Skladištenje topline – u tablete kalijeva karbonata

Pohrana, ili ako hoćete skladištenje energije ovisi o njezinoj vrsti: najlakše se skladišti toplinska, potom mehanička, a najteže električna energije. S time će se svatko složiti ako se sjeti da je skladištenje električne energije, u olovni akumulator, bilo moguće tek u 19. stoljeću, a i dan danas tisuće se znanstvenika i inženjera trude da naprave što bolju „bateriju na punjenje“, kako već svi zovu akumulatore (koji, razumije se, ne moraju biti olovni). Nasuprot tome, za pohranu toplinske energije znao je još čovjek kamenog doba. Istina, za to nema izravnog dokaza, no blizu je pameti da je naš predak kada mu je bilo hladno uzeo topao kamen s ognjišta i stavio ga ispod životinjske kože pod kojom je spavao. Kaljeve peći, posuđe od lijevanog željeza (gusa), termofori s vodom i topla cigla umotana u krpu sve su to naprave za skladištenje topline.

Najbolje energiju skladišti voda. Njezin toplinski kapacitet iznosi jednu kilokaloriju (kcal) po kilogramu i stupnju Celsiusa ili, da to kažemo u novim jedinicama, 4,187 kJ kg K^-1. Druge tvari, poput cigle i keramike znatno zaostaju za vodom. Gledajući tako, granica skladištenja topline od 419 kJ/kg ne može se prijeći, jer je to upravo toplina koja je potrebna da se voda zagrije za 100 ^oC, od tališta do vrelišta.

Tako bi i bilo da ne postoji latentna toplina taljenja i isparavanja, pa onda povratne kemijske reakcije u kojima se veže i oslobađa toplina. Svi ti procesi u doba obnovljivih izvora energije, posebice one Sunčeve, postaju sve važniji. Jer sunce sija samo danju, pa njegovu energiju treba nekako sačuvati da bismo se mogli grijati noću. Mnogo se na tome radilo, i još se radi. Koji je najbolji kandidat? Teško je reći, no mnoge se nade ulažu u kalijev karbonat, od pamtivijeka poznatu lukšiju ili potašu.

Riječ je o tome da kalijev karbonat, K₂CO₃, gradi dvije vrste kristala: prvima je formula K₂CO₃, a drugima K₂CO₃⸱1,5H₂O. Drugi kristal, K₂CO₃⸱1,5H₂O, grijanjem prelazi u prvi te se pritom oslobađa voda u obliku pare i apsorbira toplina. Hlađenjem se pak događa obratno: voda se veže, a toplina oslobađa. To se događa između 33 i 45 ^oC. Grijanjem u tom rasponu temperature pohranjuje se 1,29 GJ energije po kubičnom metru (ili 1,29 MJ/L). Drugim riječima, litra kristala K₂CO₃⸱1,5H₂O može zamijeniti osam litara vode u bojleru, s pretpostavkom da je ohladimo za 40 ^oC (npr. od 80 do 40 ^oC).

To bi bila kemija, no tehnologija je druga priča. Iako dobro skladište toplinu, kristali kalijeva karbonata se u procesu prelaženja iz jednog u drugi oblik (fazu) mrve i gube mehanička svojstva, a to nije dobro. Hoćemo li zaista imati dobar postupak, trebaju se kristali vratiti u početno stanje, ili – još bolje – ostati nepromijenjeni pri promjeni temperature. Kako to postići?

Treba ih nekako učvrstiti – samo kako?

Na to „kako“ odgovorili su nizozemski znanstvenici u radu „Thermoplastic network formation as a method for stabilizing salt hydrate particles“, objavljenom u časopisu Molecules. Jednostavno rečeno, oni su pomiješali čestice bezvodnog kalijava karbonata sa česticama termoplastičnih polimera, a potom ih sprešali u tablete te ugrijali na temperaturu tališta polimera. Iskušali su tri polimera, poliamid (PA11), polieterimid (PEI) i poli(viliden-fluorid), PVDF. Usto su eksperimentirali s veličinom čestica, kako kalijeva karbonata tako i polimera, te njihovim omjerima.

Najboljim se pokazao PVDF, koji se tali pri 250 ^oC, vjerojatno zato što je najelastičniji od tri polimera. Što se pak veličina čestica tiče, utvrdili su da čestice polimera trebaju biti manje od čestica kalijeva karbonata, jer onda lakše ispunjavaju prostor između njih. I tako su došli do najbolje formulacije: tableta koja sadrži 10 % PDVF napravljena od čestica soli promjera 0,3 mm i čestica polimera od 0,05 mm. Takve su tablete zadržale mehanička svojstva i poroznost i nakon 24 ciklusa grijanja i hlađenja, ili – kemijski rečeno – nakon 24 reverzne transformacije. Sve skupa jednostavno, jeftino i za okoliš bezopasno, pa se nadamo da ćemo tablete za čuvanje topline uskoro vidjeti u trgovinama.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.