Superkondensator z cementu i sadzy. Budynki będą mogły przechowywać energię w fundamentach?
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Akumulatory wysyłane w przestrzeń kosmiczną muszą być bezpieczne, stabilne, wytrzymałe i nie mogą wymagać specjalnych zabiegów. Już wkrótce niklowo-wodorowe urządzenia, które pracują m.in. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, mogą trafić do klientów na Ziemi. To najbardziej wytrzymałe akumulatory, jakie kiedykolwiek wynaleziono, zapewnia Jorg Heinemann, dyrektor produkującej je firmy EnerVenue.
Akumulatory niklowo-wodorowe wytrzymują 30 000 cykli ładowania-rozładowywania, są odporne na samozapłon, ich wydajność energetyczna wynosi 90% i w porównaniu akumulatorami litowo-jonowymi mają wiele zalet w zastosowaniach wielkoskalowych systemów przechowywania energii. Chociażby taką, że o akumulatory niklowo-wodorowe nie trzeba się szczególnie troszczyć. Postały one bowiem z myślą o wieloletniej pracy w przestrzeni kosmicznej, gdzie nie ma możliwości ich wymiany czy przeglądów technicznych.
Jeszcze niedawno w tego typu akumulatorach wykorzystywano platynowy katalizator, co skutecznie uniemożliwiało zaoferowanie ich szerszemu gronu odbiorców. Jednak pięć lat temu zespół profesora Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda wykazał, że można w nich zastosować katalizator z niklu, molibdenu i kobaltu, który kosztuje 20 USD za kilogram. Cui stał się współzałożycielem firmy EnerVenue, która rozpoczęła prace nad komercjalizacją kosmicznych akumulatorów. Można było bowiem zrezygnować z platyny, a najdroższym materiałem, jaki jest używany w akumulatorach stał się nikiel. Koszty produkcji akumulatorów niklowo-wodorowych stały się więc porównywalne z kosztami akumulatorów litowo-jonowych.
Na początku września EnerVue zaprezentowała swój najnowszy akumulator. To butla długości 1,8 metra i średnicy 15 centymetrów, w którym można przechowywać 3 kWh energii. Zachodzące w pojemniku reakcje są bardzo stabilne. Wodór powstaje podczas reakcji w butli, a maksymalne ciśnienie wewnątrz sięga zaledwie 5% ciśnienia, jakie powstaje w typowym ogniwie paliwowym. Reakcje zachodzące wewnątrz pojemnika mają taką naturę, że gdy ciśnienie rośnie poza maksimum, dochodzi do zamiany wodoru w wodę. Nie istnieje więc mechanizm, który – jak ma to miejsce w akumulatorach litowo-jonowych – mógłby doprowadzić do przegrzania i pożaru.
Producent akumulatorów udowodnił to chociażby podczas tzw. testu barbecue. Polega on na umieszczeniu akumulatora w otwartym ogniu. Nie dochodzi wówczas do żadnej awarii. Ponadto akumulatory wyposażono w zawory, więc po przekroczeniu określonej temperatury i ciśnienia, uchodzi z nich para wodna. Dodatkową ich zaletą jest fakt, że mogą pracować w temperaturach od -40 do 60 stopni Celsjusza. To oznacza, że nie potrzebują systemów chłodzenia, ogrzewania czy wentylacji.
Na razie akumulatory niklowo-wodorowe wciąż są nieco droższe od akumulatorów litowo-jonowych i charakteryzuje je mniejsza gęstość energetyczna. Jednak mniej skomplikowany proces produkcyjny może zachęcić potencjalnych producentów do spróbowania swoich sił na tym rynku. W tej chwili EnerVenue buduje fabrykę, która początkowo będzie produkowała w ciągu roku akumulatory zdolne do przechowania łącznie 5 GWh. Produkcja docelowa to 20 GWh.
Akumulatory niklowo-wodorowe powstały w latach 70. i zastosowano je w przemyśle kosmicznym, gdyż nie było dla nich realnej alternatywy. Akumulatory takie składają się z serii elektrod zamkniętych w pojemniku ciśnieniowym. Katoda zbudowana jest z wodorotlenku niklu, a anodą jest wodór. Podczas ładowania dochodzi do reakcji, w wyniku której powstaje wodór. Podczas rozładowywania, wodór utlenia się i powstaje woda.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Rosnąca popularność samochodów elektrycznych (EV) często postrzegana jako problem dla sieci elektroenergetycznych, które nie są dostosowane do nowego masowego źródła obciążenia. Naukowcy z Uniwersytetu w Lejdzie oraz amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej podeszli do zagadnienia z innej strony. Z analizy wynika, że w ciągu najbliższych lat EV mogą stać się wielkim magazynem energii ze źródeł odnawialnych, stabilizując energetykę słoneczną i wiatrową.
Energia z wiatru i słońca to najszybciej rosnące źródła energii. So to jednak źródła niestabilne, nie dostarczają energii gdy wiatr nie wieje, a słońce nie świeci. Z analizy, opublikowanej na łamach Nature Communications, dowiadujemy się, że rolę stabilizatora mogą odegrać samochody elektryczne. Obecnie większość ich właścicieli ładuje samochody w nocy. Autorzy badań uważają, że właściciele takich pojazdów mogliby podpisywać odpowiednie umowy z dostawcami energii. Na jej podstawie dostawca energii sprawowałby kontrolę nad ładowaniem samochodu w taki sposób, by z jednej strony zapewnić w sieci odpowiednią ilość energii, a z drugiej – załadować akumulatory do pełna. Właściciel samochodu otrzymywałby pieniądze za wykorzystanie jego pojazdu w taki sposób, wyjaśnia główny autor badań, Chengjian Xu.
Co więcej, gdy pojemność akumulatorów zmniejsza się do 70–80 procent pojemności początkowej, zwykle nie nadają się one do zastosowań w transporcie. Jednak nadal przez wiele lat mogą posłużyć do stabilizowania sieci elektroenergetycznych. Dlatego też, jeśli kwestia taka zostanie uregulowana odpowiednimi przepisami, akumulatory takie mogłyby jeszcze długo służyć jako magazyny energii.
Z wyliczeń holendersko-amerykańskiego zespołu wynika, że do roku 2050 samochody elektryczne oraz zużyte akumulatory mogą stanowić wielki bank energii o pojemności od 32 do 62 TWh. Tymczasem światowe zapotrzebowanie na krótkoterminowe przechowywanie energii będzie wówczas wynosiło od 3,4 do 19,2 TWh. Przeprowadzone analizy wykazały, że wystarczy, by od 12 do 43 procent właścicieli samochodów elektrycznych podpisało odpowiednie umowy z dostawcami energii, a świat zyska wystarczające możliwości przechowywania energii. Jeśli zaś udałoby się wykorzystać w roli magazynu energii połowę zużytych akumulatorów, to wystarczy, by mniej niż 10% kierowców podpisało umowy z dostawcami energii.
Już w roku 2030 w wielu regionach świata EV i zużyte akumulatory mogą zaspokoić popyt na krótkoterminowe przechowywanie energii.
Oczywiście wiele tutaj zależy od uregulowań prawnych oraz od tempa popularyzacji samochodów elektrycznych w różnych regionach świata. Autorzy badań zauważają też, że wielką niewiadomą jest tempo degradacji akumulatorów przyszłości, które będzie zależało m.in. od postępu technologicznego, czy też tempo rozwoju systemów zarządzania energią. Nie wiadomo także, czy nie zajdą radykalne zmiany w samym systemie transportowym. Nie można wykluczyć np. zmiany przyzwyczajeń i rozpowszechnienia się komunikacji zbiorowej czy systemów wspólnego użytkowania pojazdów, na dostępność samochodów i akumulatorów może też wpłynąć rozpowszechnienie się pojazdów autonomicznych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Superlekkie materiały składające się w ponad 99% z powietrza mogą stać się kluczowymi elementami dostarczającymi energię przyszłym misjom kosmicznym. Materiały te, porowate aerożele węglowe, tworzą elektrody superkondensatora zbudowanego na zlecenie NASA przez Merced nAnomaterials Center for Energy and Sensing, University of California, Santa Cruz (UCSC), University of California, Merced i Lawrence Livermore National Laboratory. Superkondensator przyda się też podczas prac na biegunach, gdyż działa w bardzo niskich temperaturach.
Wiele pojazdów kosmicznych wymaga stosowania wewnętrznego ogrzewania. Łaziki pracujące na Marsie muszą mierzyć się ze średnimi temperaturami rzędu -62 stopnie Celsjusza. W zimie temperatura spada poniże -125 stopni Celsjusza. Dlatego też np. Perseverance wyposażony jest w grzałki, które dbają o to, by nie zamarzł elektrolit w akumulatorach łazika. Jednak grzałki i ich źródła zasilania to kolejne elementy dodające masy łazikowi, przez co rosną koszty i poziom skomplikowania misji.
Rozwiązaniem wielu problemów mogłyby być superkondensatory. To urządzenia, które łączą zalety akumulatorów i kondensatorów. Przede wszystkim są zdolne do przechowywania znacznie większych ilości energii niż kondensatory, chociaż nie są tak dobre w jej przechowywaniu jak akumulatory. Jednak nad akumulatorami mają tę przewagę, że można je ładować i rozładować w ciągu minut. Ponadto wytrzymują miliony cykli ładowanie/rozładowanie, podczas gdy akumulatory potrafią przetrwać jedynie kilka tysięcy takich cykli. W końcu, co ważne, w przeciwieństwie do akumulatorów nie działają dzięki reakcjom chemicznym, a dzięki przechowywaniu ładunków w formie naładowanych jonów umieszczonych na powierzchni elektrod.
Zespół pracujący pod kierunkiem Jennifer Lu z UC Merced i Yata Li z USCS stworzył elektrody do swojego kondensatora za pomocą druku 3D. Atramentem było połączenie celulozowych nanokrysztalów, które dostarczyły węgla, i krzemowych mikrosfer, tworzących podporę dla makroporów. W ten sposób powstał aerożel z porami o średnicy od kilku nanometrów do 500 mikrometrów. Utworzono hierarchiczną strukturę kanałów, które znakomicie zwiększają tempo, w jakim jony z elektrolitu przemieszczają się przez materiał, minimalizując drogę, którą muszą przebyć.
Uzyskany aerożel ma powierzchnię około 1750 m2/g, a stworzona z niego elektroda charakteryzuje się pojemnością elektryczną rzędu 148,6 F/g przy przyłożonym napięciu 5 mV/s. Twórcy elektrody wykazali, że działa ona przy temperaturze nawet -70 stopni Celsjusza, podczas gdy większość komercyjnie dostępnych akumulatorów litowo-jonowych i superkondensatorów przestaje działać w temperaturze -20 do -40 stopni Celsjusza, gdyż dochodzi do zamarznięcia elektrolitu.
Obecnie trwają testy mające na celu dokładne określenie wydajności elektrody przy niskich temperaturach. Prowadzimy testy w warunkach, jakie panują na Księżycu, Marsie i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, mówi Lu.
Szczegóły badań opublikowano na łamach Nano Letters.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Silniki Diesla bardzo zanieczyszczają powietrze. Emitują olbrzymie ilości szkodliwych substancji, takich jak tlenki azotu czy sadza. Afera z fałszowaniem przez Volkswagena danych dotyczących emisji pokazała, że niektóre modele takich silników nawet 40-krotnie przekraczają dopuszczalne normy emisji. Coraz częściej pojawiały się twierdzenia, że ten typ silnika jest zbyt szkodliwy dla ludzkiego zdrowia i dla środowiska, by nadal go stosować.
Nie jesteśmy jednak w stanie zrezygnować z diesli w najbliższym czasie. Są one mocne, trwałe, energooszczędne, a przede wszystkim mają wysoką wartość momentu obrotowego, co ma olbrzymie znaczenie przy transporcie dużych ciężarów. To dlatego diesle spotykamy w milionach ciężarówek, pociągów, statków czy maszynach budowlanych i generatorach prądu.
Charles Mueller, specjalizujący się w procesach spalania naukowiec z Sandia National Laboratories, uważa, że znalazł sposób na spowodowanie, by silniki Diesla były znacznie bardziej czyste niż obecnie. Swoją technologię nazwał ducted fuel injection (DFI) i przyznaje, że zainspirowały go szkolne palniki Bunsena, gdzie do reakcji dochodzi w dyszy, do której zasysane jest powietrze.
W silnikach benzynowych zapłon paliwa powodowany jest przez iskrę. Jednak w silnikach Diesla do zapłonu dochodzi nie z powodu iskry, a wysokiego ciśnienia wytwarzanego w cylindrze. Najpierw miniaturowe krople paliwa wpadają do cylindra z olbrzymią prędkością, mieszają się tam z powietrzem, cylinder wytwarza wysokie ciśnienie i temperaturę, przez co dochodzi do samozapłonu. To proces bardziej wydajny niż w silnikach benzynowych, ale wiąże się on m.in. z emisją toksycznych tlenków azotu. W typowych scenariuszach można minimalizować tę emisję ponownie kierując do silnika gazy ze spalania z poprzedniego cyklu pracy. Metoda ta obniża temperaturę i koncentrację tlenu w mieszaninie paliwowo-powietrznej, co prowadzi do redukcji emisji tlenków azotu. Jednak nie ma róży bez kolców. Niższa temperatura spalania oznacza mniej dokładne spalanie i produkcję większej ilości szkodliwej sadzy.
Jeśli z palnika Bunsena odkręcisz dyszę i zapalisz gaz, otrzymasz dymiący pomarańczowy płomień. Zgaś gaz, przykręć dyszę i ponownie zapal gaz. Teraz masz ładny niebieski płomień. Ma on taki kolor, gdyż nie zawiera sadzy, mówi Mueller. Uczony zaczął się zastanawiać, czy takiego rozwiązania nie można zastosować w silnikach i wraz z Christopherem Nilsenem, Drummondem Bilesem oraz Nathanem Harry rozpoczęli eksperymenty z umieszczaniem 4–6 dysz w silniku. Miałyby one działać jako wtryskiwacze paliwa.
Uczony zauważa, że obecnie stosowane wtryskiwacze dostarczają do silnika 2–10 razy więcej paliwa niż jest potrzebne do jego całkowitego spalenia. Gdy przy wysokiej temperaturze masz taki nadmiar paliwa, powstaje dużo sadzy. Nasze dysze pozwalają na dwukrotne zmniejszenie ilości sadzy, a nawet na jej całkowite wyeliminowanie, gdyż dostarczana przez nie mieszanka zawiera znacznie mniej paliwa, mówi Mueller.
Uczonym z Sandii udało się w ten sposób rozwiązać jednocześnie dwa problemy – eliminują sadzę i pozwalają na stosowanie technik redukcji tlenków azotu bez ryzyka pojawienia się większej ilości sadzy. Teraz, gdy usunęliśmy sadzę, zlikwidowaliśmy problem bilansu sadzy i tlenków azotu. Możemy więc pozbyć się tlenków azotu bez powodowania, że sadza stanie się problemem, cieszy się naukowiec.
Mueller mówi, że podczas eksperymentów jego zespół zaobserwował jednoczesną redukcję emisji sadzy i tlenków azotu o wiele rzędów wielkości. To jeszcze nie koniec korzyści. DFI świetnie działa z konwencjonalnym paliwem dla silników Diesla, ale działa jeszcze lepiej z paliwami zawierającymi dodatkowe atomy tlenu. Wiele paliw odnawialnych to paliwa dodatkowo utlenione. Wykorzystanie takich paliw z technologią DFI zmniejszy emisję na tyle, że możliwe będzie zastosowanie tańszych silników, gdyż wymagało to będzie mniej intensywnego oczyszczania spalin. W nowoczesnych ciężarówkach koszt systemu oczyszczania spalin, liczony łącznie jako koszt jego zakupu oraz eksploatacji, to około 12 000 dolarów w czasie całego życia pojazdu. Jeśli obniżymy ten koszt tylko o jakąś część, to – biorąc pod uwagę olbrzymią liczbę ciężarówek i ich znaczenie dla gospodarki – zyskamy olbrzymie oszczędności, wyjaśnia Mueller.
Nową technologią już zainteresował się przemysł motoryzacyjny. Jest ona bowiem tania, prosta, a jej zastosowanie nie wymaga wprowadzania znaczących zmian w obecnie stosowanych silnikach.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Obunogi z gatunku Crassicorophium bonellii wytwarzają niewrażliwą na oddziaływania słonej wody, lepką nić, za pomocą której spajają ziarna piasku na norki. Na odnóżach skorupiaka znajdują się ujścia specjalnych gruczołów. Co ciekawe, zwierzę łączy techniki produkcji cementów wąsonogów i jedwabnych nici pająków.
Jak tłumaczą autorzy artykułu, który ukazał się w piśmie Naturwissenschaften, włóknisty jedwab stanowi mieszaninę glikozaminoglikanów i białek. Wydzielina 2 typów gruczołów pokonuje przewód, który rozgałęzia się na szereg mniejszych. Wszystkie uchodzą do wspólnej komory o wrzecionowatym kształcie.
Wg biologów, komora stanowi przechowalnię oraz rodzaj mieszalni obu rodzajów wydzieliny. Tutaj jedwab jest mechanicznie, a może i chemicznie zmieniany, by stać się włóknisty.
Profesor Fritz Vollrath z Uniwersytetu Oksfordzkiego opowiada, że budując sobie schronienie, C. bonellii zlepia nicią piasek, glony, a nawet własne odchody. Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że lepka substancja pochodzi z odnóży, ale dopiero teraz zorientowali się, że obunogi wyciągają ją w nić w podobny sposób jak pająki.
Poza tym, że nić jest wodoodporna, niewiele wiadomo o jej właściwościach. Vollrath podejrzewa, że może być równie wytrzymała i elastyczna, co nić pajęcza. Ze względu na specyficzne środowisko, w którym jest wykorzystywana, musi jednak także mieć pewne unikatowe cechy.
Zrozumienie sekretów tego typu materiałów pozwoliłoby opracować kleje wykorzystywane w wodzie morskiej czy metody zapobiegania porastaniu kadłubów statków.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.