Содержание
Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары
Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии – без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.
Редакция сайта
Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа», — поясняет Арунава Майумдар из Калифорнийского университета в Беркли.
Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС).
Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.
Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др.
Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.
Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.
«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции.
Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.
Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».
Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор
https://ria.ru/20211007/spbpu-1753346709.html
Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор
Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор — РИА Новости, 07.10.2021
Электричество из тепла: российские ученые создали передовой генератор
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в… РИА Новости, 07.10.2021
2021-10-07T09:00
2021-10-07T09:00
2021-10-07T09:00
наука
технологии
санкт-петербург
санкт-петербургский политехнический университет петра великого
электричество
навигатор абитуриента
университетская наука
россия
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.
img.ria.ru/images/07e5/0a/06/1753353969_0:63:1200:738_1920x0_80_0_0_059ccb1d5835f8e86acfa4b628183714.jpg
МОСКВА, 7 окт — РИА Новости. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в десятки раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Готовый продукт будет внедрен в производство к концу 2021 года.Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке будет иметь размеры 5×2 миллиметров), переводящее тепловую энергию в электрическую. Это крайне актуально в связи с мировым трендом на декарбонизацию. Генератор, разработанный исследователями СПбПУ, содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.»В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки)», — пояснила директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии») Ольга Квашенкина.
По ее словам, в результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.Как сообщили РИА Новости в университете, научный коллектив завершил теоретическую часть работы, связанную с эффективностью устройства. Ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии. Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».При этом она отметила, что в бытовом плане устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и пр. «В перспективе мы будем стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов», — добавила она.По оценкам ученых, устройство отличается высоким КПД: для выработки тока для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей.
Предполагается, что термоэлектрический генератор устанавливается около комнатной батареи или монтируется в систему отопления, и получаемая электроэнергия идет к электрической разводке, заряжая небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.Как планируют ученые, устройство будет финансово доступно для обычных потребителей. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным. В настоящее время ученые готовят два патента на изобретения. Проект реализован в рамках НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».
https://ria.ru/20210929/mifi-1752172905.html
санкт-петербург
россия
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2021
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/06/1753353969_67:0:1134:800_1920x0_80_0_0_c204583931479d5f946f44063d1edb34.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
технологии, санкт-петербург, санкт-петербургский политехнический университет петра великого, электричество, навигатор абитуриента, университетская наука, россия
Наука, Технологии, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Электричество, Навигатор абитуриента, Университетская наука, Россия
МОСКВА, 7 окт — РИА Новости.
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разрабатывают термоэлектрический генератор нового поколения, который будет в десятки раз эффективнее имеющихся на рынке аналогов. Готовый продукт будет внедрен в производство к концу 2021 года.
Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке будет иметь размеры 5×2 миллиметров), переводящее тепловую энергию в электрическую. Это крайне актуально в связи с мировым трендом на декарбонизацию. Генератор, разработанный исследователями СПбПУ, содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию.
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения
1 из 3
Разработка термоэлектрического генератора нового поколения
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения
2 из 3
Разработка термоэлектрического генератора нового поколения
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУРазработка термоэлектрического генератора нового поколения
3 из 3
Разработка термоэлектрического генератора нового поколения
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ
1 из 3
Разработка термоэлектрического генератора нового поколения
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ
2 из 3
Разработка термоэлектрического генератора нового поколения
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ
3 из 3
Разработка термоэлектрического генератора нового поколения
© Фото : управление по связям с общественностью СПбПУ
«В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки)», — пояснила директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии») Ольга Квашенкина.
По ее словам, в результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.
Как сообщили РИА Новости в университете, научный коллектив завершил теоретическую часть работы, связанную с эффективностью устройства. Ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии. Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».
«Использование термоэлектрического генератора актуально не только для бытовых нужд, но и для промышленности: например, устройство помещается на поверхность турбинного двигателя, который может нагреваться до полутора тысяч градусов, и это тепло, переходя в электрическую энергию, питает датчики, предназначенные для мониторинга состояния систем двигателя», — сообщила Ольга Квашенкина.
При этом она отметила, что в бытовом плане устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и пр. «В перспективе мы будем стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов», — добавила она.
По оценкам ученых, устройство отличается высоким КПД: для выработки тока для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей. Предполагается, что термоэлектрический генератор устанавливается около комнатной батареи или монтируется в систему отопления, и получаемая электроэнергия идет к электрической разводке, заряжая небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.
29 сентября 2021, 09:00Наука
Российские ученые создают виртуальный ядерный реактор
Как планируют ученые, устройство будет финансово доступно для обычных потребителей. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным.
В настоящее время ученые готовят два патента на изобретения. Проект реализован в рамках НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии».
Превращение тепла в электричество | Новости Массачусетского технологического института
Что, если бы ваш кондиционер работал не на обычном электричестве, а на солнечном тепле в теплый летний день? Благодаря достижениям в области термоэлектрических технологий это устойчивое решение может однажды стать реальностью.
Термоэлектрические устройства изготавливаются из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество без каких-либо движущихся частей — качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества. Это явление обратимо: если к термоэлектрическому устройству подать электричество, оно может создать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервные батареи на космических зондах и охлаждение мини-холодильников.
Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут улавливать тепло, производимое в качестве побочного продукта промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло впустую в электричество. Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которое они могут производить, в настоящее время ограничены.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили способ увеличить эту эффективность в три раза, используя «топологические» материалы, обладающие уникальными электронными свойствами. В то время как в предыдущих работах предполагалось, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.
В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи Массачусетского технологического института определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.
«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурированного материала таким образом, что топологические материалы станут хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», — говорит Те-Хуан Лю, постдоктор кафедры механики Массачусетского технологического института. Инжиниринг. «В конце концов, это может быть способ чистой энергии, который поможет нам использовать источник тепла для выработки электроэнергии, что уменьшит выброс углекислого газа».
Лю является первым автором статьи PNAS , в которой участвуют аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичень Сун; Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Биденхарна; и Ган Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.
Свободно пройденный путь
Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию градиента температуры, например, один конец нагревается, а другой охлаждается, электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному, генерируя электрический ток.
Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и тем больше вырабатывается энергии. Количество энергии, которое может быть генерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.
Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования — метода, который ученые используют для синтеза материала путем формирования его характеристик в масштабе нанометров. Ученые считают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью их наноструктур. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.
Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также обладают особыми свойствами, которые имитируют класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.
Исследовательская группа стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова, моделируя движение электронов через материал. Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средний свободный пробег», или среднее расстояние, которое электрон с данной энергией мог бы свободно пройти в материале, прежде чем он был бы рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.
Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый из которых имеет границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию рассеиваться различными путями. Электроны с длинной длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетящие от стены, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега подвержены гораздо меньшему воздействию.
В ходе моделирования исследователи обнаружили, что характеристики электронов теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега.
Они нанесли на график диапазон энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличается от графиков для большинства обычных полупроводников. В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно имеют более длинную длину свободного пробега.
Затем команда изучила, как эти свойства электронов влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, путем суммирования термоэлектрических вкладов электронов с разными энергиями и длинами свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов в условиях температурного градиента во многом зависит от энергии электронов.
В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности потенциалов и, следовательно, электрического тока.
Эти электроны с низкой энергией также имеют большую длину свободного пробега, а это означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны с более высокой энергией.
Уменьшение размера
Сделав еще один шаг вперед в своих симуляциях, команда экспериментировала с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы выяснить, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте. Они обнаружили, что когда они уменьшали диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.
То есть при меньших размерах зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткую длину свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются на границах зерен. Это приводит к большей разности напряжений, которая может быть сгенерирована.
Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерна теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал, произведенный с более крупными зернами.
Лю говорит, что, хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут добиться аналогичных результатов, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерна с помощью метода наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер должен быть намного больше 10 нанометров.
«В ходе нашего моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем считалось ранее, и на основе этой концепции мы можем повысить его эффективность», — говорит Лю.
Теллурид олова — всего лишь один пример многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить.
По словам Лю, если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.
«Я думаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих применений», — говорит Лю.
Это исследование было частично поддержано Твердотельным центром преобразования солнечной тепловой энергии, Центром передовых исследований в области энергетики Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).
Поделитесь этой новостной статьей:
Упоминания в прессе
Boston Globe
Исследователи Массачусетского технологического института усовершенствовали аккумуляторы с жидким натрием, потенциально проложив путь к использованию аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии, сообщает Laney Ruckstuhl для Бостон глобус .
«В отличие от литий-ионных аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах и ноутбуках, аккумуляторы с жидким натрием не потеряют свою емкость быстро».
Полная история через Boston Globe →
Связанные ссылки
- Gang Chen
- Liang Fu
- Mingda Li
- Отдел машиностроения
- Школа наук
.
Выработка электроэнергии из тепла без движущихся частей
Утрехт, город с населением 350 000 человек, в основном передвигающийся на велосипедах, расположенный к югу от Амстердама, стал испытательным полигоном для методов двунаправленной зарядки, которые вызывают живой интерес автопроизводителей, инженеров, городских менеджеров и энергетических компаний во всем мире. Эта инициатива реализуется в условиях, когда обычные граждане хотят путешествовать, не вызывая выбросов, и все больше осознают ценность возобновляемых источников энергии и энергетической безопасности.
«Мы хотели перемен, — говорит Элко Эеренберг, один из заместителей мэра Утрехта и олдермен по вопросам развития, образования и общественного здравоохранения.
Часть изменений связана с расширением городской сети зарядки электромобилей. «Мы хотим предсказать, где нам нужно построить следующую электрическую зарядную станцию».
Так что это хороший момент, чтобы подумать о том, где впервые появились концепции «автомобиль-сеть», и увидеть в Утрехте, как далеко они продвинулись.
Прошло 25 года с тех пор, как эксперт по энергетике и окружающей среде Делавэрского университета Уиллетт Кемптон и экономист по энергетике из колледжа Грин-Маунтин Стив Летендре описали то, что они видели как «зарождающееся взаимодействие между электромобилями и системой электроснабжения». Этот дуэт вместе с Тимоти Липманом из Калифорнийского университета в Беркли и Алеком Бруксом из AC Propulsion заложил основу для передачи энергии от транспортного средства к сети.
Инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток при зарядке автомобиля и обратно при подаче электроэнергии в сеть. Это хорошо для сетки. Еще предстоит ясно показать, почему это хорошо для водителя.
Их первоначальная идея заключалась в том, что автомобили в гараже будут иметь двустороннее компьютерное подключение к электросети, которая сможет получать питание от автомобиля, а также обеспечивать его питанием. Кемптон и Летендре
Статья 1997 года в журнале Transportation Research описывает, как энергия аккумуляторов от электромобилей в домах людей будет питать сеть во время аварийной ситуации или отключения электроэнергии. С уличными зарядными устройствами вам даже не понадобится дом.
В двунаправленной зарядке используется инвертор размером с житницу, расположенный либо в специальном зарядном устройстве, либо на борту автомобиля. Инвертор преобразует переменный ток в постоянный ток при зарядке автомобиля и обратно при подаче электроэнергии в сеть. Это хорошо для сетки. Еще предстоит ясно показать, почему это хорошо для водителя.
Это животрепещущий вопрос. Владельцы автомобилей могут заработать немного денег, возвращая немного энергии в сеть в подходящее время, или могут сэкономить на своих счетах за электроэнергию, или могут таким образом косвенно субсидировать эксплуатацию своих автомобилей.
Но с того момента, как Кемптон и Летендре изложили концепцию, потенциальные пользователи также опасались потерять деньги из-за износа батареи. То есть, не приведет ли циклирование батареи к преждевременному износу самого сердца автомобиля? Эти нерешенные вопросы сделали неясным, приживутся ли когда-нибудь технологии «автомобиль-сеть».
Наблюдатели за рынком стали свидетелями целой череды моментов, когда технология «автомобиль-сеть» практически достигла цели. В 2011 году в Соединенных Штатах Университет Делавэра и базирующаяся в Нью-Джерси коммунальная компания NRG Energy подписали
технологическая лицензия на первое коммерческое развертывание технологии «автомобиль-сеть». Их исследовательское партнерство длилось четыре года.
В последние годы наблюдается всплеск этих пилотных проектов в Европе и США, а также в Китае, Японии и Южной Корее. В Соединенном Королевстве эксперименты
в настоящее время происходит в загородных домах с использованием внешних настенных зарядных устройств, измеряемых для предоставления владельцам транспортных средств кредита на их счета за коммунальные услуги в обмен на загрузку аккумулятора в часы пик.
Другие испытания включают коммерческие автопарки, набор фургонов в Копенгагене, два электрических школьных автобуса в Иллинойсе и пять в Нью-Йорке.
Однако эти пилотные программы так и остались пилотными. Ни одна из них не превратилась в крупномасштабную систему. Это может скоро измениться. Опасения по поводу износа аккумуляторов ослабевают. В прошлом году Хета Ганди и Эндрю Уайт из
Университет Рочестера смоделировал экономику перехода от транспортного средства к сети и обнаружил, что затраты на износ аккумуляторов минимальны. Ганди и Уайт также отметили, что капитальные затраты на батареи со временем заметно снизились: с более чем 1000 долларов США за киловатт-час в 2010 году до примерно 140 долларов США в 2020 году.
По мере того, как технология перехода от транспортного средства к сети становится доступной, Утрехт становится одним из первых мест, где ее полностью внедряют.
Ключевой силой изменений, происходящих в этом продуваемом всеми ветрами голландском городе, является не тенденция мирового рынка или зрелость инженерных решений.
Это мотивированные люди, которые также оказываются в нужном месте в нужное время.
Один из них — Робин Берг, основавший компанию под названием
We Drive Solar из его дома в Утрехте в 2016 году. Он превратился в оператора по совместному использованию автомобилей с 225 электромобилями различных марок и моделей — в основном Renault Zoes, а также Tesla Model 3s, Hyundai Konas и Hyundai Ioniq 5s. Попутно привлекая партнеров, Берг наметил способы обеспечить двунаправленную зарядку для парка We Drive Solar. Сейчас в его компании 27 автомобилей с возможностью двунаправленного движения, и ожидается, что в ближайшие месяцы будет добавлено еще 150.
В 2019 году король Нидерландов Виллем-Александр руководил установкой двунаправленной зарядной станции в Утрехте. Здесь король [в центре] показан вместе с Робином Бергом [слева], основателем We Drive Solar, и Жеромом Панно [справа], генеральным менеджером Renault в Бельгии, Нидерландах и Люксембурге.
Патрик ван Катвейк/Getty Images
Собрать этот флот было непросто. Два двунаправленных Renault Zoe We Drive Solar — это прототипы, которые Берг получил в партнерстве с французским автопроизводителем. Серийные Zoe, способные к двунаправленной зарядке, еще не вышли. В апреле прошлого года Hyundai поставила We Drive Solar 25 двунаправленных дальнобойных Ioniq 5. Это серийные автомобили с модифицированным программным обеспечением, которые Hyundai выпускает в небольшом количестве. Компания планирует внедрить эту технологию в стандартную комплектацию будущей модели.
1500 абонентов We Drive Solar не должны беспокоиться об износе аккумуляторов — если это проблема компании, то Берг так не думает. «Мы никогда не доходим до краев батареи», — говорит он, имея в виду, что батарея никогда не переводится в состояние высокого или низкого уровня заряда, чтобы существенно сократить срок ее службы.
We Drive Solar — это не бесплатный сервис, который можно забрать из приложения и доставить туда, куда вы хотите.
Для автомобилей предусмотрены специальные парковочные места. Абоненты бронируют свои автомобили, забирают и сдают их в одном и том же месте и ездят на них, куда хотят. В тот день, когда я был у Берга, две его машины направлялись в швейцарские Альпы, а одна направлялась в Норвегию. Берг хочет, чтобы его клиенты рассматривали определенные автомобили (и связанные с ними парковочные места) как свои собственные и регулярно пользовались одним и тем же транспортным средством, обретая чувство собственности на то, чем они вообще не владеют.
То, что Берг сделал решительный шаг в сфере совместного использования электромобилей и, в частности, в сетевых технологиях, таких как двунаправленная зарядка, неудивительно. В начале 2000-х он основал местного поставщика услуг под названием LomboXnet, установив антенны Wi-Fi в пределах прямой видимости на шпиле церкви и на крыше одного из самых высоких отелей города. Когда интернет-трафик начал переполнять его радиосеть, он проложил оптоволоконный кабель.
В 2007 году Берг получил контракт на установку солнечных батарей на крыше местной школы с идеей создания микросети. Сейчас он управляет 10 000 панелями на крышах школ по всему городу. В его шкафу в прихожей стоит коллекция счетчиков электроэнергии, которые отслеживают солнечную энергию, частично поступающую в аккумуляторы электромобилей его компании — отсюда и название компании We Drive Solar.
Берг не узнал о двунаправленной зарядке через Кемптона или кого-либо из первых чемпионов технологии «автомобиль-сеть». Он услышал об этом из-за
Катастрофа на АЭС Фукусима десять лет назад. В то время у него был Nissan Leaf, и он читал о том, как эти автомобили обеспечивали аварийное электроснабжение в районе Фукусимы.
«Хорошо, это интересная технология», — вспоминает Берг. «Есть ли способ масштабировать его здесь?» Nissan согласился отправить ему двунаправленное зарядное устройство, и Берг позвонил градостроителям Утрехта, сказав, что хочет проложить для него кабель.
Это привело к большему количеству контактов, в том числе в компании, управляющей местной низковольтной сетью,
Стедин. После того, как он установил свое зарядное устройство, инженеры Стедина захотели узнать, почему его счетчик иногда работал в обратном направлении. Позже Ирэн тен Дам из Утрехтского агентства регионального развития узнала об его эксперименте и была заинтригована, став сторонником двунаправленной зарядки.
Берг и люди, работающие в городе, которым нравилось то, что он делал, привлекли новых партнеров, в том числе Стедина, разработчиков программного обеспечения и производителя зарядных станций. К 2019 году
Виллем-Александр, король Нидерландов, руководил установкой двунаправленной зарядной станции в Утрехте. «Как для города, так и для сетевого оператора самое замечательное то, что они всегда ищут способы масштабирования», — говорит Берг. Они не просто хотят сделать проект и сделать отчет о нем, говорит он. Они действительно хотят перейти к следующему шагу.
Следующие шаги выполняются все быстрее.
В настоящее время в Утрехте имеется 800 двунаправленных зарядных устройств, разработанных и изготовленных голландской инженерной фирмой NieuweWeme. Скоро городу понадобится гораздо больше.
Количество зарядных станций в Утрехте резко возросло за последнее десятилетие.
«Люди покупают все больше и больше электромобилей, — говорит Иренберг, олдермен. Городские власти заметили всплеск таких покупок в последние годы только для того, чтобы услышать жалобы от жителей Утрехта на то, что им пришлось пройти долгий процесс подачи заявок, чтобы установить зарядное устройство там, где они могли бы его использовать. Эеренберг, ученый-компьютерщик по образованию, все еще работает над тем, чтобы развязать эти узлы. Он понимает, что город должен двигаться быстрее, если он хочет выполнить требование правительства Нидерландов, согласно которому все новые автомобили через восемь лет должны быть с нулевым уровнем выбросов.
Количество энергии, используемой для зарядки электромобилей в Утрехте, резко возросло в последние годы.
Несмотря на то, что аналогичные предписания по увеличению количества автомобилей с нулевым уровнем выбросов на дорогах в Нью-Йорке и Калифорнии в прошлом не срабатывали, сейчас потребность в электрификации автомобилей возрастает. И городские власти Утрехта хотят опередить спрос на более экологичные транспортные решения. Это город, который только что построил центральный подземный гараж на 12 500 велосипедов и потратил годы на то, чтобы прорыть автостраду, проходящую через центр города, и заменить ее каналом во имя чистого воздуха и здорового городского образа жизни.
Движущей силой этих изменений является Маттейс Кок, городской менеджер по энергопереходу. Он провел меня — естественно, на велосипеде — по новой зеленой инфраструктуре Утрехта, указав на некоторые недавние дополнения, такие как стационарная батарея, предназначенная для хранения солнечной энергии от множества панелей, которые планируется установить в местном жилом комплексе.
На этой карте Утрехта показана городская инфраструктура для зарядки электромобилей.
Оранжевые точки — расположение существующих зарядных станций; красные точки обозначают разрабатываемые зарядные станции. Зеленые точки — возможные места для будущих зарядных станций.
«Вот почему мы все это делаем», — говорит Кок, отходя от своего велосипеда и указывая на кирпичный сарай, в котором находится трансформатор мощностью 400 киловатт. Эти трансформаторы являются последним звеном в цепи, которая идет от электростанции к высоковольтным проводам, к подстанциям среднего напряжения, к низковольтным трансформаторам и кухням людей.
В обычном городе таких трансформаторов тысячи. Но если слишком много электромобилей в одном районе нуждаются в зарядке, такие трансформаторы могут легко перегрузиться. Двунаправленная зарядка обещает облегчить такие проблемы.
Кок работает с другими в городском правительстве над сбором данных и созданием карт, разделяющих город на районы. Каждый из них аннотирован данными о населении, типах домохозяйств, транспортных средств и других данных.
Вместе с нанятой группой по анализу данных и при участии обычных граждан они разработали алгоритм, основанный на политике, чтобы помочь выбрать лучшие места для новых зарядных станций. Город также включил стимулы для развертывания двунаправленных зарядных устройств в свои 10-летние контракты с операторами зарядных станций для транспортных средств. Итак, в этих зарядках пошли.
Эксперты ожидают, что двунаправленная зарядка будет особенно хорошо работать для транспортных средств, которые являются частью автопарка, движение которого предсказуемо. В таких случаях оператор может легко запрограммировать, когда заряжать и разряжать автомобильный аккумулятор.
We Drive Solar зарабатывает кредит, отправляя энергию аккумуляторов из своего парка в местную сеть в периоды пикового спроса и подзаряжая аккумуляторы автомобилей в непиковые часы. Если это так хорошо, водители не теряют запас хода, который им может понадобиться, когда они забирают свои машины. И эти ежедневные сделки по энергоснабжению помогают снизить цены для абонентов.
Поощрение схем совместного использования автомобилей, таких как We Drive Solar, нравится властям Утрехта из-за проблем с парковкой — хронической болезни, характерной для большинства растущих городов. Огромная строительная площадка недалеко от центра Утрехта скоро добавит 10 000 новых квартир. Дополнительное жилье приветствуется, но дополнительных 10 000 автомобилей не будет. Планировщики хотят, чтобы это соотношение было больше похоже на одну машину на каждые 10 домохозяйств, и количество выделенных общественных парковок в новых районах будет отражать эту цель.
Некоторые автомобили We Drive Solar, в том числе Hyundai Ioniq 5, поддерживают двунаправленную зарядку. We Drive Solar
Прогнозы крупномасштабной электрификации транспорта в Европе обескураживают. Согласно отчету Eurelectric/Deloitte, к 2030 году в Европе может быть от 50 до 70 миллионов электромобилей, для чего потребуется несколько миллионов новых точек зарядки, двунаправленных или иных.
Для поддержки этих новых станций распределительным сетям потребуются сотни миллиардов евро инвестиций.
За утро до того, как Эеренберг сел со мной в мэрии, чтобы объяснить алгоритм планирования Утрехтской зарядной станции, на Украине разразилась война. Цены на энергоносители в настоящее время напрягают многие домохозяйства до предела. Бензин достиг 6 долларов за галлон (если не больше) в некоторых местах в Соединенных Штатах. В середине июня в Германии водителю скромного VW Golf пришлось заплатить около 100 евро (более 100 долларов США) за заправку бака. В Великобритании счета за коммунальные услуги выросли в среднем более чем на 50 процентов 1 апреля.
Война перевернула энергетическую политику на европейском континенте и во всем мире, сосредоточив внимание людей на энергетической независимости и безопасности и укрепив уже начатую политику, такую как создание зон без выбросов в центрах городов и замена обычных автомобилей электрическими. те. Часто неясно, как лучше осуществить необходимые изменения, но моделирование может помочь.
Нико Бринкель, работающий над докторской диссертацией в
Лаборатория интеграции фотогальваники Вильфрида ван Сарка в Утрехтском университете фокусирует свои модели на местном уровне. В
Согласно своим расчетам, в Утрехте и его окрестностях укрепление низковольтной сети стоит около 17 000 евро за трансформатор и около 100 000 евро за километр сменного кабеля. «Если мы перейдем к полностью электрической системе, если мы добавим много энергии ветра, много солнечной энергии, много тепловых насосов, много электромобилей…», — его голос затихает. «Наша сеть не была предназначена для этого».
Но электрическая инфраструктура должна не отставать.
Одно из исследований Бринкеля предполагает, что если бы большая часть зарядных устройств для электромобилей была двунаправленной, такие расходы можно было бы распределять более управляемым образом. «В идеале, я думаю, было бы лучше, если бы и все новых зарядных устройств были двунаправленными», — говорит он. «Дополнительные расходы не так уж велики».