Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Фактории

Ключевые слова:  автоматическое производство, альтернативная энергетика, мнение, накопление энергии, нефтехимия, периодика

Автор(ы): Набиуллин Александр

Опубликовал(а):  Набиуллин Александр Ринатович

08 октября 2010

Ранее (http://www.nanometer.ru/2010/09/30/alternativnaa_energetika_218370.html) мы рассмотрели проблемы накопления энергии, полученной альтернативными путями. Немного пофантазируем о реализации её накопления.

Предположим, у нас есть солнечная электростанция средней мощностью 1 МВт, вырабатываемой 10 часов в сутки, расположенная в жаркой, каменистой пустыне. До ближайших электросетей слишком далеко и вырабатываемую энергию сбрасывать некуда. Как её использовать?

Ответ, в общем-то, очевиден: система должна в автоматическом режиме вырабатывать некий необходимый продукт, удобный в транспортировке.

Одним из вариантов является утилизация энергии для проведения химических процессов. Например, получение моторного топлива и периодическая транспортировка его цистернами, получение метанола, получение металлов электролизом. Для получения топлива можно реализовать старые схемы, практически не используемые сейчас ввиду энергоёмкости и неконкурентоспособности с нефтью. Например: прямое гидрирование углерода, получение моторного топлива из синтез-газа. Получение метанола менее предпочтительно ввиду его высокой летучести (а у нас по исходному условию - пустыня) и сравнительно (с углеводородами) низкой калорийности.

Большая часть технологий, необходимых для реализации топливной схемы существуют уже сейчас. Итак, нам необходимы оксид углерода, водород и эффективные катализаторы. Кроме того, источник тепла и источник холода. Рассмотрим способы реализации каждого фактора.

Водород придётся получать электролизом воды. Это основная область расхода энергии, вырабатываемой станцией. Водород можно получать и конверсией угля, но в этом случае солнечная электростанция уже не нужна и сооружение такой фактории в труднодоступных местах теряет смысл. Для электролиза нужна вода, дистиллированная или очищенная обратным осмосом и ионообменниками. В идеальном случае источником воды служат грунтовые воды или роса (если суточные колебания влажности позволяют ей образовываться), в худшем варианте воду придётся завозить цистернами или подавать трубопроводом. Вторым продуктом электролиза является кислород. Он, в общем-то, является отходом производства, так как вырабатываемые количества для самого производства избыточны.

Оксид углерода удобнее всего получать взаимодействием угля, или битуминозных песков, или горючих сланцев с кислородом и парами воды. Горение углеродистых материалов в кислороде, побочно получаемом электролизом при выработке водорода, даёт СО и развивает чрезвычайно высокую температуру. Избыточную тепловую энергию можно израсходовать в эндотермических реакциях между углеродом и водой с образованием оксида углерода и дополнительного количества водорода, хотя это не приведёт к увеличению выработки топлива, поскольку лимитирующим фактором является наработка водорода электролизом. Для утилизации тепловой энергии рационально поставить небольшую тепловую электростанцию.

Катализаторы. Это одна из наиболее ответственных и капризных частей всей установки. Катализаторы должны быть активными, не отравляться серой и другими примесями, попадающими из угля при получении СО, иметь возможность работы в переменном режиме, так как выход энергии непостоянен и скорость процесса может сильно меняться. Кроме этого, они должны быть либо достаточно дешёвыми, либо хорошо регенерироваться.

Источник тепла. С этим ресурсом вопросов не возникает. Тепло можно получать при горении углерода (получение СО), либо нагревательными элементами, расходуя мощность станции. Возможна и комбинированная схема: в светлое время суток нагреватели работают от Солнца, в тёмное – от газогенератора.

Источник холода. Полученную после реакции газовую смесь необходимо охладить ниже температуры кипения воды и разделить на топливо, воду и непрореагировавшую смесь СО и водорода. Необходим источник с низкой температурой. Его роль могут выполнять горные породы, расположенные на глубине. Однако у горных пород есть недостаток: их в принципе можно прогреть (если скорость поступления тепла превосходит скорость его рассеивания) и тогда установка перестанет работать. В идеале необходимы грунтовые воды, либо водонаполненные породы. Для транспортировки холода необходима холодильная машина с развитой системой теплообменников. Она же, в принципе, способная выполнять и роль дополнительной энергетической подстанции.

Прочее оборудование.

Необходим отстойник для отделения нефтепродуктов от воды. Необходимы фильтры для очистки отделившейся воды перед повторным использованием. Нужны системы накопления СО и водорода, компрессоры, теплообменники, бункеры для хранения угля, воды и полученной нефти, транспортёры, дозаторы, автоматические сенсорные системы для регулирования состава газовой смеси, наконец – управляющая компьютерная система для всего этого хозяйства. Потребуются и автоматические системы пожаротушения, связи, система сброса и сжигания газов при критической поломке оборудования и многое другое. Кроме того, все эти системы должны иметь высокую надёжность работы (автономность не менее полугода) и модульное исполнение, позволяющее их быстро монтировать и чинить.

Рассчитаем, сколько топлива сможет нарабатывать такая установка. Пусть, выход процесса переработки по запасаемой энергии составляет 70%. То есть, из каждого мегаджоуля энергии 700 кДж конвертируется в моторное топливо, а 300 теряется в процессе его получения. Суммарная выработка энергии в течение суток составит 36000 МДж (10 часов при мощности 1 МВт). Из этого количества 25200 МДж превратится в топливо. При теплоте сгорания дизельного топлива равной 42,7 МДж/кг это эквивалентно 590 кг топлива. В течение месяца получится 17,7 тонны, в течение года 215,35 тонны. Естественно, цифры идеализированы. Они не учитывают оседание пыли на элементах, что приводит к уменьшению выработки энергии, дни низкой солнечности, неравномерность мощности падающего солнечного излучения в течение года и ряд других факторов.

Дополнительные прикладные и фундаментальные возможности установки. При работе электролизёров можно получать в качестве очень ценного побочного продукта тяжёлую воду, которая постепенно будет накапливаться в электролите. Отработка автономных производственных систем может дать неоценимый опыт при разработке систем колонизации космических объектов.



Средний балл: 7.9 (голосов 8)

 


Комментарии
Спасибо!
Владимир Владимирович, 08 октября 2010 14:34 
А можно просто поставить "солнечные батареи" и просто транспортировать электроэнергию по высокотемпературным сверхпроводникам, которые уже вот вот создадут после многих лет изнурительной работы (и не загрязнять как окружающую среду, так и информационные пространства...)
Палии Наталия Алексеевна, 08 октября 2010 15:12 
Альтернативный вариант - заправить полученным топливом мобильную установку-ветрогенератор... и дальше фантазировать, где вырабатывать и как/где применять полученную электроэнергию
Gromolyot, 10 октября 2010 00:39 
В каменистой пустыне можно производить строительные материалы, цемент. Через
некоторое время пустыня перестанет быть каменистой.
С логистикой непонятно. Если из пустыни нет возможности транспортировать
энергию, хотя провода дешевле чем дорога, тогда о какой химии речь?
Палии Наталия Алексеевна, 10 октября 2010 17:39 
А с нанотехнологиями - разве понятно, или с экономическими/эргономическими расчетами ?
Владимир Владимирович, предложите решение лучше. Серьёзно, вопрос альтернативной батареи открыт.

Gromolyot, это вряд ли. Для стройматериалов нужны горные породы (известняк в первую очередь), которых в пустыне обычно нет.

Евгений Иванович, дорога, в общем-то, необязательна. А провода в пустыне... Не уверен, что это вообще нормально реализуемо.
Владимир Владимирович, 11 октября 2010 18:20 
Лучше и реальнее - солнечные батареи (вокруг и рядом, а не где-то в пустыне) и генерация электричества.
Из химии - прямое расщепление воды (ну или электролиз энергией солнечных батарей) и хранение водорода в пористых материалах. (На эту тему работает не только множество ученых, но и DOE).
Не прокатит.
Посчитайте, сколько метров батарей надо для обеспечения одного человека на средней широте. При интенсивности света максимум 700 Вт/м2 и длительнсти дня в 6-8 часов. И энергопотреблении хотя бы 5 кВт. КПД батарей пусть будет 15%.

Прикинули? У меня вышло около 170 квадратных метров. Значит, в реале надо раза в 4 больше и тонну аккумуляторов впридачу. Разместить такое хозяйство в крупном городе невозможно. Да и бессмысленно. Запылится, забрызгается, птички накакают. КПД вообще уйдёт в ноль.

Прямое расщепление воды - это, конечно, красиво. Вот только делить потом смесь водорода и кислорода... А пористые материалы накапливают не так уж много водорода, да и транспортировать их потом...

Так что станции будут вдали от городов, а хранение энергии по прежнему не отработано.
Владимир Владимирович, 11 октября 2010 20:34 
Александр Ринатович,
Моя мысль была - то что предложили Вы в статье - не реально и не жизнеспособно.
Далее можно обсуждать долго и занудно...

делить потом смесь водорода и кислорода...

Вы в курсе про катоды и аноды?

А пористые материалы накапливают не так уж много водорода, да и транспортировать их потом...

Если Вы бы взглянули хоть одним глазом (а я ни в коем случае не эксперт), то и с емкостью и с безопасностью хранения решение вопросов декларировано. Плохо пока с числом циклов долгосрочной эксплуатации.
Вполне реально, но нежизнеспособно. По крайней мере, пока.

Вообще, альтернативная энергетика на Земле - это большая и дорогая игра с не совсем понятными целями.

По электролиз я в курсе. Но ведь воду можно щепить и фотохимически. Вот тогда и будет гремучая смесь.
Владимир Владимирович, 11 октября 2010 22:58 
По электролиз я в курсе. Но ведь воду можно щепить и фотохимически. Вот тогда и будет гремучая смесь.

А можно, пожалуйста, поподробнее - как это Вы себе представляете, чтобы без "катода" и "анода"??
Не было печали - купила ....

Если задача не решается в одной плоскости, значит и не должна решаться.
Перейдите в другую - грейте воду зеркалами.
Например, тут: http://www.c...8-6/107.pdf есть небольшой раздел про фотохимическое расщепление воды. И если не будет доноров электронов, то должны выделяться газы.

Евгений Иванович, СЭС надо ставить вдали от городов и при этом не на сельхоз землях и не в лесах. Каменистые пустыни - оптимум. Но транспортировка энергии оттуда - это совсем другая история.
Александр Ринатович,
поисковые исследования и реализация конкретного проекта преследуют разные
задачи и разные методы оченки результатов.
Первые - расширяют наши горизонты, вторые - решают конкретные задачи и, как
правило, имеют сроки, бюджет, но и нужный результат.
Палии Наталия Алексеевна, 12 октября 2010 20:15 
Но транспортировка энергии оттуда - это совсем другая история. - История УСПЕХА от фирмы Сименс, использовавшей технологию HVCD ... вспомним про мультидисциплинарный подход
Ну что ж..
Пусть это будут загоризонтные взгляды и рассуждения
Палии Наталия Алексеевна, 14 октября 2010 17:33 
транспортировать электроэнергию по высокотемпературным сверхпроводникам- но не в пустыне, а в пределах города Сеула, причем в ближайшем будущем ( Nature News 8 Oct. ) - американской компании сделан заказ на 3.000.000 м (!) сверхпроводящего провода на основе керамики YBCO (ceramic compound yttrium barium copper oxide)
Это не керамика, а наверняка ленты, RABiTS
Палии Наталия Алексеевна, 16 октября 2010 19:55 
Не RABiTS, в заметке Superconductors come of age написано о керамике: "The superconducting wire is made using the ceramic compound yttrium barium copper oxide (YBCO), part of a family of 'high-temperature' superconducting ceramics that were first discovered in 1986. It remains a superconductor up to 93 kelvin (–180оC), meaning it can be cooled using liquid nitrogen....David Cardwell, professor of superconducting engineering at the University of Cambridge, UK, says it has taken nearly 25 years for YBCO to be commercialized because a brittle ceramic "is exactly what you don't want for making wires"...according to both Carrington and Cardwell, YBCO is the material most likely to be used to rejuvenate power grids across the world. ",- только YBCO и упоминается - сейчас Nature News в свободном доступе, также как и Editorials.
Палии Наталия Алексеевна, 17 октября 2010 20:37 
Возвращаясь к пустыням, башни, оснащенные солнечными батареями, предполагается установить в Объединенных Арабских Эмиратах и в Намибии
Мда...

Насколько я помню, проект подобный Намибии, был реализован в исследовательском варианте в Испании. Но в серию не пошёл, хотя там вроде всё работало. Пока теплицы не накрылись.

А тут оголтелый гигантизм. Причём непонятно для чего. Здесь как раз та ситуация, что вырабатываемая энергия не нужна.
Палии Наталия Алексеевна, 18 октября 2010 15:22 
В Намибии планируется еще выращивать сельскохозяйственные культуры ( так что потребитель должен быть где-то рядом)
Наталия Алексеевна, Вы суховей "в работе" видели?

В тех условиях (мощные потоки горячего сухого воздуха) засохнут даже кактусы.
Палии Наталия Алексеевна, 18 октября 2010 20:44 
Александр Ринатович, если Вы внимательно читали заметку, то заметили, что у Намибийской Башни основание - теплица, где и планируется выращивать сельхоз.культуры ("Additionally, the base of each tower will function as a 37 square km greenhouse where crops can be grown"), и становится понятно, для чего тут оголтелый гигантизм
Единственное, до чего не додумались авторы проекта - обратиться с просьбой о финансировании в фонд Билла и Мелинды Гейтс (как раз одной из задач фонда является решение продовольственной проблемы в странах Африки)
Наталия Алексеевна, я читал внимательно. И кое-что просчитывал. Такая теплица невозможна. То есть она то возможна, но в ней ничего не вырастет. Причина: солнечная башня будет работать как огромная сушилка, мощностью не менее 400 МВт (реально тепловая мощность будет больше где-то в 10 раз). Итого - 4 ГВт.
За сутки такая система способна испарять 50-55 тыс. тонн воды. Это превышает все допустимые нормы орошения.

Гигантизм установки диктуется необходимостью создания воздушной тяги для работы генераторов. Чем выше труба - тем больше тяга.

Вообще, вдумайтесь в словосочетание: теплица в пустыне. Зачем там лишнее тепло? Для ускоренного роста? Бред это.
Палии Наталия Алексеевна, 19 октября 2010 12:44 
Вообще, вдумайтесь в словосочетание: теплица в пустыне. - Конечно, "теплица" - не самый удачный вариант перевода "greenhouse" в рассматриваемом случае. Скорее, нужно перевести - "оранжерея". А толкование слова greenhouse - "a building with glass walls and roof; for the cultivation and exhibition of plants under controlled conditions" в словаре
[URL=wordnetweb.princeton.edu/perl/webwn] Принстонского университета[/URL] лучше всего отражает суть.
Интересно, что и цветы, и овощные культуры (на экспорт) в других странах Африки тоже выращивают в оранжереях. А сухофрукты получают, высушивая фрукты в специальных печах, а не на солнце - как-по показывали такой сюжет в одной из передач на канале Discovery (или National geographic). По-видимому, затраты оправдываются - при улучшении качества продукции
Владимир Владимирович, 19 октября 2010 12:50 
(Бессовестно подражая Александру Ринатовичу)
Да бред все это оголтелый! Карамба-каламбур!!
В пустыне должны расти кактусы!
Палии Наталия Алексеевна, 19 октября 2010 17:35 
Но судя по картинке, там, в пустыне, среди заснеженных гор, в еловом лесу затерялась деревушка...
Вообще-то, перевод удачный. Функции этого циклопического сооружения у основания трубы - греть воздух. Нагретый воздух поднимается, создаёт тягу, крутит турбину и генератор. Загорается лампочка Чем больше греется воздух - тем больше мощность устройства.

Вот только внутри формируется форменный суховей. С температурой под 100 градусов у основания башни. Для с/х - абсолютно неприемлимо.

---
Но судя по картинке, там, в пустыне, среди заснеженных гор, в еловом лесу затерялась деревушка...
---

Точно.
У меня слово фактории как-то ассоциируется с Купером, Кервудом и Джеком Лондоном. Словом, Аляска времён золотой лихорадки.
Трусов Л. А., 19 октября 2010 23:12 
нужно тоннель прокопать из намибии в россию - теплый воздух отводить.
всем польза

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Кристаллы полученные изотермическим испарением растворителя
Кристаллы полученные изотермическим испарением растворителя

Разминочные викторины по предметам стартовали на Наноолимпиаде
ХIV Всероссийская олимпиада по нанотехнологиям началась. Мы открыли впервые за 13 лет отдельные тесты для школьников по основным предметным направлениям - химии, физике, математике, биологии. Это первые (новые) официальные конкурсы олимпиады, фактически, разминка, дальше будет больше и интереснее...

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»:Динамическое термоодеяло по мотивам кожи кальмара. Газоанализатор на висмутене. Фуллерены для Тиффани. Магнетизм доменной стенки в сегнетоэлектрике или магнитоэлектрическая “сказка наоборот”. 100-летний юбилей академика Исаака Марковича Халатникова. Нобелевская премия 2019.

"Новые нанотехнологии" для "Кванториума"
Новая образовательная программа по основам нанотехнологий разработана для детских технопарков «Кванториум»

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.