Геотермальная энергия считается одним из самых надежных видов возобновляемой энергии. Главным ее достоинством является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Соединенные Штаты извлекают и используют больше геотермальной энергии, чем любая другая страна. И в ближайшие 10 лет могут удвоить, и даже утроить, использование этого источника энергии. В ролике описана технология работы современных геотермальных электростанций, перспективы развития и преимущества.
Тепло, исходящее от вашего компьютера, пока вы читаете эту статью — это просто потерянная энергия. И ваш компьютер не одинок: более половины потребляемой по всему миру энергии тратится впустую, в основном, в виде теплового излучения.
Но новое исследование Массачусетского технологического института доказывает, что более половины всей энергии, рассеиваемой в виде тепла, можно уловить и превратить в электричество. Использование этой технологии может привести к созданию мобильных телефонов с удвоенным временем работы, ноутбуков, работающих в два раза больше без подключения к розетке и, наконец, электростанций, производящих больше электричества в пересчете на единицу топлива.
Теория утверждает, что в электричество можно преобразовать лишь некоторую часть тепла, не превышающего определенного значения известного как «предел Карно». Эта константа была получена в XIX веке, она определяет максимальную эффективность, с которой устройство может преобразовывать тепло в работу или энергию. Но реально существующие в настоящее время термоэлектрические аппараты достигают одной десятой этого предела. Однако в экспериментах с участием новой технологии, разработанной в МТИ, устройство на тепловых диодах продемонстрировало вчетверо большую эффективность. Более того, расчеты показывают, что теоретически аппарат, использующий новую технологию, может достичь 90%-ой эффективности.
Вместо того, чтобы пытаться повысить производительность существующих устройств, команда исследователей из Массачусетского технологического института начала с чистого листа. Итогом работы стало появление очень простой системы, в которой энергию генерировал точечный квантовый прибор — разновидность полупроводника, в котором электроны и промежутки между ними, хранящие электрический заряд, расположены очень кучно. Управляя этим прибором, создатели новой технологии надеются однажды разработать идеальный преобразователь тепловой энергии в электрическую.
Питер Хагельстейн, адъюнкт-профессор, специализирующийся на электромашиностроении и один из разработчиков новой технологии, говорит, что аналогичные устройства уже существуют, но отличаются очень маленькой мощностью. Кроме того, можно либо выработать большое количество энергии с маленькой эффективностью, либо наоборот. «Но наши команда утверждает, что благодаря новой технологии можно будет достичь хороших результатов в обоих направлениях», — добавил мистер Хагельстейн.
Немецкие инженеры строят дом с нейтральным энергобалансом. Задача энергосбережения становится все насущнее, говорят эксперты, и немецкие специалисты разработали экспериментальный дом, способный сам себя автономно обеспечивать энергией.
Если планам объединения ESTTP суждено сбыться, то уже к 2030 году здания с нейтральным энергетическим балансом должны стать строительной нормой. За аббревиатурой ESTTP (European Solar Thermal Technology Platform) скрывается принятая летом 2005 года Европейская программа развития гелиотермических технологий, а термин «нейтральный энергетический баланс» подразумевает, что здание совершенно независимо от внешнего энергоснабжения и покрывает свои потребности автономно, исключительно за счет собственной конструкции. Немецкая фирма Schüco не дожидаясь 2030 года, разработала и испытывает концепцию такого дома уже сейчас.
Как сообщает Deutsche Welle, за основу конструкции был взят дом с хорошей теплоизоляцией и низким энергопотреблением, отвечающий всем ныне действующим требованиям к новостройкам. Согласно сегодняшним нормам энергосбережения, такое здание должно расходовать котельное топливо из расчета не более 8 литров в год на один квадратный метр жилой площади. Чтобы выйти на нулевой показатель, инженеры фирмы Schüco сделали ставку на сочетание сразу трех технологий использования возобновляемых энергоресурсов.
Франк Толе (Frank Thole), руководитель отдела разработки гелиотермических систем, поясняет: «Прежде всего, это солнечный коллектор на крыше, напрямую использующий солнечную энергию и обеспечивающий горячее и холодное водоснабжение. Затем имеется тепловой насос, эффективно использующий солнечную энергию, накопленную грунтом, для отопления. Наконец, также на крыше дома установлен еще и полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии, который обеспечивает электроснабжение дома, включая питание компрессора теплового насоса».
Задача всего проекта проста: продемонстрировать на практике, что уже сегодня с помощью стандартного, серийно производимого оборудования, можно самый обычный дом превратить в здание с нейтральным энергетическим балансом. То есть владелец такого жилья внесет свой весомый вклад в сохранение климата и одновременно сэкономит немало денег, поскольку по итогам года он не должен будет платить ни за газ, ни за свет.
Весной, летом и осенью добиться нулевого баланса нетрудно: солнечный коллектор площадью 10 квадратных метров на крыше отдельно стоящего дома на одну семью с апреля по октябрь полностью обеспечивает все потребности обитателей в тепловой и электроэнергии. Зимой дело обстоит хуже. При температуре воздуха ниже 5 градусов Цельсия даже самый лучший тепловой насос уже не в состоянии извлечь из окружающей среды нужное для обогрева количество энергии. Поэтому инженеры фирмы Schüco закачивают в земляной контур теплую воду от солнечных коллекторов на крыше.
«Таким образом, благодаря гелиотермии, «заряжая» грунт солнечной энергией, мы создаем условия для высокоэффективной работы всей системы, — поясняет Франк Толе. — Оптимальные условия эксплуатации теплового насоса предполагают температуру около 10 градусов, но никак не ниже 5. Подключая коллекторные панели к земляному контуру, я могу получить там температуру в 15, 20, а то и 25 градусов».
Это значительно облегчает работу теплового насоса, но полностью проблему зимнего теплоснабжения все-таки не решает: в средних широтах солнечного тепла зимой оказывается недостаточно. Поэтому в холодные месяцы в доме с нейтральным энергетическим балансом на помощь тепловому насосу приходит электроэнергия, вырабатываемая полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями. Их площадь должна составлять 20-25 квадратных метров. Понятно, что летом эти преобразователи дают больше электроэнергии, чем зимой, но на круг они вырабатывают за год ровно столько энергии, сколько необходимо.
С 8 по 15 октября Министерство энергетики США проводило конкурс архитектурных проектов для студентов Solar Decathlon. 20 команд должны были предложить свое видение энергоэффективного дома на солнечной энергии. Проекты оценивались по следующим параметрам: архитектура, рыночная устойчивость, инженерия, освещение, линии коммуникации, зона комфорта, горячая вода, приборы, рекреация и net metering (принцип энергетической политики в некоторых странах для владельцев устройств по выработке альтернативной электроэнергии). Что получилось, смотрите внутри.
В последнем номере научного журнала Nature сообщается об обнаружении магнитного аналога электричества, когда магнитный заряд ведет себя подобно электрическому. Сами ученые называют свою работу первой практической реализацией магнитных монополей, которые могут существовать в кристаллических решетках элементов.
Группа ученых из Центра нанотехнологий Лондона доказала на практике, что данные монополи могут вместе объединяться, чтобы формировать магнитный ток, который будет подобен электрическом току. Сами ученые называют обнаруженный ими феномен «магнетричеством» и говорят, что его можно будет применять в будущих поколениях систем хранения цифровых данных и в новейшей вычислительной технике.
Напомним, что впервые о существовании магнитных монополей исследователи задумались почти 100 лет назад, причем уже тогда они назывались, как совершенные аналоги электрических зарядов. «Хотя есть протоны и электроны, с чистым положительным или отрицательным зарядом, нет частиц, способных переносить магнитные заряды. Несмотря на это, каждый магнит имеет положительный и отрицательный полюса», — говорят исследователи.
В сентябре этого года две группы исследователей независимо друг от друга сообщили о существовании монополей — виртуальных частиц, которые переносят общий магнитный заряд, правда существуют монополи лишь в кристаллических решетках. Кристаллические решетки состоят здесь из заряженных атомов или ионов, расположенных таким образом, что при охлаждении до исключительно низких температур, материалы могут излучать крошечные дискретные магнитные заряды.
Сейчас исследователи пытаются доказать, что эти квази-частицы могут двигаться сообща, передавая заряд вместе, точно также, как это делают двигающиеся электроны в проводах.
Исследование монополей ведется на базе субатомных частиц — мюонов, создаваемых на специальных физических установках. Распад мюонов занимает миллионные доли секунды, однако последующие мюоны «запоминают» направления движения предыдущих. Внедрив эти мюоны в кристаллические решетки, можно будет воспринимать их в качестве своего рода маркеров для исследования «магнитного электричества».
«Пока мы не говорим о том, что в будущем у нас появятся лампочки, работающие от магнитного электричества. Но инженерные материалы, которые лягут в основу «магнитной памяти» у нас создаются, они могут значительно повысить мощность техники будущего», — говорит один из авторов исследований Стивен Брамвелл.
Нужно понять, что же нам делать с энергией. Как ее получать, когда закончится нефть? 95% всей доступной нефти закончится примерно через 50-60 лет. Что же касается ресурсов нефти у нас в стране, то их осталось на 15-20 лет.
Существующие способы получения энергии из градиента солености воды, возникающего в результате смешивания пресной и соленой воды, — осмос и обратный электродиализ — основаны на контакте воды со специальными мембранами. Однако высокая стоимость мембран и короткий срок их эксплуатации из-за их быстрого загрязнения не позволяют пока что внедрить данную технологию повсеместно. Итальянский физик Дориано Броджоли предложил и экспериментально продемонстрировал совершенно новый, относительно дешевый метод, использующий ионистор — конденсатор очень большой емкости. При правильно подобранном ионисторе устройство Броджоли способно вырабатывать столько же энергии, сколько устройства, основанные на принципах осмоса и обратного электродиализа.
Рис. 1. Схематический рисунок устройства Броджоли. Камера содержит два электрода из пористого активированного угля, образующих конденсатор огромной емкости — ионистор, который может быть заряжен или разряжен. Камера заполняется соленой водой (раствором NaCl), идущей с одного из резервуаров. Рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Впадение рек в море или океан можно использовать для извлечения значительной энергии, которая диссипируется (рассеивается) вследствие смешивания пресной и соленой воды. Возникающий градиент солености производит приблизительно 2,2 кДж (килоджоуля) энергии на литр пресной воды, попадающей затем в соленую воду. В 70-е годы прошлого века была предложена идея использовать эту энергию, создавая специальные электростанции. Принцип их работы должен был базироваться на явлении осмосас применением полупроницаемой мембраны или же обратного электродиализа (reverse electrodialysis), использующего ионоселективные мембраны.
Рис. 2. Перетекание молекул пресной воды W1 в соленую воду W2 под действием осмотического давления через полупроницаемую мембрану создает более низкий уровень в правой половине сосуда. Теоретически разность уровней может достигать 270 метров. Рис. с сайта en.wikipedia.org
Осмос — это процесс диффундирования растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор. Предположим, что в нашем распоряжении имеется сосуд, разделенный мембраной. В одной половине емкости находится соленая вода, то есть вода с растворенным в ней хлоридом натрия NaCl, и вода, в которой концентрация соли близка к нулю. Свойство мембраны таково, что она свободно пропускает молекулы воды, но препятствует проникновению молекул соли из соленой воды в пресную. Собственно, поэтому мембрана и называется «полупроницаемая». Осмос как бы стремится выровнять концентрации соли в обеих половинах сосуда. Но из-за полупроницаемой мембраны под действием возникающего осмотического давления происходит лишь направленное перетекание молекул воды из правой части в левую, что приводит к возникновению неравных уровней воды в половинах емкости (рис. 2). Перераспределение будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление, то есть давление разности уровней воды в левой и правой части сосуда, не уравновесит давление осмотическое. Теоретически осмотическое давление между соленой и пресной водой равно 26 атмосферам, что соответствует разности уровней их уровней приблизительно 270 метров. В Норвегии компания Statkraft собирается запустить электростанцию, которая будет получать энергию за счет описанного выше процесса.
Второй метод получения энергии также использует мембранную технологию и основывается на явлении обратного электродиализа. В этом процессе необходимо наличие двух типов селективных (избирательных) мембран: мембраны, которые прозрачны только для положительных ионов соли (ионы натрия), и мембраны, беспрепятственно пропускающие исключительно отрицательные ионы — ионы хлора (рис. 2). Секции с соленой водой создают направленное движение ионов соли из секции в секцию. Зарядовое разделение создает на мембранах разность потенциалов, которая затем суммируется и превращается на катоде и аноде посредством окислительно-восстановительных реакций из ионного тока в обычный электрический ток. Снимаемое напряжение зависит от числа мембран, температуры, отношения концентраций соли в пресной и соленой воде, а также от внутреннего сопротивления катода и анода. Заметим, что кинетика ионов соли здесь возникает из-за разности концентраций соли в соседних секциях, поэтому наличие пресной воды в процессе обратного электродиализа необходимо.
Рис. 3. Получение электрического тока на основе явления обратного электродиализа. Через два типа ионоселективных мембран происходит контакт пресной и соленой воды, приводящий к распределению в секциях ионов соли и их движения к соответствующим электродам. В результате возникает разность потенциалов на мембранах. Вблизи электродов, благодаря окислительно-восстановительным реакциям, происходит трансформация ионного тока в обычный электрический ток. Рис. с сайта www.leonardo-energy.org
Существует еще третий метод, использующий разность давлений насыщенных паров пресной и соленой воды. Впервые он был предложен в 1979 году американскими учеными (см. M. Olsson, G. Wick, J. Isaacs. Salinity Gradient Power: Utilizing Vapor Pressure Differences // Science. 1979. V. 206. P. 452–454). Дело в том, что давление насыщенных паров соленой воды ниже, чем у чистой воды при той же температуре (этот факт отражается в более высокой температуре кипения соленой воды). Если резервуары с пресной и соленой водой соединить, откачав предварительно из них воздух и создав вакуум, то пресная вода будет испаряться и конденсироваться в соленой воде. Таким образом, возникает движение насыщенного пара из одного резервуара в другой, которое может быть использовано, если установить на пути движения турбину. В настоящее время такой метод получения энергии развит и исследован в меньшей степени, нежели способы, основанные на мембранных технологиях, — осмос и обратный электродиализ.
Согласно расчетам, такие энерговырабатывающие устройства способны производить порядка 1 кВт при скорости потока пресной воды 1 л/с.
Итальянский физик Дориано Броджоли (Doriano Brogioli) в статье Extracting Renewable Energy from a Salinity Difference Using a Capacitor, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предложил новый способ извлечения энергии из градиента солености воды. В основе его технологии производства энергии лежит ионистор — конденсатор очень большой емкости.
Физический принцип работы этого устройства можно понять из аналогии с плоским конденсатором, между обкладками которого расположен диэлектрик, а сам конденсатор заряжен, но при этом не подключен к источнику питания. Попытка вытащить диэлектрик из конденсатора приведет к увеличению напряжения, так как емкость конденсатора вследствие этого уменьшилась, а заряд остался прежним. Рост разности потенциалов на обкладках конденсатора также увеличивает его энергию. Происходит трансформация механической работы (извлечение диэлектрика) в электрическую энергию, отражающаяся как рост напряжения в конденсаторе.
Фактически всё то же самое происходит и в устройстве Броджоли, где роль диэлектрика играет соленая вода, а процесс его извлечения эквивалентен вытеснению соленой воды пресной водой (рис. 1).
Два резервуара, наполненных водой с разными концентрациями соли хлорида натрия, представляют собой пресную и соленую воду. Они по очереди заполняют камеру, вымывая друг друга из нее. Помимо этого в камере находятся два электрода из активированного угля, которые образуют конденсатор огромной емкости — ионистор.
Почему Броджоли в своем проекте использует ионистор и почему в качестве материала для него применяется активированный уголь? Очевидно, что в данном случае конденсатор в ходе вымывания диэлектрика должен как можно больше изменить свою энергию в сторону возрастания, чтобы затем ее отдать. Поскольку энергия конденсатора пропорциональна емкости, то это случится лишь в том случае, когда емкость конденсатора будет наибольшей. Но емкость определяется геометрией конденсатора: она пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Поэтому, чтобы не делать обкладки конденсатора очень большими, а расстояние между ними максимально уменьшить, используют компактный конденсатор — ионистор.
Ионистор состоит из двух погруженных в электролит сильно пористых электродов, что позволяет максимально увеличить эффективную площадь конденсатора (это первое преимущество ионистора). Для этой цели, как выяснили ученые, лучше всего подходит активированный уголь. Под действием приложенного напряжения ионы электролита движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности, образуя с зарядом электрода так называемый двойной электрический слой (поэтому в англоязычной литературе ионистор еще называют конденсатором с двойным электрическим слоем). Толщина этого слоя очень маленькая величина — всего несколько десятков нанометров (это второе преимущество), поэтому его можно интерпретировать как обкладки обычного конденсатора: одна обкладка — электрод, а вторая состоит из ионов. За счет таких геометрических хитростей с материалом и получаются конденсаторы с гигантской емкостью порядка 1 Ф (одной фарады) и более, которые обладают при этом размерами, не отличающимися от размеров традиционных маленьких конденсаторов.
Что касается схемы работы устройства, то извлечение энергии из градиента солености воды с его помощью условно можно разбить на четыре фазы (рис. 4).
Рис. 4. Полный цикл работы устройства по извлечению энергии из градиента солености воды. (а) Схема четырех фаз цикла (см. подробности в тексте). (b) Графики временных зависимостей разности потенциалов между электродами ионистора и тока, текущего через нагрузку. Отрицательное значение тока соответствует процессу разрядки ионистора. Рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Фаза А. Камера заполнена соленой водой. Ионистор заряжают через нагрузку в виде сопротивления 1 кОм до напряжения 300 мВ.
Фаза В. Электрический контур разомкнут. Камера заполняется пресной водой, вытесняя соленую воду. Разность потенциалов на электродах ионистора увеличивается до 333 мВ. Напомним, что рост напряжения происходит из-за того, что запуск пресной воды и вытеснение соленой воды эквивалентны извлечению пластины диэлектрика из плоского конденсатора.
Фаза С. Конденсатор разряжается через то же сопротивление до прежнего напряжения 300 мВ.
Фаза D. Электрический контур разомкнут. Углеродные электроды снова вступают в контакт с соленой водой. Далее происходит падение разности потенциалов до 274 мВ. Теперь происходит как бы внесение диэлектрика в пространство между обкладками плоского конденсатора, что вызывает снижение разности потенциалов.
Глядя на напряжения, которые появляются на электродах, логично было бы предположить, что рост напряжения на электродах приведет к увеличению энергии ионистора. На самом деле, к сожалению, увеличение разности потенциалов не даст ожидаемого результата. При напряжении выше 1 В на ионисторе ток начинает протекать благодаря окислительно-восстановительным химическим реакциям, приводящим к быстрому разряду ионистора.
Графически все четыре фазы можно представить в координатной плоскости заряд—напряжение (рис. 5) — по аналогии с координатной плоскостью объем—давление для тепловой машины, работающей по замкнутому циклу. Из графика видно, что суммарный заряд, полученный ионистором за время одного полного цикла, равен нулю, то есть никаких энергетических затрат в процессе его заряда и разряда не требуется.
Рис. 5. Графическая интерпретация полного цикла (четырех фаз) работы устройства: кривая изменения напряжения на ионисторе в зависимости от заряда на его электродах. Площадь замкнутой кривой соответствует величине извлеченной энергии — в устройстве Броджоли она равна 5 мкДж. Рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Разумеется, потери заряда в течение одного цикла работы устройства присутствуют, но они несущественны и по своему численному значению на два порядка меньше (примерно 33 мкКл, микрокулона), нежели заряд, который получает и отдает ионистор (порядка мКл, милликулона).
В эксперименте Броджоли его установка генерировала 5 мкДж за цикл. Конечно, это маленькая величина, но автор резонно замечает, что если использовать ионисторы, емкость которых составляет 300 Ф на 1 грамм вещества, то выход энергии может достигать приблизительно 1,6 кДж на литр пресной воды, что по порядку величины уже сравнивается с получением энергии на основе мембранной технологии — путем осмоса или обратного электродиализа.
Британская вещательная корпорация BBC сообщает о разработке физиками Университета штата Миссури «ядерной батарейки», размер которой не превышает размера монеты. Миниатюрный источник питания получает электроэнергию за счет распада радиоактивных изотопов. По словам ученых, во время радиоактивного полураспада вещества происходит освобождение заряженных частиц, которые, если их правильно собрать, генерируют электрический ток.
Отметим, что ядерные батареи ранее использовались в основном для военных и аэрокосмических целей, кроме того данные батареи были существенно больше сегодняшней батарейки по размеру.
По утверждению ученых, созданные ими батареи содержат в миллион раз больше заряда, чем обычные алкалиновые батареи. Созданы батареи были в попытке исследователей уменьшить источники питания для небольших механизмов из сферы микро- и наноэлектроники и механики.
Еще одним преимуществом ядерных батарей является их возможность производить электричество очень долго — десятки или даже сотни лет, так как период распада многих элементов сравнительно велик. Учитывая данное обстоятельство, использовать подобные источники питания можно не только на Земле, но и в космосе, например, при отправке научных аппаратов на край Солнечной системы. «Батарея будет жить столь же долго, сколько будет проходить период полупаспада элемента», — говорит Джай Ван Куон, один из разработчиков батареи.
По его словам, большинство крупных ядерных элементов используют твердый наполнитель для получения электронов и сверхвысоких энергий, в случае же с небольшой батарейкой наполнитель был жидким. Ученым удалось создать такой наполнитель с радиоактивными изотопами, который бы с одной стороны пропускал электроны, а с другой контролировал период полураспада.
«Когда большинство людей слышат «ядерная энергия», то они представляют себе нечто очень опасное, однако ядерные источники питания уже используются гораздо шире, чем большинство себе представляет. Они применяются в подводных и космических системах, разных электронных устройствах», — говорит Джай.
Деревья не только украшают ваше местообитание, очищают воздух и защищают почву от эрозии, но и защищают ваше домовладение от холодных ветров зимой и знойного солнца летом. Благодаря чему энергетические затраты можно снизить на 30%. О том как правильно расположить деревья вблизи Вашего дома читайте дальше в статье.
Группа дизайнеров и художников из Нью-Йорка представила проект плавучего жилого комплекса, под названием, Waterpod. Это реальный проект, который уже стартует в этом году. Группа энтузиастов предлагает с его помощью решить проблемы излишней урбанизации и перенаселенности.
Waterpod лучше всего переводится как “остров на воде”. Главная особенность Waterpod состоит в том, что он будет самостоятельно обеспечивает себя энергией. Энергию будут вырабатывать солнечные панели и ветряные турбины. Все постройки на острове созданы из вторично переработанных материалов.
Waterpod — это не просто концепция! Этот проект реально существует и работы по его реализации уже ведутся. Первое плавание намечено уже на 1 мая 2009г. “Остров на воде” отправится в путешествие по речным просторам Нью-Йорка, периодически пришвартовываясь, чтобы люди могли оценить все преимущества новинки.
Waterpod мне напоминает другой реальный проект, про который мы писали, а именно город солнца Масдар в Абу-Даби
Наверное, нельзя назвать этот проект революционным, но зато он существует не только на эскизах и в головах дизайнеров, он отправится в реальное плавание! Кстати, напомним, что около 70% поверхности Земли занимает Мировой океан. Если мы научимся с пользой использовать это пространство, нам можно не боятся проблемы перенаселения еще много столетий.
