Альтернативная энергетика и энергосбережение

Цитата: Dobryаk от 25.02.2011 21:57:25
Германия же хоронит лампы накаливания

На самом деле, в по по [URL=http://"http://artlight.ru/i…tilnik141/"]поводу запрета ламп накаливания[/URL] они уже включили задний ход

Цитата: MikeS от 25.02.2011 21:29:58

Единственный вопрос, который у меня до сих пор остался, я адресую Добряку: если взять для сравнения самый продвинутый на нынешний момент тип белого светодиода, то какой теоретически возможный его КПД? Если мне склероз не изменяет, то на нынешний момент его КПД где-то в районе 40%? Можно немного переиначить вопрос: во сколько раз в идеале можно поднять его светоотдачу?

Поскольку Добряк от ответа уклонился, я полазил по интернету и сляпал микрообзор. Для специалистов, возможно все и так известно, таких просим не париться
Остальных приглашаю ознакомиться. И спасибо за внимание!
***********
Насколько я мог понять, не будучи специалистом, принципиальных ограничений (типа предела Карно в термодинамике) на КПД СД нет. Все потери имеют не фундаментальную, а «инженерную» природу.
Качество p-n перехода СД оценивают внутренним квантовым выходом, который характеризует долю рекомбинаций с излучением кванта. Для отдельных типов СД он близок к 100%.
Внешний квантовый выход (ВКВ) учитывает оптические потери на поглощение и отражение в материале СД. В статье Yukio Narukawa со товарищи (1) достигнут ВКВ 86%. Вероятно, можно получить и поболее, требуются новые инженерные решения.
Эффективность СД как источника света характеризуют световой эффективностью (luminous efficacy) и измеряют как раз в лм/Вт. Для ее повышения стараются спектр белого СД приблизить к кривой видности.
Есть еще чисто омические потери.

Из аннотации к ссылке (1):
We fabricated a super-high luminous efficacy white LED (SHE-white) by incorporating SHE-blue and a yellow
phosphor. Figure 8 shows the current dependence of φv and ηL of SHE-white between 0.1 and 30mA under dc operation.φv, Vf , ηL, WPE, Tcp, and the chromaticity coordinates (x, y) at 20mA were 14.4 lm, 2.89V, 249 lmW−1, 58.5%, 4600K and (0.36, 0.39), respectively. ηL was approximately triple that of a tri-phosphor fluorescent lamp (90 lmW−1). Moreover, ηL reached a maximum (265 lmW−1) at 5mA and then slightly decreased with increasing injection current. Thus, the ηL of this white LED almost reached the theoretical limit.

Вольный перевод:

Изготовлен белый СД сверхвысокой эффективности путем встраивания в синий СД сверхвысокой эффективности желтого люминофора. Световая эффективность составила 249 лм/Вт при токе 20 мА, а электрический КПД 58,5% при цветовой температуре 4600 К. При токе 5 мА световая эффективность составила 265 лм/Вт. ЭТО БЛИЗКО К ТЕОРЕТИЧЕСКОМУ ПРЕДЕЛУ, КОТОРЫЙ АВТОРЫ БЕЗ ВЫВОДА оценивают в 260-300 лм/Вт. (1).


В посте Eric Bretschneider (2) методом экспертных оценок получен предельный «электрический» КПД  65.61%. Эта цифирь поучена возведением коэффициента 0,9 в 4-ю степень, так Эрик предлагает учесть 4 механизма потерь, каждый из которых уносит 10%. Там есть результаты численных расчетов, много цветных картинок.

Много терминов, формул и картинок можно надыбать в англ. Вике (3).

ССЫЛКИ
(1) http://iopscience.io…354002.pdf
White light emitting diodes with
super-high luminous efficacy
Yukio Narukawa, Masatsugu Ichikawa, Daisuke Sanga, Masahiko Sano,  J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 354002 (6pp)


(2) http://www.photonics…?AID=28677

(3) http://en.wikipedia.…s_efficacy

Немецкие заправки мгновенно затоварились новым горючим Super E10


Это  привычный Super с 10-процентной добавкой биотоплива. Его не берет никто, 70 процентов водителей заявили, что они не такие чокнутые, чтобы рисковать своими моторами, пусть даже новое топливо и подешевше. На многих автозаправках кризис --- обычный Super выпит до конца и нечем заправиться... а колонки с подсолнухом в игноре.

Министерство экономики выпустило в среду разъяснение, что новое типливо непригодно только для небольшого числа моделей авто --- около 7 процентов от общего числа..

Цитата
Министерство экономики выпустило в среду разъяснение, что новое типливо непригодно только для небольшого числа моделей авто --- около 7 процентов от общего числа...

Прикольщики эти немцы.  :) Если учесть, что современные бензиновые двигатели - это системы с катализатором на выходе, системой обратной связи в виде двух датчиков кислорода (до и после катализатора), а на некоторых двигателях - еще дополнительно с прямым впрыском топлива в цилиндр, то я бы на месте тех водителей тоже не стал бы испытывать на себе и за свой счет данный "био" бензин. Все указанные выше системы крайне чувствительны к качеству топлива. Да и как обычному водителю убедиться, что он не попал в эти "7%"?  :)

Цитата: Сергей_5db61f от 27.02.2011 01:11:37
На самом деле, в по по [URL=http://"http://artlight.ru/i…tilnik141/"]поводу запрета ламп накаливания[/URL] они уже включили задний ход

Мой случай типичное сравнение "туриста с иммигрантом" --- я про задний ход ничего не знал, а жена в немецком сельпо купилась на рекламу, что эта лампа чуть ли не вечная и под Москвой будет светить всю нашу оставшуюся жизнь....

Цитата: MikeS от 04.03.2011 10:00:45
Прикольщики эти немцы.  :) Если учесть, что современные бензиновые двигатели - это системы с катализатором на выходе, системой обратной связи в виде двух датчиков кислорода (до и после катализатора), а на некоторых двигателях - еще дополнительно с прямым впрыском топлива в цилиндр, то я бы на месте тех водителей тоже не стал бы испытывать на себе и за свой счет данный "био" бензин. Все указанные выше системы крайне чувствительны к качеству топлива. Да и как обычному водителю убедиться, что он не попал в эти "7%"?  :)

На самом деле, скорее всего, эти 7% устаревшие двигатели, материалы системы питания которых не проходят по коррозионной устойчивости или несовместимые уплотнительные материалы.

Понеслось.....

http://www.dw-world.…mlЭксперты: Биотопливо губительно для природы

Super E10 - новый вид бензина, в котором увеличено содержание биоэтанола. Это сделано ради сохранения природы, но наносит ей огромный вред и ведет к уничтожению продовольствия.

Super E10 - новый вид бензина в Германии. Буква "Е" говорит, что к бензину Super (он же "95-й бензин") подмешан этанол, точнее, биоэтанол. Цифра "10" означает, что этанола в горючем - 10 процентов, то есть вдвое больше, чем прежде.

Биоэтанол - это вид спирта, который получают из сахарного тростника, сахарной свеклы, кукурузы, зерна, то есть из растительных веществ, содержащих сахар и крахмал.

Super Е10 должен помочь снизить вредоносность выхлопных газов, поскольку при сгорании этанола в атмосферу выбрасывается лишь то количество СО2, которое было поглощено растениями, пока они росли.

Эксперты Greenpeace, однако, убеждены, что Super Е10, скорее, вредит природе, а не помогает, поскольку из-за его использования может нарушиться баланс между поглощением СО2 растениями и выбросом СО2 при использовании этанола.

Как учесть выброс СО2

Для того чтобы этого не произошло, поставщики биоэтанола будут подвергаться постоянному контролю со стороны ЕС. Они должны доказывать, что их горючее позволяет сократить выброс СО2 на 35 процентов. С 2017 это сокращение должно составить даже 50 процентов. Но при этом должен учитываться выброс СО2 не только моторами, работающими на Super Е10, но и выброс СО2, произошедший на всех этапах производства этого топлива - от посева до бензоколонки. Установлены жесткие требования к поставщикам сырья для биоэтанола, сообщил Deutsche Welle Эльмар Бауман (Elmar Baumann), представитель отрасли, выпускающей биогорючее.

Те, кто намерен выращивать сахарную свеклу, зерно, кукурузу как биомассу для выпуска этанола, должны гарантировать, что используют под это лишь те площади, которые уже до 2008 года были в сельхозобороте. Запрещено использовать под биомассу биотопы, болота, леса.

Таким образом создатели новых европейских норм надеются предотвратить расширение посевов биомассы за счет разрушения естественных ландшафтов.

Если в Германии эти запреты могут быть реализованы, то в Латинской Америке или Азии проконтролировать и предотвратить уничтожение тропических лесов практически невозможно, уверены экологические организации.

Противники Super Е10 приводят и еще один аргумент: на биоэтанол перерабатывается пищевое сырье: сахарная свекла, зерно, тростник. "Фактически мы сжигаем продовольствие, а это преступление", - говорят противники Super Е10.

Биоэтанол - преступный продукт

Не меньшим преступлением экологи называют и то, что делается, например, в Малайзии и Индонезии, где тропические леса на тысячах квадратных километрах выжигают, а на освободившихся территориях сажают пальмы, чтобы получать пальмовое масло, которое пускают на производство биоэтанола.

По подсчетам Фонда дикой природы (WWF), при выжигании тропических лесов под пальмовые посадки за год выделяется более миллиарда тонн СО2, что значительно больше объема СО2, выделяемого в Германии за год. При выжигании лесов к тому же гибнет все живое. Это нелогично и никак не может соответствовать экологическим целям, о которых заявляют политики.

Критики программы по расширению использования биоэтанола приводят и такой аргумент: кукуруза в процессе созревания выделяет большие количества веселящего газа, который не меньше, чем СО2, способствует изменению климата и разрушению озонового слоя. А ведь для того, чтобы получать биоэтанол из кукурузы и другого зерна, нужны гигантские плантации. В США, в Бразилии они уже существуют. Их появление в других частях мира - вопрос времени.

В Великобритании построена первая установка для изготовления газового топлива из биологических отходов
Более разумно, по мнению ученых, выращивать на этанол сахарный тростник. Но он растет только в тропиках. Да к тому же в Бразилии, например, все, что можно было занять под тростник, уже занято. Причем и там для этого были уничтожены тропические леса.

Поэтому многие эксперты предполагают постепенно увеличивать выпуск биоэтанола из биологических отходов, используя метан. Но пока технология такого производства только создается, да и необходимого количества биологических отходов может и не быть.

Объясните мне пожалуйста почему свет клином сошелся на биоэтаноле? Почему нельзя использовать метиловый спирт. Сырьем для его получения могут быть практически любые породы деревьев или кустарников или отходы деревообрабатывающей промышленности. (еще один плюс не гнать кругляк за бугор) То что он ядовит в данном случае плюс - пить не будут.

Цитата: MadScientist от 08.03.2011 04:58:59
Объясните мне пожалуйста почему свет клином сошелся на биоэтаноле? Почему нельзя использовать метиловый спирт. Сырьем для его получения могут быть практически любые породы деревьев или кустарников или отходы деревообрабатывающей промышленности. (еще один плюс не гнать кругляк за бугор) То что он ядовит в данном случае плюс - пить не будут.

1. Метанол из деревяшки получить трудней, чем этанол. Да и выход пониже будет. В промышленности его получают из природного газа, т.е. передел с потерями.
2. Как показывает практика, часто ядовитость метанола не служила препятствием к его употреблению внутрь.

Цитата: MadScientist от 08.03.2011 04:58:59
Объясните мне пожалуйста почему свет клином сошелся на биоэтаноле? Почему нельзя использовать метиловый спирт. Сырьем для его получения могут быть практически любые породы деревьев или кустарников или отходы деревообрабатывающей промышленности. (еще один плюс не гнать кругляк за бугор) То что он ядовит в данном случае плюс - пить не будут.

Недостатки метанола:
1) Метанол травит алюминий. Проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС.
2) Гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений.
3) Уменьшенная летучесть при холодной погоде: моторы, работающие на метаноле, могут иметь проблемы с запуском и отличаться повышенным расходом топлива до достижения рабочей температуры.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Метанол

Очень порадовала другая фраза из Википедии:

ЦитатаБиоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было взято из атмосферы использованными для его производства растениями.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Этанол

Факт того, что для этих "растений" нужно:
1) вспахать поле;
2) произвести и внести в почву удобения;
3) произвести химобработку от вредителей;
4) произвести уборку;
5) произвести переработку в биоэтанол;
6) произвести утилизацию отходов
почему-то игнорируется.  :)

Наверное, все это тоже "из атмосферы" берется.  :D

Подумать только... 36 лет прошло с момента прочтения лекции академиком Капицей.

http://energyfuture.ru/energiyafizika

А ведь до сих под дуют пузыри и пилят бабло на биодизелях и солнечных батареях...  :D


«АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»: США НАДУВАЮТ «ЗЕЛЕНЫЙ ПУЗЫРЬ»
статья от 2007-го года с пересказом основных идей Капицы  ;)

http://www.profile.ru/items/?item=24897

ЦитатаПерспективы так называемого биотоплива — это просто очередной финансовый «мыльный пузырь», столь характерный для современной экономики. Безосновательность надежд на эту модификацию «вечного двигателя» еще 30 лет назад обосновал академик Петр Капица.
Джордж Буш объявил о национальной программе, подразумевающей заместить до 2015 года 30% потребностей США в бензине и дизельном топливе биотопливом — этиловым спиртом и «биодизелем», которые предполагается получать из культурных растений. Появился слоган: «Большая кукуруза заменит большую нефть». Стремительно «зеленеет» Силиконовая долина.

На днях бывший кандидат в президенты США и лауреат Нобелевской премии Альберт Гор сделал громкое заявление об объединении своих усилий с главными «зелеными» инвесторами, базирующимися в Силиконовой долине, — Kleiner, Perkins, Caufield & Byers, — ради решения проблемы глобального потепления климата. Винод Хосла (Vinod Khosla), один из основателей «Сан Майкросистемз», предсказывает, что в течение пяти лет будет найден «зеленый» способ производства электроэнергии — дешевле, чем уголь или нефть. Всемирно известная компания «Гугл» объявила о своем выходе в область «зеленой энергии» и намеревается сделать ее дешевле угля и тем более нефти и газа. В развитие этих технологий «Гугл» намеревается вложить сотни миллионов долларов...

Эксперты уговаривают скептиков: «Не делайте ошибки и не используйте зеркало заднего вида, чтобы глядеть в будущее». Завороженные очередными грандиозными перспективами, уже и российские аграрии вместе с украинскими начинают мечтать об «энергетическом сельском хозяйстве».

Солнце — это жизнь, а не батарейка

Посмотрим, однако, в «зеркало заднего вида». 8 октября 1975 г. на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, академик Петр Леонидович Капица, удостоенный тремя годами позже Нобелевской премии по физике, сделал концептуальный доклад, в котором, исходя из базовых физических принципов, по существу, похоронил все виды «альтернативной энергии», за исключением управляемого термоядерного синтеза. Не обсуждал он, впрочем, перспективы водородной энергетики и производство биотоплива. Не потому, что он о них не знал, а по причине, которую мы обсудим ниже.

Если кратко изложить соображения академика Капицы, они сводятся к следующему: какой бы источник энергии ни рассматривать, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии — то есть ее количеством в единице объема, — и скоростью ее передачи (распространения). Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.

Вот, скажем, солнечная энергия. Ее плотность ничтожна. Зато она распространяется с огромной скоростью — скоростью света. В результате поток солнечной энергии, приходящий на Землю и дающий жизнь всему, оказывается совсем не мал — больше киловатта на квадратный метр. Увы, этот поток достаточен для жизни на планете, но как основной источник энергии для человечества крайне неэффективен. Как отмечал П. Капица, на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, реально человек может использовать поток в 100—200 ватт на квадратный метр. Даже сегодня КПД устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, составляет 15%. Чтобы покрыть только бытовые потребности одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40—50 квадратных метров. А для того, чтобы заменить солнечной энергией источники ископаемого топлива, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50—60 километров. Совершенно очевидно, что подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.

Противоположный пример — топливные элементы, где происходит прямое превращение химической энергии окисления водорода в электроэнергию. Здесь плотность энергии велика, высока и эффективность такого преобразования, достигающая 70 и более процентов. Зато крайне мала скорость ее передачи, ограниченная очень низкой скоростью диффузии ионов в электролитах. В результате плотность потока энергии оказывается примерно такой же, как и для солнечной энергии. Петр Капица писал: «На практике плотность потока энергии очень мала, и с квадратного метра электрода можно снимать только 200 Вт. Для 100 мегаватт мощности рабочая площадь электродов достигает квадратного километра, и нет надежды, что капитальные затраты на построение такой электростанции оправдаются генерируемой ею энергией». Значит, топливные элементы можно использовать только там, где не нужны большие мощности. Но для макроэнергетики они бесполезны.

Так, последовательно оценивая ветровую энергетику, геотермальную энергетику, волновую энергетику, гидроэнергетику, Капица доказывал, что все эти, на взгляд дилетанта вполне перспективные, источники никогда не смогут составить серьезную конкуренцию ископаемому топливу: низка плотность ветровой энергии и энергии морских волн; низкая теплопроводность пород ограничивает скромными масштабами геотермальные станции; всем хороша гидроэнергетика, однако для того, чтобы она была эффективной, либо нужны горные реки — когда уровень воды можно поднять на большую высоту и обеспечить тем самым высокую плотность гравитационной энергии воды, — но их мало, либо необходимо обеспечивать огромные площади водохранилищ и губить плодородные земли.

Мирный атом не торопится

В своем докладе Петр Леонидович Капица особо коснулся атомной энергетики и отметил три главные проблемы на пути ее становления в качестве главного источника энергии для человечества: проблему захоронения радиоактивных отходов, критическую опасность катастроф на атомных станциях и проблему неконтролируемого распространения плутония и ядерных технологий. Через десять лет, в Чернобыле, мир смог убедиться, что страховые компании и академик Капица были более чем правы в оценке опасности ядерной энергетики. Так что пока речи о переводе мировой энергетики на ядерное топливо нет, хотя можно ожидать увеличения ее доли в промышленном производстве электроэнергии.

Наибольшие надежды Петр Капица связывал с термоядерной энергетикой. Однако за прошедшие тридцать с лишним лет, несмотря на гигантские усилия ученых разных стран, проблема управляемого термояда не только не была решена, но со временем понимание сложности проблемы, скорее, только выросло.

В ноябре 2006 года Россия, Евросоюз, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и США договорились начать строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, основанного на принципе магнитного удержания высокотемпературной плазмы, который должен обеспечить 500 мегаватт тепловой мощностьи в течение 400 секунд. Чтобы оценить темпы развития, могу сказать, что в 1977—1978 гг. автор принимал участие в анализе возможности «подпитки» ИТЭР с помощью выстрела в плазму твердоводородной таблетки. Не в лучшем состоянии находится и идея лазерного термояда, основанного на быстром сжатии водородной мишени с помощью лазерного излучения.

Очень дорогая фантастика...

А как же водородная энергетика и пресловутое биотопливо, которые сегодня пропагандируются наиболее активно? Почему Капица не обращал на них внимания вообще? Ведь биотопливо в виде дров человечество использует уже веками, а водородная энергетика сегодня кажется настолько перспективной, что едва ли не каждый день приходят сообщения о том, что крупнейшие автомобильные компании демонстрируют концепт-кары на водородном топливе! Неужели академик был настолько недальновиден? Увы... Никакой водородной и даже биоэнергетики в буквальном смысле слова не может существовать.

Что касается водородной энергетики, то, поскольку природные месторождения водорода на Земле отсутствуют, ее адепты пытаются изобрести вечный двигатель планетарного масштаба, не более и не менее того. Есть два способа получить водород в промышленных масштабах: либо путем электролиза разложить воду на водород и кислород, но это требует энергии, заведомо превосходящей ту, что потом выделится при сжигании водорода и превращении его опять в воду, либо... из природного газа с помощью катализаторов и опять-таки затрат энергии — которую нужно получить... опять-таки сжигая природные горючие ископаемые! Правда, в последнем случае это все-таки не «вечный двигатель»: некоторая дополнительная энергия при сжигании водорода, полученного таким путем, все же образуется. Но она будет гораздо меньше той, что была бы получена при непосредственном сжигании природного газа, минуя его конверсию в водород. Значит, «электролитический водород» — это вообще не топливо, это просто «аккумулятор» энергии, полученной из другого источника... которого как раз и нет. Использование же водорода, полученного из природного газа, возможно, и сократит несколько выбросы углекислого газа в атмосферу, так как эти выбросы будут связаны только с генерацией энергии, необходимой для получения водорода. Но зато в результате процесса общее потребление невозобновляемых горючих ископаемых только вырастет!

Ничуть не лучше обстоят дела и с «биоэнергетикой». В этом случае речь идет либо о реанимации старинной идеи использования растительных и животных жиров для питания двигателей внутреннего сгорания (первый «дизель» Дизеля работал на арахисовом масле), либо об использовании этилового спирта, полученного путем брожения натуральных — зерна, кукурузы, риса, тростника и т.д. — или подвергнутых гидролизу (то есть разложению клетчатки на сахара) — агропродуктов.

Что касается производства масел, то это крайне низкоэффективное, по «критериям Капицы», производство. Так, например, урожайность арахиса составляет в лучшем случае 50 ц/га. Даже при трех урожаях в год выход орехов едва ли превысит 2 кг в год с квадратного метра. Из этого количества орехов получится в лучшем случае 1 кг масла: выход энергии получается чуть больше 1 ватта с квадратного метра — то есть на два порядка меньше, чем солнечная энергия, доступная с того же квадратного метра. При этом мы не учли того, что получение таких урожаев требует интенсивного применения энергоемких удобрений, затрат энергии на обработку почвы и полив. То есть, чтобы покрыть сегодняшние потребности человечества, пришлось бы полностью засеять арахисом пару-тройку земных шаров. Проведя аналогичный расчет для «спиртовой» энергетики, нетрудно убедиться, что ее эффективность еще ниже, чем у «дизельного» агро-цикла.

...Но очень выгодная для экономики «мыльного пузыря»

Что же, американские ученые не знают этих цифр и перспектив? Разумеется, знают. Ричард Хейнберг в своей нашумевшей книге PowerDown: Options And Actions For A Post-Carbon World (наиболее точный по смыслу перевод — «Конец света: Возможности и действия в пост-углеродном мире») самым детальным образом повторяет анализ Капицы и показывает, что никакая биоэнергетика мир не спасет.

Так что происходит? А вот что: только очень наивный человек полагает, что экономика сегодня, как и 150 лет назад, работает по марксистскому принципу: «деньги — товар — деньги». Новая формула «деньги — деньги» короче и эффективнее. Хлопотное звено в виде производства реальных товаров, обладающих для людей реальной полезностью в привычном смысле этого слова, стремительно вытесняется из «большой экономики». Связь между ценой и полезностью в материальном смысле — полезность вещи как пищи, одежды, жилья, средства передвижения или услуги как средства удовлетворения какой-то реальной потребности, — уходит в небытие точно так же, как некогда ушла в небытие связь между номиналом монеты и массой заключенного в ней драгоценного металла. Точно так же «вещи» нового века очищаются от всякой полезности. Единственная потребительная способность этих «вещей», единственная их «полезность», которая сохраняет смысл в экономике нового времени, — это их способность быть проданными, а главным «производством», приносящим прибыль, становится надувание «пузырей». Всеобщая вера в возможность продать воздух в виде акций, опционов, фьючерсов и многочисленных других «финансовых инструментов» становится главной движущей силой экономики и основным источником капитала для ксендзов этой веры.

После того, как последовательно лопнули пузыри «доткомов» и недвижимости, а «нанотехнология», рисующая сказочные перспективы, по большей части так и продолжает их рисовать без заметной материализации, американские финансисты, похоже, всерьез обратили внимание на альтернативные источники энергии. Вкладывая деньги в «зеленые проекты» и оплачивая наукообразную рекламу, они вполне могут рассчитывать на то, что многочисленные буратины прекрасно удобрят своими золотыми финансовую ниву чудес.

По поводу биоэтанола.
Даже в простейшем случае получения этанола (сахар + дрожжи) получается не очень приглядная картина по балансу СО₂.
Итак, имеем реакцию брожения моносахаридов (здесь и далее А.П. Писаренко «Курс органической химии», М, 1975):
С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Если выразить в граммах, получается, что из 180 г сахара получается 92 г этанола и 88 г углекислого газа. Другими словами почти половина сахара «улетает в трубу» в виде ненавистного углекислого газа, при этом, не произведя никакой полезной работы.  
Кроме этого, сахар, к сожалению, не растёт в мешках в чистом виде, его нужно вырастить и затем и выделить из сахаросодержащих культур. Но это отдельная, и довольно «грязная» песня.

Дело усложняется, когда в качестве сырья для производства этанола используются полисахарид – крахмал, который содержится в картофеле и в зёрнах злаковых растений (пшеницы, ржи, риса, кукурузы и т.д.).
Крахмал предварительно подвергается «осахариванию», т.е. превращению в более простое сахаристое вещество. Для этого картофель или зерно запаривают перегретым паром (при 140 – 150 ^оС), в результате получают массу, содержащей крахмальный клейстер. В эту массу, после того как она остынет, вводят солод. Под каталитическим действием содержащего в солоде фермента амилазы крахмал гидролизуется, распадаясь с образованием сахара мальтозы. Полученный раствор охлаждают и подвергают действию особых дрожжей. Под влиянием вырабатываемого ими фермента мальтазы мальтоза гидролизуется и образует глюкозу. И наконец, глюкоза подвергается брожению и получается этанол, который по окончанию брожения отгоняют из реакционной массы. Ввиду многостадийности процесса посторонних веществ, которые не облагораживают окружающую среду, также получается весьма значительное количество.

Ну и наконец спирт из опилок.
Для этой цели используют богатые клетчаткой отходы (опилки, щепу и т.д.), которые подвергают действию минеральных кислот (например, древесные опилки обрабатывают при 150 – 170 ^оС и 15 атм  0,1 – 5%-ной серной кислотой). При этом целлюлоза гидролизуется, образуя в основном глюкозу. Продукт гидролиза нейтрализуют от кислоты, а затем сбраживают.

Для примера разблюдовка реагентов при производстве этанола традиционным способом из древесных отходов, взято из патента http://ntpo.com/pate…l_36.shtml  на улучшение способа.
На 1 дал (декалитр абсолютного спирта):
1. Сырье (древесные отходы) – 60 кг
2. Серная кислота 92-93% - 4-5 кг
3. Суперфосфат - 0,2 кг
4. Известь - 2-3 кг
5. 25% аммиачная вода - 2 кг
6. Технологический пар - 1,2 ГДж
7. Электроэнергия - 4 кВт/час

Отходы производства и борьба с ними отдельная песня, не будем о грустном.

Про метанол.
Это сильнейший яд. Смертельная доза 30 мл. Потеря зрения 5 – 10 мл. Запрещён даже в «незамерзайках».
ПДК в воздухе 5 мг/м3. Сравните с этанолом – 1000 мг/м3. Почувствуйте разницу.

Основной вывод – самогонку лучше всего гнать из сахара, а про остальное забыть и забить.

Извиняюсь, что без ссылок. За обедом следящие за темой немцы выдали цифры: за 2010 год ветряки Германии работали в среднем на 17.5 процентах от установочной мощности. Для ветряных ферм  в Северном море результат был выше: от 22 до 25 процентов.

Цитата: Dobryаk от 04.03.2011 11:00:33
Мой случай типичное сравнение "туриста с иммигрантом" --- я про задний ход ничего не знал, а жена в немецком сельпо купилась на рекламу, что эта лампа чуть ли не вечная и под Москвой будет светить всю нашу оставшуюся жизнь....

Кстати, как ни странно - самые надёжные из дешёвых газоразрядок с патроном E27 - те что в IKEA продают. Проверено личным опытом Реально очень долго живут. Но лучше всего всё равно специальные светильники под "лампы-палки" TL-D с электронным балластом.

Цитата: ДядяВася от 09.03.2011 19:49:55
Про метанол.
Это сильнейший яд. Смертельная доза 30 мл. Потеря зрения 5 – 10 мл. Запрещён даже в «незамерзайках».

В Финляндии разрешён. Многие питерцы покупают его там на заправках по 5 евро за 5-литровую бутыль. Я тоже так делаю. Не замерзает и не густеет даже в самые лютые морозы. Не воняет.

Цитата: basilevs от 12.04.2011 16:35:03

В Финляндии разрешён. Многие питерцы покупают его там на заправках по 5 евро за 5-литровую бутыль. Я тоже так делаю. Не замерзает и не густеет даже в самые лютые морозы. Не воняет.

Из ВИКИ http://ru.wikipedia.…0%BE%D0%BB
С одной стороны: «В настоящее время (2010 год) в России участились случаи продажи фальсифицированной незамерзающей жидкости для омывателей стёкол автомобилей: она содержит метиловый спирт и может негативно влиять на здоровье водителей, в случае случайного применения внутрь, вызывая хроническое отравление.»
С другой стороны: «В Европейском Союзе ограничения на использование метанола в незамерзающей жидкости нет.»
С третьей стороны: «Во многих странах метанол применяется в качестве денатурирующей добавки к этанолу при производстве парфюмерии.»
С четвёртой стороны: «В России использование метанола в потребительских товарах запрещено.»

Я не водила, и в части потребительских свойств метанола как незамерзайки что-либо сказать не могу. Но как химик скажу однозначно: метанол яд, независимо применяют его на Западе или нет.  
И это отнюдь не связано с тем, что у нас пьют всё что горит.
Если посмотреть на составы растворителей для лаков и красок http://chemister.da.…olvent.htm  можно увидеть: чего там  только не мешают и ксилол, и толуол, и ацетон и бутилацетат – и это отнюдь не безобидные жидкости, но чего там нет - так это метанола.

Метанол очень опасен, не только за счёт маленькой одноразовой смертельной дозы, но и за счёт эффекта кумулятивности, т.е. накапливания в организме. Кроме этого у него очень низкая температура кипения и соответственно высокое давление паров, что особенно опасно для замкнутого объёма салона автомобиля.
В общем, послушайте старого еврея химика не используйте метанол, это может быть чревато последствиями.

http://www.membrana.ru/particle/15974

В Испании построена солнечная установка с высоким давлением

Экспериментальная электростанция, открывшаяся на днях на юге Испании, использует ряд интересных решений для повышения КПД всей системы. Построившие её компании намерены обкатать здесь технологии, которые сделают солнечную энергетику более конкурентоспособной.

Новая солнечная электростанция концентрирующего типа (CSP) — плод сотрудничества германского аэрокосмического центра (DLR) и испанской энергетической компании Endesa, а также нескольких немецких промышленных партнёров.

В этой системе зеркальный жёлоб собирает солнечные лучи и направляет свет на трубу-приёмник. В трубу подаётся вода, которая здесь же и превращается в пар. Он подаётся на турбину, вращающую генератор. В целом тут всё похоже на предыдущие системы такого типа, но в деталях — масса отличий.

Так, в предыдущих солнечных установках типа CSP, в которых солнце греет непосредственно воду, не удавалось получить большую температуру пара. Она составляла порядка 250 градусов по Цельсию.

К тому же с прямой выработкой пара для турбины сложно было организовать буферное накопление энергии. А оно подобной станции необходимо для сглаживания развиваемой мощности и обеспечения работы в облачную погоду или даже после захода светила.

Во многих смыслах куда интереснее выглядят CSP-установки, в которых солнечные зайчики греют не воду, а масло или расплавленную соль. В таких аппаратах промежуточный теплоноситель удаётся разогревать до 390 градусов. По идее, это повышает эффективность. Вдобавок горячая жидкость служит накопителем энергии.

Но промежуточная ступень на пути от солнечного света к электричеству усложняет систему и приводит к лишним потерям тепла. Потому инженеры, разработавшие новую электростанцию, выбрали всё же прямое получение водяного пара в фокусе зеркала.

Однако, чтобы добиться хорошей производительности и эффективности комплекса, они подняли давление в трубах до 120 бар. В результате солнечный концентратор производит перегретый пар при температуре 500 градусов по Цельсию. Это повышает КПД установки и снижает стоимость солнечного электричества.

Интересно был решён и вопрос буферного накопления энергии на случай непогоды. В комбинированной системе «лишние» джоули сохраняются как в форме явного тепла (разогретой массы бетонного накопителя, поясняет Gizmag), так и скрытой теплоты плавления соли.

Выбранная создателями аппарата соль испытывает фазовый переход при постоянной температуре 305 °C. Когда этот накопитель работает на приём энергии, соль превращается в жидкость. В обратном случае соль постепенно переходит в твёрдое состояние, отдавая тепло воде.

В пресс-релизе DLR одна из участниц проекта Дёрте Лаинг (Doerte Laing) рассказывает: «Преимущество такой системы заключается в её способности хранить большое количество энергии в малом объёме и с минимальными изменениями температуры. Энергия здесь может передаваться и поглощаться очень эффективно».

Партнёры намерены использовать экспериментальную испанскую установку до конца 2011 года. В ходе этого длительного теста инженеры хотят проверить работу множества оригинальных узлов. В частности, в системе подвода воды и отвода пара от зеркала-концентратора имеются гибкие соединения. Они позволяют жёлобу поворачиваться и отслеживать перемещение солнца по небосводу.

Немецким и испанским исследователям интересно узнать, как такие сочленения труб поведут себя со временем. Ведь им необходимо оставаться герметичными, выдерживая высокие давление и температуру вместе с механическими нагрузками.

И, конечно, реальная эффективность и полезность комбинированной системы хранения тепловой энергии тоже интересует авторов опытной электростанции.

Цитата
Опытный образец российского гибридного тепловоза будет представлен в конце 2011г.

27.04.2011, Москва 20:52:51 Опытный образец первого российского маневрового тепловоза с гибридной силовой установкой будет представлен в конце 2011г., сообщил генеральный директор центра инновационного развития "Синара - Транспортные машины", вице-президент НП "ОПЖТ" Антон Зубихин в ходе презентации проекта тепловоза Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России и попечительского совета фонда "Сколково".

Как подчеркнул А.Зубихин, слова которого приводит пресс-служба ОПЖТ, использование в конструкции маневрового локомотива интеллектуальной микропроцессорной системы и программного продукта для управления гибридным асинхронным приводом позволит создать продукт с уникальными характеристиками по энергоэффективности и экологичности. В частности, предусматривается сокращение потребления дизельного топлива в пределах 30%, уменьшение выбросов в окружающую среду до 55%. Кроме того, локомотив можно будет использовать как мобильную электростанцию.

В новой машине будут применены активные накопители энергии, а именно литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы. В целом конструкция гибридного тепловоза предполагает использование более 20 инновационных технических решений. .....
http://www.rbc.ru/rb…5251.shtml

Энергетика без углекислого газа?

В XXI веке человечество столкнулось с проблемой глобального потепления, причиной которого считают чрезмерный выброс парниковых газов – углекислого газа, метана, водяных паров.

Из парниковых агентов СО2 далеко не самый сильнодействующий (например, считается, что обычный метан в этом отношении более чем в 20 раз опаснее), но выбросы его самые значительные – на долю углекислого газа приходится около 82% эмиссии всех тепличных газов. Современная топливная энергетика наряду с транспортом и сельским хозяйством является одним из основных загрязнителей атмосферы CO2 – энергетический сектор дает около 25% антропогенных выбросов. В связи с этим во многих странах разрабатываются следующие методы снижения выбросов диоксида углерода на электростанциях:

•    увеличение КПД ТЭС;
•    применение систем Carbon capture and storage (CCS) – систем улавливания и хранения углекислого газа;
•    развитие атомной энергетики, гидроэнергетики, а также
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НиВИЭ).

Согласно прогнозам, в ближайшем будущем основным топливом станет уголь. По этой причине наибольшее развитие могут получить твердотопливные электрические станции – ПГУ IGCC/CCS(IGCC– Integrated Gasification Combined Cycle –внутрицикловая газификация) и пылеугольные ТЭС cсистемами CCS.

Ожидается, что к 2030 году КПД пылеугольных ТЭС может возрасти с 45% до 49% при  снижении удельных капитальных затрат (УКЗ) на строительство:

Динамика развития угольных ТЭС


Однако повышение эффективности энергетических установок приведет лишь к снижению темпов увеличения концентрации СО2 в атмосфере и не решит проблему глобального потепления. Внедрение же систем CCSк 2015–2020 гг. позволит свести к минимуму выбросы углекислого газа, но неизбежно вызовет значительное увеличение УКЗ на строительство, затрат на собственные нужды и как следствие снижение КПД  и рост стоимости электроэнергии как на пылеугольных ТЭС с системой CCS, так и  на ПГУ IGCC/CCS.

Системы улавливания и хранения углекислого газа и действующие станции

1. Классификация

Система CCS может быть организована при работе котла на воздухе или кислороде двумя способами: улавливанием до сжигания топлива (Pre Combustion Capture) и после (Post Combustion Capture). При использовании технологии связывания углерода после сжигания топлива в воздухе весь поток уходящих газов направляется в систему абсорбции CO2. Данный процесс хорошо освоен в химической промышленности. В случае сжигания топлива в кислороде (процесс Oxyfuel) сепарация уходящих газов, состоящих в основном из СО2 и водяных паров, будет осуществляться путем их конденсации.

Технология связывания углекислого газа до сжигания топлива также хорошо освоена в химической промышленности. Использовать ее предполагается на ПГУ IGCC/CCS. Там очищенный синтез-газ будет преобразован в водород и СО2 в реакторе водяного сдвига. Отделение углекислого газа будет осуществляться в системе абсорбции или мембранном реакторе. В стадии разработки находится технология конверсии синтез-газа в СО2 и водорода с использованием химических циклов.

Разработка двухстадийных схем с газификацией твердого топлива и депонированием СО2 осуществляется по двум вариантам. По первому из них работают известные ПГУ IGCC/CCSпо технологии Pre-Combationcapture, а по второму разрабатывают проект ПГУ IGCC/ Oxyfuelcapture, которую предлагает компания CESна ТЭС Kimberlina(США, Калифорния). В этом проекте продукт кислородной газификации – очищенный синтез-газ (смесь CO, CO2, H2) – будет дожигаться в смеси с кислородом в камере сгорания газовой турбины. Выхлопные газы турбоагрегата, состоящие из углекислого газа и водяных паров, будут сепарироваться методом конденсации.

2. Система CCS после сжигания топлива

При сжигании топлива в воздухеустанавливается система разделения уходящих газов абсорбцией. Несомненным достоинством подхода является возможность внедрения на действующих электростанциях без модернизации существующего оборудования, необходима лишь установка системы абсорбции углекислого газа. Недостатками метода являются существенное снижение КПД ТЭС, увеличение затрат на собственные нужды и УКЗ по сравнению с пылеугольным блоком без систем CCS, а также невозможность получения некоторых дополнительных продуктов (водорода, метанола и др.) в отличие от ПГУ IGCC/CCS.

Наибольшее распространение в качестве абсорбента СО2 получили моноэтаноламин (МЭА), соединения аммиака и карбонат калия. Технологию абсорбции аммиаком (Chilled ammonia process) разрабатывает и внедряет компания Alstom. Первая пилотная установка компании, работающая по этой технологии, была запущена на угольной ТЭС Pleasant Prairie (США, штат Висконсин) компании WeEnergiesв 2008 году. На одном из двух блоков станции мощностью 617 МВт была установлена система абсорбции углекислого газа мощностью 5 МВт. В этой схеме менее 1% уходящих газов идет в систему абсорбции, а степень улавливания углекислого газа составляет  90%. Стоимость проекта – около 10 млн. долларов. В апреле 2009 года в Швеции на ТЭС Karlshamn компанией Alstomсовместно с E.ON Thermal Power была запущена вторая пилотная установка абсорбции СО2 аммиаком мощностью 5 МВт. В планах компании Alstomсовместно с AEPзапустить в 2011 году установку мощностью 200 МВт на ТЭС Northeastern (США). Согласно расчетам мощность паровой турбины в данном случае снизится на 8%, а затраты на собственные нужды увеличатся почти на 80%.

При сжигании топлива в кислороде(Oxyfuelcombustion) устанавливается система разделения уходящих газов, работа которой основана на процессе конденсации. При сжигании топлива в воздухе сложности с улавливанием СО2 в значительной степени связаны с его низкой концентрацией в дымовых газах. Кислородное сжигание позволяет получить дымовые газы с содержанием СО2 более 90%, что существенно облегчает его сепарацию.

Промышленных установок, работающих по данной технологии, пока нет: сдерживающими факторами являются высокая температура в зоне горения, высокие затраты на получение кислорода (2–4% от мощности блока) и рециркуляцию газов. Первой в мире демонстрационной ТЭС с технологией Oxyfuel combustionявляется установка с пылеугольным энергоблоком мощностью 30 МВт на территории комбината Schwarze Pumpe (Германия), запущенная в 2008 году. В данном проекте СО2 сжимается в компрессоре до 50 МПа и депонируется на глубину около 1000 м.

При использовании схемы с газификацией твердого топлива ограничения по концентрации кислорода снимаются, а механизм рециркуляции исключается полностью. Понижение адиабатной температуры горения происходит в основном за счет более чем трехкратного уменьшения экзотермического эффекта окисления углерода до монооксида вместо диоксида, а также в результате химического охлаждения (квенчинга) при восстановлении реагирующей смеси водяного пара или СО2, вводимых в реактор для регулирования в сравнительно небольших количествах до Н2 и СО.

Строительство новых ТЭС с системами CCS планируется во многих странах мира – Германии, США, Великобритании, Канаде, Австралии и др.

3. Система CCS до сжигания топлива

Достоинством метода улавливания углекислого газа до сжигания является возможность получения дополнительных продуктов из угля, а также несколько более высокий КПД ТЭС по сравнению с пылеугольными блоками с системами CCSблагодаря технологии ПГУ IGCC/ССSи снижению затрат на газоочистку. Внедрение этого метода на существующем оборудовании невозможно и требуется строительство новых блоков «с нуля». Существенным недостатком данной системы является увеличение УКЗ, затрат энергии на собственные нужды и более низкий КПД нетто по сравнению с пылеугольными блоками без систем CCS.

Метод основан на конверсии синтез-газа в водород в специальном реакторе СО-сдвига. Полученный  газ, состоящий из углекислого газа и водорода, сепарируется в абсорбере или мембранном реакторе. Водород используется в качестве топлива для газовой турбины, на выходе из которой установлен котел-утилизатор, генерирующий пар для паровой турбины.

Одним из основных и в то же время наименее надежным элементом схемы является газификатор – необходима установка радиационно-конвективного пароохладителя, представляющего собой наиболее слабое звено в технологической цепочке производства топливного газа. В настоящее время эту проблему решают в ущерб эффективности путем прямого водяного охлаждения синтез-газа. В будущем, с появлением системы горячей газоочистки, насыщение синтез-газа водой будет осуществляться непосредственно в газификаторе, а не в реакторе СО-сдвига, как сейчас. Из существующих конструкций наиболее удачной является разработка фирмы Siemens – поточный газификатор SFG. В зоне газификации реактора установлены экранные поверхности. Температура в этой зоне составляет 1300–1500°С. В зоне охлаждения в сырой синтез-газ впрыскивается вода, снижающая его температуру до 200°С. В газификаторе поддерживается давление 4 МПа.  Проекты компании Siemensс действующим газификатором SFGприведены в таблице:

Проекты компании Siemens с газификатором SFG



4. Проекты ПГУ с системами CCSдо сжигания

Одним из первых проектов ПГУ с депонированием углекислого газа является угольная ПГУ IGCC с системой CCS до сжигания – ТЭС FutureGen (США, штат Иллинойс). Согласно схеме, представленной на рис. ниже, кислород с чистотой 95% подается в поточный двухстадийный газификатор типа E-Gas. В газификатор подают ВУС, состоящую по массе на 40% из воды и 60% из угля. В качестве топлива планируется использовать уголь Illinois #6 со следующими характеристиками: C= 67,2%, N= 1,0%, S= 3,6%, Cl= 0,19%, O2 = 12,3%, Ac = 10,7%.

Предполагаемая компоновка системы газоочистки ТЭС FutureGen:



1 – золоуловитель; 2 – конденсационная установка; 3 – гидролизная установка;

4 – удаление кислоты; 5 – установка Клауса

На ТЭС FutureGenполученный углекислый газ будет сжиматься пятиступенчатым компрессором до давления 20,4 МПа, охлаждаться до температуры 150°С с переводом в жидкое состояние, после чего депонироваться. Водород в смеси с кислородом будет направляться в камеру сгорания газовой турбины. Для регулирования температуры горения смесь необходимо дополнительно разбавлять азотом из воздухоразделительного устройства. После ГТУ устанавливается котел-утилизатор, выполняющий функции охладителя/конденсатора продуктов сгорания и генерирующий пар высокого давления для паровой турбины (31 МПа, 648°С).

5. Проекты ПГУ IGCC/CCS cо связыванием СО2 после сжигания в турбине

Данная установка внедряется компанией CES на демонстрационной ТЭС Kimberlina (Калифорния, США) в рамках проекта Zero emission power plants (ZEPP). Развитие установки намечено в три этапа. На первом предполагается использовать в качестве топлива природный газ, на втором – синтез-газ внутрицикловой газификации угля / биомассы с системой CCS после сгорания (Oxyfuel), на третьем – создание ПГУ IGCC / CCS на базе высокотемпературной паротурбинной установки (ВПТУ).

Согласно схеме второго этапа, очищенный синтез-газ, состоящий из Н2, СО и СО2, направляется в камеру сгорания газовой турбины для сжигания в кислороде. В результате на выходе из газовой турбины получают смесь водяного пара и углекислого газа, разделение которой происходит в конденсаторе/сепараторе. Полученная в конденсаторе вода после нагрева используется для снижения температуры в камере сгорания газовой турбины до 538–593°С. Особенностью камеры сгорания является подача в нее не чистого водорода, а смеси газов – CO, CO2, H2, H2O. Это может быть синтез-газ из угля/биомассы или природный газ.

Аналогичные проекты будут реализованы компанией CESв Голландии (проект SEQ-1), Норвегии (проект ZENG) и США.

К 2015 году компания CESпланирует модернизировать данную технологию (третий этап) путем объединения газовой и паровой турбины в одном агрегате  – высокотемпературной паротурбинной установке ВПТУ. Модернизированная схема связывания СО2 после сжигания показана на рис.:

Модернизированная схема ПГУ-Т IGCC/CCS со связыванием СО2



после сжигания и с ВПТУ: 1 – газификатор с газоохладителем; 2 – система газоочистки; 3 – ВПТУ

Предполагается, что ВПТУ будет состоять из трех цилиндров. Между ЦВД и ЦСД планируется установка дополнительной камеры сгорания для повышения температуры пара на входе в ЦСД, выполняющей функцию промперегрева.

В России последняя технология позиционируется как технология сжигания водорода. Несомненным достоинством метода является возможность получения дополнительных продуктов из угля, несколько более высокий КПД ПГУ по сравнению с пылеугольными блоками, а также новые возможности для развития турбостроения.

Заключение

Увеличение негативного вклада энергетики в загрязнение окружающей среды, а также действенность механизмов углеродного финансирования стимулирует развитые страны разрабатывать концепцию энергетики без выбросов углекислого газа в атмосферу. Независимо от того, является ли действительно вклад человечества в глобальное потепление определяющим или же нет, активная позиция в области снижения выбросов вредных веществ (не только СО2) стратегически верна сама по себе. Кроме очевидного положительного эффекта улучшения экологической ситуации, в этом случае имеет место существенное развитие технологий, повышение КПД производства энергии, переход на новые топлива и применение новых подходов, таких как ВПТУ, а в перспективе – топливных элементов.



А.Ф. Рыжков, О.И. Рыжков, В.Е. Силин

Надавно, 20 марта 2011, в журнале Nature Nanotechnology  --- Letter

http://www.nature.co…11.38.html

вышла статья авторов

Huigang Zhang, Xindi Yu & Paul V. Braun

из

Department of Materials Science and Engineering, Materials Research Laboratory, and Beckman Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, USA

под названием

Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and -discharge bulk battery electrodes

суть которой, опуская миллион подробностей, такова:

Ахиллесова пята аккумуляторов это медленная дуффузия ионов, что делает быстрый разряд и, что особенно болезненно, быструю зарядку невозможными. Столь же хорошо известно, что быстрый разряд с быстрой зарядкой возможны с суперконденсаторами, но их энергетическя емкость на единицу массы в многие разы ниже, чем у аккумукяторов. Авторы предлагают новую конструкцию литий-ионных батарей, которые можно зарядить на 90% за 2 минуты!

В задаче о диффузии всегда есть характерный масштаб времени

t = L²/D

где L характерный размер электрода, а D диффузии. Никакого реального способа резко увеличить коэффициент диффузии не существует. Значит надо уменьшать L, но емкость аккумулятора с маленьким электродом будет микроскопической. То, что задача решается с помощью наноструктурных электродов, было понято уже давно, в идеале нанощетку каналов диффузии ионов надо вставить в нанощетку каналов диффузии электронов, как было подробно обсуждено  
Long, J. W., Dunn, B., Rolison, D. R. & White, H. S. Three-dimensional battery architectures. Chem. Rev. 104, 4463–4492 (2004), да и они не были самыми первыми. Вопрос в практической реализации, и в П.Браун с сотрудниками сделали важный шаг в этом направлении, сочинив катод с трехмерной сотовой структурой (подпись к рисунку не перевожу):

a, Schematic of a battery containing a bicontinuous cathode. b, Illustration of the four primary resistances in a battery electrode. c, Bicontinuous electrode fabrication process. The electrolytically active phase is yellow and the porous metal current collector is green. The electrolyte fills the remaining pores.


Никелевые метрал-гидридные (NiMH ) катоды получают электросаждением  в пустотах коллоидальных стопок полистироловых сфер диаметром 1.8 микрометров, для литий-ионных катодов берут сферы диаметром 466 нанометров. Полистирол вытравливают, что дает пористость около 74%. Оставшийся "скелет" или нанопену электрополируют и пористость доводится до 94% --- по теории лучше 96.4% не сделать.  Остальные тонкости опускаю. Полученнные катоды имеют толшину в 10 микрометров, но это далеко не предел толщины.  Подпись к фото со сканирующего электронного микроскопа  не перевожу:


SEM images of a bicontinuous three-dimensional electrode during each step of preparation. a, Nickel inverse opal after electropolishing (1.8 µm colloidal particle template). b, Cross-section of NiOOH/nickel composite cathode. c, Cross-section of NiOOH/nickel cathode after cycling. d, Nickel inverse opal after electropolishing (466 nm colloidal particle template). e, MnO2/nickel composite cathode. f, Lithiated MnO2/nickel composite cathode.


Анод стандартный из графита. Авторы подчеркивают, что материалы их катодов не отличаются высокой электропроводностью, но получились отличные батареи. Разрядно-зарядные характеристики новых катодов приведены на этих рисунках

Figure 3: Ultrafast discharge and charge of the NiOOH electrode.
a, Discharge curves of NiOOH/nickel cathode at various C-rates. b, Constant potential charge curves (0.45 V versus silver/AgCl) and 6C discharge curves after charging at constant potential for the indicated time. The curve labelled ‘full charge’ was charged galvanostatically at 1C (т.е., в течение часа, nC означает разряд за 1/n часов).


Figure 4: Ultrafast discharge of the lithiated MnO2 cathode.


Мораль такая: при разряде током в 305 раз выше номинала никелевый катод отдает 90% заряда, и даже при немыслимом токе в 291 ампер на грамм материала катода он отдает 75% заряда за 2.7 с .

Что надо сравнить с коммерческими NiMH батареями, которые при разряде током в 35С сохраняют только 1-2% своей емкости.

С литий-ионными батареями улучшение близкое.

Авторы подчеркивают, что (а) их технику можно распространить на другие катодные материалы, которые ранее отвергались по причине плохой электропроводности, (б) техника может быть внедрена в массовое производство.

Джерри Гранди: человечество справится с истерией

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 05.05.2011

Джерри Гранди (Jerry Grandey), президент канадской уран-добывающей компании "Cameco", готовится выйти в отставку. Он работает в атомной отрасли почти 30 лет, из них последние восемь возглавляет канадский урановый гигант.

Процедура передачи дел преемнику намечена на 30 июня. Но спокойными предпенсионные хлопоты для Гранди не стали. Вмешалась авария на японской АЭС "Фукусима Дайичи", и менеджеру пришлось неделями без перерыва на отдых объяснять общественности, что случилось в Японии и как это повлияет на судьбу атомной отрасли.

Газета "Globe and Mail" взяла у Гранди интервью, фрагменты которого мы приводим ниже.

Вступает ли атомная отрасль в неустойчивый период?[/color]

Не могу не согласиться с этим. Радиофобия вызовет паузу в некоторых новых проектах. Но я настаиваю - всего лишь паузу. Как только люди оценят риски, связанные с другими способами получения энергии, они придут к рациональному заключению - атом, даже с учётом наихудших обстоятельств, всё равно лучше.

Что Вы можете сказать по поводу долгосрочного влияния на окружающую среду?

Если вы действительно озабочены изменением климата и загрязнением воздуха, то атомная энергетика даёт вам гигантский выигрыш.

Всякий раз, когда этот вопрос изучают правительства и учёные, то они приходят, несмотря на TMI-2, Чернобыль и теперь Фукусиму, к одному и тому же заключению: "Наблюдается очень много истерии, но реальное число пострадавших от атомной энергетики существенно меньше, чем от угольного или нефтегазового сектора".

Почему Вы так уверены в своих прогнозах?

У меня врождённая вера в способность человечества преодолеть истерию. Мы обязательно вернёмся к реальным фактам, к реальному положению вещей.

Почему Вы сейчас увольняетесь?

Я работал в урановых компаниях с 1982 года. Мне это нравится, но я немного устал от графика работы - 16 часов в сутки, семь дней в неделю. Настало время, чтобы кто-то привнёс в нашу отрасль новую энергию и свежие идеи.

Многие (неатомные) компании из канадской провинции Саскачеван перенесли свои головные офисы в США. Почему же "Cameco" сохраняет штаб-квартиру в Саскатуне?

Если у вас в провинции находится 70% ваших активов и вы получаете здесь большую часть прибыли, то у вас есть моральные обязательства держать в провинции штаб-квартиру.

Кроме того, в провинции вы можете стать крупнейшим работодателем и претендовать на привлечение к себе лучших специалистов. А в таких городах, как Ванкувер, Калгари, Торонто или Чикаго, вы превратитесь в одного из многих, и вам придётся конкурировать за кадры.

Вы лично, как президент компании, были обязаны жить в Саскатуне?

Так и выходит, если вспомнить, что у нас здесь штаб-квартира. Если вы хотите, чтобы вас воспринимали как руководителя, то вас, прежде всего, должны видеть живьём.

Что самое важное Вы выучили за годы работы?

Атомная отрасль всегда будет под микроскопом. Нужно быть очень активным, объяснять общественности, что вы делаете, и не скрывать ошибок.

Атомщики должны быть на порядок лучше, чем угольная отрасль. Поэтому для нас так важна культура безопасности.

Что для Вас оказалось самым большим разочарованием?

Я слишком поздно понял, что есть такие люди, кто говорит "Мы извлекли уроки", но в реальности этого не делает.

Что Вы посоветуете своему преемнику?

Не становитесь самодовольным и будьте бдительны