Почему нет электрических плит, которые можно использовать для приготовления пищи там, где нельзя разжечь огонь?

Сравнение углеводородов с батареями

Как писал Олин Латроп, большой проблемой является плотность энергии: углеводородное топливо просто предлагает огромное количество энергии на единицу массы по сравнению с любой современной аккумуляторной технологией. Чтобы поставить некоторые цифры, мы можем взглянуть на страницу Википедии, посвященную плотности энергии . Давайте сравним этанол (вероятно, наименее энергоемкий из обычно используемых видов топлива для походных печей) с неперезаряжаемыми литиевыми батареями (наиболее энергоемкий из современных аккумуляторных технологий).

Этанольное топливо дает 26,4 МДж/кг; литиевые батареи обеспечивают 1,8 МДж/кг, что составляет менее одной четырнадцатой части на единицу массы. Итак, если у вас есть 100 г этанола (около 127 мл) для приготовления пищи и вы хотите заменить его электричеством, вам понадобится около 1,4 кг одноразовых литиевых батарей . Если вам нужны перезаряжаемые литий-ионные батареи, вам понадобится около 2,8 кг (плотность энергии примерно вдвое меньше, чем у одноразовых). Как указал Геррит в комментариях, вам также нужно подумать об удельной мощности: даже если ваша батарея содержит достаточно энергии для приготовления пищи, она может быть не в состоянии выдавать эту энергию достаточно быстро для практического приготовления пищи.

Технология аккумуляторных батарей постоянно совершенствуется, но в настоящее время в разработке нет технологий, которые дали бы хоть что-то вроде улучшения порядка величины, необходимого для того, чтобы сделать их конкурентоспособными с углеводородами по плотности энергии.

Так что это не идеально, но возможно ли это?

Ясно, что батареи имеют гораздо меньшую энергоемкость, чем углеводородное топливо, но это не обязательно означает, что они бесполезны — возможно, дополнительный вес будет достаточно мал, чтобы с ним можно было справиться, особенно если вы отправляетесь в пеший поход. Немецкий лес, где единственной альтернативой беспламенному отоплению является нарушение закона и поедание холодной пищи.

Я начну с выбора аккумуляторной батареи, а затем посмотрю, сколько готовки мы можем из нее приготовить. Этот аккумулятор для электровелосипеда в настоящее время продается на Amazon по цене около 277 долларов США. Его жизненные показатели: 24 В, 11 Ач, 262 Ватт-часа или 943 кДж энергоемкости. Он весит около 2,3 кг и может выдавать 15 ампер непрерывной мощности, что дает максимальную мощность 360 Вт. (Я специально искал аккумулятор для электровелосипеда, так как они, как правило, рассчитаны на относительно высокую выходную мощность.) Давайте не будем усложнять приготовление пищи и решим, что мы просто хотим вскипятить воду, которую затем можно использовать для напитков, супы быстрого приготовления, лапша, обезвоженные блюда и так далее. Таким образом, мы можем подключить аккумулятор к 24-вольтовому электрическому нагревателю , подобному этому .. Он рассчитан на 200 Вт, что вполне соответствует емкости аккумулятора. Я не вижу указанный вес на этом, но другие подобные нагревательные элементы, которые я видел в Интернете, весят менее 100 г, поэтому вся наша электрическая нагревательная установка весит менее 2,4 кг.

Сколько горячих блюд мы можем приготовить с помощью этой установки? Вода имеет удельную теплоемкость около 4,18 Дж⋅г ^-1 ⋅К ^-1 . Допустим, для каждого приема пищи мы хотим нагреть 500 мл воды с 15°C до 100°C. Это потребует 4,18 × 500 × 85 = 177650 Дж энергии. Давайте округлим и назовем это 200 кДж, так как вода может быть холоднее, и мы будем терять некоторое количество тепла в котле. Чтобы перепроверить этот расчет, я только что замерил время, когда мой чайник мощностью 1 кВт довел до кипения 500 мл водопроводной воды с температурой 11 ° C; это заняло 210 секунд, поэтому (при условии, что номинальная мощность верна) было использовано 210 кДж энергии. Помня, что аккумуляторная батарея вмещает 943 кДж, и используя это более высокое значение для кипячения воды, мы получаем 943/210 =~ 4,5 пол-литровых кипячения из 2,4-килограммовой системы электрообогрева.

Практично это или нет, зависит от обстоятельств и личного суждения. В двухдневном походе эта установка даст вам как минимум горячий напиток каждое утро, а также горячий напиток и горячую еду каждый вечер. Если вы можете потреблять 560 мл кипятка в день, вы можете протянуть даже четыре дня. 2,4 кг, вероятно, были бы немыслимы для хардкорного сверхлегкого, но это явно не невозможный вес. Конечно, для более длительных походов это быстро становится непрактичным. В этот момент вы, вероятно, должны начать думать о солнечных батареях для подзарядки в пустыне :-).

Дела идут лучше (но очень медленно)

Литий-ионная технология существует на рынке с 1991 года, и год от года она постоянно совершенствуется. Плотность энергии имеет тенденцию к увеличению в среднем на несколько процентов в год. Это приводит к значительным улучшениям в долгосрочной перспективе: как показано на графике ниже от Masias et al. (2013) показывает, что плотность энергии обычного элемента батареи 18650 улучшилась более чем в 2,5 раза в период с 1991 по 2013 год:

Аналогичные тенденции можно увидеть в данных Jeong et al. (2011 г.) и Пистойя (2014 г.).

Мы, вероятно, можем ожидать, что эти незначительные улучшения продолжатся, по крайней мере, еще в течение нескольких лет (например, Tesla, кажется, довольно уверена в этом). Таким образом, наш 2,4-килограммовый бойлер выходного дня, вероятно, в обозримом будущем опустится ниже 2 кг, но больше сказать сложно. Даже если плотность энергии литий-иона может продолжать увеличиваться на неопределенный срок на 10% в год, потребуется более двух десятилетий, чтобы догнать этанол. Потенциальные любители пеших прогулок могли бы лучше возложить свои надежды на разработку какой-то совершенно новой конструкции батареи. Существует множество исследовательских групп, работающих над потенциально революционными новыми аккумуляторными технологиями, но ключевое слово здесь — « потенциально »: очень немногие яркие идеи переживают долгий путь от ноутбука до лаборатории и завода.

использованная литература

Чон, Г., Ким, Ю., Ким, Х., Ким, И.Дж., и Сон, Х.Дж. (2011). Перспективные материалы и области применения литий-ионных аккумуляторов. Энергетика и наука об окружающей среде , 4(6), 1986-2002.

Масиас, А., Снайдер, К., и Миллер, Т. (2013). Потребности автопроизводителей в хранении энергии для электромобилей. В материалах Всемирного автомобильного конгресса FISITA 2012 (стр. 729–741). Берлин: Спрингер.

Пистойя, Г. (ред.). (2014). Литий-ионные аккумуляторы: достижения и применение . Амстердам: Эльзевир.

Загородных электрических печей нет, потому что нет достаточно длинных удлинителей.

Серьезно, откуда вы предлагаете брать энергию? Батареи современных технологий не имеют такой плотности энергии по весу или объему, как химическое топливо. Аккумуляторные технологии быстро развиваются, так что когда-нибудь это может быть уже не так, но сегодня это так.

Иными словами, вы не хотели бы таскать с собой батареи, которые потребуются для питания вашей электрической плиты, поэтому мы вернулись к длинным удлинителям.

Плотность энергии

У меня вчера не было времени, когда я написал этот ответ, но вот более подробный анализ аккумуляторов в сравнении с химическим топливом для деревенской печки.

Я не смог найти точные значения плотности энергии для «топлива Коулмана», как я и предполагал, но бензин должен быть достаточно близким. 1 литр бензина содержит около 32 МДж энергии, имеет массу около 730 г и весит около 1,6 фунта. Для этого требуется контейнер, так что, скажем, в целом он весит 2 фунта .

Если вы серьезно относитесь к использованию батарей для работы загородной печи, вам следует использовать перезаряжаемые батареи. Я думаю, что немногие здесь с достойной экологической этикой хотели бы использовать, а затем выбрасывать кучу одноразовых батарей каждую поездку.

На сегодняшний день (февраль 2016 г.), пожалуй, самым доступным и доступным аккумулятором с приличной плотностью энергии является литиевый тип в форм-факторе 18650. Они имеют рабочее напряжение около 3,5–4,3 В в течение цикла разрядки. Сегодня вы можете приобрести различные аккумуляторы на 5 Ач от неизвестных компаний. Солидные компании обещают примерно вдвое меньше, так что цифра в 5 Ач довольно подозрительна. Тем не менее, давайте пойдем с этим, чтобы быть как можно более оптимистичным. Допустим также, что среднее напряжение разряда будет 4,0, что опять-таки оптимистично. Это дает 20 Втч или 72 кДж на полностью заряженную батарею. Таким образом, потребуется 444 батареи , чтобы произвести ту же энергию, что и литр бензина.

Эти аккумуляторы имеют массу около 50 г, то есть 22 кг аккумуляторов на 730 г бензина. Это 49 фунтов веса по сравнению с 2 фунтами бензина в контейнере, или примерно в 24 раза тяжелее .

Объем — это другой вопрос. Эти батареи имеют цилиндрическую форму, длину 65 мм и диаметр 18 мм, всего 16,5 мл каждая. Они не могут быть упакованы без некоторого пространства между ними, но даже если бы они могли, батареи 444 заняли бы 7,3 литра места, вероятно, больше похоже на 10 литров в реальности.

Допустим, минимальное количество топлива, которое вы когда-либо захотите взять с собой, будет 100 мл бензина . Этого едва хватает, чтобы вскипятить один котел с водой на большинстве плит, и на самом деле я думаю, что никто не возьмет так мало. Впрочем, давайте все же сравним это с батареями. Это будет 44 ячейки массой 2,2 кг , весом 4,8 фунта .

Конечно, это личное мнение, но для меня это было бы «слишком тяжелым и слишком большим», чтобы оно того стоило. Я бы либо возил бензин, либо обходился без печки.

Доступны плиты и духовки с батарейным питанием , но они не нагреваются так, как обычная духовка. Они предназначены для подключения к автомобильной розетке 12 В, поэтому им нужен автомобильный аккумулятор, что нецелесообразно для пешехода. В результате они не предназначены для облегчения веса. Однако они работают для автомобильного кемпинга. В США их часто используют дальнобойщики, которые целыми днями живут вне своих автомобилей.

Возможно, вы сможете настроить способ питания одного из этих устройств от ионно-литиевой батареи, что может сделать вес приемлемым для путешественника, желающего нести значительный дополнительный вес. Но для этого вам нужно поговорить с электриком, а не со мной.

Как указывали другие, основная проблема методов электрического нагрева заключается в том, что они требуют много энергии, а современная аккумуляторная технология далека от того, чтобы удерживать эту энергию в удобном портативном устройстве.

Поскольку ваша основная цель, по-видимому, состоит в том, чтобы получить горячую пищу / воду во время кемпинга, где огонь / пламя запрещены, я бы посоветовал вам изучить негорючие химические нагревательные пакеты. Эти беспламенные нагреватели пайков выделяют достаточно тепла в течение нескольких минут, чтобы нагреть пакет с едой или водой — это далеко от свежеприготовленного жаркого, но это может быть лучшее, что вы можете получить!

Как мы видели в других ответах, для современной аккумуляторной технологии потребуется около 1-2 фунтов батареи на пол-литра кипяченой воды (или просто больше батареи, чем воды). Единственный практический способ, который у нас есть сегодня, чтобы получить достаточное количество электроэнергии для разумного веса, — это использовать водородный топливный элемент. Они постепенно становятся меньше и дешевле, так что когда-нибудь вы сможете их использовать, если вы достаточно молоды (сегодня) или достаточно богаты, чтобы продвигать исследования и разработки самостоятельно.