ЭНЕРГИЯ НА ВЕТЕР: ИНДУСТРИЯ |
|
Решить проблему энергетики – это не значит вырабатывать больше энергии или меньше ее тратить. Это значит эффективнее использовать то, что мы уже имеем.
|
|
Топливные проблемы будущего зачастую принимают форму обманчиво простой дискуссии – либо нужно производить больше энергии, либо меньше ее потреблять. При этом игнорируется фундаментальный термодинамический постулат, зная который, вы никогда не заплатите денег изобретателю вечного двигателя. В процессе превращения топлива в работу невозможно получить все 100% запасенной энергии. Сейчас мы преобразуем энергию из одного вида в другой с огромными потерями, не приближаясь к теоретическим пределам КПД.
Так и в нашем организме: питающая нас энергия изначально поступила от Солнца и благодаря фотосинтезу была законсервирована в виде химических связей, причем пища содержит в сто раз больше энергии на единицу массы, чем литиевая батарея. Это значит, что среднему человеку удается без проблем запастись таким объемом энергии, какой содержится в тонне аккумуляторов. Но процесс преобразования этих химических связей в сокращение наших мускулов сопровождается растратой огромной доли энергии, и лишь малый ее остаток используется непосредственно для движения. Проклятие неэффективного энергопреобразования преследует и всю технику, от микрочипов до огромных заводов и электростанций. Микропроцессор ноутбука выделяет тепло, которое приходится рассеивать с помощью радиаторов и вентилятора. Примерно 7% энергии, произведенной на электростанции, теряется, пока она дойдет до вашего дома по проводам электросети. Впрочем, основные препятствия, стоящие на пути к эффективному преобразованию энергии, имеют отнюдь не технический характер. Это проблема осознания: лозунг «Приблизим работу наших двигателей к циклу Карно, не нарушая второго закона термодинамики!» вряд ли будет для широкой публики более привлекательным, чем «Даешь новые скважины!». Итак, сейчас на повестке дня – перестройка взглядов на эту проблему. Разумеется, никто не отказывается от разработки новых энергетических ресурсов, но ито, что мы уже имеем, хорошо было бы использовать с полной отдачей. Новые технологии для этого доступны уже сейчас.
Февраль 2012
Автор: Алекс Хатчинсон
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Вибрации
В любом устройстве – будь это мост, ботинок или компьютерная клавиатура – при выполнении основных функциональных движений все время порождается целый шлейф из мелкого шевеления, на которое впустую расходуется энергия.
Как избежать потерь
Пьезоэлектрики
3 мкВт на каждое устройство
В ноябре 2010 года в Технологическом университете штата Джорджия был построен наногенератор, пригодный для электропитания портативной электроаппаратуры.
Генератор представляет собой массив нанопроводов из оксида цинка, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Это значит, что они способны вырабатывать электричество, когда к ним прилагается какое-либо деформирующее усилие.
Было предложено использовать такие наногенераторы для утилизации энергии от вибраций дорожного полотна, когда по нему проходят автомобили. Так можно обеспечить энергопитание для датчиков, отслеживающих состояние мостов.
В Принстонском университете разработали «пьезорезину», которая, возможно, пригодится для электропитания имплантированных кардиостимуляторов и позволит забыть о замене в них батареек. В Технологическом университете штата Луизиана был даже сконструирован пьезоэлектрический генератор, вмонтированный в каблук ботинка.
Все эти виброгенераторы вырабатывают ничтожные количества энергии, но они стремительно дешевеют, так что их можно встраивать куда угодно.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Дела компьютерные
Те же энергопотери, от которых греется наш ноутбук, могут представлять серьезную проблему при работе суперкомпьютеров и больших центров обработки данных.
Как избежать потерь
Пироэлектрики
8 Вт на каждый чип
Микросхемы современных компьютеров постоянно сталкиваются с двумя взаимосвязанными проблемами – они потребляют слишком много энергии, и слишком много энергии при их работе уходит в тепло. Уже сейчас на энергопитание коммерческих баз данных и информцентров расходуется $30 млрд в год. Задача нового пироэлектрического устройства, разработанного в Национальной лаборатории министерства энергетики в Оук-Ридже, – преобразовывать избыточное тепло в электроэнергию.
Пироэлектрики (не путать с широко распространенными термоэлектриками) при изменении температуры выдают небольшое напряжение.
Устройство представляет собой крошечный рычажок, колеблющийся между нагретой микросхемой и пироэлектрическим теплоотводом, так что при каждом цикле от микросхемы отводится порция тепла, а на выходе образуется порция электроэнергии. Одиночный рычажок выдает всего лишь от 1 до 10 милливатт энергии, но на 1см2 можно разместить более сотни таких рычажков.
Как утверждает Скотт Хантер, исследователь из Оук-Ридж, это решение было бы идеальным для больших центров обработки данных и суперкомпьютеров петафлоповой производительности (1015 операций с плавающей запятой в секунду).
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Ходьба Пешком
Из энергии, которая нужна для того, чтобы мы перемещались по улице, для поступательного движения используется меньше половины.
Как избежать потерь
Биомеханические генераторы
20 Вт на человека
Прогулка по улице сопряжена с колоссальным перерасходом энергии, так что представьте себе, сколько энергии теряется впустую, когда мимо вас марширует рота пехотинцев. Вот почему именно военные должны стать первыми потребителями биомеханических генераторов – таких, как PowerWalk M-Series компании Bionic Power.
Это браслет-наколенник весом примерно 700г, разработанный в Лаборатории движения канадского Университета Саймона Фрезера в Ванкувере. При самой обычной ходьбе маленький генератор позволяет вырабатывать мощность до 12 Вт. Браслет утилизирует только ту энергию, которая расходуется «впустую» – например, на торможение ноги, и в этот момент браслет-генератор не мешает владельцу, а даже немного помогает.
Опыты показали, что пешеход с таким браслетом не расходует ни одного лишнего ватта. Подобный же принцип заложен в конструкцию рюкзака, подвешенного на пружинах, который разработан в Пенсильванском университете. За счет регулярных рывков вверх-вниз при ходьбе он вырабатывает около 20 Вт (этот показатель может меняться и зависит от массы рюкзака: чем она больше, тем выше будет мощность).
Чтобы оценить масштаб вашей выгоды, имейте в виду, что 3 Вт будет достаточно для быстрой зарядки мобильного телефона или для питания радиомаячка и фонарика.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Преобразователи электроэнергии
Принципы, на которых построена наша электросеть, подразумевают, что для работы многих аппаратов требуется преобразовать переменный ток в постоянный. При этом значительная доля энергии теряется впустую.
Как избежать потерь
Диоды на нитриде галлия
100 Вт на человека
Втыкая в стенную розетку вилку от мобильного телефона, ноутбука, телевизора или какого-либо другого электронного устройства, вы забираете из сети переменный ток и преобразуете его в постоянный, который нужен для большинства электронных приборов.
Обратный процесс происходит, когда постоянный ток от солнечных батарей или ветряков нужно преобразовывать в переменный для закачки в общую электросеть.
«Все эти преобразователи некоторую долю энергии, от 10 до 12%, расходуют впустую»,– говорит Умеш Мишра, гендиректор и один из основателей компании Transphorm, стартапа, поддержанного Google.
Мишра считает, что эту проблему можно решить, если полупроводниковые элементы, используемые в таких преобразователях, изготавливать не из кремния, а из нитрида галлия. Такие диоды могут работать при более высоких напряжениях, чем кремниевые, и, взяв их за основу, можно будет значительно снизить энергопотери на каждом этапе преобразования.
Сейчас преобразователи компании Transphorm предполагается использовать в крупномасштабных базах данных, но в дальнейшем, как считает Мишра, такие блоки можно будет встраивать практически в любой электронный прибор.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Езда на машине
Из энергии, которая содержится в горючем, большая часть, еще не дойдя до колес, расходуется на трение во множестве внутренних узлов.
Как избежать потерь
Термоэлектрика
350 Вт на автомобиль
Только 20% энергии, содержащейся в бензине, реально расходуется на передвижение вашего автомобиля. Остальная часть пропадает в виде тепла, которое выделяется в двигателе и элементах трансмиссии, а также выбрасывается в выхлопную трубу. Компании GM, Ford и BMW испытывают сейчас прототипы термоэлектрических систем, вырабатывающих электроэнергию за счет температурного градиента в зоне выхлопа и системы охлаждения.
Внедрение такой системы сулит экономию горючего в масштабе до 5%. Для этого осталось решить главную проблему, которая состоит в том, чтобы подобрать такой термоэлектрический материал, который имел бы достаточно высокий КПД и при этом отличался выносливостью, позволяющей десятилетиями выдерживать несладкие условия дорожной эксплуатации.
«Там, под капотом, атмосфера, не слишком благоприятная для работы», – признает Джон Кукер, президент и гендиректор детройтской компании Amerigon, которая разработала по заказу компаний BMW и Ford прототип на основе гафния и циркония.
В ближайшей перспективе, как считает Кукер, самым многообещающим направлением в термоэлектрике были бы системы обогрева и охлаждения для автомобилей с электрическим или гибридным приводом. Кстати, термоэлектрические сиденья компании Amerigon уже ставятся на 55 моделях автомобилей.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Работа двигателя
Многие электромоторы сконструированы так, что могут работать только на полную мощность независимо от того, нужна ли в данный момент такая энергоотдача.
Как избежать потерь
Привод с переменной скоростью
100 кВт на каждый мотор
В мире примерно 300 млн промышленных электродвигателей. Почти все они регулярно работают в полную нагрузку, а для регулировки энергоотдачи используются те или иные механические компенсаторы. Это как если ехать на машине, вжав педаль газа до пола, и регулировать скорость посредством тормоза.
Правда, сейчас все большее распространение получают электромоторы переменной скорости с компьютерным управлением. Как объясняет Марк Кенион из компании ABB, они в режиме реального времени выдают ровно ту мощность, которая от них требуется. Для этого система управления подает на них ток нужного напряжения и частоты. В результате мы можем вдвое снизить потребление электроэнергии.
Поставив на промышленные электромоторы подобные системы управления скоростью, можно, как считает компания АВВ, сэкономить столько энергии, сколько выдают более 250 атомных реакторов. Необходимые для этого капиталовложения за счет экономии должны окупиться в течение 1–3 лет.
В здании Hearst Tower, где расположен центральный офис журнала Popular Mechanics, приводы лифтов и системы кондиционирования воздуха имеют моторы с регуляторами скорости.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Тепло выхлопа
Промышленное оборудование среднего масштаба производит в совокупности немыслимые количества тепловой энергии, которую очень трудно утилизировать.
Как избежать потерь
Машина на побочном тепле
250 кВт на каждую машину
В мире очень много малых промышленных предприятий со скромными печами и двигателями, где объемы отходящего тепла не так велики, чтобы задействовать полноценную турбину.
Флоридская компания Cyclone Power разработала универсальную машину по утилизации отходящего тепла. Ее можно подключить к выхлопу почти любой промышленной установки, используя носители с температурой от 300 до 500°С. Такой температуры вполне хватит для питания возвратно-поступательных движений поршня в генераторе, построенном по циклу Ренкина.
«Мы ориентируемся на энергетические масштабы от 5 до 500 кВт», – говорит президент компании Крис Нельсон. Один из первых примеров применения этой идеи – мобильная установка, обеспечивающая охлаждение и вырабатывающая дополнительную энергию в дальнобойных грузовиках. В результате удается экономить 5–10% горючего.
По оценкам компании, только в США имеется 10000 промышленных установок, которые можно дополнить их машиной. Такие меры позволили бы экономить 13,5 млрд киловатт-часов энергии в год.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Разложение отходов
Мусор, разлагаясь, испускает в атмосферу «мусорный воздух», а этот газ и сильно загрязняет атмосферу, и является носителем немалых количеств энергии.
Как избежать потерь
Преобразование газа в энергию на мусорных полигонах
7,9 МВт с каждого полигона
Пищевые продукты представляют собой концентрат с очень высоким содержанием энергии. Одна плиточка мюсли содержит в себе столько же энергии, сколько можно закачать в шестикилограммовую литиевую батарею. На мусорных свалках вся эта органика постепенно гниет, выделяя часть запасенной энергии в виде газа. Обычно половину его составляет метан, который можно улавливать, очищать и сжигать, получая в результате тепло и электричество.
Для того чтобы запустить в действие свою когенерационную установку EcoLine мощностью 7,9 мегаватт, Университет Нью-Хемпшира должен был построить свой газоочистительный завод для обогащения газа, исходящего от находящегося по соседству мусорного полигона.
Это предприятие удаляет из газа двуокись углерода и такие вредные примеси, как соединения серы и некоторые нежелательные летучие органические соединения. В США сейчас насчитывается 558 предприятий по преобразованию в энергию того газа, который собирают на 2400 мусорных полигонах. Управление по охране окружающей среды выявило еще 510 весьма перспективных участков, на которых добыча газа еще не начата.
Это направление энергетики способно вырабатывать 7000 ГВт ч электричества в год, чего достаточно для обеспечения энергией 690 000 жилых домов.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Управление электросетями
Вырабатывается электроэнергия стабильно и постоянно, а потребляется по-разному в зависимости от времени суток. В результате складывается ситуация, когда ночью энергию девать просто некуда.
Как избежать потерь
Системы накопления энергии
20 МВт на каждую систему
Представьте себе ветряк, который отчаянно крутится среди ночи. Хоть кто-нибудь потребляет в этот момент его энергию? Разумеется, нет. Из-за постоянства выработки энергии и провалов в ее потреблении ночью энергия поставляется по существенно более низким ценам, чем днем.
Хорошо было бы как-то распределять потребление во времени, а для этого нужны средства временного хранения энергии. И дело не сводится к одной только «проблеме дня и ночи» – энергетические компании теряют около 1% своих энергозапасов, выравнивая поминутные флуктуации производства и потребления энергии.
Этих потерь можно было бы избежать, если бы нашелся способ временного хранения в сети избыточной энергии. В июне предприятие по временному хранению электроэнергии компании Beacon Power, построенное в Стефентоне, штат Нью-Йорк, впервые вышло на проектную мощность в 20 МВт.
Для накопления энергии используется 200 массивных маховиков на магнитной подвеске, раскрученных до в 16 000 об/мин. В Испании эта проблема решена иначе. На солнечной электростанции Gemasolar электричество выдается круглые сутки, а избыток энергии
накапливается в баках с соляным расплавом.
Есть и другие идеи: гигантские химические аккумуляторы, баллоны со сжатым воздухом или водохранилища, куда воду закачивают насосами.
|
|
|
|
|
|
Потери энергии. Передача электроэнергии
Медный провод, давно уже вышедший из моды, до сих пор остается основой всей нашей энергетической инфраструктуры. С другой стороны, он же является главной причиной энергопотерь.
Как избежать потерь
Сверхпроводниковый кабель
50 МВт на каждую электростанцию
При передаче электроэнергии по проводам впустую пропадает примерно 7% выработанного электричества. «Транспортные пробки», случающиеся в электросети, отливаются нам ежегодно многомиллиардными убытками.
Сверхпроводниковый криогенный кабель способен пропустить через себя в сто раз больше энергии, чем аналогичная жила из простой меди, причем потери при этом будут практически нулевыми.
Проблема состоит в том, что опасающиеся риска электросбытовые компании не спешат делать ставку на дорогостоящие, незнакомые, принципиально новые технологии. Таково, по крайней мере, мнение Джека Макколла, заведующего отделом энергопередачи в компании American Superconductor.
В 2008 году эта компания смонтировала на Лонг-Айленде короткую демонстрационную сверхпроводящую линию, однако Макколл надеется, что если сверхпроводящими кабелями соединить между собой три основные общенациональные электросети (это запланировано сделать в 2014 году на установке SuperStation Tres Amigas в Нью-Мексико), то новая технология сразу же получит признание.
Тем временем в Южной Корее и Китае работают с новыми проектами сверхпроводящих линий, которые обещают довести цену на сверхпроводники до более конкурентного уровня в сравнении с простой медью.
|
|
Зарегистрируйтесь сейчас и получите 100 баллов себе на счет!
А разместив ссылку на этот материал Вы получите дополнительные баллы за каждый переход по ней.
Подробнее об условиях акции читайте в правилах.
|
|
| ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ |
|
|
|
ReadMe
|
|
|
|
МАГАЗИН ПМ
4
