Az energia ATP formájában raktározódik, amelyet aztán a szervezet anyagszintézisére, hőleadásra, izomösszehúzódásokra stb. ☢ Energiafolyamatok a sejtekben: energia tárolása és felhasználása Energiaszükséglet az élet során

energiacsere- ez az összetett szerves vegyületek szakaszonkénti lebontása, energia felszabadulásával, amely az ATP-molekulák makroerg kötéseiben raktározódik, majd felhasználja a sejtélet folyamatában, beleértve a bioszintézist is, pl. műanyag csere.

Az aerob szervezetek termelik:

1. Előkészítő- biopolimerek monomerekké hasítása.
2. anoxikus A glikolízis a glükóz lebontása piroszőlősavvá.
3. Oxigén- a piroszőlősavat szén-dioxiddá és vízzé hasítja.

Előkészületi szakasz

Az energia-anyagcsere előkészítő szakaszában a táplálékkal bevitt szerves vegyületek egyszerűbb, általában monomerekké bomlanak le. Tehát a szénhidrátok cukrokká bomlanak, beleértve a glükózt is; fehérjék - aminosavakhoz; zsírok - glicerinre és zsírsavakra.

Bár energia szabadul fel, az nem raktározódik az ATP-ben, ezért később nem használható fel. Az energia hő formájában disszipálódik.

A polimerek lebomlása többsejtű komplex állatokban az emésztőrendszerben megy végbe, a mirigyek által itt kiválasztott enzimek hatására. Ezután a képződött monomerek főként a belekben szívódnak fel a vérbe. A tápanyagok a vérben a sejteken keresztül szállítódnak.

Azonban nem minden anyag bomlik le monomerekre az emésztőrendszerben. Sokak hasadása közvetlenül a sejtekben, azok lizoszómáiban történik. Az egysejtű szervezetekben a felszívódott anyagok az emésztőüregekbe jutnak, ahol megemésztik őket.

A keletkező monomerek energia- és műanyagcserére egyaránt felhasználhatók. Az első esetben felhasadnak, a második esetben pedig maguk a sejtek összetevőit szintetizálják belőlük.

Az energiaanyagcsere anoxikus szakasza

Az oxigénmentes szakasz a sejtek citoplazmájában megy végbe, és aerob szervezetek esetében csak glikolízis - a glükóz enzimatikus, többlépcsős oxidációja és vörösborsósavvá történő lebontása, amelyet piruvátnak is neveznek.

A glükózmolekula hat szénatomot tartalmaz. A glikolízis során két piruvát molekulára bomlik, amely három szénatomot tartalmaz. Ebben az esetben a hidrogénatomok egy része leválik, amelyek átkerülnek a NAD koenzimbe, amely viszont részt vesz az oxigén fázisban.

A glikolízis során felszabaduló energia egy része ATP-molekulákban raktározódik. Glükózmolekulánként csak két ATP-molekula szintetizálódik.

A piruvátban maradó, NAD-ban tárolt energiát tovább vonják ki az aerobokból az energia-anyagcsere következő szakaszában.

Anaerob körülmények között, amikor a sejtlégzés oxigénstádiuma hiányzik, a piruvát tejsavvá „semlegesül”, vagy fermentáción megy keresztül. Ebben az esetben az energia nem tárolódik. Így itt csak a nem hatékony glikolízis biztosítja a hasznos energiatermelést.

oxigén szakasz

Az oxigén lépés a mitokondriumokban történik. Két alszakasza van: a Krebs-ciklus és az oxidatív foszforiláció. A sejtekbe jutó oxigén csak a másodikban kerül felhasználásra. A Krebs-ciklus szén-dioxidot termel és bocsát ki.

Krebs ciklus a mitokondriumok mátrixában játszódik le, számos enzim végzi. Nem magát a piroszőlősav molekulát (vagy zsírsavat, aminosavat), hanem a koenzim-A segítségével leválasztott acetilcsoportot kapja, amely az előbbi piruvát két szénatomját tartalmazza. A többlépcsős Krebs-ciklus során az acetilcsoport két CO 2 molekulára és hidrogénatomra bomlik. A hidrogén egyesül a NAD-dal és a FAD-dal. Megtörténik a GDP molekula szintézise is, ami később az ATP szintéziséhez vezet.

Glükózmolekulánként két Krebs-ciklus van, amely két piruvátot termel. Így két ATP-molekula keletkezik. Ha az energia-anyagcsere itt véget ér, akkor egy glükózmolekula teljes lebomlása 4 ATP-molekulát adna (kettőt glikolízisből).

Oxidatív foszforiláció a cristae - a mitokondriumok belső membránjának kinövésein fordul elő. Enzimekből és koenzimekből álló szállítószalag biztosítja, amely az úgynevezett légzési láncot alkotja, amely az ATP-szintetáz enzimmel végződik.

A hidrogén és az elektronok a légzési láncon keresztül a NAD és FAD koenzimekből kerülnek át. Az átvitel úgy történik, hogy a hidrogén protonok a belső mitokondriális membrán külső oldalán halmozódnak fel, és a lánc utolsó enzimei csak elektronokat adnak át.

Végül az elektronok a membrán belsejében elhelyezkedő oxigénmolekulákba kerülnek, aminek következtében negatív töltésűek lesznek. Az elektromos potenciálgradiens kritikus szintje fellép, ami a protonok mozgásához vezet az ATP-szintetáz csatornáin keresztül. A hidrogén-protonok mozgási energiáját ATP-molekulák szintetizálására használják fel, maguk a protonok pedig oxigénanionokkal egyesülve vízmolekulákat képeznek.

A légzési lánc működésének ATP-molekulákban kifejezett energiakibocsátása nagy, és összesen 32-34 ATP-molekula között mozog egy kezdeti glükózmolekulánként.

Ez az anyag a http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm címen korábban közzétett "Az energiatároló eszközök típusainak áttekintése" című cikken alapul, amelyhez több, más forrásból származó bekezdést is csatoltak, például http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm. ://battery-info.hu/alternatives.

Az alternatív energia egyik fő problémája a megújuló forrásokból való egyenlőtlen ellátás. A nap csak napközben süt, felhőtlen időben a szél vagy fúj, vagy alábbhagy. Igen, és az áramigény sem állandó, például nappal kevesebb, este több kell a világításhoz. És az emberek szeretik, ha a városokat és falvakat éjszaka elárasztják a fények. Nos, vagy legalábbis csak az utcák vannak kivilágítva. Tehát felmerül a feladat - a kapott energiát egy ideig megtakarítani annak érdekében, hogy akkor használhassa fel, amikor a legnagyobb szükség van rá, és az áramlás nem elegendő.

HPP TaumSauk az USA-ban. Alacsony teljesítménye ellenére szív alakú felső medencéjéről ismert az egész világon.

Vannak kisebb méretű gravitációs energia hidraulikus akkumulátorok is. Először 10 tonna vizet szivattyúzunk egy földalatti tározóból (kútból) egy toronyon lévő tartályba. Ezután a víz a tartályból a gravitáció hatására visszafolyik a tartályba, egy turbinát forgatva egy elektromos generátorral. Az ilyen meghajtó élettartama 20 év vagy több is lehet. Előnyök: szélturbina használatakor ez utóbbi közvetlenül képes meghajtani a vízszivattyút, a toronyon lévő tartályból a víz pedig egyéb szükségletekre is felhasználható.

Sajnos a hidraulikus rendszereket nehezebb műszakilag karbantartani, mint a szilárdtesteket - ez elsősorban a tartályok és csővezetékek tömítettségére, valamint az elzáró- és szivattyúberendezések használhatóságára vonatkozik. És még egy fontos feltétel - az energia felhalmozódásának és felhasználásának pillanatában a munkafolyadéknak (legalábbis meglehetősen nagy részének) folyékony halmazállapotúnak kell lennie, és nem lehet jég vagy gőz formájában. De néha az ilyen akkumulátorokban további szabad energia nyerhető, például a felső tartály olvadék- vagy esővízzel való feltöltésekor.

Mechanikai energiatárolás

A mechanikai energia az egyes testek vagy részecskéik kölcsönhatásában, mozgásában nyilvánul meg. Magában foglalja a test mozgásának vagy forgásának kinetikus energiáját, a hajlítás, nyújtás, csavarás, rugalmas testek (rugók) összenyomódása során keletkező deformációs energiát.

Giroszkópos energiatároló

Ufimcev giroszkópos akkumulátora.

A giroszkópos akkumulátorokban az energia egy gyorsan forgó lendkerék mozgási energiája formájában tárolódik. A lendkerék súlyának minden kilogrammjára elraktározott fajlagos energia sokkal nagyobb, mint amit egy kilogramm statikus súly akár nagy magasságba emelve is tárolhat, a legújabb csúcstechnológiai fejlesztések pedig a kémiai energiához mérhető tárolt energiasűrűséget ígérnek. a leghatékonyabb vegyi tüzelőanyag-fajták tömegegységére vetítve. A lendkerék másik hatalmas előnye az a képesség, hogy gyorsan visszaadja vagy fogadja a nagyon nagy teljesítményt, amelyet csak az anyagok szakítószilárdsága korlátoz mechanikus erőátvitel esetén, vagy elektromos, pneumatikus vagy hidraulikus hajtóművek "kapacitása".

Sajnos a lendkerekek érzékenyek a forgási síkon kívüli síkok rázkódására és elfordulására, mert ez hatalmas giroszkópos terheléseket hoz létre, amelyek hajlamosak a tengely elhajlására. Ráadásul a lendkerék által felhalmozott energia tárolási ideje viszonylag rövid, a hagyományos kiviteleknél általában néhány másodperctől több óráig terjed. Ezenkívül a súrlódás miatti energiaveszteség túlságosan észrevehetővé válik... A modern technológiák azonban lehetővé teszik a tárolási idő drámai meghosszabbítását - akár több hónapig is.

Végül még egy kellemetlen pillanat - a lendkerék által tárolt energia közvetlenül függ a forgási sebességétől, ezért az energia felhalmozódásával vagy felszabadulásával a forgási sebesség folyamatosan változik. Ugyanakkor a terhelés nagyon gyakran stabil forgási sebességet igényel, amely nem haladja meg a percenkénti több ezer fordulatot. Emiatt a lendkerékre és a lendkerékről történő energiaátvitel tisztán mechanikus rendszerek gyártása túl bonyolult lehet. Néha a helyzet leegyszerűsíthető egy elektromechanikus sebességváltóval, amely motorgenerátort használ, amely ugyanazon a tengelyen található, mint a lendkerék, vagy egy merev sebességváltóval csatlakozik hozzá. Ekkor azonban elkerülhetetlenek a fűtővezetékek és tekercsek energiaveszteségei, amelyek jóval nagyobbak lehetnek, mint a jó variátorok súrlódási és csúszási veszteségei.

Különösen ígéretesek az úgynevezett szuperlendők, amelyek acélszalagból, huzalból vagy nagy szilárdságú szintetikus szálból készült tekercsekből állnak. A tekercs lehet sűrű, vagy lehet speciálisan hagyott üres hely. Ez utóbbi esetben a lendkerék letekercselésével a szalag tekercsei a középpontjából a forgás perifériájára mozognak, megváltoztatva a lendkerék tehetetlenségi nyomatékát, ha pedig a szalag rugós, akkor az energia egy részét az energiában tárolva. a rugó rugalmas deformációja. Ebből kifolyólag az ilyen lendkerekeknél a forgási sebesség nem annyira közvetlenül kapcsolódik a felhalmozott energiához, és sokkal stabilabb, mint a legegyszerűbb szilárd szerkezeteknél, és energiafelhasználásuk is észrevehetően magasabb. A nagyobb energiaintenzitáson túlmenően biztonságosabbak különféle balesetek esetén, mivel a nagyméretű, monolit lendkerék töredékeivel ellentétben, amelyek energiájukban és pusztító erejében összemérhetőek az ágyúgolyókkal, a rugótöredékek sokkal kevésbé „károsító erővel” rendelkeznek, és általában meglehetősen hatékonyan lelassítja a lendkerék felrobbanását a ház falainak súrlódása miatt. Ugyanezen okból a modern szilárd lendkerekek, amelyeket az anyagszilárdság újraelosztásához közeli üzemmódokban való működésre terveztek, gyakran nem monolitikusak, hanem kötőanyaggal impregnált kábelekből vagy szálakból szövik.

A modern kialakítások a vákuum forgáskamrával és a kevlár szálból készült szuperlengőkerék mágneses felfüggesztésével több mint 5 MJ/kg tárolt energiasűrűséget biztosítanak, és hetekig, hónapokig képesek tárolni a mozgási energiát. Optimista becslések szerint a nagy teherbírású „szuperkarbon” szál tekercselésre történő használata többszörösére növeli a forgási sebességet és a tárolt energia fajlagos sűrűségét - akár 2-3 GJ/kg-ot is (ígérik, hogy egy felpörgetéssel egy ilyen 100-150 kg tömegű lendkerék egymillió kilométeres vagy annál több futáshoz, azaz gyakorlatilag az autó teljes élettartamára elegendő lesz!). Ennek a szálnak az ára azonban sokszorosa az arany árának, így még az arab sejkek sem engedhetnek meg maguknak ilyen gépeket... A lendkerekes hajtásokról további részletek Nurbey Gulia könyvében találhatók.

Girorezonancia energiatárolás

Ezek a hajtások ugyanazok a lendkerék, de rugalmas anyagból (például gumiból) készülnek. Ennek eredményeként alapvetően új tulajdonságokkal rendelkezik. A sebesség növekedésével egy ilyen lendkeréken „kinövések” - „szirmok” kezdenek képződni - először ellipszissé, majd három, négy vagy több „szirmú” „virággá” válik ... Sőt, a kialakulás után A „szirmok” kezdete, a lendkerék forgási sebessége már gyakorlatilag nem változik, és az energia a lendkerék anyagának rugalmas deformációjának rezonáns hullámában tárolódik, amely ezeket a „szirmokat” alkotja.

Az 1970-es évek végén és az 1980-as évek elején N. Z. Garmash ilyen építkezésekkel foglalkozott Donyeckben. Eredményei lenyűgözőek – becslései szerint mindössze 7-8 ezres fordulatszámú lendkerék üzemi fordulatszáma mellett a tárolt energia elegendő volt ahhoz, hogy az autó 1500 km-t tegyen meg, szemben a 30 km-rel egy azonos méretű hagyományos lendkerékkel. Sajnos az ilyen típusú meghajtókkal kapcsolatos újabb információk nem ismertek.

Rugalmas erőket használó mechanikus akkumulátorok

Ennek az osztálynak az eszközei nagyon nagy fajlagos tárolt energiával rendelkeznek. Ha kis méreteket (több centimétert) kell betartani, annak energiaintenzitása a legmagasabb a mechanikus tárolóeszközök között. Ha nem annyira szigorúak a tömeg- és méretkövetelmények, akkor a nagy, ultragyors lendkerekek energiafelhasználásban felülmúlják azt, viszont sokkal érzékenyebbek a külső tényezőkre és sokkal rövidebb az energiatárolási idő.

Rugós mechanikus akkumulátorok

A rugó összenyomása és meghosszabbítása nagyon nagy energiafogyasztást és -ellátást biztosíthat egységnyi idő alatt – ez talán a legnagyobb mechanikai teljesítmény az összes energiatároló eszköz közül. A lendkerekekhez hasonlóan ennek is csak az anyagok szakítószilárdsága szab határt, de a rugók általában közvetlenül valósítják meg a működő transzlációs mozgást, a lendkerekeknél pedig nem nélkülözhető egy meglehetősen bonyolult erőátvitel (nem véletlen, hogy a pneumatikus fegyverek vagy mechanikus főrugókat, ill. gázpalackok, amelyek lényegében előtöltött pneumatikus rugók; a lőfegyverek megjelenése előtt rugós fegyvereket is alkalmaztak távoli harcra - íjakat és számszeríjakat, amelyek a hivatásos csapatoknál a mozgási energia felhalmozódásával teljesen felváltották a hevedert jóval az új korszak előtt).

Az összenyomott rugóban felhalmozott energia tárolási élettartama több év is lehet. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy az állandó deformáció hatására idővel bármilyen anyag fáradtságot halmoz fel, és a rugófém kristályrácsa lassan változik, és minél nagyobbak a belső feszültségek és minél magasabb a környezeti hőmérséklet, annál hamarabb és nagyobb mértékben ez fog megtörténni. Ezért több évtized elteltével egy összenyomott rugó, anélkül, hogy külsőleg megváltozna, teljesen vagy részben „kisütött”. A kiváló minőségű acélrugók azonban, ha nincsenek kitéve túlmelegedésnek vagy hipotermiának, évszázadokig képesek működni látható kapacitásvesztés nélkül. Például egy régi mechanikus falióra egy teljes gyárból még mindig két hétig működik – akárcsak több mint fél évszázaddal ezelőtt, amikor készült.

Ha fokozatosan egyenletesen kell "tölteni" és "kisütni" a rugót, akkor az ezt biztosító mechanizmus nagyon bonyolult és szeszélyes lehet (nézd meg ugyanazt a mechanikus órát - valójában nagyon sok fogaskerék és egyéb alkatrész szolgálja ezt a célt ). Az elektromechanikus sebességváltó leegyszerűsítheti a helyzetet, de általában jelentős korlátozásokat ír elő egy ilyen eszköz pillanatnyi teljesítményére vonatkozóan, és alacsony teljesítmény mellett (több száz watt vagy kevesebb) túl alacsony a hatásfoka. Külön feladat a maximális energia minimális térfogatban történő felhalmozása, hiszen ilyenkor a felhasznált anyagok szakítószilárdságához közeli mechanikai igénybevételek keletkeznek, ami különösen alapos számításokat és kifogástalan kidolgozást igényel.

Ha a rugókról beszélünk, nem csak a fémet kell szem előtt tartani, hanem más rugalmas tömör elemeket is. Közülük a legelterjedtebbek a gumiszalagok. A gumi egyébként az egységnyi tömegre raktározott energiát tekintve tízszeresen meghaladja az acélt, de nagyjából ugyanannyiszor kevesebbet is szolgál, és az acéllal ellentétben aktív használat nélkül és ideális külsővel is néhány év után elveszíti tulajdonságait. körülmények - az anyag viszonylag gyors kémiai öregedése és lebomlása miatt.

Gáz mechanikus tároló

Ebben az osztályban az energiát a sűrített gáz rugalmassága miatt tárolják. Energiafelesleggel a kompresszor gázt pumpál a hengerbe. Amikor a tárolt energia felhasználása szükséges, a sűrített gázt egy turbinába vezetik, amely közvetlenül elvégzi a szükséges mechanikai munkát, vagy egy elektromos generátort forgat. Turbina helyett lehet dugattyús motort használni, ami kis teljesítményen hatékonyabb (egyébként vannak megfordítható dugattyús motor-kompresszorok is).

Szinte minden modern ipari kompresszor fel van szerelve hasonló akkumulátorral - vevővel. Igaz, a nyomás ott ritkán haladja meg a 10 atm-et, ezért az ilyen vevőegységben az energiatartalék nem túl nagy, de még ez is lehetővé teszi a telepítés erőforrásának többszörös növelését és az energiamegtakarítást.

A több tíz és több száz atmoszféra nyomásra sűrített gáz kellően nagy fajlagos sűrűségű tárolt energiát képes biztosítani szinte korlátlan ideig (hónapok, évek, és a vevő és a szelepek jó minősége mellett - több tíz év) amiatt, hogy a sűrített gázt tartalmazó patronokat használó pneumatikus fegyverek annyira elterjedtek). A beépítéshez tartozó turbinás vagy dugattyús motorral ellátott kompresszor azonban meglehetősen bonyolult, szeszélyes eszközök, és nagyon korlátozott erőforrásokkal rendelkeznek.

Ígéretes technológia az energiatartalékok létrehozására a levegő összenyomása a rendelkezésre álló energia rovására olyan időpontban, amikor ez utóbbira nincs közvetlen szükség. A sűrített levegőt lehűtik és 60-70 atmoszféra nyomáson tárolják. Ha szükséges a tárolt energia felhasználása, a levegőt kiszívják az akkumulátorból, felmelegítik, majd egy speciális gázturbinába jutnak, ahol a sűrített és felmelegített levegő energiája forgatja a turbina fokozatait, amelyek tengelye elektromos árammal van összekötve. generátor, amely villamos energiát állít elő a villamosenergia-rendszerbe.

A sűrített levegő tárolására javasolt például megfelelő bányaműhelyek vagy speciálisan kialakított földalatti tartályok alkalmazása sósziklákban. A koncepció nem új keletű, a sűrített levegő földalatti barlangban történő tárolását még 1948-ban szabadalmazták, a németországi Huntorf erőműben pedig 1978 óta működik az első 290 MW teljesítményű sűrített levegős energiatároló (CAES) erőmű. . A levegő sűrítési szakaszában nagy mennyiségű energia vész el hő formájában. Ezt az elvesztett energiát a gázturbinában az expanziós fokozat előtt a sűrített levegővel kell kompenzálni, ehhez szénhidrogén üzemanyagot használnak, amellyel a levegő hőmérsékletét emelik. Ez azt jelenti, hogy a létesítmények hatékonysága messze nem 100%.

Ígéretes irány mutatkozik a CAES hatékonyságának javítására. Ez abból áll, hogy a kompresszor működése során felszabaduló hőt visszatartják és tárolják a levegő kompressziós és hűtési szakaszában, majd ezt követően újra felhasználják a hideg levegő fordított melegítése során (úgynevezett rekuperáció). A CAES ezen verziója azonban jelentős technikai nehézségekkel küzd, különösen a hosszú távú hőtároló rendszer kialakítása terén. Ha ezeket a problémákat megoldják, az AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) utat nyithat a nagyméretű energiatároló rendszerek számára, ezt a kérdést világszerte felvetették a kutatók.

Tagjai a kanadai startup Hydrostor egy másik szokatlan megoldás - energiát pumpálni a víz alatti buborékokba.

Hőenergia tárolás

Éghajlati viszonyaink között az elfogyasztott energia igen jelentős (gyakran a fő) részét fűtésre fordítjuk. Ezért nagyon kényelmes lenne a hőt közvetlenül a tárolóban felhalmozni, majd visszavenni. Sajnos a legtöbb esetben a tárolt energiasűrűség nagyon alacsony, és a megmaradásának ideje nagyon korlátozott.

Léteznek szilárd vagy fogyó hőtároló anyagú hőtárolók; folyékony; gőz; termokémiai; elektromos fűtőelemmel. A hőtárolók csatlakoztathatók szilárd tüzelésű kazánnal, szolár rendszerrel vagy kombinált rendszerrel.

Energiatárolás a hőkapacitásnak köszönhetően

Az ilyen típusú akkumulátorokban a hő a munkaközegként szolgáló anyag hőkapacitása miatt halmozódik fel. A hőtároló klasszikus példája az orosz kályha. Naponta egyszer fűtött, majd napközben a házat fűtötte. Napjainkban a hőtároló leggyakrabban olyan melegvíz tárolására szolgáló tartályt jelent, amely magas hőszigetelő tulajdonságú anyaggal van bélelve.

Vannak szilárd hőhordozó alapú hőtárolók is, például kerámia téglákban.

A különböző anyagok hőkapacitása eltérő. A legtöbb esetben ez a 0,1-2 kJ/(kg K) tartományba esik. A víz szokatlanul nagy hőkapacitású - folyadékfázisú hőkapacitása körülbelül 4,2 kJ/(kg K). Csak a nagyon egzotikus lítiumnak van nagyobb hőkapacitása - 4,4 kJ/(kg·K).

Eltekintve azonban attól fajlagos hő(súly szerint) figyelembe kell venni és térfogati hőkapacitás, amely lehetővé teszi annak meghatározását, hogy mennyi hő szükséges ahhoz, hogy azonos térfogatú különböző anyagok hőmérsékletét azonos mennyiséggel megváltoztassuk. A szokásos fajlagos (tömeg) hőkapacitásból számítják ki, megszorozva a megfelelő anyag fajlagos sűrűségével. A térfogati hőkapacitást akkor kell beállítani, amikor a hőakkumulátor térfogata fontosabb, mint a súlya. Például az acél fajlagos hőkapacitása mindössze 0,46 kJ / (kg K), de a sűrűsége 7800 kg / m3, és mondjuk a polipropilénnél - 1,9 kJ / (kg K) - több mint 4-szer több, de sűrűsége mindössze 900 kg/cu.m. Ezért ugyanazzal hangerő az acél 2,1-szer több hőt képes tárolni, mint a polipropilén, bár majdnem 9-szer nehezebb lesz. A víz rendellenesen nagy hőkapacitása miatt azonban térfogati hőkapacitás tekintetében egyetlen anyag sem tudja felülmúlni azt. A vas és ötvözeteinek (acél, öntöttvas) térfogati hőkapacitása azonban kevesebb, mint 20%-kal tér el a víztől - egy köbméterben több mint 3,5 MJ hőt tudnak tárolni minden fokozatú hőmérsékletváltozásra, a térfogati hőkapacitás a réz valamivel kevesebb - 3,48 MJ /(köb. m K). A levegő hőkapacitása normál körülmények között körülbelül 1 kJ / kg, vagyis 1,3 kJ / m3, ezért egy köbméter levegő 1 ° -os felmelegítéséhez elegendő kicsivel kevesebb, mint 1/3 litert lehűteni. víz ugyanolyan mértékben (természetesen melegebb, mint a levegő).

A készülék egyszerűségéből adódóan (mi lehetne egyszerűbb, mint egy mozdíthatatlan szilárd szilárd darab, vagy egy zárt tartály folyékony hűtőközeggel?) Az ilyen energiatároló eszközök szinte korlátlan számú energiatárolási-visszatérési ciklussal rendelkeznek, és nagyon hosszúak. élettartam - folyékony hőhordozóknál a folyadék kiszáradásáig, vagy amíg a tartály korrózió vagy egyéb okok miatt megsérül, szilárd halmazállapotú esetében nincs ilyen korlátozás. De a tárolási idő nagyon korlátozott, és általában több órától több napig terjed - hosszabb ideig a szokásos hőszigetelés már nem képes megtartani a hőt, és a tárolt energia fajlagos sűrűsége alacsony.

Végül még egy körülményt kell kiemelni - a hatékony működéshez nem csak a hőkapacitás fontos, hanem a hőakkumulátor anyagának hővezető képessége is. Magas hővezető képességgel, még a külső körülmények meglehetősen gyors változásaira is, a hőakkumulátor teljes tömegével, tehát az összes tárolt energiával reagál - vagyis a lehető leghatékonyabban. Rossz hővezető képesség esetén csak a hőakkumulátor felületi részének lesz ideje reagálni, a külső körülmények rövid távú változásai pedig egyszerűen nem érik el a mélyrétegeket, és az ilyen anyagok anyagának jelentős része. a hőtárolót ténylegesen kizárják a munkából. Az imént tárgyalt példában említett polipropilén hővezető képessége közel 200-szor kisebb, mint az acélé, ezért a meglehetősen nagy fajlagos hőkapacitás ellenére sem lehet hatékony hőtároló. Technikailag azonban a probléma könnyen megoldható, ha speciális csatornákat szervezünk a hűtőfolyadék keringetésére a hőakkumulátoron belül, de nyilvánvaló, hogy egy ilyen megoldás jelentősen bonyolítja a tervezést, csökkenti a megbízhatóságot és az energiafogyasztást, és minden bizonnyal rendszeres karbantartást igényel. , amelyre valószínűleg nem lesz szükség egy monolitikus anyagdarabhoz.

Bármilyen furcsának is tűnik, néha nem hőt, hanem hideget kell felhalmozni és tárolni. Az egyesült államokbeli vállalatok több mint egy évtizede kínálnak jégalapú "akkumulátorokat" klímaberendezésekbe szerelhető berendezésekbe. Éjszaka, amikor bőven van áram és kedvezményes áron adják, a klíma lefagyasztja a vizet, vagyis hűtő üzemmódba kapcsol. Napközben többszörösen kevesebb energiát fogyaszt, ventilátorként működik. Az energiaéhes kompresszor erre az időre ki van kapcsolva. Olvass tovább.

Energia felhalmozódása az anyag fázisállapotának változása során

Ha figyelmesen megvizsgálja a különböző anyagok termikus paramétereit, láthatja, hogy az aggregáció állapotának megváltozásakor (olvadás-keményedés, párolgás-kondenzáció) jelentős energiaelnyelés vagy -felszabadulás következik be. A legtöbb anyag esetében az ilyen átalakulások hőenergiája elegendő ahhoz, hogy ugyanazon anyag azonos mennyiségének hőmérsékletét sok tíz vagy akár több száz fokkal megváltoztassa azokban a hőmérsékleti tartományokban, ahol az aggregációs állapota nem változik. De, mint tudod, amíg egy anyag teljes térfogatának aggregációs állapota nem lesz azonos, hőmérséklete szinte állandó! Ezért nagyon csábító lenne az energia felhalmozása az aggregáció állapotának megváltoztatásával - sok energia halmozódik fel, és a hőmérséklet keveset változik, így ennek eredményeként nem kell megoldani a magas hőmérsékletre való melegítéssel kapcsolatos problémákat, és egyúttal egy ilyen hőtároló jó kapacitása is elérhető.

Olvadás és kristályosodás

Sajnos jelenleg gyakorlatilag nincs olyan olcsó, biztonságos és bomlásálló, nagy fázisátalakulási energiájú anyag, amelynek olvadáspontja a legrelevánsabb tartományba esne - körülbelül +20°С és +50°С között (maximum +70°С – ez még mindig viszonylag biztonságos és könnyen elérhető hőmérséklet). Általános szabály, hogy ebben a hőmérséklet-tartományban összetett szerves vegyületek megolvadnak, amelyek semmiképpen sem előnyösek az egészségre, és gyakran gyorsan oxidálódnak a levegőben.

A legalkalmasabb anyagok talán a paraffinok, amelyek többségének olvadáspontja fajtától függően a 40...65 °C tartományba esik (bár vannak „folyékony” paraffinok is, amelyek olvadáspontja 27 °C ill. kevesebb, valamint a paraffinokhoz kapcsolódó természetes ozokerit, amelynek olvadáspontja az 58...100°C tartományba esik). Mind a paraffinok, mind az ozokerit meglehetősen biztonságosak, és gyógyászati ​​célokra is használják a testen lévő fájdalmas foltok közvetlen felmelegítésére. Jó hőkapacitás mellett azonban a hővezető képességük nagyon kicsi - olyan kicsi, hogy a testre felvitt paraffin vagy ozokerit 50-60 °C-ra melegítve csak kellemesen meleg érzetet kelt, de nem forr, mint a melegített vízzel. ugyanaz a hőmérséklet, - az orvostudomány számára ez jó, de egy hőtároló esetében ez abszolút mínusz. Ráadásul ezek az anyagok nem is olyan olcsók, például az ozocerit nagykereskedelmi ára 2009 szeptemberében körülbelül 200 rubel kilogrammonként, egy kilogramm paraffin pedig 25 rubeltől (műszaki) 50 és még többig (nagyon tisztított élelmiszerek, pl. élelmiszerek csomagolásában való használatra alkalmas). Ezek több tonnás tétel nagykereskedelmi árai, a kiskereskedelmi árak legalább másfélszer drágábbak.

Emiatt nagy kérdésnek bizonyul a paraffinos hőtároló gazdaságossága, mert egy-két kilogramm paraffin vagy ozocerit csak pár tíz perces háttörés orvosi felmelegítésére alkalmas, ill. egy többé-kevésbé tágas lakás stabil hőmérsékletét biztosítsa legalább egy napig, a paraffinos hőtároló tömegét tonnában kell mérni, hogy költsége azonnal megközelítse egy autó költségét (igaz, alacsonyabb árszegmensben)! Igen, és a fázisátmenet hőmérsékletének ideális esetben továbbra is pontosan meg kell felelnie a kényelmes tartománynak (20...25 ° C) - különben még mindig meg kell szerveznie valamilyen hőcserélő vezérlőrendszert. Mindazonáltal a nagy tisztaságú paraffinokra jellemző 50...54°C körüli olvadási hőmérséklet magas fázisátalakulási hővel (valamivel több, mint 200 kJ/kg) nagyon alkalmas egy olyan hőakkumulátorhoz, amelyet úgy terveztek, melegvíz ellátást és vízmelegítést biztosítanak, az egyetlen probléma az alacsony hővezető képesség és a paraffin magas ára. De vis maior esetén maga a paraffin is használható jó fűtőértékű tüzelőanyagként (bár ezt nem olyan egyszerű megtenni - a benzinnel vagy a kerozinnal ellentétben a folyékony és még inkább szilárd paraffin nem ég el a levegőben, kanóc vagy más eszköz szükséges ahhoz, hogy az égési zónába ne magát a paraffint, hanem csak annak gőzeit táplálja)!

Az olvadás és kristályosodás hatására épülő hőenergia-tárolóra példa a TESS szilícium alapú hőenergia-tároló rendszer, amelyet az ausztrál Latent Heat Storage cég fejlesztett ki.

Párolgás és kondenzáció

A párolgási-kondenzációs hő általában többszöröse az olvadás-kristályosodás hőjének. És úgy tűnik, nem is olyan kevés anyag párolog a megfelelő hőmérsékleti tartományban. Az őszintén mérgező szén-diszulfid, aceton, etil-éter stb. mellett létezik etil-alkohol is (viszonylagos biztonságát naponta több millió alkoholista bizonyítja személyes példáján szerte a világon!). Normál körülmények között az alkohol 78°C-on forr, párolgási hője 2,5-szer nagyobb, mint a víz (jég) olvadási hője, és megegyezik ugyanannyi folyékony víz 200°-os felmelegítésével. Az olvadástól eltérően azonban, amikor az anyag térfogatának változása ritkán haladja meg a néhány százalékot, a párolgás során a gőz elfoglalja a számára biztosított teljes térfogatot. És ha ez a mennyiség korlátlan, akkor a gőz elpárolog, és visszavonhatatlanul magával viszi az összes felhalmozott energiát. Zárt térfogatban a nyomás azonnal emelkedni kezd, megakadályozva a munkaközeg újabb részeinek elpárolgását, mint a legáltalánosabb gyorsfőzőben, így a munkaanyagnak csak kis százaléka tapasztal változást a munkaközeg állapotában. aggregálódik, míg a többi folyadék fázisban lévén tovább melegszik. Itt egy széles tevékenységi terület nyílik meg a feltalálók előtt - egy hatékony, párolgáson és kondenzáción alapuló hőtároló létrehozása hermetikusan változó munkatérfogattal.

Második típusú fázisátmenetek

Az aggregációs állapot változásával járó fázisátalakulások mellett egyes anyagoknak több különböző fázisállapota is lehet ugyanazon aggregációs állapoton belül. Az ilyen fázisállapotok változását általában az energia észrevehető felszabadulása vagy elnyelése is kíséri, bár általában sokkal kevésbé jelentős, mint egy anyag aggregációs állapotának megváltozása. Ezenkívül sok esetben az ilyen változásoknál, az aggregációs állapot változásával ellentétben, hőmérsékleti hiszterézis lép fel - a közvetlen és fordított fázisátalakulások hőmérséklete jelentősen eltérhet, esetenként több tíz vagy akár több száz fokkal is.

Elektromos energia tárolás

A villamos energia a legkényelmesebb és legsokoldalúbb energiaforma a modern világban. Nem meglepő, hogy az elektromos energiatároló eszközök fejlődnek a leggyorsabban. Sajnos a legtöbb esetben az olcsó készülékek fajlagos kapacitása kicsi, és a nagy fajlagos kapacitású készülékek még mindig túl drágák ahhoz, hogy nagy mennyiségű energiát tároljanak tömeges felhasználásra, és nagyon rövid élettartamúak.

Kondenzátorok

A legmasszívabb "elektromos" energiatároló eszközök a hagyományos rádiókondenzátorok. Óriási energiafelhalmozódási és -leadási sebességgel rendelkeznek - általában másodpercenként több ezertől sok milliárd teljes ciklusig, és így széles hőmérsékleti tartományban képesek hosszú éveken, de akár évtizedeken keresztül is működni. Több kondenzátor párhuzamos kombinálásával könnyedén növelheti teljes kapacitásukat a kívánt értékre.

A kondenzátorok két nagy csoportra oszthatók - nem poláris (általában "száraz", azaz nem tartalmaznak folyékony elektrolitot) és poláris (általában elektrolitikus). A folyékony elektrolit használata lényegesen nagyobb fajlagos kapacitást biztosít, de a csatlakoztatáskor szinte mindig megköveteli a polaritás betartását. Ezenkívül az elektrolitkondenzátorok gyakran érzékenyebbek a külső körülményekre, elsősorban a hőmérsékletre, és rövidebb élettartamúak (idővel az elektrolit elpárolog és kiszárad).

A kondenzátoroknak azonban van két nagy hátránya. Először is, ez a tárolt energia nagyon alacsony fajlagos sűrűsége, és ezért kicsi (más típusú tárolóeszközökhöz képest) kapacitása. Másodszor, ez egy rövid tárolási idő, amelyet általában percekben és másodpercekben számítanak ki, és ritkán haladja meg a több órát, és bizonyos esetekben csak a másodperc töredékei. Ennek eredményeként a kondenzátorok köre a különféle elektronikus áramkörökre és a rövid távú felhalmozódásra korlátozódik, amely elegendő az áram egyenirányításához, korrekciójához és szűréséhez az energetikai elektrotechnikában - még mindig nincs elég belőlük.

Néha "szuperkondenzátorokként" emlegetve egyfajta közbenső kapcsolatnak tekinthetők az elektrolit kondenzátorok és az elektrokémiai akkumulátorok között. Előbbitől szinte korlátlan számú töltési-kisütési ciklust, utóbbitól pedig viszonylag alacsony töltő-kisütési áramot örököltek (a teljes töltés-kisütés ciklus egy másodpercig, sőt sokkal tovább is tarthat). Kapacitásuk is a legnagyobb kapacitású kondenzátorok és a kis akkumulátorok közötti tartományba esik - általában néhány és több száz joule közötti energiatartalék.

Ezenkívül meg kell jegyezni az ionisztorok meglehetősen magas hőmérséklet-érzékenységét és a töltés korlátozott tárolási idejét - több órától több hétig.

Elektrokémiai akkumulátorok

Az elektrokémiai akkumulátorokat az elektrotechnika fejlődésének hajnalán találták fel, és ma már mindenhol megtalálhatóak - a mobiltelefontól a repülőgépekig és a hajókig. Általánosságban elmondható, hogy bizonyos kémiai reakciókon alapulnak, ezért cikkünk következő részéhez - "Kémiai energiatárolás" - tulajdoníthatók. De mivel ezt a pontot általában nem hangsúlyozzák, hanem figyelmet fordítanak arra, hogy az akkumulátorok elektromosságot halmoznak fel, itt ezeket fogjuk figyelembe venni.

Általános szabály, hogy ha kellően nagy energiát kell tárolni - több száz kilojoule-tól vagy többtől -, akkor ólom-savas akkumulátorokat használnak (például bármely autó). Azonban jelentős méretekkel és, ami a legfontosabb, súlyukkal rendelkeznek. Ha a készülék könnyű súlya és mobilitása szükséges, akkor korszerűbb típusú akkumulátorokat használnak - nikkel-kadmium, fém-hidrid, lítium-ion, polimer-ion stb. Ezek sokkal nagyobb fajlagos kapacitással rendelkeznek, azonban a fajlagos A bennük való energiatárolás költsége jóval magasabb, ezért használatuk általában viszonylag kicsi és költséghatékony eszközökre korlátozódik, mint például mobiltelefonok, fényképezőgépek és videokamerák, laptopok stb.

A közelmúltban nagy teljesítményű lítium-ion akkumulátorokat kezdenek használni hibrid autókban és elektromos járművekben. Könnyebb súlyuk és nagyobb fajlagos kapacitásuk mellett az ólom-savval ellentétben névleges kapacitásuk szinte teljes kihasználását teszik lehetővé, megbízhatóbbnak és hosszabb élettartamúak, energiahatékonyságuk teljes ciklusban meghaladja a 90%-ot, míg a az ólomakkumulátorok energiahatékonysága a kapacitás utolsó 20%-ának feltöltésekor 50%-ra csökkenhet.

A felhasználási mód szerint az elektrokémiai akkumulátorok (elsősorban erősek) szintén két nagy osztályra oszthatók - az úgynevezett vontatási és indító akkumulátorokra. Általában az indítóakkumulátor meglehetősen sikeresen tud működni vontatási akkumulátorként (a lényeg az, hogy ellenőrizzék a kisülés mértékét, és ne vigyék olyan mélységbe, amely elfogadható a vontatási akkumulátorok számára), de fordított használat esetén túl nagy a terhelési áram. nagyon gyorsan letilthatja a vontatási akkumulátort.

Az elektrokémiai akkumulátorok hátrányai közé tartozik a nagyon korlátozott számú töltési-kisütési ciklus (a legtöbb esetben 250-től 2000-ig, és ha nem tartják be a gyártók ajánlásait, akkor még kevesebb), és még aktív használat hiányában is a legtöbb akkumulátortípus. néhány év után lebomlanak, elveszítve fogyasztói tulajdonságaikat. Ugyanakkor sok akkumulátortípus élettartama nem a működés kezdetétől, hanem a gyártás pillanatától kezdődik. Ezenkívül az elektrokémiai akkumulátorokat a hőmérsékletre való érzékenység, a hosszú töltési idő, néha több tízszer hosszabb, mint a kisütési idő, valamint a használati módszertan követésének szükségessége jellemzi (az ólom akkumulátorok mélykisülésének elkerülése, és fordítva, a teljes töltés megfigyelése -kisütési ciklus fémhidridhez és sok más típusú akkumulátorhoz). A töltés tárolási ideje is meglehetősen korlátozott - általában egy héttől egy évig terjed. A régi akkumulátoroknál nem csak a kapacitás csökken, hanem a tárolási idő is, és mindkettő többszörösére csökkenthető.

Kémiai energiatárolás

kémiai energia- ez az anyagok atomjaiban "raktározott" energia, amely az anyagok közötti kémiai reakciók során felszabadul vagy elnyelődik. A kémiai energia vagy hő formájában szabadul fel exoterm reakciók során (például tüzelőanyag elégetésekor), vagy elektromos energiává alakul át galvánelemekben és akkumulátorokban. Ezeket az energiaforrásokat magas hatásfok (akár 98%), de kis kapacitás jellemzi.

A kémiai energiatároló eszközök lehetővé teszik az energia fogadását mind abban a formában, amelyben azt tárolták, és bármilyen más formában. Vannak "üzemanyag" és "nem üzemanyag" fajták. Ellentétben az alacsony hőmérsékletű termokémiai akkumulátorokkal (kicsit később beszélünk róluk), amelyek egyszerűen elég meleg helyre helyezve képesek energiát tárolni, itt nem nélkülözhetjük a speciális technológiákat és csúcstechnológiás berendezéseket, amelyek néha nagyon nehézkesek. Míg az alacsony hőmérsékletű termokémiai reakciók esetében a reagensek elegyét általában nem választják szét, és mindig ugyanabban a tartályban találhatók, addig a magas hőmérsékletű reakciók reagenseit egymástól elkülönítve tárolják, és csak akkor kapcsolják össze, ha energiát használnak. szükséges.

Energia felhalmozódása az üzemanyag futtatásával

Az energiatárolási szakaszban kémiai reakció megy végbe, melynek eredményeként a tüzelőanyag redukálódik, például hidrogén szabadul fel a vízből - direkt elektrolízissel, elektrokémiai cellákban katalizátor segítségével, vagy hőbontással pl. elektromos ív vagy erősen koncentrált napfény. A „felszabaduló” oxidálószert külön gyűjthetjük (az oxigénhez ez egy zárt izolált objektumban szükséges - víz alatt vagy űrben), vagy szükségtelenül „kidobható”, mivel az üzemanyag felhasználása során ez az oxidálószer elég lesz. védi a környezetet, és nem kell helyet és forrást pazarolni szervezett tárolására.

Az energiakinyerés szakaszában az előállított tüzelőanyagot közvetlenül a kívánt formában oxidálják, függetlenül attól, hogy ezt az üzemanyagot hogyan nyerték ki. Például a hidrogén azonnal szolgáltathat hőt (ha égetőben éget), mechanikai energiát (ha egy belső égésű motorba vagy turbinába táplálják üzemanyagként), vagy villamos energiát (ha üzemanyagcellában oxidálódik). Az ilyen oxidációs reakciók általában további iniciálást (gyújtást) igényelnek, ami nagyon kényelmes az energiakivonási folyamat szabályozásához.

Energiatárolás termokémiai reakciókkal

Régóta és széles körben ismert a kémiai reakciók nagy csoportja, amelyek zárt edényben hevítve egy irányba mennek el az energiafelvétellel, hűtve pedig az ellenkező irányba az energia felszabadulásával. Az ilyen reakciókat gyakran nevezik termokémiai. Az ilyen reakciók energiahatékonysága általában kisebb, mint amikor egy anyag aggregációs állapota megváltozik, de ez is nagyon észrevehető.

Az ilyen termokémiai reakciók egyfajta változásnak tekinthetők a reagenskeverék fázisállapotában, és a problémák itt is közel azonosak - nehéz olcsó, biztonságos és hatékony anyagkeveréket találni, amely így sikeresen működik. +20°C és +70°C közötti hőmérséklet-tartományban. Egy hasonló összetétel azonban már régóta ismert - ez a Glauber-só.

A mirabilit (más néven Glauber-só, más néven nátrium-szulfát Na 2 SO 4 10H 2 O dekahidrát) elemi kémiai reakciók eredményeként keletkezik (például amikor nátrium-kloridot adnak a kénsavhoz), vagy „kész formában” bányászják. ásványi.

A hőfelhalmozás szempontjából a mirabilit legérdekesebb tulajdonsága, hogy amikor a hőmérséklet 32 ​​° C fölé emelkedik, kötött víz kezd felszabadulni, és kifelé úgy néz ki, mint a kristályok „olvadása”, amelyek feloldódnak a felszabaduló vízben. tőlük. Amikor a hőmérséklet 32 ​​°C-ra csökken, a szabad víz ismét a kristályos hidrátszerkezethez kötődik - "kristályosodás" következik be. De ami a legfontosabb, ennek a hidratációs-dehidratációs reakciónak a hője nagyon magas, és eléri a 251 kJ/kg-ot, ami észrevehetően magasabb, mint a paraffinok „becsületes” olvadás-kristályosodása, bár egyharmaddal kevesebb, mint a jég olvadásának hője. (víz).

Így egy mirabilit telített oldatán alapuló hőtároló (csak 32 °C feletti hőmérsékleten telített) hatékonyan képes fenntartani a hőmérsékletet 32 ​​°C-on, hosszú energiafelhalmozási vagy -visszaadási erőforrás mellett. Természetesen ez a hőmérséklet túl alacsony egy teljes értékű melegvízellátáshoz (az ilyen hőmérsékletű zuhany a legjobb esetben „nagyon hidegnek” tekinthető), de ez a hőmérséklet elég lehet a levegő felmelegítéséhez.

A mirabilit alapú hőtárolóról bővebben a DelaySam.ru weboldalon olvashat.

Üzemanyag nélküli kémiai energia tárolás

Mészoltással melegített kávésdoboz.

Ebben az esetben a „töltési” szakaszban egyes vegyszerekből mások alakulnak ki, és ennek során a keletkező új kémiai kötésekben energia raktározódik (például az oltott mész melegítéssel égetett meszes állapotba kerül).

„kisütéskor” fordított reakció megy végbe, amihez a korábban tárolt energia felszabadul (általában hő formájában, esetenként ráadásul gáz formájában, amely a turbinába betáplálható) – különösen pontosan ez történik. amikor a meszet vízzel „oltják”. A tüzelőanyag-módszerekkel ellentétben a reakció elindításához általában elegendő a reagenseket egyszerűen összekapcsolni egymással - a folyamat további beindítása (gyújtás) nem szükséges.

Valójában ez egyfajta termokémiai reakció, azonban a hőenergia-tároló eszközöknél leírt, különösebb feltételeket nem igénylő alacsony hőmérsékletű reakciókkal ellentétben itt sok száz vagy akár több ezer fokos hőmérsékletről beszélünk. Ennek eredményeként jelentősen megnő a munkaanyag minden kilogrammjában tárolt energia mennyisége, de a berendezés is sokszor bonyolultabb, terjedelmesebb és drágább, mint az üres műanyag palackok vagy egy egyszerű reagenstartály.

A további anyag - mondjuk a mészoltó víz - fogyasztása nem jelent jelentős hátrányt (szükség esetén összegyűjtheti a mész égetett állapotba kerülésekor felszabaduló vizet). De ennek a nagyon égetett mésznek a különleges tárolási körülményei, amelyek megsértése nemcsak vegyi égési sérülésekkel, hanem robbanással is jár, ezt és a hasonló módszereket áthelyezik azok kategóriájába, amelyek valószínűleg nem fognak széles életet élni.

Más típusú energiatárolás

A fent leírtakon kívül más típusú energiatároló eszközök is léteznek. Jelenleg azonban nagyon korlátozottak a tárolt energia sűrűsége és magas fajlagos költség melletti tárolásának ideje tekintetében. Ezért, bár inkább szórakoztatásra használják, és semmilyen komoly célú működésüket nem veszik figyelembe. Ilyenek például a foszforeszkáló festékek, amelyek az erős fényforrásból származó energiát tárolják, majd néhány másodpercig, vagy akár hosszú percig világítanak. Modern módosításaik hosszú ideig nem tartalmaznak mérgező foszfort, és meglehetősen biztonságosak még gyermekjátékokban is.

A szupravezető mágneses energiatárolók egy nagy, egyenáramú mágnestekercs mezőjében tárolják azt. Igény szerint váltakozó elektromos árammá alakítható. Az alacsony hőmérsékletű tárolótartályokat folyékony hélium hűti, és ipari üzemek számára elérhetők. A magas hőmérsékletű folyékony hidrogénhűtésű tárolótartályok még fejlesztés alatt állnak, és a jövőben elérhetővé válhatnak.

A szupravezető mágneses energiatároló eszközök jelentős méretűek, és jellemzően rövid ideig használatosak, például átálláskor.

Valószínűleg ez a cikk nem tükrözi az összes lehetséges energiafelhalmozási és -megtakarítási módot. Az egyéb lehetőségeket kommentben vagy e-mailben jelezheti a kos at altenergiya dot ru címen.

A vírusok kivételével minden élő szervezet sejtekből áll. Minden olyan folyamatot biztosítanak, amely egy növény vagy állat életéhez szükséges. Maga a sejt külön szervezet is lehet. És hogyan élhet egy ilyen összetett szerkezet energia nélkül? Természetesen nem. Hogyan történik tehát a sejtek energiaellátása? Az alábbiakban tárgyalandó folyamatokon alapul.

A sejtek energiával való ellátása: hogyan történik?

Kevés sejt kap energiát kívülről, azt saját maguk állítják elő. saját "állomásaik" vannak. A sejt energiaforrása pedig a mitokondrium – az azt termelő organellum. Ez a sejtlégzés folyamata. Ennek köszönhetően a sejteket energiával látják el. Ezek azonban csak növényekben, állatokban és gombákban vannak jelen. A mitokondriumok hiányoznak a baktériumsejtekben. Ezért bennük a sejtek energiaellátása elsősorban az erjedési folyamatoknak köszönhető, nem pedig a légzésnek.

A mitokondriumok szerkezete

Ez egy két membránból álló organoid, amely az eukarióta sejtben az evolúció során egy kisebb abszorpciója eredményeként jelent meg, ezzel magyarázható, hogy a mitokondriumok saját DNS-t és RNS-t, valamint mitokondriális riboszómákat tartalmaznak, amelyek a sejthez szükséges fehérjéket termelik. sejtszervecskék.

A belső membránon kinövések, úgynevezett cristae vagy gerincek találhatók. A cristae-n a sejtlégzés folyamata megy végbe.

Ami a két membrán belsejében van, azt mátrixnak nevezzük. Fehérjéket, a kémiai reakciók felgyorsításához szükséges enzimeket, valamint RNS-t, DNS-t és riboszómákat tartalmaz.

A sejtlégzés az élet alapja

Három szakaszban zajlik. Nézzük mindegyiket részletesebben.

Az első szakasz az előkészítő

Ebben a szakaszban az összetett szerves vegyületek egyszerűbbekre bomlanak le. Így a fehérjék aminosavakra, a zsírok karbonsavakra és glicerinre, a nukleinsavak nukleotidokra, a szénhidrátok glükózra bomlanak.

glikolízis

Ez az anoxikus szakasz. Ez abban rejlik, hogy az első szakaszban nyert anyagokat tovább bontják. A fő energiaforrások, amelyeket a sejt ebben a szakaszban használ, a glükózmolekulák. Mindegyikük a glikolízis során két piruvát molekulára bomlik. Ez tíz egymást követő kémiai reakció során történik. Az első ötnek köszönhetően a glükóz foszforilálódik, majd két foszfotriózra hasad. A következő öt reakció során két molekula és két molekula PVC (piroszőlősav) keletkezik. A sejt energiája ATP formájában raktározódik.

A glikolízis teljes folyamata a következőképpen egyszerűsíthető:

2NAD + 2ADP + 2H 3RO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2OVER. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

Így egy glükózmolekula, két ADP-molekula és két foszforsav felhasználásával a sejt két ATP-molekulát (energiát) és két piroszőlősav-molekulát kap, amelyeket a következő lépésben használ fel.

A harmadik szakasz az oxidáció

Ez a lépés csak oxigén jelenlétében történik. Ennek a lépésnek a kémiai reakciói a mitokondriumokban játszódnak le. Ez az a fő rész, amely során a legtöbb energia szabadul fel. Ebben a szakaszban oxigénnel reagálva vízzé és szén-dioxiddá bomlik. Ezenkívül 36 ATP-molekula képződik ebben a folyamatban. Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy a sejt fő energiaforrásai a glükóz és a piroszőlősav.

Az összes kémiai reakciót összegezve és a részleteket kihagyva egyetlen leegyszerűsített egyenlettel kifejezhetjük a sejtlégzés teljes folyamatát:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38 ADP + 38 H 3 RO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.

Így a légzés során egy glükózmolekulából, hat oxigénmolekulából, harmincnyolc ADP-molekulából és ugyanannyi foszforsavból 38 ATP-molekulát kap a sejt, amelyek formájában az energia tárolódik.

A mitokondriális enzimek sokfélesége

A sejt az élethez szükséges energiát légzés útján kapja – a glükóz, majd a piroszőlősav oxidációja révén. Mindezek a kémiai reakciók nem mehettek végbe enzimek – biológiai katalizátorok – nélkül. Nézzük meg azokat, amelyek a mitokondriumban vannak – a sejtlégzésért felelős organellumokban. Mindegyiket oxidoreduktáznak nevezik, mert szükségesek a redox reakciók lezajlásához.

Minden oxidoreduktáz két csoportra osztható:

• oxidázok;
• dehidrogenázok;

A dehidrogenázokat viszont aerob és anaerob csoportokra osztják. Az aerob élelmiszerek riboflavin koenzimet tartalmaznak, amelyet a szervezet a B2-vitaminból kap. Az aerob dehidrogenázok NAD és NADP molekulákat tartalmaznak koenzimként.

Az oxidázok változatosabbak. Először is két csoportra oszthatók:

• azok, amelyek rezet tartalmaznak;
• amelyek vasat tartalmaznak.

Az előbbiek közé tartoznak a polifenol-oxidázok, az aszkorbát-oxidáz, az utóbbiak - kataláz, peroxidáz, citokrómok. Az utóbbiak viszont négy csoportra oszthatók:

• citokrómok a;
• citokrómok b;
• citokrómok c;
• citokrómok d.

A citokrómok a vas-formilporfirint, a b citokrómok vas-protoporfirint, a c helyettesített vas-mezoporfirint, a d pedig vas-dihidroporfirint tartalmaznak.

Vannak más módok az energiaszerzésre?

Míg a legtöbb sejt sejtlégzéssel jut hozzá, vannak anaerob baktériumok is, amelyeknek nincs szükségük oxigénre a túléléshez. Erjedés útján állítják elő a szükséges energiát. Ez egy olyan folyamat, melynek során enzimek segítségével oxigén részvétele nélkül lebontják a szénhidrátokat, melynek eredményeként a sejt energiát kap. A kémiai reakciók végtermékétől függően többféle fermentáció létezik. Ez lehet tejsav, alkohol, vajsav, aceton-bután, citromsav.

Vegyük például, hogy ez a következőképpen fejezhető ki:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Vagyis a baktérium egy glükózmolekulát bont le egy molekula etil-alkoholra és két molekula szén-oxidra (IV).

A tejsavat (az izmokban felhalmozódva fájdalmat okozhat) a vér a májba juttatja, ahol a glükoneogenezis során glükózzá alakul.

Alkohol képződik az élesztősejtekben az alkoholos erjedés során.

acetil-CoA - zsírsavak, ketontestek, koleszterin stb. szintézisére szolgál, vagy a Krebs-ciklusban oxidálódik.

A víz és a szén-dioxid részt vesz az általános anyagcserében, vagy kiválasztódik a szervezetből.

A pentózokat nukleinsavak, glükóz (glukoneogenezis) és más anyagok szintézisére használják.

A NADPH2 részt vesz a zsírsavak, purinbázisok stb. szintézisében. vagy energia előállítására használják a CPE-ben.

• Az energia ATP formájában raktározódik, amelyet aztán a szervezet anyagszintézisére, hőleadásra, izomösszehúzódásokra stb.

A glükóz átalakulása a szervezetben meglehetősen összetett folyamat, amely különféle enzimek hatására megy végbe. Tehát a glükóztól a tejsavig vezető út 11 kémiai reakciót foglal magában, amelyek mindegyikét a saját enzimje gyorsítja.

8. számú séma. Anaerob glikolízis.

Szőlőcukor

ADP-hexokináz, Mg-ion

Glükóz-6-foszfát

Foszfoglükoizomeráz

Fruktóz-6-foszfát

ADP foszfofruktokináz, Mg-ionok

Fruktóz 1,6-difoszfát

Aldoláz

3-foszfodioxi-aceton 3-foszfoglicero-aldehid (3-PHA)

NADH+H 3-PHA dehidrogenáz

1,3-difoszfoglicerinsav

ATP foszfoglicerát mutáz

2-foszfoglicerinsav

H2O Enoláz

Foszfenolpiruvicssav

ATP piruvát kináz, Mg ionok

Piruvinsav PVC

NAD laktát dehidrogenáz

Tejsav.

A glikolízis a sejtek citoplazmájában történik, és nem igényel mitokondriális légzőláncot.

A glükóz az egyik fő energiaforrás minden szerv és szövet sejtje számára, különösen az idegrendszer, a vörösvértestek, a vesék és a herék számára.

Az agyat szinte teljes egészében diffúz módon bejövő glükóz, tk. Az IVH nem jut be az agysejtekbe. Ezért, amikor a glükóz koncentrációja a vérben csökken, az agy működése megzavarodik.

Glükoneogenezis.

Anaerob körülmények között a glükóz az egyetlen energiaforrás a vázizmok munkájához. A glükózból képződő tejsav ezután a vérbe, a májba kerül, ahol glükózzá alakul, ami aztán visszakerül az izmokba (Cori-ciklus).

A nem szénhidrát anyagok glükózzá alakításának folyamatát ún glükoneogenezis.

A glükoneogenezis biológiai jelentősége a következő:

A glükózkoncentráció megfelelő szinten tartása szénhidráthiány esetén a szervezetben, például éhezés vagy cukorbetegség esetén.

Glükóz képződése tejsavból, piroszőlősavból, glicerinből, glikogén aminosavakból, a Krebs-ciklus legtöbb köztes metabolitjából.

A glükoneogenezis főként a májban és a vesekéregben fordul elő. Az izmokban ez a folyamat nem következik be a szükséges enzimek hiánya miatt.

A glükoneogenezis teljes reakciója:

2PVC + 4ATP + 2GTP + 2NADH + H + 4H2O

glükóz + 2NAD + 4ADP + 2GDP + 6H3PO4

Így a glükoneogenezis folyamatában minden glükózmolekulához legfeljebb 6 makroerg vegyület és 2NADH + H fogy.

A nagy mennyiségű alkohol fogyasztása gátolja a glükoneogenezist, ami az agyműködés csökkenéséhez vezethet. A glükoneogenezis sebessége a következő körülmények között növekedhet:

Böjtkor.

Fokozott fehérje táplálkozás.

A szénhidrátok hiánya az élelmiszerekben.

diabetes mellitus.

A glükóz metabolizmus glükuronos útja.

Ez az út mennyiségileg jelentéktelen, de a semlegesítési funkció szempontjából nagyon fontos: az anyagcsere végtermékei és az idegen anyagok, amelyek glükuronidok formájában kötődnek a glükuronsav aktív formájához (UDP-glükuronsav), könnyen kiürülnek a szervezetből. Maga a glükuronsav a glükózaminoglikánok szükséges összetevője: hialuronsav, heparin stb. Emberben a glükóz lebontásának ezen útja eredményeként UDP-glükuronsav képződik.