Share to Facebook 
Share to Twitter 
Share to Linkedin 
PGT SocialWeb - Copyright © 2010 by pagit.eu

Nove tehnologije

Sedam radikalnih rješenja za energiju E-mail
Autor Leo Jerkić   
Četvrtak, 09 Lipanj 2011 20:52

Scientific American je na svojoj web stranici na interaktivni način predstavio sedam radikalnih energetskih rješenja koja se istražuju, a čija je implementacija zasada još neizvjesna, ali bi mogle riješiti problem energetske efikasnosti, i problem opskrbe električnom energijom. Između sedam tehnologija nalaze se i dvije koje koriste sunčevu energiju.

U nastavku ćemo napraviti pregled svih sedam potencijalnih tehnologija.

1.) Čišći ugljen

Ugljen je najjeftiniji ali i najizdašniji izvor energije u svijetu, te je ujedno i izvor energije sa najvećim udjelom CO2. Inženjeri su uspjeli smisliti različite načine da smanje količinu CO2 koji biva ispušten u atmosferu, ali te metode uništavaju i oko 30% proizvedene energije tako da time cijena električne energije koja izlazi iz termoelektrane na ugljen skače na duplo, pa su rješenja gdje se koristi "čisti ugljen" još uvijek rijetka. Ipak, mnoge agencije rade na tome da smanje taj postotak.

Energetski centar Sveučilišta Notre Dame koristi novi materijal koji zovu ionska tekućina, a koja je zapravo vrsta soli. Glavna prednost tog materijala je da izvlači duplo više CO2 od drugih tehnologija, te u tom procesu ta sol prelazi iz čvrstog u tekuće stanje, čime se oslobađa energija koja se može ponovno iskoristiti za vađenje CO2 iz tekućine kako bi ga se moglo riješiti. Taj novi način smanjuje parazitsku energiju na 22-23%, a cilj istraživanja je smanjiti to na nekih 15%. Ipak postoje i problemi, prvi je da su to novi materijali i da još nisu bili izvan laboratorija pa se nezna da li će ikada moći biti korišteni na nivou jedne elektrane. Drugi problem je što napraviti sa CO2 kada ga izvučemo iz te tekućine, da li ga probati uštrcati u podzemlje u porozne stijene, ili ga možda povezati sa silikatima kako bi postao inertan. Naravno, zadnji a i najveći problem je činjenica da je korištenje ugljena u energetske svrhe ipak nečista tehnologija te da uvijek postoje problemi sa toksičnim pepom i sa iskopavanjem ugljena.

2.) Auti sa motorom na principu udarnih valova

Automobili sa plinskim turbinama mogu ići pet puta više od hibrida koji koriste ventile. Motori sa ventilima pogone automobile i kamione više od jednog stoljeća, a i današnji hibridni automobili koriste male motore s ventilima da pojačaju snagu.

Sveučilište Michigan razvija potpuno drugačiji dizajn, koji se zove motor na udarne valove koji eliminira ventile. Ovaj kompaktni motor je veličine kuhala i treba puno manje opreme od motora na ventili, te zahvaljujući tome ima puno manju masu i veću efikasnost korištenja goriva, te bi s istom količinom goriva mogli prelaziti pet puta veće udaljenosti, s manjim ispuštanjem CO2, a i cijena proizvodnje bi bila 30% manja.

Tim prof. Müllera koji razvija taj motor planira napraviti prototip snage 25 kW, koji bi imao efikasnost od 30ak posto - što je ispod dieselovih motora koji imaju 45%, ali očekuje se da bi uz poboljšanja efikasnost mogla doći i do 65%.

U ovakvom dizajnu motora, proces stvaranja energije se odvija unutar turbine koja se vrti. U principu izgleda kao horizontalni rotor, sa mnogo zakrivljenih lopatica i kućištem na vanjskom rubu. Topli zrak pod pritiskom zajedno sa gorivom ulaze u prostor između lopatica iz središnje osovine. Kada takva smjesa pod velikim tlakom bude zapaljena, goreći plinovi se prošire na tom mjestu te nastaje udarni val koji kompresira zrak svugdje, te se on u točno određenom trenutku ispušta kroz kućište. Sila plinova pod pritiskom vrte loptacije odnosno cijeli rotor koji onda zavrti radilicu.

Ovaj princip se razvija još od 1906., ali do sada je bilo praktičko nemoguće proračunati kako će reagirati tok plinova, te je upitno da li i današnji kompjuterski modeli to mogu napraviti. Müller je ipak optimističan i tvrdi da se uz dovoljno vremena, truda i mašte uz pomoć novca može doći do rezultata.


3.) Toplinski motori

Slitine koje pamte oblik bi mogle proizvoditi dodatnu energiju za aute, mašineriju i ostale uređaje.

U SAD-u otprilike 60% energije propadne kao višak toplinske energije iz automobila i elektrana. Znanstvenici u General Motorsu pokušavaju uhvatiti tu energiju preko egzotičnih materijala koji se zovu slitine koje pamte oblik, a koje mogu iz toplinske energije napraviti mehaničku energiju koja pak onda proizvodi električnu energiju. Cilj tima kojeg predvodi Alan Browne je reciklirati toplinu iz ispušnog sustava auta i tu energiju iskoristiti za klimu ili radio.

Browne planira ubirati toplinu pomoću pojasa od tankih, paralelnih niti slitine nikal-titanija koji „pamti“ određeni oblik. Sve slitine koje pamte oblik imaju dva osnovna stanja: u ovom slučaju je jedno kruto „osnovno stanje“ na višim temepraturama i jedno savitljivo stanje na nižim temperaturama. U GM-ovom dizajnu pojas je raširen preko tri koluta koji čine kuteve trokuta. Jedan kut pojasa bi bio blizu toplog ispušnog sustava a drugi bi bio na suportnoj strani gdje je hladnije. Skupljajući se u kutu s višom temperaturom i proširijući se na suprotnom kutu gdje je hladnije, pojas bi vukao samog sebe oko omče, te tako vrtio kolute. Koluti bi pak pokrenuli osovinu koja bi pokrenla generatora. S većom razlikom u temperaturi bi se omča brže vrtila i stvaralo bi se više energije.

GM-ov prototip od 10 grama proizvodi minimalna 2 vata, ali Browne tvrdi da bi se tehnologija mogla komercijalizirati u roku deset godina. Ipak, postoje tu razni problemi - slitina koja pamti oblik je lako lomljiva, žice je teško spojiti u pojas, a hlađenje sa zrakom je isto problematično.

4.) Magnetske klime

Neobične slitine hlade sobu i hranu. Današnje klime, hladnjaci i zamrzivači nam omogućuju da sve bude hladno, ali pri tome značajno troše električnu energiju - u SAD-u primjerice otprilike trećinu sve energije potrošene u domovima.
Radikalno drugačija tehnolgija koja koristi magnete bi to mogla promijeniti. Većina današnjih komercijalnih uređaja za hlađenje kompresiraju i dekompresiraju plin ili tekućinu kroz ponavljajući ciklus. Većina njih je i do 1.000 puta štetnija za atmosferu od CO2.

Istraživači u Astronautskoj korporaciji Amerike iz Milwaukeeja razvijaju hlađenje na osnovi magneta koji eliminiraju kompresore. Svi magnetski materijali se donekle zagriju kada su izloženi magnestkom polju, odnosno ohlade kad su izvan njega (tzv. magnetokalorični efekt). Taj fenomen je otkriven još 1881., ali nije korišten u komercijalne svrhe jer se mislilo da bi za maksimalni učinak bili potrebni supravodljivi magneti. Ipak 1997. je otkrivena slitina gadolinija, silicija i germanija koja je pokazala ogroman magnetokalorični efekt na sobnoj temperaturi. Astronautika se od tada bavi time, te trenutačno rade na klimi koja hladni kuću ili stan od 1.000 metara kvadratnih. Mali disk ima porozne klinove koij su napravljeni od jedne slitine, te taj disk prolazi kroz rupu u stacionarnom permanentnom magnetu. Ta rupa koncentrira magnetsko polje i svakim prolaskom se disk tamo grije i onda hladi kako napreduje. Tekućina unutar sustava se grije i hladi preko rotirajućih klinova, te ohlađena tekućina uzima toplinu iz sobe.

U standardnim hladnjacima kompresor radi većinu posla, a u magnetskim motor, s tim da su motori puno efikasniji od kompresora. Astronautika bi htjela imati prototip do 2013., koji bi uštedio 1/3 električne energije i ne bi proizvodio nikakve štetne plinove. Takav dizajn bi se mogao iskoristiti za hladnjake i zamrzivače ali problem se javlja u toku vode, jer se sam disk vrti od 360 do 600 puta u minuti, a i magnet je napravljen od skupe slitine neodimija-željeza-borona.


5.) Fisija potaknuta fuzijom

Fizičari i inženjeri već jako dugo pokušavaju iskoristiti energiju fuzije, s tim da nije problem započeti fuzijsku reakciju, to se već dugo može u hidrogenskim bombama, nego to učiniti efikasno tako da reakcija oslobodi više energije nego što je potrebno za njen početak, a to stanje se zove paljenje, koje bi na kraju moglo proizvoditi električnu energiju.

Znanstvenici u  Državnom postrojenju za paljenje u Livermoreu, Kalifroniji, su smislili novi obrat, korištenje fuzije da potaknu fisiju, kojom se pogone nuklearne elektrane. Direktor Edward Moses tvrdi da bi proces mogao omogućiti pojavu prototipova u roku 20 godina.

Prema njihovoj ideja, laserski pulsevi proizvodi fuzijske eksplozije u centru reaktorske komore, te se tako emitiraju neutroni koji dijele atome u uraniju ili sličnom gorivu koje se nalazi na zidovima komore. Energija iz takvih fisijskih atoma bi povećala snagu komore za četiri puta.

Ako većina energije dolazi iz fisije, zašto se ne držati koncepta dosadašnjih nuklearnih elektrana. Odgovor se nalazi u tome da neutroni iz fuzijskih eksplozije započinju fisiju, tako da nije potrebno održavati lančanu reakciju kao u normalnoj nuklearnoj elektrani. Time se povećava količina mogućih goriva, kao što bi bio potrošeni uranij ili neobogaćeni uranij. Tako bi se uvelike riješio problem radioaktivnog otpada iz nuklearnih elektrana, pošto bi ga bilo i do dvadeset puta manje a i količina goriva koja se koristi bi bila puno manja.

Istraživači proučavaju fuzijsko-fisijske procese gdje bi se umjesto lasera koristila magnetska fuzija koja zadržava fuzijske reakcije u jakim magnetskim poljima.

Problema kod ove tehnologije ima puno, od toga da bi se morali komercijalno proizvoditi mali peleti fuzijskih cijevi, paljenje goriva bi se moralo događati 10 puta u sekundi, a danas se može samo par puta dnevno, te bi se morala smisliti nova smjesa goriva koja bi izdržala toliki napad topline i neutrona.

6.) Kvantne fotonaponske ćelije

Današnje fotonaponske ćelije imaju iskoristivost od samo 10 do 15%, a glavni razlog tome je da jedan sloj silicija koji upija sunčevu svjetlost ima teoretsku efikasnost od samo 31% (u laboratorijima su došli do maksimalno 26%). Nova istraživanja u poluvodičkim kristalima ili kvantnim točkama mogla bi pojačati teoretski maksimum na preko 60%, čime bi se otvorio put za električnu energiju po puno nižim cijenama.

U standardnoj ćeliji, nadolazeći fotoni oslobađaju elektrone iz silicija, te time omogućuju elektronima da se slobodno gibaju u vodljivoj žici, te time nastaje struje. Nažalost mnogo sunčevih fotona ima previše energije, te kada pogode silicij on ispušta „vruće elektrone“ koji brzo oslobađaju toplinsku energiju prije nego što ih može uhvatiti vodljiva žica. Kada bi se takvi vrući elektroni mogli uhvatiti maksimalna efikasnost bi se udvostručila.

Jedno rješenje je usporiti proces hlađenja elektrona, dajući time više vremena da se elektroni uhvate. Prošle godine se kemičar Xiaoyang Zhu iz Sveučilišta Texas sa svojim kolegama okrenuo prema kvantnim točkama koje imaju par tisuća atoma. Zhu je takve olovno-selendiske točke stavio na vodljivi sloj titanij oksida, te kada je to obasjao svjetlom elektronima je trebalo 1.000 puta duže da se ohlade. Time je pokazao da takav koncept može funkcionirati.

Usporavanje elektrone je samo dio cilja, Zhu sada traži načine da pomogne vodičima da što više vrućih elektrona pretvore u struju tako da ih sam vodič ne apsorbira kao toplinu. Tu ostaju mnogi problemi, pošto je još mnogo fizike nepoznato, jer nije sasvim jasno kako se elektroni hlade i kako se prenose na vodiče.


7.) Solarno gorivo

Sunce u jednom satu da više energije Zemlji nego što ljudska rasa potroši u godinu dana. Kada bi znanstevnici našli način da se bar dio tog viška energije pretvori u tekuće gorivo, naša ovisnost o fosilnim gorivima za promet bi nestala. Nathan Lewis, direktor Centra za umjetnu fotosintezu u Kalifornijskom Institutu za tehnologiju kaže da bi kemijska goriva promijenila sve kada bi ih mogli napraviti efikasno i jednostavno iz Sunca.

U Državnom laboratoriju Sandia imaju jedan tanjur širok šest metara napravljen od zrcala u pustinji Novog Meksika. On koncentrira zrake Sunca na pola metra dugački cilindrični uređaj koji izgleda kao bačva piva a koji je postavljen ispred tanjura.  Zrcala fokusiraju sunčevu svjetlost kroz prozor u zidu uređaja na nekoliko kružnih prstenova koji se rotiraju jednom po minuti. Zubi hrđe ili cerium-oksida su na rubu prstena i rotiraju se u fokusiranu svjetlost te se time ugriju na 1.500 stupnjeva celzijusa. Toplina tjera kisik iz hrđe, a kada se zubi hrđe vraćaju u tamni hladniji dio reaktora oni usisavaju kisik nazad iz pare ili iz CO2 koji je ubačen u komoru, te iza ostavljaju energetski-bogat vodik ili ugljični-monoksid.

Ostatna smjesa vodika i ugljčnog-monoksida se zove sintetizirani plin ili syngas – koji je osnovna molekularna jedinica za fosilna goriva, kemikalije, čak i plastiku. Taj proces bi mogao apsorbirati istu količinu CO2 koja se emitira kada se gorivo troši.  I na drugim mjestima se razvija slična tehnologija.

Naravno praktičkih problema ima puno, jedan od glavnih je kako osigurati materijal koji će preživjeti kružni proces na temperaturama od 900 do 1.500 stupnjeva celzijusa, naći bolji materijal od hrđe, te niža cijena zrcala.

 

Kratke filmiće na engleskom o svim tehnologijama, te duže opise svih tehnologija na engleskom možete naći na:

http://www.scientificamerican.com/

Tags:     radikalna rješenja      energija      ugljen      solarna energija      magnetske klime      motori      fisija      fuzija      solarno gorivo
Index članka
Sedam radikalnih rješenja za energiju
#2
#3
#4
Sve stranice
 

Dodajte svoj komentar

Vaše ime:
Vaš e-mail:
Naslov:
Komentar:
  Verifikacijska riječ. Samo mala slova bez razmaka.
Verifikacija:

Obnovljivi izvori energije za početnike

OIE u regiji

Nove tehnologije

Nova energetika

Zadnje vijesti

Želite li više koristiti obnovljive izvore energije?