Дослідження окреслює п’ять найважливіших проблем, пов’язаних з декарбонізацією

Сонячна та вітроенергетика є важливою частиною вирішення проблеми зміни клімату, але ці поновлювані технології самостійно, ймовірно, ніколи не забезпечать енергією для багатьох промислових процесів, як виготовлення сталі.

Приблизно 90 відсотків світового споживання енергії включає вироблення або маніпулювання теплом, включаючи охолодження будівель та продуктів харчування. Збереження сучасних економік та покращення життя в економіках, що розвиваються, а також пом'якшення зміни клімату потребуватиме п'яти значних успіхів у тому, як ми перетворюємо, зберігаємо та передаємо теплову енергію, згідно з новим документом Енергія природи зі Стенфордського університету, Массачусетського технологічного інституту та Національної лабораторії Лоуренса Берклі.

"Сучасні відновлювальні технології — це найдешевше джерело електроенергії, яке ми маємо сьогодні, але сонячна та вітряна енергія перериваються і становлять невеликий відсоток світової енергії", — сказав Арун Мажумдар, один із трьох співавторів та професор механіки Стенфорда інжиніринг. "Нам потрібно збільшити цей відсоток, але ми також повинні декарбонізувати тепло та використовувати тепло для зберігання електроенергії від сонячної та вітрової".

Аналіз підкреслює нагальну потребу в дослідженні та розробці проривів теплових технологій, які потенційно могли б зменшити викиди парникових газів хоча б на один гігатон, що становить близько 3 відсотків щорічних викидів парникових газів, пов'язаних з енергією в усьому світі.

"Ми, як вид, наражаємо на себе небезпеку з інфраструктури, яку ми спорудили, щоб поліпшити якість життя", — сказав співавтор Асегун Генрі, доцент машинобудування MIT. "Існує декілька випадків в історії, коли вчені та інженери зібралися разом і домоглися дуже надзвичайного за дуже короткі строки. Це, мабуть, є одним із тих часів".

Тепло як накопичення енергії

Одне головне завдання в теплотехніці — зберігати надлишки вітрової та сонячної енергії як теплової енергії протягом декількох днів, а потім перетворювати її назад в електрику, коли це необхідно. Повна декарбонізація електроенергії зменшить техногенні глобальні викиди ПГ приблизно на четверту частину. Отримання 70% або більше нашої електроенергії з переривчастих відновлюваних джерел енергії потребуватиме масових надбавок для зберігання електроенергії. Розширення найпоширенішої сучасної технології — насосне гідроелектричне сховище обмежене географією, а літій-іонні батареї занадто дорогі для зберігання надлишкової відновлюваної енергії протягом декількох днів.

"Ключовою перевагою для зберігання теплової енергії є її потенціал низької вартості у великих масштабах", — сказав співавтор Раві Прашер, асоційований директор лабораторії енергетичних технологій Національної лабораторії Лоуренса Берклі.

"Хоча перетворювати електроенергію в тепло, порівняно легко", — пояснив Прашер, — ключовою проблемою для зберігання теплової енергії є велике покарання за ефективність при перетворенні тепла на електроенергію ".

Кілька технологій зберігання теплової енергії у великих масштабах ще знаходяться на початку розвитку, тому конкуруючі технології, що використовують інші матеріали та механізми зберігання теплової енергії, потрібно продовжувати вивчати, підсумовують дослідники.

"Навіть незважаючи на те, що ефективність зворотного руху може бути лише від 50 до 60 відсотків, вартість може бути в межах необхідного діапазону менше 10 доларів за кіловат-годину", — сказав Маджумдар, який також є спів-директором Станфордського прекурсного інституту енергетики .

Промисловість та холодильна техніка

Іншим грандіозним завданням є генерація надзвичайного тепла, необхідного в промислових процесах, таких як виготовлення цементу, сталі, алюмінію та водню. Викиди парникових газів у промисловому секторі складають понад 15 відсотків загальносвітових викидів, більшість з яких пов'язані з подачею тепла при температурі від 100 до 1000 градусів Цельсія (від 212 до 1832 градусів за Фаренгейтом).

Згідно з швидким зниженням вартості відновлюваної електроенергії та потенційно безводородного водню, промисловий сектор можна було б знебарвити, використовуючи або резистивні нагрівачі, або водневі спалювачі, згідно з аналізом. Однак значні проблеми в галузі науки та техніки все ще залишаються. Для переривчастої відновлюваної електроенергії потрібно розробити або дешеві високотемпературні сховища, або печі з низьким коефіцієнтом ємності.

Третій великий виклик — це протилежна сторона теплового спектру від тепла: охолодження. Мета — винайти холодоагенти як для харчових продуктів, так і для кондиціонування повітря без сьогоднішнього витоку вуглеводнів, набору надзвичайно потужних парникових газів. Успішні нові холодоагенти повинні бути негорючими, нетоксичними та доступними, а також бажаними рішеннями, що випадають у сучасних системах, зазначив Мажумдар.

"З зростанням охолодження та охолодження в країнах, що розвиваються, це головна проблема", — сказав Генрі.

У багатьох країнах, що розвиваються, зростаючий попит на кондиціонер пов'язаний із зниженням вологості на стільки ж, скільки температури, тому нові холодоагенти також повинні будуть досягти цього, сказав Прасер. Крім того, нові технології можуть бути розроблені для усунення осушення від охолодження.

Будівлі та тепловий транспорт

Опалення простору та води як в житлових, так і в комерційних будинках спричиняє понад 6 відсотків викидів парникових газів в США. Нові будівельні матеріали, які можуть як проводити тепло, так і блокувати його — на вимогу — потрібні для зменшення енергії для опалення та охолодження. Можливість контролю теплопровідності в оболонці будівлі може заощадити від 10 до 40 відсотків викидів парникових газів, тому це є ще одним гідним завданням для вирішення, стверджують дослідники.

Нарешті, особливо великим завданням є розвиток здатності передавати тепло на великі відстані з невеликими втратами енергії. Це досягається сьогодні парою, але це не в потрібному масштабі чи відстані. Мета полягає в тому, щоб розробити тепловий еквівалент електричної лінії електропередач — ефективний метод транспортування великої мегаватної теплоти за допомогою мінімального обладнання та матеріалів. Відкриття теплового надпровідника могло б зробити це можливим, але практичність розгортання великого масштабу не зрозуміла. Іншим потенційним напрямом досліджень, на думку дослідників, є відкриття нових перекачуваних рідин з оборотними хімічними реакціями для передачі енергії у хімічній, а не в тепловій формі.

"Глибока декарбонізація без проривів у тепловій науці та техніці здається немислимою, але увага дослідників та фінансуючих не відобразила цього", — сказав Маджумдар. "Ми сподіваємось, що цей аналіз стане закликом до дій для широкої спільноти НДДКР".

Facebook Comments