Энергия без проводов. К новому миру беспроводного электричества / Хабр
В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии. Во главе гонки оказался знаменитый физик и изобретатель Никола Тесла, который разработал грандиозный проект. Не в состоянии поверить в реальность создания колоссальной сети проводов, охватывающих все города, улицы, здания и комнаты, Тесла пришёл к выводу, что единственный реализуемый способ передачи — беспроводной. Он спроектировал башню высотой примерно 57 метров, которая должна была транслировать энергию на расстояние в многие километры, и даже начал строить её на Лонг-Айленде. Был проведён ряд экспериментов, но нехватка денег не позволила достроить башню. Идея с передачей энергии по воздуху рассеялась, как только оказалось, что промышленность в состоянии разработать и реализовать проводную инфраструктуру.
И вот, несколько лет назад, доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», — рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.
Солджачич взялся за исследование способов передачи энергии без проводов. Он отказался от проектов передачи энергии на дальние расстояния наподобие проекта Тесла и сосредоточился на способах передачи энергии на небольшие расстояния, которые позволяли бы заряжать или даже включать портативные устройства — мобильные телефоны, карманные компьютеры, ноутбуки.
Вначале он рассматривал возможность использования радиоволн, которые столь эффективно передают информацию на расстоянии, но обнаружил, что в этом случае большая часть энергии будет рассеиваться в пространстве.
В конце концов он остановился на явлении резонансной связи, когда два настроенных на одну и ту же частоту объекта интенсивно обмениваются энергией между собой, при этом лишь слабо взаимодействуя с другими объектами. Классической иллюстрацией этого эффекта является опыт с несколькими бокалами, наполненными вином каждый до своего отличного от остальных уровня. В результате для каждого бокала существует уникальная частота звука, вызывающая вибрацию. Если певец возьмёт ноту соответствующей частоты, один из бокалов может получить такую дозу акустической энергии, что он рассыплется, при этом остальные бокалы останутся неповреждёнными.
Солджачич понял, что магнитный резонанс является многообещающим способом передачи электроэнергии. Магнитное поле свободно распространяется в пространстве и, при правильно выбранных частотах, безвредно для живых существ. Работая совместно с профессорами физики МИТ Джоном Иоаннопулосом (John Joannopoulos) и Питером Фишером (Peter Fisher) и тремя студентами, он разработал простое устройство, которое без проводов зажигало 60-ваттную электрическую лампочку.
Устройство состояло из двух настроенных в резонанс медных катушек, подвешенных с потолка на расстоянии примерно в два метра. Одна катушка подключалась к источнику переменного тока и создавала магнитное поле. Вторая катушка, настроенная на ту же частоту и подключённая к лампочке, резонируя в магнитном поле, генерировала зажигающий лампочку ток. Устройство работало даже когда между катушками помещали тонкую стенку.
Наиболее эффективное из созданных к этому моменту устройств состоит из 60-сантиметровых медных катушек и магнитного поля частотой в 10 мегагерц.
Оно позволяет передавать энергию на расстояние в два метра с 50-процентной эффективностью. Проводятся исследования с серебром и другими материалами с целью уменьшить размер катушек и увеличить эффективность. Солджачич надеется достичь 70-80 процентной эффективности передачи.
В настоящее время исследуются и ряд других способов беспроводной перезарядки аккумуляторов. Такие стартапы как Powercast, Fulton Innovation, и WildCharge начали продвижение на рынок адаптеров, позволяющих беспроводную подзарядку мобильных телефонов, MP3-плейеров и других устройств дома или в машине. Но подход Солджачича отличается тем, что он позволяет обеспечить автоматическую подзарядку устройств, как только они попадают в поле действия беспроводного передатчика.
Работа группы Солджачича привлекла внимание компаний, выпускающих электронные устройства, а также автомобильной промышленности. Исследования финансировались Министерством обороны США, рассчитывавшим получить технологию беспроводной автоматической подзарядки аккумуляторов.
Однако Солджачич предпочитает не распространяться относительно возможного промышленного применения своей технологии.
В сегодняшнем управляемом батареями мире есть очень много потенциальных приложений, где наша технология может использоваться», — говорит он. — «Это очень мощный метод».
Как газовый дефицит влияет на жизнь обычных европейцев
Frank Rumpenhorst / Picture alliance via Getty Images
Чтобы заполнить газовые хранилища к зиме, ЕС экономит не только на промышленности. Ряд мер уже почувствовали на себе обычные европейцы: закрытые бассейны, ограничения кондиционирования, выключенная подсветка. Как правило, это касается общественных зданий. Но в Европе уже есть прецеденты, когда и в квартирах дают горячую воду по расписанию или уменьшают обогрев.
В поисках альтернативного источника энергии европейцы вспомнили о том, как они грелись до промышленной революции и перехода на ископаемое топливо. Жители Нидерландов активно запасаются дровами, чтобы обогревать свои дома зимой, пишет голландская газета De Volkskrant.
Обычно их начинают заказывать в сентябре. Но в этом году массовая скупка дров началась летом. Голландцы рассчитывают, что топить ими будет дешевле, чем газом. Кубометр дров стоит $165. Это на $50 дороже средней цены за прошлый год. На рост цен повлияло и то, что госкомпания Staatsbosbeheer ушла с рынка. Она не продает голландский лес на дрова из соображений экологии: при их сжигании выделяется слишком много углекислого газа.
Нидерландцы не одиноки. Еще в марте власти Польши напомнили гражданам, что, пока газ и электричество дорожают, можно сэкономить. Поляки имеют право собирать для отопления домов ветки и стволы, лежащие на земле (рубить неупавший сухостой нельзя). Обязательное условие – предупредить лесника. «Достаточно телефонного звонка», – объяснял представитель лесной охраны в эфире Euronews. Импорт древесины из России и Белоруссии прекратился с началом конфликта на Украине, а импорт с Украины в марте сократился примерно на 75%, писала польская газета Dziennik Gazeta Prawna.
В апреле похожие новости пришли из Чехии. Как только отопительный сезон закончился, чехи принялись запасаться дровами на следующий сезон, опасаясь роста цен на энергоносители, сообщило Чешское телевидение. Например, власти города Градец-Кралове сообщили о трехкратном увеличении спроса на дрова по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. Цены выросли на 50% год к году. Но даже люди, которые раньше предпочитали другие источники отопления, стали покупать дрова. Продавцы печей тоже отметили растущий спрос на свой товар.
Вагенингенский университет (Нидерланды) в конце июля опубликовал исследование под названием «Помогут ли европейский лес и дрова пережить зиму Европе?». Чистый прирост лесов ЕС составляет чуть более 800 млн куб. м в год. Заготавливается всего 500 млн куб. м. В основном лес идет на производство стройматериалов, мебели и бумаги. Заготовкой дров занимается 20 млн мелких частных лесовладельцев, которые поставляют 120 млн куб. м, как правило, для местного рынка или собственного использования.
Этим частным лесовладельцам принадлежит около 40% европейских лесов. Доля крупных игроков на рынке ЕС относительно невелика: они производят около 20 млн т пеллет (топливных гранул). В этом сезоне не составит проблемы дополнительно вырубить на дрова 100 млн куб. м и покрыть 10–12% потребления энергии, делают оптимистичный вывод авторы исследования.
Зачем европейцу газ
Европейцы плохо представляют себе последствия подорожания газа, отмечает журнал The Economist. Сейчас многие защищены ценовыми ограничениями, субсидиями и долгосрочными контрактами. Например, средний немец платит за газ как минимум на 70% меньше рыночной цены. Но проблема не только в стоимости. Как предупредил в июле гендиректор Shell Бен ван Берден, европейские потребители могут столкнуться с нормированием энергии этой зимой из-за риска прекращения поставок газа из России.
Россия является крупнейшим поставщиком газа в Европу, в 2021 г. наша страна закрывала уже 33% потребности региона по сравнению с 25% в 2009 г.
, отмечает The Sydney Morning Herald. По оценке Международного энергетического агентства, в 2021 г. Россия поставила в ЕС 155 млрд куб. м газа, это около 45% от всего газового импорта союза. По данным BP, в прошлом году потребление газа в Европе достигло 571,1 млрд куб. м (в ЕС – 429 млрд куб. м).
В ЕС в 2020 г. на домохозяйства приходилось 27% конечного потребления энергии, сообщается на сайте Еврокомиссии. Большая часть этого потребления – газ (31,7%) и электричество (24,8%). Возобновляемые источники энергии занимают долю в 20,3%, за ними следуют нефть и нефтепродукты (12,3%).
На освещение жилья и работу большинства электроприборов (за исключением систем отопления, охлаждения и приготовления пищи) европейские домохозяйства тратят 14,5% электроэнергии. На приготовление еды – 6,1%, на охлаждение помещений – 0,4%. Большая часть энергии уходит на нагрев воды (15,1%) и отопление жилья (62,8%).
28 июля Еврокомиссия обнародовала окончательную редакцию плана «Экономьте газ для безопасной зимы».
За два дня до этого члены ЕС согласовали политическое решение о сокращении потребления газа, приняли его почти единогласно, против была только Венгрия. План призывает страны с 1 августа 2022 г. по 31 марта 2023 г. сократить потребление газа на 15%. За точку отсчета взято среднее потребление в те же месяцы в течение последних пяти лет. А 5 августа Совет ЕС сообщил о принятии этого постановления всеми членами сообщества.
Сокращение потребления газа пока дело добровольное, а каждое государство может самостоятельно решать, как экономить топливо. Но если ситуация с газом станет критической, 15%-ное сокращение будет обязательным для всех стран ЕС кроме тех, кто добился для себя исключений (это, например, островные государства, Прибалтика, Испания, Португалия и др.).
В СМИ отмечается, что к обычным гражданам меры принуждения к экономии будут приниматься в последнюю очередь. Первыми пострадают не особо критичные для жизнеобеспечения отрасли вроде автопрома, пишет Politico, одними из последних – социальные учреждения и только в крайнем случае – домохозяйства.
Бытовые потребители во всех европейских регламентах защищаются так же, как критические объекты инфраструктуры, пишет аналитический центр Florence School of Regulation. «Вы не услышите, как Еврокомиссия диктует людям, сколько времени им мыться в душе, это идет вразрез с нашим правоприменением», – цитирует Politico официального представителя ЕК Тима Макфи. Но это в теории. А на деле простые европейцы уже ощущают на себе меры экономии.
Не время прохлаждаться
Британских туристов, отправляющихся на отдых в Испанию, с недавних пор предупреждают: не перегрейтесь! Имеется в виду не только аномальная жара, воцарившаяся в конце июля – начале августа в Европе, пишет британская The Mirror. Дело в том, что остается все меньше мест, где можно от зноя спастись. С августа многие общественные помещения в Испании запрещено в жару охлаждать ниже 27 градусов. Это касается объектов культуры, отелей, кинотеатров, вокзалов и аэропортов, крупных магазинов. Исключение – офисы, больницы и ряд других объектов.
Министр по экологическим преобразованиям Тереза Риберо обещает установить для контроля термометры, передающие данные о температуре. А туда, где их не окажется, посылать в рейды инспекторов с градусниками. Нарушителям грозит штраф 500–3000 евро.
А когда наступят холода, температура в помещениях, попадающих под новый закон, не должна превышать 19 градусов. По данным Риберо, около 57% затрат на электроэнергию в общественных зданиях приходится на регулирование температуры. Кроме того, в 22.00 магазины должны выключить освещение витрин, а памятники в Испании прекращают подсвечиваться. Если в здании используется кондиционер или отопление, то двери на улицу должны быть закрыты. Эта мера вступает в силу с 30 сентября, чтобы дать время установить системы автоматического открытия-закрытия дверей. Здания, последняя проверка энергоэффективности которых проводилась до 1 января 2021 г., должны будут пройти повторную проверку до 31 декабря этого года. То же относится к системам подогрева воды и центрального отопления.
Новые правила будут действовать до ноября 2023 г. По оценке Риберо, это снизит потребление электроэнергии примерно на 7%.
Власти действуют не только приказами, но и силой убеждения. Премьер-министр Испании Педро Санчес недавно появился перед журналистами без галстука. «Я бы попросил министров и руководителей из госсектора и частных компаний тоже не носить галстуки без особой необходимости, – приводит его слова британская The Guardian. – Так мы сможем экономить энергию, которая так нужна нашей стране». Без галстука, по мнению Санчеса, человеку легче охладиться, не врубая кондиционер на полную мощность. Ведется и кампания, призывающая экономить энергию дома. Пока это только слова, но в сентябре испанское правительство собирается объявить новый план энергосбережения. И под обязательные ограничения может попасть и частное жилье, опасается итальянская газета Il Messaggero.
Погасите свет, снизьте скорость
Примерно тем же путем, что Испания, идут и правительства других стран.
В Италии правила, которые в народе прозвали «Операция «Термостат» (Operation Thermostat), вступили в силу еще 1 мая. В общественных зданиях летом температура не может искусственно опускаться ниже 27 градусов, а зимой подниматься выше 19. Греция в июне запретила работу кондиционеров при температуре до 27 градусов и запустила программу стоимостью 640 млн евро по замене окон на более энергосберегающие модели, а также по обновлению систем отопления и охлаждения в зданиях.
Во Франции с апреля запрещено обогревать террасы в заведениях общепита. Правда, это было сделано под предлогом борьбы с глобальным потеплением: министерство экологии подсчитало, что наружное отопление страны ежегодно производит 500 000 т CO2, что эквивалентно среднегодовым выбросам от 300 000 автомобилей. Магазины, где работают кондиционеры, должны держать двери закрытыми под угрозой штрафа в 750 евро. Также им рекомендуют гасить вывески, как только магазин закроется. Световая реклама запрещена с 1.00 до 6.00 везде, кроме вокзалов и аэропортов.
В Италии премьер-министр Марио Драги готовил закон о прекращении коммерческой деятельности в 19.00, но не успел: ушел в отставку.
Граждан повсюду призывают быть экономнее. Брюссель, Эдинбург и Милан пропагандируют «воскресенья без автомобилей». Людям предлагают передвигаться на общественном транспорте. По уверениям чиновников, это может сэкономить домохозяйству 100 евро в год. В Ирландии рекомендуют наполнять чайник ровно настолько, сколько требуется кипятка. Министр преобразования энергетики Франции Аньес Панье-Рюнаше советует ездить на 10 км/ч медленнее обычной скорости. Но уверяет, что эта рекомендация не станет законом.
Об ограничении скорости на автобанах заговорили даже в Германии (на этих трассах она не лимитирована). Но вряд ли это удастся сделать, пишет интернет-издание The National: ряд депутатов категорически против. Зато вовсю идет агитационная кампания по экономии. Вице-канцлер ФРГ, министр экономики Роберт Хабек советует тратить меньше времени на душ и признается, что уже сократил время пребывания в ванной.
Правда, он тут же признался, что это было несложно: «Никогда в жизни не проводил в душе больше пяти минут». А министр здравоохранения земли Бранденбург Урсула Ноннемахер сказала, что купание в ванной «полностью вышло из моды» в ее доме (цитаты по The National).
Одна из коммунальных компаний в Мюнхене проинформировала клиентов, что глажение 15 рубашек требует столько же энергии, сколько использование фена в течение 45 минут, и посоветовала просто развешивать стиранное белье. Тем временем гендиректор Henkel Карстен Кнобель признался The Local, что его компания может снова перевести сотрудников на работу из дома, как во время пандемии, но на этот раз ради экономии энергии. Ту же идею обсуждают в BASF. Пустые неотапливаемые офисные здания могут сэкономить 5% газа, сообщает Deutsche Welle (DW, издание включено Минюстом РФ в реестр СМИ-иноагентов).
Тепло и мытье по расписанию
«Неужели Бранденбургские ворота обязательно должны быть освещены в два часа ночи?» – вопрошает депутат бундестага Ларс Фридрих Линдеманн (цитата по The National).
В ряде городов Германии гасят подсветку зданий, выключают фонтаны, оснащают датчиками движения вместо постоянного освещения навесы для велосипедов, коридоры и автостоянки. В Аугсбурге думают отключить ряд малоиспользуемых светофоров.
Нюрнберг закрыл три из четырех общественных крытых бассейнов. По подсчетам городских властей, за 72 дня простоя будет сэкономлена энергия, нужная для обогрева 383 домохозяйств, и электроэнергия, потребляемая 789 домохозяйствами, передает The Local. В Штутгарте вода в открытых бассейнах с 1 июля нагревается только там, где для этого используется солнечная энергия. А значит, постоянная температура воды пловцам не гарантирована. В Ганновере для мытья рук в общественных зданиях доступна только холодная вода.
Но немцы пошли еще дальше. Германия может послужить примером того, как ограничения коснутся непосредственно жителей. В саксонском Диппольдисвальде один из жилищных кооперативов сообщил жильцам, что горячая вода в кранах будет только рано утром, в полдень и вечером.
Министр строительства Германии Клара Гейвиц назвала ограничения незаконными. А простые пользователи соцсетей осыпали оскорблениями руководство кооператива, сообщает DW. Но, по словам одного из членов правления кооператива, сами жильцы отнеслись к нововведению с пониманием.
Крупнейшая немецкая компания, владеющая и управляющая жилой недвижимостью, Vonovia заявила, что планирует ограничить обогрев в 350 000 своих домах до 17 градусов по Цельсию. Правда, только по ночам. Наконец, пострадали любители поплавать. В домах с бассейнами больше нельзя использовать системы газового отопления. «Но я не думаю, что полиция будет ходить по домам, чтобы проверить, теплая ли вода», – сказал DW Хабек.
Около половины домохозяйств Германии обогреваются газом. Семья из четырех человек в квартире площадью 100 кв. м потребляет около 18 000 кВт ч в год, подсчитывает DW. В прошлом году они платили за это 1080 евро. При нынешних ценах им придется отдавать 3240 евро, т. е. сумму, примерно равную месячной зарплате среднестатистического немца.
Правда, у портала Check24 более оптимистичные прогнозы: в этом году счета немецких домохозяйств вырастут в среднем на 63,7%, а за газ – на 62,3% по сравнению с прошлым годом.
Субсидии и льготы
ЕС не намерен оставлять жителей один на один с растущими счетами за коммунальные услуги. Главная помощь – субсидии. Германия утвердила два пакета помощи на общую сумму 30 млрд евро. Всем налогоплательщикам поступит единовременная фиксированная выплата в 300 евро.
Великобритания в октябре предоставит каждой семье льготу в 400 фунтов для оплаты электроэнергии и сделает налоговый вычет еще на 150 фунтов. Италия выделит по 200 евро людям, зарабатывающим менее 35 000 евро в год. Часть денег на это получат, обложив налогом компании, получающие сверхдоходы от высоких цен на энергоносители. Так же поступят в Испании. К тому же Мадрид снизил НДС на электроэнергию с 21 до 10%.
Франция предлагает своим гражданам единовременную выплату всего лишь 100 евро. Но она заставит государственного поставщика энергии EDF ограничить рост оптовых цен на электроэнергию в этом году до 4%.
Во всех этих странах уязвимые категории граждан получат дополнительные выплаты.
А вот Норвегия пошла другим путем. Пока цены на электроэнергию ниже 70 крон (7 евро) за 1 кВт ч, граждане полностью оплачивают счета. Когда тарифы превышают этот порог, 80% счета оплачивает за них государство, сообщает Euronews. Но, несмотря на все меры, мало кто в Европе сможет жить в ближайшие месяцы или даже годы как прежде, не внося изменений в свой образ жизни, предупреждает Politico. А The Economist выпустил статью о подорожании услуг ЖКХ с провокационным заголовком «Сможет ли Европа сохранить освещение этой зимой?».
Центр данных по альтернативным видам топлива: Диметиловый эфир
Диметиловый эфир (ДМЭ) представляет собой синтетическую альтернативу дизельному топливу для использования в специально разработанных дизельных двигателях с воспламенением от сжатия. При нормальных атмосферных условиях ДМЭ представляет собой бесцветный газ. Он широко используется в химической промышленности и в качестве пропеллента для аэрозолей.
Диметиловый эфир требует давления около 75 фунтов на квадратный дюйм (psi), чтобы быть в жидкой форме. Из-за этого требования к обращению с DME аналогичны требованиям к пропану — оба должны храниться в резервуарах для хранения под давлением при температуре окружающей среды.
Для использования DME в транспортных средствах требуется двигатель с воспламенением от сжатия с топливной системой, специально разработанной для работы с DME. В Европе и Северной Америке был проведен ряд демонстраций автомобилей DME, в том числе один, в ходе которого клиент проехал 10 автомобилей, проехав 750 000 миль.
Производство
Хотя диметиловый эфир можно производить из биомассы, метанола и ископаемого топлива, вероятным исходным сырьем для крупномасштабного производства ДМЭ в США является природный газ. ДМЭ можно производить непосредственно из синтез-газа, полученного из природного газа, угля или биомассы. Его также можно получить косвенно из метанола с помощью реакции дегидратации.
DME не продается в США.
Преимущества
Диметиловый эфир обладает несколькими топливными свойствами, которые делают его привлекательным для использования в дизельных двигателях. У него очень высокое цетановое число, которое является мерой воспламеняемости топлива в двигателях с воспламенением от сжатия. Энергоэффективность и мощность ДМЭ и дизельных двигателей практически одинаковы.
Из-за отсутствия углерод-углеродных связей использование ДМЭ в качестве альтернативы дизельному топливу может практически исключить выбросы твердых частиц и потенциально свести на нет необходимость в дорогостоящих дизельных сажевых фильтрах. Однако плотность энергии DME вдвое меньше, чем у дизельного топлива, поэтому требуется топливный бак в два раза больше, чем для дизельного топлива.
Исследования и разработки
В 2013 году Университет штата Пенсильвания, Volvo и Национальная лаборатория Ок-Риджа завершили полевые испытания прототипа грузовика DME. Грузовик большой грузоподъемности хорошо показал себя в реальных условиях вождения, достигнув эффективности, сравнимой с эффективностью обычного дизельного грузовика.
Результаты испытаний показали, что стандарты выбросов твердых частиц могут быть соблюдены без использования дизельного сажевого фильтра. Как и в случае с обычными дизельными автомобилями, оксиды азота (NO x ) сокращения выбросов могут быть обеспечены стандартными системами дополнительной обработки NO x . В качестве альтернативы двигатель можно откалибровать, чтобы исключить необходимость в такой системе, но это снижает эффективность.
Дополнительная информация
Узнайте больше о диметиловом эфире по ссылкам ниже. Центр данных по альтернативным видам топлива (AFDC) и Министерство энергетики США не обязательно рекомендуют или поддерживают эти компании (см. отказ от ответственности).
- Разработка и экономика процесса преобразования лигноцеллюлозной биомассы в углеводороды путем непрямого сжижения: путь термохимических исследований к получению высокооктанового бензина в смеси с использованием промежуточных соединений метанол/диметиловый эфир
- Сравнительный анализ выбросов и производительности прототипа большегрузного автомобиля, работающего на диметиловом эфире
- Калифорнийская оценка мультимедиа диметилового эфира: окончательный отчет уровня I
AFDC также обеспечивает поиск публикаций для получения дополнительной информации.
Теплота сгорания различных видов топлива
Для этого сайта требуется Javascript.
Теплота сгорания топлива – это количество теплоты, выделяющееся при его сгорании. Теплотворная способность, также называемая энергетической или теплотворной способностью, является мерой плотности энергии топлива и выражается в энергии (джоулях) на указанное количество (, например, килограммов).
