Когда Озгур Сахин и его коллеги из Колумбийского университета заговорили о генераторах испарения как об источнике возобновляемой энергии, наши глаза засекли. Могут ли Соединенные Штаты действительно, как они сказали в Nature Communications, получить 69 процентов (приблизительно 325 гигаватт) своих энергетических потребностей от воды, которая испаряется из наших водохранилищ, озер и рек?
Краткий ответ: нет. Числа Сахина были основаны на экстраполяции небольшого исследования изобретенной им машины, которая генерирует энергию посредством испарения. Этот небольшой плоский «двигатель испарения» расположен на поверхности водоема и использует колебания влажности для открытия и закрытия вентиляционных отверстий, которые могут запускать генератор. Чтобы получить число, Сахин умножил мощность, которую он получал от этого устройства, на общую площадь озер, рек и водохранилищ в США. Но, конечно, мы не собираемся охватывать каждое озеро и реку. Нам - и природной экосистеме - они нужны для других целей.
Но это не значит, что мы не можем извлечь выгоду из этой технологии и использовать ее в меньших масштабах в качестве источника возобновляемой энергии. Как это может выглядеть? Что мы ждем? Вот пять вопросов о мощности испарения, которые у вас могут возникнуть.
Вы можете получить энергию от испарения? Как это работает?
Игрушка из пьющей птицы, которую учитель физики в старшей школе держал на столе, - доказательство того, что ты можешь. Водяное тело поглощает тепло солнца - примерно половина всей солнечной энергии используется таким образом - и постепенно выделяет пары в воздух. Самая простая итерация двигателя испарения покрыта полосками ленты, которые сами покрыты бактериальными спорами. Когда водяной пар накапливается под полосками ленты, бактерии поглощают его и удлиняют. Это заставляет ленту изгибаться, одновременно открывая вентиляционное отверстие и толкая рычаг, который можно преобразовать из механической энергии в электрическую. Вентиляционное отверстие выпускает пар, споры высыхают, и в течение нескольких секунд лента конденсируется, вентиляционное отверстие закрывается, и цикл начинается снова.
В документе, опубликованном Сахином в этом году, упоминается не только его собственная технология улавливания энергии, но и любой тип харвестерного испарителя. В случае с двигателем Сахина, который он и его коллеги опубликовали в Nature Communications в 2015 году, он работает через расширение и сокращение бактериальных спор. В отличие от турбины, которая использует тепло для привода двигателя, «мышцы», образованные из спор, расширяются и сжимаются в зависимости от влажности - когда влажность повышается, споры расширяются, удлиняя полосы материала, подобного ленте, к которому они прикреплены, и открывая своего рода вентиляцию. Теперь, когда вентилируется, влажность уменьшается, споры сжимаются, вентиляционное отверстие закрывается, и цикл сбрасывается. Когда это происходит, движение полос толкает небольшое колесо, а вращение приводит в движение генератор.
Двигатель испарения находится на поверхности воды (синий) здесь. Когда вода на поверхности ниже испаряется, она приводит в движение поршневое движение вперед-назад, которое вырабатывает электричество при подключении к генератору. (Си Чен) Может ли это заменить солнечные или другие возобновляемые источники энергии?
Так же, как солнце, ветер, гидро и почти все остальное, энергия испарения исходит от солнца. Солнечная энергия уникальна тем, что она получена напрямую, говорит Аксель Клейдон, ученый по системам Земли в Институте Макса Планка, который был рецензентом последней статьи Nature Communications . Все остальные имеют своего рода посреднический процесс, который снижает эффективность. При снижении цены на солнечную энергию маловероятно, что мощность испарения будет более рентабельной по сравнению с солнечными батареями.
Клейдон изучает преобразования энергии природных процессов в больших масштабах. Например, он говорит, что энергия ветра зависит от солнечного света, который был преобразован в тепло, а затем от ветра атмосферой, каждый раз накапливая потери, невиданные в солнечной энергии. Кроме того, чем больше ветряных турбин вы устанавливаете, тем меньше энергии остается в атмосфере для того, чтобы каждая турбина выходила из нее. То же самое относится и к энергии испарения.
Южная и западная часть Соединенных Штатов обладают наибольшей способностью вырабатывать генерируемую испарением энергию из озер и водохранилищ. (Ахмет-Хамди Чавушоглу) Если это не приведет к значительному сокращению потребности в других источниках энергии, то что мы можем извлечь из этого?
Нет единого ответа на потребности человека в энергии. Даже если мы не производим 70 процентов нашей энергии таким образом, она все равно может внести свой вклад. Небольшой процент от общей рассчитанной мощности будет по-прежнему влиять на индустрию возобновляемых источников энергии. В настоящее время энергия ветра составляет десятки гигаватт, а солнечной - даже меньше, поэтому даже небольшой процент от общей доступной энергии испарения может привести к значительным потерям.
Но есть и другие преимущества. По мере сбора энергии скорость испарения замедляется. Особенно на американском Западе, где окружающая среда сухая и источники воды ограничены, покрытие водохранилищ может помочь уменьшить общее испарение, оставляя больше воды для орошения и потребления человеком.
Кроме того, этот тип энергии может решить одну из текущих проблем возобновляемых источников энергии, а именно проблему хранения энергии. Испарение происходит не только днем, но и ночью, когда накопленное тепло от дневного солнца загоняет пар в холодный ночной воздух. Солнечная и, в меньшей степени, ветровая энергия стихает ночью, когда мы нуждаемся в энергии больше всего. Энергия испарения может дополнять другие решения этой проблемы по требованию, такие как литий-ионные батареи, синие батареи или геотермальная энергия.
Какие побочные эффекты это может иметь для озер, рек и экосистем?
Это не то, что рассматривалось в исследованиях Сахина. Его группа проверила цифры, и он говорит, что контекст для анализа другими, поскольку технология получает дальнейшее развитие. Экологические оценки необходимо будет проводить в зависимости от местоположения. В некоторых случаях это будет означать изучение дикой природы, обитающей на водоёме и вокруг него. В других, водные, промышленные или транспортные использования должны быть рассмотрены.
Даже само испарение может повлиять на влажность окружающей среды. В широком масштабе, указывает Сахин, в атмосферной влаге преобладают океаны. Но небольшие участки более сухого воздуха, где испарение замедляется этой технологией, могут иметь незначительные последствия для растений или сельского хозяйства. И это может оказать существенное влияние на температуру воды, которую она покрывает. Но все зависит от того, какой процент каждого водоема покрыт.
Какие барьеры все еще мешают внедрению этой технологии?
Сделайте это более эффективным. Масштабируйте это. Делать экологические оценки. Мы находимся на ранних этапах крупного процесса. Хотя разумно полагать, что технология будет хорошо масштабироваться, просто повторяя блоки предлагаемых устройств, она была изучена только в небольших масштабах - в исследовании 2015 года использовался один роторный двигатель. Могут быть и другие возможности для повышения эффективности, такие как оптимизация материалов и снижение затрат на производство, или объединение систем в более крупные двигатели. А экологические исследования должны будут оценить влияние на экосистемы, где они могут быть развернуты.
