Энергия будущего: cолнце, воздух ивода наши лучшие друзья
Представьте себе, что вы месяцами катаетесь на машине, не доливая в бак бензина, снабжаете дом энергией океанских волн либо подключаете ваш ноутбук к розетке прямо на пиджаке. Но, глядя на ценник на бензоколонке (18 рублей за литр 95-го), возможно поразмыслить, что эта энергетическая утопия — совсем уж далекая сказка. Иначе, нынешняя мрачная обстановка в энергетике имеет и утешительную сторону.
Растущие стоимости, озабоченность и общая тревога, новая политика правительства — все это, желаешь не желаешь, подталкивает нас к новым упрочнениям, направленным на модернизацию всей энергосистемы. Для полномасштабного внедрения некоторых из этих идей потребуются годы и годы. Другие прямо на данный момент возможно брать на вооружение. Доживем ли мы когда-нибудь до эры с глубокими источниками энергии?
Строго говоря, вряд ли. Запасы нефти на Земле непременно ограниченны. Кроме того водород, которым питается ядерная реакция на Солнце, и тот — увы! — когда-нибудь закончится.
До этого ужасного мига осталось всего-то миллиардов пять лет. Если не брать в расчет шансов на неожиданный прорыв в разработках ядерного синтеза, никакой второй источник не обещает в мановение ока решить все отечественные неприятности. Скорее, энергетические запросы человечества будут удовлетворяться методом объединения разных передовых разработок.
В этом альянсе сыграют собственную роль энергия солнца, ветра, морских волн и другие другие источники. Промышленность как потребитель также сделает ход навстречу — современная разработка удачно обучается делать больше, потребляя меньше. Очерченные в данной статье пять главных идей должны уменьшить бремя, которое человечество возлагает на ископаемые виды горючего.
Любая из этих идей подошла прикасаясь к этапу внедрения, а совместно они должны вымостить дорогу для предстоящих прорывов в энергосбережении и производстве. Не сохраняйте надежду, что на следующий день мы проснемся в новом мире, но на данный момент, в то время, когда эти неприятности завлекают все более внимание со стороны ученых, потребителей и промышленности, темпы прогресса растут не по дням, а по часам. В итоге, смиримся с тем, что запасы всех энергоносителей ограниченны, но бесконечной остается свойство человека порождать новые идеи.
Ветер: простые ответы
В случае если ваш дом стоит не «на семи ветрах», — не огорчайтесь. Кроме того мелкий ветряк благодаря маленькой переделке сможет снабжать половину потребностей вашего жилища.
Как это трудится. У маленьких ветряков все устроено легко: ветер крутит турбину, от нее вращается генератор, а тот выдает переменный ток. Но скорость ветра изменчива, так что изменяется и напряжение на выходе.
Напряжение может упасть до для того чтобы уровня, при котором нереально заряжать батареи либо питать сеть потребителей. Энди Найт, доктор наук электротехнического факультета в университете Альберты, и руководимая им несколько исследователей предложили новую схему, при которой энергию ветряка возможно накапливать кроме того при довольно спокойной погоде. В устройстве Найта переменный ток проходит через выпрямитель, где преобразовывается в постоянный, которым заряжается 12-вольтовый аккумулятор.
Потому, что батарея не имеет возможности заряжаться при напряжении меньше ее собственного, разработчики включили в схему особенный контроллер — он отслеживает частоту переменного тока, приходящего от генератора. В случае если напряжение оказывается через чур низким, контроллер подает команду на тумблер, и зарядка заканчивается, пока напряжение не достигнет 12 В. Коммутатор преобразователя размыкает и замыкает цепь приблизительно тысячу раз в секунду. Неизменно подстраивая соотношение открытой и закрытой фазы, это устройство способно с высокой точностью регулировать напряжение.
Сроки. Данный контроллер уже на данный момент возможно включать в стандартные схемы.
Экономический эффект. Применение для того чтобы контроллера может оказаться решающим для тех регионов, каковые находятся на границе территории сильных ветров, другими словами в том месте, где средняя сила ветра не достигает 18 км/ч. Опробования продемонстрировали, что эта совокупность способна повысить энергоотдачу маленького ветряка на 50%. Это значит, что ветряк диаметром 2 м может давать в электроэнергии 24 и день.
Дневное энергопотребление среднего американского дома образовывает 35 киловатт-часов.
Подробности. преобразователь и Контроллер содержат меньше электронных компонентов, чем подобные устройства «ветряных ферм» промышленного масштаба. Конструкция создана так, дабы возможно было легко наладить производство таких недорогих «примочек» ко всем независимым ветрогенераторам.
Возражения. Если вы решили поставить у себя кроме того маленький ветряк, не забудьте, что он обязан размешаться на открытом месте, подставляясь под ветер с любого направления.
Гибрид нового поколения
На данной машине вы сможете без заправки целую семь дней ездить на работу, а позже смотаться за пара сот километров в заслуженный отпуск.
Как это трудится. «Эта машина отличается от простой лишь трансмиссией», — утверждает Эндрю Фрэнк, доктор наук механико-авиационного факультета в университете города Дэйвис (штат Калифорния). Он предлагает добавить к уже привычным сейчас гибридным автомобильным совокупностям адаптеры, каковые разрешат обладателям подключать собственные автомобили к простой электросети. (В сегодняшних гибридах подзарядка батарей происходит лишь в моменты торможения, в то время, когда двигатели трудятся в качестве генераторов.) Подкачка добавочной электричества разрешит значительно экономить горючее.
Конструкция Фрэнка представляет собой сверхлегкую машину, с которой снято все лишнее и смонтированы несложный 2-цилиндровый электропривод и бензиновый двигатель. Воткните простую вилку в 110-вольтовую розетку, и вы сможете за пара часов перезарядить аккумуляторная батареи вашей автомобили. (В Соединенных Штатах кое-какие умельцы уже переделывают гибридные машины Toyota Prius на такую схему работы. Наряду с этим им удается достигнуть рекордных показателей экономичности — 1,3 л на 100 км! — Редакция «ПМ».)
Сроки. Пара прототипов уже существует — они выстроены группой университетских энтузиастов. Еще год, и гибриды с подзарядкой от сети будут представлены широкой публике — по крайней мере в виде адаптеров к уже имеющимся гибридным машинам. «Дабы выстроить всю машину с нуля и продвинуть ее на рынок, потребуется больше времени, — говорит Фрэнк, — как минимум года два либо три».
Кое-какие водители уже на данный момент предпочитают не ожидать и сами переделывают собственные гибридные автомобили, не смотря на то, что рискуют наряду с этим утратить гарантию — производители машин не одобряют таковой практики. Но, та же Toyota пристально следит за подобными опытами, и, возможно, новое поколение Prius будет иметь возможность заряжаться от сети.
Экономический эффект. Средний годовой пробег американских автомобилей образовывает приблизительно 20 000 км, а средний дневной — всего лишь около 50-ти, каковые составляются из поездки на работу и обратно. Для гибрида с подзарядкой от сети большинство этих километров пролетит в одном лишь электрическом режиме. Фрэнк планирует создать автомобиль, у которого бензиновый двигатель будет включаться лишь на громадных перегонах либо при скоростях выше 100 км/ч.
Розничные цены на такие автомобили могут быть на 20−30% выше, чем у подобных автомобилей классической компоновки, но в случае если учесть непрерывно растущие цены на бензин, то эта переплата может скоро окупиться. Помимо этого, ваши деньги будут экономиться на научно-техническом обслуживании. «В разрабатываемых нами машинах содержится лишь 15−20% от общего числа механических подробностей, присутствующих в простом автомобиле», — так растолковывает Фрэнк.
Фрэнк разглядывает эту конструкцию как очередную ступень на пути к подзаряжаемому гибриду на топливных элементах, что сможет трудиться и от сети, и на жидком горючем, и на водороде. Университетская команда Фрэнка уже конструирует таковой прототип на высокоэффективных металл-гидридных аккумуляторная батареях. Хорошим источником энергии был бы водород, но оптимальные методы производства, доставки и хранения этого распространенного газа пока не созданы.
Подробности. Подзаряжаемые гибриды не предполагают каких-либо трансформаций в транспортной инфраструктуре — дело лишь за ответом производителей двинуть данный товар на рынок. Очевидно, электричество достается также не безвозмездно.
Но машины будут потреблять собственные киловатты по большей части по ночам, в периоды спада потребления, в то время, когда в сети наличествует избыточная энергия.
Возражения. Оппоненты утверждают, что дополнительные батареи окажутся через чур тяжелым и дорогостоящим довеском, что износ аккумуляторная батарей в циклах перезарядки сделает эксплуатацию таких гибридов очень дорогостоящим мероприятием. Фрэнк отвечает, что добавочный вес батарей будет скомпенсирован уменьшением веса самого бензинового двигателя, а новые никель-металл-гидридные либо литий-ионные аккумуляторная батареи разрешат не только снизить цена, но и переживут сам автомобиль, что в большинстве случаев употребляется около 20 лет, успевая проехать приблизительно 300 000 км.
Волны: энергия океана
В океанских волнах скрыто столько энергии, что с лихвой хватило бы для освещения множества огромных городов. Осталось лишь придумать, как ее извлечь.
Как это трудится. Линейный генератор на постоянных магнитах является цепочкой постоянных магнитов на 4-метровом стержне. Эта конструкция привязана к якорю, лежащему на глубине около 30 метров. Охватывающая стержень бронзовая катушка заключена в «поплавок», другими словами в стеклопластиковый буй, что вместе с волнами гуляет вверх и вниз. Катушка при перемещении пересекает линии магнитного поля, и в ней появляется электрический ток.
Основанный на этом принципе 100-киловаттный генератор был создан Анеттой фон Жоанн и Аланом Уоллесом, докторами наук электротехнической школы в университете штата Орегон. В отличие от прошлых конструкций, в которых употреблялся принцип гидравлических либо пневматических насосов, этот принцип обещает КПД впредь до 90 процентов.
Сроки. Меньше чем через пять лет поля из таких буев смогут питать энергией промышленные предприятия и жилища.
Экономический эффект. По словам фон Жоанн, энергия волн имеет значительные преимущества перед вторыми видами возобновляемых источников, например, перед ветром. Поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии в них в 50 раз выше, чем в ветре.
Переменное напряжение от сети буев возможно подать на единый коммутационный блок, преобразовать в постоянный ток, повысив напряжение до 12 000 вольт, и послать на берег, где запасной подстанция опять преобразует его в переменный ток. Прототип имеет 5 метров в диаметре, но тот же принцип возможно применять и в более скромных масштабах. К примеру, в случае если таковой агрегат встроить в судовую якорную совокупность, на стоянках он имел возможность бы питать энергией бортовую электронику.
Подробности. Будущим летом прототип будет подвергнут опробованиям на природе. Тогда мы заметим, способен ли он выдержать атаку коррозии, штормов и просто постоянной качки. «В то время, когда практически десять лет назад мы лишь начинали эти беседы, люди наблюдали на нас как на идиотов, — говорит фон Жоанн, — но техника за это время ушла на большом растоянии вперед.
Сейчас все это представляется в полной мере настоящим».
Возражения. Один буй либо пять сотен — отличие. Дабы организовать прибрежную буйковую электростанцию, потребуется согласование с Орегонским отделом рыболовства и природоохраны либо Федеральной рабочей группой по регулированию в области энергетики.
Полагая орегонское побережье «лакомым кусочком чтобы получить энергию из морских волн», фон Жоанн признает, что это буйковое поле может оказать влияние на судьбу океана, в частности на миграцию китов. Нельзя исключать кроме этого, что будут задеты интересы местных рыбаков.
Бактерии: микробиологический топливный элемент
Любовь бактерий к сточным водам — не только путь к их очищению. Побочные продукты этого процесса смогут снабжать энергией сами очистные сооружения, а когда-нибудь сгодятся и чтобы заправить ваш автомобиль.
Как это трудится. Конечно присутствующие в сточных водах бактерии разлагают органические вещества в ходе окисления. Наряду с этим образуются свободные электроны.
Брюс Логан, доктор наук экологических разработок в университете штата Пенсильвания, внес предложение идею топливного элемента, в котором углеродные аноды помещены в бескислородный осадок сточных вод. Наряду с этим бактерии растут на анодах, а избыток электронов формирует ток при замыкании внешней цепи.
Сроки. Подобные топливные элементы возможно было бы поставить на очистных сооружениях не позднее чем через пять лет.
Экономический эффект. «Применяя отходы воды от жизнедеятельности человека, возможно приобретать до 500 милливатт с одного квадратного метра поверхности анода, — говорит Логан, — этого достаточно, дабы засветилось 750 огоньков на рождественской елке. В сточных водах от пищеперерабатывающих комбинатов находятся биоразлагаемые сахара, и в этом отношении они более перспективны. Чистая глюкоза может дать до 1500 милливатт на 1 м?.
В случае если доработать эту разработку, очистные сооружения имели возможность сами снабжать себя энергией, а это не такие уж мелочи — на переработку сточных вод уходит 5 процентов от всей вырабатываемой в Соединенных Штатах энергии. Нетрудно представить, что когда-нибудь к очистным фирмам будут подъезжать на заправку трудящиеся на водороде машины.
В случае если бактерии на аноде будут получать маленький заряд, а выделяющийся на катоде кислород удалять, такие топливные элементы окажутся кроме этого аппаратами чтобы получить водород. на данный момент большинство водорода производится с применением ископаемых видов горючего — процесс дорогой и разрушительный для внешней среды.
Подробности. «По сути дела, необходимо лишь отправиться на ближайшее очистное предприятие, выбросить оттуда ветхие реакторы и поставить отечественные новые», — говорит Логан.
Возражения. Топливный элемент создан чтобы получить электричество. До тех пор пока еще не светло, как он будет соответствовать множеству требований, предъявляемых муниципальными работами в отношении очистки сточных вод.
Солнце: органические солнечные батареи
Похоже, солнечные батареи готовы тесно срастись с нашим бытом. Элементы на базе органических молекул оказались такими легкими и узкими, что не так долго осталось ждать вы сможете запитать ваш карманный плеер прямо от рукава собственной ветровки.
Как это трудится. Как в органических солнечных элементах, так и в классических кремниевых, полупроводниковый материал поглощает фотоны света. Под действием энергии фотонов происходит их движение и возбуждение электронов к границе элемента, где они попадают в контакт с металлом, в большинстве случаев медью.
Данный проводник отводит ток в том направлении, где он нужен, скажем, к моторчику либо контактам аккумулятора. В случае если кремниевые батареи складываются из неорганических веществ, таких как бронзовый сплав, галлий и кремний, то в составе органических солнечных элементов преобладают атомы углерода, кислорода и водорода.
Исследовательская несколько под управлением Бернарда Киппелена, доктора наук Центра органической фотоники и электроники в Университете разработки штата Джорджия, смогла объединить пленку из органического вещества, названного «пентацен», с наночастицами фуллерена С60, именуемого за собственную форму buckyball («маркерный шарик»). В следствии оказался новый светочувствительный полупроводник, талантливый с 1 см? выдавать энергию в 3 милливатта.
Сроки. Через два-три года органические солнечные элементы будут использоваться для питания таких маломощных устройств, как бирки радиочастотной идентификации (RFID). Что касается питания ноутбуков и сотовых телефонов, то тут нужно будет подождать лет 5−10.
Экономический эффект. Органические материалы легко совместимы с пластиковой подложкой. Как говорит Киппелин, «в возможности их возможно будет печатать, как газеты, на ролевых печатных автомобилях».
А потому, что эти элементы оказались узкими и эластичными — толщина пленки 50 нм, — ими возможно покрывать стены палатки либо элементы одежды, запитывая от них маленькие персональные электронные устройства, — к примеру сотовые телефоны.
Подробности. Разработка кремниевых фотоэлементов отработана уже очень прекрасно, а вот наука об органических полупроводниковых пленках до тех пор пока еще лишь в зародыше.
Возражения. Кремниевые солнечные элементы достигают КПД приблизительно 15%. Сейчас эффективность органических элементов не превышает 3−5%.
Но в случае если удастся наладить массовое производство таких материалов, каждые поверхности возможно будет перевоплотить в собиратели солнечной энергии. Представьте себе навесы, крыши домов, кузова машин, неспешно производящие нам электричество.
Из-за чего тормозим?
В то время, когда лопнула выдумка с холодным синтезом, публика скоро забыла собственные грезы о неисчерпаемом источнике энергии. Тем временем работы над «горячим» синтезом (таким, что снабжает энергию солнца) нормально шли своим чередом.
Дабы запустить реакцию синтеза, газ необходимо нагреть и сжать, и тогда ядра атомов сольются, высвобождая избыточную энергию. Минимальная температура, нужная для самоподдерживающейся реакции, — 60 млн. градусов — была достигнута еще во второй половине 70-ых годов двадцатого века. Значительно сложнее выяснилось удержать ионы взятой плазмы в заданном ограниченном пространстве. «Это как пузырь с водой», — говорит Боб Хиршфельд из лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии.
Сжимать его направляться как возможно равномернее, в противном случае обязательно в том месте и сям вылезут грыжи. Ливерморские исследователи занимаются «инерционным сжатием», в то время, когда лазерные лучи сжимают мишень до точки начала синтеза. В лаборатории создается установка для запуска реакции. на данный момент она выстроена уже на 80%, и для поджига ядерной реакции в ней будет использовано 192 лазера.
Полномасштабные опробования назначены на 2009 год.
Еще один подход к ответу данной задачи — применение для удержания плазмы магнитных полей. Так возможно закрыть ионы в тороидальной (похожей формой на бублик) ловушке — токамаке. По этому принципу выстроена камера JET в Англии (см. фото). Тридцать государств договорились о совместных изучениях на базе самого громадного в мире токамака, что строится во Франции.
Предполагается, что он вступит в эксплуатацию в 2016 году. Обе установки имеют циклопические масштабы, но по окончании опытов, подтверждающих правильность выбранного принципа, нужно решительно двигаться дальше. В отличие от загадочного холодного синтеза физические базы тёплой термоядерной реакции в полной мере понятны.
Как сообщил Карл Саган, убедиться, что термоядерный синтез вправду вероятен, весьма легко — достаточно поднять голову и поглядеть на звезды.
Что произошло с ядерной энергетикой в Соединенных Штатах?
Ядерная энергетика снабжает 20% потребностей США в электричества. Но все 103 американские АЭС находятся в преклонном возрасте (им в среднем 20 лет). С 1973 года — за 6 лет до аварии на станции «Три Майл Айленд» — закончились заказы на постройку новых станций.
Некогда рекламировавшаяся как главный энергоисточник будущего, ядерная энергетика пришла к застою под давлением проблемы захоронения и соображений безопасности радиоактивных отходов. Капиталовложения на постройку новой ядерной энергоустановки оцениваются более чем в $2 млрд. Энергия, вырабатываемая на ядерных станциях, и сейчас дороже, чем энергия со станций, сжигающих ископаемое горючее, — если не учитывать плату за вредные выбросы, включенную в «углеродный налог».
Выход из тупика обещают две зарождающиеся разработки. В модульных реакторах «засыпного типа» в качестве охлаждающего агента употребляется тёплый газ. В отличие от классических АЭС эти совокупности способны действенно трудиться в значительно более скромных условиях. В потенциале это должно сократить нынешние стартовые затраты. «Стремительные реакторы» смогут перерабатывать в качестве горючего практически все долгоживущие радиоактивные отходы, оставляя только вещества с малыми периодами распада.
Но чтобы эти совокупности получили, требуются еще долгие опыты.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№37, ноябрь 2005).
<
h4>