, что конструкция будет использоваться в условиях агрессивной среды, недопустимо использование простого цемента. В данном случае стоит говорить о применении сульфатостойкого материала. Только благодаря ему можно создавать раствор, не подверженный влиянию солей.

Такие смеси производятся на предприятиях, деятельность которых ориентирована на производство гидросооружений, мостовых и так далее; в других, более рядовых случаях используется товарный бетон, который тоже обладает неплохими водонепроницаемыми и морозостойкими качествами, но, в любом случае, именно цемент определяет название готового раствора.

Что может повлиять на цементный расход

Когда речь заходит о подборе будущего состава бетонной смеси, стоит помнить, что чем выше марка, тем меньше необходимо вяжущего компонента. Существует несколько факторов, от которых напрямую зависит расход материала:

• состав смеси, то есть соотношение между заполнителем и вяжущим веществами;
• тип смеси. В зависимости от того, каково назначение раствора, соотношение в нем заполнителя и вяжущего вещества разнится;
• марка смеси. Ее подбирают в соответствии с тем, где будет использоваться раствор — если это фундамент, то и прочность должна быть соответствующая.

Если рассматривать один кубический метр готового раствора, то получим такое соотношение: марка смеси — количество используемого цемента в объеме:

• М10 — 81 кг.
• М25 — 133 кг.
• М50 — 178 кг.
• М75 — 245 кг.
• М100 — 306 кг.
• М150 — 414 кг.
• М 200 — 510 кг.

Как определить количество цемента

Можно самостоятельно определить, сколько может понадобиться цемента на куб готового раствора. Для этого необходимо знать, каково соотношение вяжущего и заполнителя, какова плотность смеси, которая составляет 1300 кг/м³. Если рассматриваемое соотношение 1:4, то процент цемента в растворе будет равен 20. С учетом плотности, расход на один куб составит 260 кг, то есть 1300/5. Таким образом, понадобится около пяти мешков цемента.

Не стоит забывать, что соотношение рассматривается в объемном виде, поэтому при переводе на количество мешков полученные значения стоит переводить в килограммы, учитывая плотность состава.

Легче всего определяется количество цемента для фундамента, для этого необходимо посчитать общий объем фундамента здания. После определяется объем вяжущего вещества и только затем вычисляется количество цемента.

Сложнее задача обстоит со стенами, где необходимо учитывать толщину растворного шва. В данном случае, чтобы упростить задачу, используют средний расход смеси на один куб кладки. В среднем этот показатель равен 0,25 — 0,3 м³ смеси, поэтому для вычисления, сколько потребуется цемента на куб бетона, нужно знать объем всех стен в здании.

Данные подсчеты играют важную роль во всем строительном процессе. Неправильный подсчет может стать причиной лишнего расхода материалов, а, соответственно, и потери средств или причиной остановки строительства в самый неподходящий момент.

Как марка цемента влияет на качество бетона?

Основное отличие разных марок друг от друга — прочность, которой они обладают. Именно от прочности зависит то, как обозначается та или иная марка цемента. Чтобы разобраться в этих показателях, необходимо знать, что «М» — это марка, а ПЦ — портландцемент, который считается самым прочным. Возле каждой буквы пишется цифра, указывающая на ту степень нагрузки, которую способен выдерживать застывший раствор. Расчет ведется килограммами на квадратный сантиметр. Другим немаловажным показателем являются примеси и добавки, от которых зависит пластичность раствора. Они обозначаются как «Д», и рядом цифра в процентном соотношении.

Цемент может иметь и специфические свойства, которые получают при соединении разных основ и добавок. В таких случаях к марке цемента добавляют вспомогательную аббревиатуру:

• БЦ (белый цемент).
• Н (нормированный).
• ШПЦ (шлакопортландцемент).
• СС (сульфатостойкий).
• Б (быстротвердеющий).
• ПЛ (пластифицированный).

Когда покупается цемент, подобная маркировка позволяет сразу распознать его основные технические и физические характеристики. Стоит помнить, что каждая марка используется для достижения определенной цели, а знание маркировки позволяет значительно сэкономить бюджет, расходуя рационально материал.

Песок для бетона — Сколько песка в кубе бетона

Содержание

1. Каким должен быть песок для раствора
2. Как проверить качество песка
3. Ручной способ проверки
4. Виды песка
5. Как оценить влажность песка
6. Фракция и плотность
7. Пропорциональность компонентов бетонной смеси

Рассуждая о том, какой песок нужен для бетона и в каком количестве его приобретать, важно помнить, что этот строительный материал влияет не только на прочность раствора, но и на его вязкость, скорость застывания. От правильного выбора наполнителя зависит качество и надежность готовой конструкции.

Каким должен быть песок для раствора

В первую очередь наполнитель должен быть чистым. В нем не должно быть листьев, веток и прочего мусора. Любые посторонние включения делают песок непригодным для приготовления раствора. Не нужно приобретать такой материал, даже если он значительно дешевле просеянного. Попытка очистить его самостоятельно, не даст должных результатов: вы сможете удалить только крупный мусор, глинистые элементы и включения извести убрать путем ручной фильтрации не получится. А ведь именно эти примеси оказывают не самое лучшее влияние на такие характеристики, как морозоустойчивость и прочность материала. Выбирайте песок, соответствующий всем нормам, прописанным в ГОСТ.

Основные требования к песку для бетона:

1. содержание не более 5% примесей в составе. Чем больше добавок, тем хуже конечное качество конструкции;
2. максимально допустимое количество гравия – 10%;
3. влажность – от 1 до 5%;
4. фракция – от 2 до 2,5 мм;
5. пустотность – не более 38%;
6. плотность – от 1400 кг/м³.

Как проверить качество песка

Оценить характеристики и качество материала возможно двумя способами:

1. лабораторным;
2. подручными методами.

Лабораторная экспертиза даст более точные результаты: вы сможете узнать не только количество и состав примесей, но их процент в общем объеме материала. Но экспертная оценка стоит дорого, да и сам процесс занимает немало времени. Куда проще проверить песок на качество вручную с помощью подручных средств.

Ручной способ проверки

Возьмите обычную 1,5-2 л пластиковую бутылку. Насыпьте в нее песок приблизительно на треть от всего объема емкости, сверху налейте воды до половины бутылки. Тщательно встряхните и оставьте отстаиваться на 5-6 минут. Затем оцените прозрачность воды:

• если в жидкости плавают посторонние частички, песок не годится для использования;
• вода грязная и мутная – в материале много посторонних примесей;
• прозрачность и отсутствие чужеродных элементов говорят о том, что у вас в руках качественный, подходящий для использования материал.

Виды песка

Песок бывает карьерным, речным, кварцевым и морским. Карьерный вид, добываемый в глубоких котлованах, имеет более низкое качество, чем его более дорогой речной прототип. Морской материал есть смысл рассматривать, только если строительный объект находится недалеко от места, где его добывают. В противном случае, морской песок обойдется вам дороже, чем речной, а по качеству он ничуть не лучше. Песчаный материал, добытый на морском побережье, часто проигрывает в своих характеристиках речному из-за наличия большого количества органических примесей: ракушка, водоросли, посторонние предметы. Его необходимо отчищать. А это дополнительное время, деньги, трудозатраты.

Наилучшим вариантом считается именно речной песок. Несмотря на свою дороговизну, он многофункционален, чист, имеет хорошую зернистость, фракцию и достаточную влажность.

Как оценить влажность песка

Оптимальная влажность для песка варьируется в пределах от 1 до 5%.

Произвести расчет количества влаги в материале довольно просто: попробуйте слепить из него комок. Если процент влажности не превышает норму, у вас ничего не получится, песок будет просто рассыпаться в руках.

Более точную оценку влажности можно получить, вооружившись подручной металлической емкостью:

• взвесьте тару;
• поместите в нее 1 кг песка и снова произведите измерения;
• поставьте наполненную емкость на плиту или слабый огонь;
• подогревайте ее в течение получаса;
• взвесьте песок.

Формула для определения достоверной массы влажности: от веса подогретого песка нужно отнять массу резервуара, разделенную на 100.

Определить точную влажность материала можно также путем сравнения влажного и сухого образцов. Необходимо взвесить одинаковое количество материала в обычном и подсушенном состоянии. Затем вес сухого песка отнять от веса мокрого и разделить на 5.

Фракция и плотность

Приобретая материалы для приготовления смеси, обязательно необходимо учитывать модуль крупности песка. По фракции материал подразделяется на следующие категории:

• супертонкий – до 0,7 мм;
• тонкий – от 0,7 до 1 мм;
• супермелкий – от 1 до 1,5 мм;
• мелкий – от 1,5 до 2 мм;
• средний – от 2 до 2,5 мм;
• крупный – до 3 мм;
• высокой крупности – в пределах 3,5 мм;
• очень крупный – свыше 3,5 мм.

Очень мелкий песок с фракцией 0,7-2 мм непригоден для приготовления бетонной смеси. Даже если соблюдать пропорции, фундамент из такого материала получится хлипким, непрочным. Идеальная фракция для приготовления бетонного раствора – от 2,5 до 3 мм.

Плотность материала зависит от процента влажности, пустотности и реальной плотности песка. Оцениваемый образец должен быть сухим и рыхлым. Песок для приготовления раствора, используемого в конструкциях, подвергающихся замерзанию, должен иметь плотность не ниже 1550 кг/м³. Точно такие же пропорции должны быть в материале, используемом для изготовления бетона М200 и выше. Для создания смеси предназначенной для более простых конструкций подойдет песок плотностью не ниже 1400 кг/м³.

При выборе и оценке плотности песка важно учитывать, что если хорошенько встряхнуть материал, его плотность увеличится. Не менее сильное влияние на эту характеристику оказывает и процент влажности. Если в материале присутствует 5-7% воды, то его показатели плотности будут приближены к максимальным. Однако по мере высушивания характеристики будут меняться. Это нужно и важно учитывать в процессе приготовления смеси.

Пропорциональность компонентов бетонной смеси

Помимо качества используемых для приготовления бетона материалов, не меньшее значение имеют и пропорции. Корректное соотношение объема всех составляющих смеси – гарантия прочности и качества залитой конструкции. Масса цемента, песка и щебня в бетонном растворе регулируется ГОСТом и колеблется в зависимости от марки бетона.

Марки и пропорции — цемент/щебень/песок:

• М100 – 1/7/4,6;
• М150 – 1/5,7/3,5;
• М200 – 1/4,8/2,8;
• М250 – 1/3,9/2,1;
• М300 – 1/3,7/1,9;
• М400 – 1/2,7/1,2;
• М450 – 1/2,5/1,1.

Для замешивания бетона от 100 до 300 марки следует выбирать песок фракцией до 2,5 мм. Для всех остальных типов наиболее подходящим вариантом станет материал с частицами от 3,5 мм.

В качестве третьего элемента, вместо щебня, может использоваться керамзит или гравий. Идеальная формула для приготовления классического раствора с использованием портландцемента – пять порций щебня, 3 порции песка, 1 порция цемента и 0,5 порции воды. Превышение этих мерных показателей или их недостаточность грозит получением материала плохого качества, со слабыми прочностными характеристиками. Такой бетон не сможет противостоять воздействию агрессивных факторов. Он быстро начнет трескаться, разрушаться под воздействием тяжести, температурных колебаний и прочих атмосферных явлений.

Два решения для надежной подачи песка для гидроразрыва пласта – Hi-Crush

Добыча сланцевой нефти и газа во многом обязана своим успехом маленьким песчинкам – и многим из них.

Гидравлический разрыв пласта в основном направлен на закачку проппанта (песка для гидроразрыва пласта) глубоко в сеть трещин сланца. Проппант предотвращает смыкание трещин и обеспечивает пористость и проницаемый путь для движения нефти и газа. Без проппанта трещины закрываются, и точка воздействия испаряется. Исчерпание песка для гидроразрыва не вариант.

Песок настолько важен для гидроразрыва пласта, что в случае прекращения подачи вся операция останавливается. Задержки могут нарушить выполнение отдельного задания или повлиять на целые программы гидроразрыва пласта и нанести ущерб планам доходов. Процесс и технология, обеспечивающие предотвращение этого, являются узкоспециализированным аспектом логистики гидроразрыва пласта.

Подача больших объемов песка с особыми характеристиками к гибочному оборудованию системы гидроразрыва пласта является масштабной задачей. Для одной скважины может потребоваться более 10 000 тонн песка, и часто на одной буровой площадке обрабатываются несколько скважин. Потребности в песке для гидроразрыва пласта огромны.

В проведении гидроразрыва пласта участвуют многие компании, сотни сотрудников, а также интенсивное планирование и логистика. Только для песчаного компонента могут потребоваться сотни транспортных грузовиков и ряд специализированных систем оборудования для доставки, хранения и подачи проппанта в смеситель.

Запасы песка должны точно отслеживаться и храниться в достаточных объемах для достижения проектных целей. Есть много переменных, которые следует учитывать, чтобы убедиться, что это происходит. Спецификации песка меняются, поскольку схемы гидроразрыва пласта различаются в зависимости от пласта и целей скважины. Инженеры определяют конкретные размеры песка и могут изменять размеры для разных стадий обработки одной и той же скважины. Объем песка зависит от длины скважины, количества стадий обработки, типа пласта, целей обработки и многих других факторов.

Поскольку логистика расклинивающего наполнителя происходит в контексте полевых операций, другие факторы включают доступ к буровой площадке, размер буровой площадки и другое оборудование на месте. Логистика также должна учитывать площадь склада на площадке и процесс доставки проппанта. На уже загруженных буровых площадках заторы на дорогах могут быть значительно усилены парками грузовиков для доставки песка.

Разгрузка, хранение и обращение с песком также должны соответствовать стандартам OSHA по воздействию кварцевой пыли. Вдыхание пыли представляет опасность для здоровья, и выбросы должны быть сведены к минимуму на каждом этапе процесса.

Песчаная система также должна учитывать переменные во время выполнения обработки гидроразрыва пласта, начиная от реакции пласта на проводимую обработку и заканчивая простыми механическими отказами и задержками.

Чтобы гарантировать поставку проппанта на буровую площадку, в отрасли разработан обширный и широкий спектр инновационных технологий. Эти узкоспециализированные инструменты, как правило, организованы в соответствии с тем, как хранится песок – в бункерах или контейнерах.

Силосы представляют собой вертикальные системы хранения на буровой  используется для очень больших объемов песка. Один бункер может вмещать более 250 тонн песка, а для крупных операций может потребоваться шесть или более бункеров.

Бункеры могут достигать 50 футов в высоту и 12 футов в диаметре. Их перемещение и установка — это специализированный процесс с доступом на буровую площадку и условиями размещения, которые включают дорожные условия, рельеф местности, размеры площадки и вспомогательное оборудование.

Силосы перевозятся пустыми и монтируются на месте с помощью кранов и специализированных монтажных систем. После установки силосы загружаются расклинивающим наполнителем. Этот процесс обычно происходит одним из двух способов: пневматические системы, которые перемещают песок из грузовиков в бункер с помощью сжатого воздуха, и конвейерные системы с гравитационной подачей, которые собирают песок из грузовиков с бункерным дном и заполняют бункеры сверху.

Пневматические системы были ранним решением для доставки больших объемов песка, необходимых для новых методов гидроразрыва сланцев. Но по мере увеличения объемов песка пневматические системы представляли собой ряд проблем. Ключевым среди них является большое количество кварцевой пыли, образующейся при задувании песка в бункеры.

Процесс перекачки проппанта также занимает много времени и требует подключения большого количества грузовиков к бункерам. Чтобы ускорить перемещение, это обычно делается группами грузовиков, разгружаемых одновременно, что создает сильный шум, а также заторы, когда грузовики въезжают на место и размещаются в бункере.

Конвейерные системы являются более поздней инновацией и все чаще используются, поскольку они работают быстрее и производят меньше кварцевой пыли. В некоторых из этих систем используются самосвалы с бункерным днищем для выгрузки песка на конвейерные системы. Простая самотечная разгрузка выполняется быстрее и устраняет необходимость в соединениях, постановке грузовиков и даже в том, что водителям не нужно находиться вне грузовика. Грузовики проезжают, сбрасывают песок и уезжают.

После выгрузки проппант транспортируется и выгружается в верхнюю часть каждого бункера. Загрузка сверху сокращает время загрузки силоса, а шарнирно-сочлененные разгрузочные желоба ускоряют переключение между силосами.

Во время гидроразрыва пласта силосы выгружаются на конвейерную систему для транспортировки в блендер. Специализированные конвейеры должны иметь возможность плавно переключаться между силосами, а также контролировать, контролировать и управлять уровнем песка в силосах, чтобы обеспечить стабильную и точную подачу.

Контейнеры представляют собой модульные системы  для небольших объемов проппанта и на буровых площадках, где требуется высокая степень гибкости для хранения и размещения. Поскольку они исключают перенос проппанта в силос, контейнеры являются наиболее эффективными для сокращения выбросов пыли кварцевого песка, особенно по сравнению с пневматическими системами.

 

Контейнеры бывают разных размеров и грузоподъемности, но обычно контейнер вмещает около 12 тонн песка для гидроразрыва в кубе 8 на 12 футов. Контейнеры загружаются на бортовой грузовик на руднике или перегрузочном комплексе и по два доставляются на буровую площадку.

На месте контейнеры разгружаются с помощью вилочного погрузчика, чтобы они служили в качестве складских и промежуточных устройств, что устраняет необходимость в перемещении. В труднодоступных местах текущие операции по гидроразрыву можно быстро пополнить, в то время как пустые контейнеры вывозятся одним и тем же грузовиком. Для хранения на месте контейнеры можно штабелировать и размещать таким образом, чтобы обеспечить очень гибкую песчаную поверхность.

Контейнеры также облегчают отслеживание и разделение запасов проппанта, особенно когда конструкция ГРП предусматривает этапы разного размера и объема. Когда работа закончена, контейнеры помогают сохранить целостность любого оставшегося песка для гидроразрыва пласта для использования в другой скважине.

Для подачи проппанта в смеситель ГРП контейнерные системы могут использовать специализированную конвейерную систему, которая одновременно принимает несколько контейнеров. После загрузки контейнеры самотеком подаются на закрытую конвейерную систему. Система управления подает необходимый объем в блендер, контролируя запасы песка.

Как песочная батарея может преобразовать чистую энергию

Загрузка

Планета будущего | Возобновляемая энергия

(Изображение предоставлено: Энергия полярной ночи)

Автор Эрика Бенке, 4 ноября 2022 г.

Новый способ хранения возобновляемой энергии — это обеспечение чистым теплом в течение долгих скандинавских ночей.

A

В конце извилистой, усаженной деревьями проселочной дороги в западной Финляндии четыре молодых инженера считают, что у них есть возможный ответ на одну из самых больших проблем зеленой энергетики.

Задача состоит в том, чтобы обеспечить круглогодичное устойчивое электроснабжение от возобновляемых источников энергии при смене сезонов и переменных погодных условиях. Ответ, расположенный на электростанции Ватаянкоски, в 270 км (168 миль) к северо-западу от столицы Финляндии Хельсинки, удивительно прост, обилен и дешев: песок.

На электростанции Ватаянкоски находится первая в мире промышленная песчаная батарея. Полностью заключенная в стальной контейнер высотой 7 м (23 фута), батарея состоит из 100 тонн низкосортного строительного песка, двух труб централизованного теплоснабжения и вентилятора. Песок становится батареей после того, как он нагревается до 600°C с помощью электроэнергии, вырабатываемой ветряными турбинами и солнечными панелями в Финляндии, привезенными владельцами электростанции Ватаянкоски.

Возобновляемая энергия питает резистивный нагреватель, который нагревает воздух внутри песка. Внутри батареи этот горячий воздух вентилятором циркулирует вокруг песка через теплообменные трубы.

Песок окружен толстой изоляцией, поддерживающей температуру внутри батареи на уровне 600C (1112F), даже когда снаружи мороз. «Мы не хотим терять тепло; средняя зимняя температура в Канканпяя ниже 0°C (32F)», — говорит Вилле Кивиоя, ведущий научный сотрудник Polar Night Energy, который следит за работой батареи в режиме онлайн.

Аккумулятор сохраняет 8 МВтч тепловой энергии при полном заряде. Когда потребность в энергии возрастает, батарея разряжает около 200 кВт мощности через теплообменные трубы: этого достаточно, чтобы обеспечить отопление и горячее водоснабжение около 100 домов и общественного бассейна в Канкаанпяя, дополняя электроэнергию из сети. Аккумулятор заряжается ночью, когда цены на электроэнергию ниже.

Эта система не требует особого обслуживания, говорит Кивиоя. Компания использует дешевый некачественный песок, отвергнутый строителями, вместо высококачественного речного песка, который в огромных количествах используется для строительства, что приводит к глобальному дефициту.

«Трубы [теплообмена] и песок не изнашиваются. Вентилятор является единственной движущейся частью, и при необходимости его легко заменить», — говорит Кивиоя.

Песок — очень эффективная среда для сохранения тепла в течение длительного периода времени, сохраняя энергию в течение нескольких месяцев. Есть и другие преимущества. «Песок имеет очень долгий срок службы: он может нагреваться и остывать сколько угодно раз», — говорит Кивиоя. «Через некоторое время он станет более плотным, поэтому потребуется меньше места. В этот момент мы можем добавить больше песка».

Песчаная батарея, разработанная Томми Эроненом (справа) и Вилле Кивиоя (слева), обеспечивает теплом около 100 домов и бассейн в Канкаанпяя (Фото: Polar Night Energy)

Четыре молодых финских инженера, которые изобрели эту песчаную батарею вернуться далеко. Томми Эронен, Маркку Юленен, Лииса Наскали и Вилле Кивиоя в детстве были связаны общей страстью к легкой атлетике. Спринтер, велосипедист, тройной прыгун и метатель диска состояли в одном клубе в Тампере на юге Финляндии, подбадривая друг друга на соревнованиях по легкой атлетике в подростковом возрасте.

Когда им исполнилось двадцать, их интересы переключились со спорта на науку. Более короткие и теплые зимы на юге Финляндии породили общую мотивацию для борьбы с изменением климата.

«Количество дней ледяного покрова на Нясиярви, озере, где мы катались на коньках в детстве, за последние несколько лет резко сократилось. Изменение климата происходит на наших глазах», — говорит Эронен.

Вам также могут понравиться:

• Батареи, работающие от силы тяжести
• Что, если бы у нас была безграничная зеленая энергия
• Устойчивые города из глины

В 2016 году, проводя исследования для получения степени магистра технических наук, Эронен искал системы хранения на водной основе для возобновляемых источников энергии. Но, читая статью о традиционных финских каминах, сделанных из камня и песка, Эронен озарился.

«Это заставило меня задуматься: может ли твердый материал, а не вода, больше подходить для хранения солнечной и ветровой энергии?» — говорит Эронен.

Поиск стабильных поставок

Производство энергии ветра и солнца зависит от погоды и времени года и поэтому изменчиво. Это означает, что производство энергии не всегда соответствует спросу на энергию.

Это делает отсутствие дешевых, жизнеспособных и устойчивых технологий хранения одним из самых больших препятствий на пути перехода мира от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

«Хранение возобновляемых источников энергии является одной из наиболее важных задач, которые мы должны решить для достижения цели нулевых выбросов CO2 к 2050 году, что, по мнению Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК), имеет решающее значение для ограничения глобального потепления до 1,5. C», — говорит Юлонг Дин, директор Бирмингемского центра хранения энергии в Великобритании.

Вместе с Юленен он начал разработку прототипа песчаной батареи. Успешно протестировав экспериментальную батарею в саду деда Эронена недалеко от Тампере, пара наняла своих друзей детства из спортивного клуба для запуска Polar Night Energy. В июле они установили первую коммерческую песчаную батарею на электростанции Ватаянкоски в Канкаанпяя.

Хранение зеленой энергии

Эта инновация вызвала бурю эмоций во всем мире. «Мой телефон постоянно звонит, и у меня тысячи непрочитанных электронных писем», — говорит Эронен.

Небольшое коммерческое применение новой системы накопления энергии редко становится горячей темой, но песочная батарея привлекла внимание своим потенциалом выравнивания энергоснабжения от возобновляемых источников (см. вставку Поиск стабильного источника питания ).

Жизнеспособное хранение солнечной и ветровой энергии особенно важно для скандинавских стран, которые имеют долгие часы темноты и повышенную потребность в тепле зимой, но больше часов солнечного света летом.

После войны на Украине Финляндия призывает ЕС увеличить производство возобновляемой энергии. «Единственный выход из энергетического кризиса — вкладывать значительные средства в производство возобновляемой и экологически чистой энергии», — заявила в сентябре премьер-министр Финляндии Санна Марин.

Изобретатели песчаной батареи надеются, что именно здесь найдется их решение.

«Моей первой мыслью было: «Почему я до этого не додумалась?», — смеется Ева Понграч, вице-руководитель отдела водных, энергетических и экологических технологий. исследовательское подразделение Университета Оулу на севере Финляндии. «Такая простая, свежая и инновационная идея. Может ли это быть решением для непрерывного снабжения зеленой энергией? Я не думаю, что будет один единственный ответ, но это часть решения».

Отсутствие дешевых, жизнеспособных и устойчивых технологий хранения — одно из самых больших препятствий на пути перехода мира на возобновляемые источники энергии. , в частности его электрохимический аналог: литий-ионные аккумуляторы?

Одна большая проблема с литий-ионными батареями, которые мы используем для питания наших ноутбуков, телефонов и электромобилей, заключается в том, что они постоянно разлагаются, даже когда не используются, говорит Понграч. «В песчаных батареях нет химической реакции, поэтому они не подвергаются аналогичному процессу старения», — говорит Понграч.

Литиевые батареи не подходят для крупномасштабных систем хранения, говорит Юлонг Дин, директор Бирмингемского центра хранения энергии в Великобритании, добавляя, что они также легко воспламеняются.

Еще есть экологические проблемы. «Литий оказывает гораздо большее воздействие на окружающую среду, чем песок», — говорит Понграц. На каждую произведенную тонну рафинированного лития выбрасывается от трех до девяти тонн CO2, в зависимости от способа его извлечения.

Но команда Polar Night Energy столкнулась с серьезными проблемами: смогут ли они масштабировать свою технологию, чтобы действительно что-то изменить, и смогут ли они использовать ее для выработки значительного количества электроэнергии в дополнение к теплу?

Есть, конечно, ограничения, отмечают специалисты. «Песчаная батарея хранит в 5–10 раз меньше энергии [на единицу объема], чем традиционные химические батареи», — говорит Дэн Гладвин из отдела электронной и электротехники Шеффилдского университета в Великобритании.

Команда Polar Night Energy признает это, но утверждает, что песочная батарея является гораздо более экономичным решением. Команда подсчитала, что их батарея в восемь-десять раз дешевле, чем литиевая батарея, которая хранит такое же количество энергии. По словам Эронена, выработка 8 МВтч энергии с использованием песчаной батареи Канкаанпяя стоит около 200 000 долларов (174 000 фунтов стерлингов). По его словам, литий-ионная батарея, хранящая 8 МВтч энергии, будет стоить не менее 1 600 000 долларов (1 391 000 фунтов стерлингов).

Аккумулирование возобновляемой энергии особенно важно для скандинавских стран, которым требуется много отопления зимой и долгие часы солнечного света летом (Фото: Alamy)

Глэдвин говорит, что песчаная батарея отлично подходит для обогрева домов в странах с холодным климатом, но предупреждает, что эффективность падает, когда она используется для возврата энергии в электросеть.

«Чтобы сделать его более широко применимым, им нужно разработать способ преобразования тепла батареи обратно в электричество с эффективностью 75–80%. Это изменит правила игры», — говорит он.

Эронен говорит, что с доступной в настоящее время технологией процесс преобразования тепла обратно в электричество имеет коэффициент полезного действия только 30%. Но он не считает это серьезной проблемой. «В такой холодной стране, как Финляндия, мы сбрасываем 70% тепла, остающегося после преобразования, в сети централизованного теплоснабжения, которые почти все время нуждаются в подаче тепла», — говорит он.

Следующим шагом в расширении использования аккумуляторов для выработки электроэнергии является добавление турбины для обратного преобразования тепла в сеть. «Через пару лет у нас будет работающая система, позволяющая делать именно это», — говорит Эронен.

Polar Night Energy находится в процессе подписания контракта на строительство второй батареи для другой компании централизованного теплоснабжения в Финляндии.

«Это для значительно большей системы: 2 МВт тепловой мощности и 500 МВтч емкости хранения. Это в 10 раз больше, чем у нас в Канкаанпяя», — говорит Эронен.

В настоящее время песчаная батарея по сути остается скандинавским решением, говорит Понграц. «Это очень полезно в Финляндии, где у нас холодные зимы и отопление нужно в значительной степени с сентября по май, [из-за] среднегодовой температуры ниже 10°C (50F)», — говорит она, добавляя, что половина из 5,5 миллионов жителей Финляндии подключена к Интернету. к сети централизованного теплоснабжения.

Но теоретически решение по хранению энергии можно воспроизвести в любой точке мира, где есть инфраструктура централизованного теплоснабжения, включая Нью-Йорк, Сан-Франциско и Копенгаген.

«В любом случае у него гораздо больший потенциал [помимо] отопления домов», — говорит руководитель проекта компании Лийза Наскали. «При увеличении масштаба он будет доступен для использования во всех видах промышленных процессов, требующих высокой температуры: пекарнях, прачечных [и] сталелитейных заводах».

Эронен говорит, что к 2023 году Polar Night Energy стремится стать «действительно глобальной компанией, строящей песчаные батареи по всему миру». Огромный бум оффшорной ветроэнергетики — к 2025 году энергия ветра будет покрывать 25% потребления электроэнергии в Финляндии — поможет сделать это возможным, но предстоит еще «много работы».

«Нам потребуются огромные складские мощности, чтобы сбалансировать колебания производства», — говорит он.

Маркку Юленен и Томми Эронен, соучредители Polar Night Energy, друзья детства, которых объединяет общая любовь к спорту и науке (Фото: Polar Night Energy)

при замене песка другими сыпучими негорючими материалами в местах дефицита песка. «Идея состоит в том, чтобы осмотреться и найти подходящий материал на месте: мы можем, например, протестировать побочные продукты промышленных процессов и посмотреть, сможем ли мы их использовать», — говорит Эронен.

Безусловно, самой большой проблемой для расширения является нежелание компаний и муниципалитетов инвестировать в новые технологии. «В Финляндии у компаний централизованного теплоснабжения есть обязательства по поставке тепла, и они должны платить штраф, если они не выполняют эти обязательства. Вот почему они предпочитают проявлять осторожность, прежде чем одобрять крупные инвестиции в новую технологию», говорит Наскали.

Подсчет углерода

Финская энергетическая компания Vatajankoski является исключением. «Мы хотим найти способы борьбы с изменением климата. Мы искали технологии для производства тепла без сжигания ископаемого топлива и наткнулись на энергию полярной ночи… Это надежная технология», — говорит Пекка Пасси, управляющий директор Vatajankosi, который, как и Наскали, считает, что самый большой потенциал батареи заключается в промышленном использовании.

«Некоторым отраслям нужен очень горячий воздух, 300C (572F), например, для сушки чего-либо. Сейчас мы рассматриваем возможность сотрудничества с промышленными компаниями в районе Канкаанпяя, которые используют электричество для производства тепла. Наличие песочной батареи, которую они могут заряжать в одночасье даст им гибкость и защитит от колебаний цен», — говорит он.

Указывая на экстремальные температуры, засуху и лесные пожары, охватившие мир, молодые финские инженеры говорят, что мы не можем позволить себе роскошь ждать, чтобы перейти на новые технологии. «Сейчас нам нужно принимать смелые решения, чтобы избежать [климатического] кризиса», — говорит Кивиоя.

«На нас, ученых и инженеров, оказывается большое давление, чтобы разобраться с изменением климата», — говорит он. «Я превращаю это давление в вдохновение, как делал это, когда участвовал в соревнованиях по метанию диска. Когда ты находишься в поле, готовясь к следующему метанию, ты не можешь замереть под давлением. работа.»

Эронен говорит, что «создание компании немного похоже на соревнования в спорте: вы хотите победить». Вместе с Илоненом он решил проехать 170 км (106 миль) от их родного города Тампере, чтобы посетить энергетическую конференцию в Хельсинки в 2018 году. «Все остальные участники прибыли на машине или самолете. оказать влияние’.»

* Теперь вы можете узнать больше о посещении Эрикой Бенке электростанции Ватаянкоски в этом подкасте наших коллег по вопросу о климате.

—

11.04.22 в эту статью были внесены поправки, поясняющие цитату Юлонг Дина.