Source: http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-10/iss-5/p20.html
pa Izayi H. Ausubel
![]() |
![]() |
Entènèt la pwouve ke yo vin pi gwo, sistèm yo dwe vin pi piti. Si chak òdinatè toujou plen anprint an nan yon ane 1960 mainframe, entènèt la pa janm te ka gen plas.Miniaturizing eleman nan tranzistò montre videyo pèmèt entènèt la yo vin pi grav ak unintrusive. Eleman yo tou, yo te vin mwens chè, ki pi famezman nan ka bato.Réduction a nan pati yo nan gwosè ak pri miltipliye tout la nan pouvwa, karakteristik, ak rive jwenn.
Pandan 20yèm syèk la, motè elektrik te grandi soti nan 10 a 1 milyon kW, dekale moute yon etonan 100,000 fwa. Men, yon estasyon pouvwa jodi a diferan ti kras nan espas ki la li okipe soti nan sa yo ki an 50 an oswa 100 zan de sa. Estasyon an pouvwa Bankside nan London, pou egzanp (Figi 1a), kounye a se yon galri atis modèn nan mize a Tate (1b Figi), louvri nan lane 1953. Soaring 100 m ekta segondè, epi okipe 3.5, Bankside bay apeprè 200 MW nan pwent li yo. Yon dèlko konparab enstale kounye a ta ka bezwen 10% nan espas ki la Bankside; altèrnans, sit la te kapab lame 10 fwa pouvwa la. Kòm nan entènèt évolutivité a, ak ekonomi de triyonf echèl nan sistèm elektrik la-pouvwa.
Zafè Echèl konsomatè a elektrisite osi byen ke pwodiktè la. Yon klas mwayèn nan kay la Ameriken jodi a manje plis pase 100 fwa plis lumières atifisyèl kòm t 'predesesè li yo nan de syèk de sa. San pwoblèm mwen tap, ti lanp pa rete nan 100 fwa espas ki la. Nan 1800, ta yon kay ki te pase 4% nan revni li sou bouji, lanp, lwil oliv, ak alimèt, men siksesè li depanse mwens pase 1%. Ogmantasyon nan efficacité lumineux ak sekirite, menm jan tou pi ba pri gaz, pèmèt limyè a gaye.
Abòdab elektrik pouvwa kontribye otan ke nenpòt teknoloji nan leve moun ki byen yo te nan 20yèm syèk la. Mobilite bay pa motè a combustion entèn kontribye lajman tou. Pouvwa elektrik ak mobilite tou de depann sou enèji pwensipal ( wè fizisyen Endistriyèl la, fevriye 2000, pp 16-19 ). Pandan 21yèm syèk la, demann mondyal prensipal enèji ap gen chans pou grandi de prezan TW la 13 a 50 oswa menm 100 tw. Youn nan rezon se bato pral antre nan 1,000 objè per capita, oswa 10 billions objè, tankou Lachin ak Lend te louvri sesyon nan jwèt la. Yon dezyèm se ke tout moun kontinye elaji ranje vwayaj yo, kidonk ogmante aksè nan travay, edikasyon, ak jwisans. Se pou nou asime yon ogmantasyon gwo nan efikasite ak yon kwasans popilasyon pi dousman. Yon sèlman 1.5% kwasans chak ane nan enèji demann total pandan syèk sa a, anviwon de tyè-nan to a depi 1800, ta miltipliye demand pou enèji pwensipal sou quadruple ant 2004 ak 2100.
Si gwosè ak pouvwa-nan machin moun oswa sistèm lan-grandi nan tandem, sèvi ak materyèl, peyi, ak lòt resous ta dwe akseptab. Teknoloji reyisi lè ekonomi de pati fòm echèl nan kondisyon yo nan evolisyon. M 'ap chache yon sistèm enèji ki se fwa 5-10 kòm pwisan kòm sistèm nan prezan men adapte nan, oubyen, pi byen, diminye anprint prezan li yo, gen yon sistèm de motè gwo nan pouvwa ak vèt nan enpak.
Size ede emisyon kontwòl ak sèvi ak materyèl, paske yon plant gwo degaje pa plis emisyon pase plant anpil ti, ak emisyon soti nan yon plant yo pi fasil yo kolekte.Sosyete pa ap fèmen sik la kabòn, pou egzanp, si li dwe kolekte émissions de dè milyon de mikroturbin. Mwen pral pataje de vizyon pou gwo suiting vèt enèji machin 21yèm syèk la: plant la pouvwa zero-emisyon (ZEPP) ak SuperGrid kontinantal la.
ZEPP a se yon supercompact, superfast, turbine superpowerful mete soti elektrisite ak gaz kabonik (CO 2 ) ki ka sekèstre. Envestisman nan pwodiktè enèji pral fè metàn (gaz natirèl) rapouswiv chabon globalman tankou gaz a plon pou fè elektrisite sou deseni ki pwochen de a twa. Metàn tèt konbistib yo idrokarbone nan valè chalè, mezire an kilogram joul pou chak, epi konsa confer tèt li dekale yo. Gratis nan souf, mèki, ak kontaminan lòt moun ki te chabon ak lwil, metàn se matières la idrokarbone pi byen.
![]() |
| Figi 2. Plant la pouvwa zero-emisyon se yon kontra enfòmèl ant, vit, opere pwisan turbine nan tanperati ki wo ak presyon, konsome metàn ak oksijèn, epi mete soti elektrisite ak likid diyoksid kabòn ki ka sekèstre. Yon Robeline te kapab drenaj CO 2 de gòch a pi ba yo. (Ichihara, Tokyo elektrik pwisans / Ian Worpole) |
Malgre ke metàn pwodui apeprè mwatye CO a 2 pou chak inite nan enèji nan chabon, li toujou pwodiksyon an sa a gaz gaz. Menm nan 2020, nou pouvwa bezwen jete nan yon kantite kabòn ki sòti nan metàn egal a prèske mwatye nan pemisyon kabòn jodi a soti nan tout konbistib, e pita, itilize metàn ta kapab lakòz sou 75% nan total CO 2 emisyon. Se konsa, prevansyon de nan klima chanjman dwe konsantre sou metàn.Èske nou ka jwenn teknoloji ki konsistan avèk evolisyon nan sistèm nan enèji jete ekonomik ak yon bon de kabòn ki soti nan fè elektrisite? Vle di a se pratik ZEPP la. Lide a debaz se yon pouvwa opere plant gaz nan tanperati ki wo anpil ak pwesyon, pou nou ka senyen koupe CO 2 a kòm yon likid ak retire li.
Sèvi ak enèji Big vle di pwisan ZEPPs moun, paske gwosè a nan génération plant grandi pi vit pase menm sèvi ak total. Plant yo grandi, paske gwo se bon mache, si teknoloji ka debouye. Pou teknoloji anpil moun, yon echèl dekupl pi gwo rkul depans inite pa de tyè. Analiz de istwa a nan plant pouvwa a montre ki gen gwosè maksimòm yo grandi nan lè lap entans. Nan peyi Etazini, yon batman kè kwasans santre nan ane 1929 plant byen vit elaji ki sòti nan yon dizèn kèk nan megawatt sou 340 MW. Apre yon peryòd nan plant-gwosè stagnation, yon batman kè ki santre nan 1965 quadruple gwosè a maksimòm prèske 1,400 MW. Modèl la nan mond byen sanble ak eksperyans nan Etazini. Pou referans, New York, kounye a trase plis pase 12,000 MW nan yon jou ete cho. Stagnation a ki gen yon gwosè maksimòm pouvwa-plant pou deseni ki sot pase kèk pa ta dwe narkotik enjenyè jodi a la. Kwasans nan sèvi ak elektrisite nan 50 ane kap vini yo ka kat fwa gwosè plant maksimòm ankò nan plis pase 5,000 MW. ZEPPs Big mande pou transmèt imans pouvwa mekanik soti nan dèlko plis pouvwa anpil atravè yon aks wotasyon asye gwo osi vit ke 3,000 rpm. Fason ki ozalantou limit yo nan pouvwa transmisyon mekanik pouvwa ap réduction machin lan.
Kòmanse ak yon CO trè-wo-presyon 2 turbine gaz kote gaz boule ak oksijèn. Presyon ki nesesè chenn yo ant 40 ak 1,000 ATM, nan ki CO 2 ta dwe rticle kòm yon likid epi senyen deyò. Yon senp konfigirasyon ofri nan kòlèg li nan Tokyo elektrik pwisans montre eleman ki pi gwo (Figi 2).
Yon konsepsyon plis devlope ta ka sikile oksijèn epi ajoute metàn, lè sa nesesè pa piki lokal yo fè ekspansyon prèske izotèrm. Sik Doub, kapasite maksimòm, ak chanjman nan tanperati a nan rejenerateur a ak gaz tankou dans tout bezwen limajinasion konsidere ke fizisyen ak enjenyè nan yon Concourse Grand nan desen.
Erezman pou transmèt mekanik pouvwa, pwesyon segondè yo retresi machin la nan yon fason revolisyonè yo ak pou pèmi pou turbine nan Thorne trè vit. Dèlko a te kapab Lè sa a, tou vire trè vit, opere nan frekans ki wo, ak elektwonik pouvwa ki apwopriye ta ralanti elektrisite a te pwodwi a 60 tan.
Yon tanperati anvizaje nan 1,500 ° C ap pwobableman mande pou lè l sèvi avèk seramik nouvo kounye a yo te Enjenieri pou aviyasyon. Pwoblèm nan estrès, rouye, ak fisurasyon pral leve nan tanperati ki segondè yo ak pwesyon, epi yo bezwen yon solisyon. Devlope elektwonik pouvwa a ralanti sik yo nan aktyèl la altène tou ogmante kesyon yo. Malgre ke elektwonik ki nesesè yo ki depase eta jodi a nan atizay la, elektwonik pouvwa se yon jenn gason toujou-sa vle di chè ak enfidèl-men atizay la 2020 yo ane epi pi lwen, pouvwa fè vizyon nou yon reyalite.
Opinyon an oksijèn pou yon ZEPP 5,000-MW byen lwen depase pwodiksyon an nan pi gwo plant lan oksijèn prezan, men cryoseparation te kapab bay li. Yon plant kriyojeni sitiye tou pre yon ZEPP présente yon bonis, paske supèrkonduktor bezwen frèt la. Konpayi deja vann motè ti blesi avèk-wo tanperati fil supèrkonduktin ki halve gwosè a ak pwa nan yon motè konvansyonèl bati ak anwoulman kòb kwiv mete ak tou halve pèt elektrik. Kolèg li yo nan Tokyo elektrik pwisans kalkile ki ZEPP efikasite plant kapab rive 70%, ki byen pi wo a pik la 55% nan turbin gaz jodi a (Figi 4).
Nan presyon ki wo, kabòn fatra se deja likid, epi, konsa, fasil okipe. Opòtinite pou estoke CO 2 pral jwenn aksè nan kliyan yo ak gaz nan detèmine kote plant. Paske gaz pi natirèl vwayaje nan yon tuyaux kèk gwo, sa yo tuyaux yo se sit ideyal pou ZEPPs. Twou anba tè tankou sa yo ki ke yon fwa ki te fèt chabon, lwil oliv, ak depo kote yo gaz ki lojik retire CO 2. Se lojik la ankouraje pa reyalite. Sou yon echèl ti, CO 2 deja ki pwofitab ede rekiperasyon supérieure yo nan lwil. Nan rejyon tankou Texas, vaste sistèm tiyo CO 2 pou sere jeolojik nan apovri jaden lwil oliv pou REUSE potansyèl nan jaden ki toupre yo. Sot pase 20 ane sa yo yo te pwouve posibilite a nan anpwanzònman CO se 2 depo. Antrepriz Komèsyal kounye a magazen, san yo pa fwit, plis pase 30 milyon tòn chak ane pou rekiperasyon lwil oliv ogmante.
Defi a manti nan ale nan yon echèl gwo. Volim a prezan anyèl sou CO 2 soti nan tout sous se sou 15 km3, oswa 500 fwa sa endistri a lwil oliv kounye a sèvi avèk yo. Nat naturelle pyèj jewolojik sèlman detanzantan gen idrokarbur, se konsa yon moun ka pwolonje depo ki vid yo yo ki lwil oliv ak gaz prospèkteur regilyèman jwenn. Sezisman yon lòt opòtinite, yon sèl ta ka itilize aquifers nan kabann silikate pou avanse pou pi fatra a CO 2 Silikat yo yo, kote pwosesis chimik ta vire l 'nan Carbonate ak silica ki rete estab pou dè milyon de ane sa yo.
Nan ti bout tan, vizyon an fè ZEPP se yon supercompact, superpowerful, superfast turbine: 1-2 m an dyamèt, MW potansyèlman 10,000 oswa doub demann lan maksimòm espere, 30,000 rpm, mete soti kouran elektrik la nan 60 sik ak CO 2 ki ka sekèstre. ZEPPs gwosè a nan yon Locomotive, oswa menm yon otomobil, epi tache ak tuyaux gaz, ta ka ranplase kabòn-émettant plant yo pouvwa antik kounye a ankonbre jaden flè nou an.
Mwen pwopoze entwodwi ZEPPs nan 2020 ak yon flòt de 500 ZEPPs 5,000-MW pa 2050. Sonje byen, mond lan ki te bati flòt jodi a nan kèk 430 plant nikleyè-pouvwa nan sou 30 lane. ZEPPs, ansanm ak yon lòt jenerasyon nan plant nikleyè-pouvwa nan konfigirasyon divès kalite, ka sispann CO 2 ogmante a ki nan atmosfè a ozalantou 2050 nan a ranje 450-500 plis ppm-sou yon sèl-sezon pase jodi a-san sakrifye konsomasyon nan enèji. ZEPPs merit dè milya de dola nan R & D, paske plant yo pral fòme yon endistri pwofitab pou moun ki moun ki ka pran ekspètiz nan konsepsyon, bati, ak opere yo. Tankou ke djèt yo Jumbo ki pote yon fraksyon de pasaje yo nan gwo kilomèt-, kontra enfòmèl ant ZEPPs ultrapowerful ta ka workhorses ki gen nan sistèm enèji nan an nan mitan syèk la. Men, konpayi pouvwa te kapab insert ZEPPs nan rejyon peple rete tankou lès peyi Lachin san yo pa chanje anpil nan anprint nan sistèm nan enèji.
![]() |
| Figi 3. Yon ipotetik tiyo enèji supergrid ta ka pataje yon tinèl ak gwo vitès, tren long-distans. Tiyo a, ansanm ak idwojèn likid nan nwayo li, ta dwe antoure pa izolasyon elektrik, suprakondukteur yon (isit la diboride mayezyòm) enèji, izolasyon tèmik, ak vakyòm yon. (Pòl Grant / elektrik pwisans Research Enstiti / Ian Worpole) |
Kite m 'entwodui yon dezyèm fwa, menm pi gwo machin vèt enèji, SuperGrid kontinantal la, yo delivre transpòtè yo enèji pi pito, elektrisite ak idwojèn, nan yon tiyo enèji entegre. Desen an fondamantal enplike nan anbalaj yon kab supèrkonduktin alantou yon tiyo likid ponpe idwojèn, ki bay grip la ki nesesè yo kenbe suprakonduktivite (Figi 3). SuperGrid a pa ta sèlman transmèt elektrisite, men tou magazen ak distribye èstime nan idwojèn a finalman yo itilize nan gaz-selil machin yo ak dèlko oswa reamenaje entèn-combustion motè.
Malgre ke metàn se yon konpayi asirans enèji bon, idwojèn se pi bon anviwònman an. Ki degaje konbisyon li pwodiksyon an sèlman vapè dlo ak enèji. Nan ane 1970 yo, jounalis yo rele idwojèn Fuel la Denmen, men kritik enkyete ke idwojèn ta rete pou tout tan sou orizon an, tankou enèji fizyon. Pou idwojèn, denmen maten se kounye a jodi an. Long itilize kòm yon wokèt ak nan nich lòt tèt-pèfòmans mache, idwojèn se kounye a yon endistri pwospere jèn. Mondyal komèsyal pwodiksyon an 2002 depase 40 milya dola pye kib pou chak jou, ki se egal a 75,000 MW si konvèti nan elektrisite. US pwodiksyon idwojèn, apeprè yon tyè nan pwodiksyon nan mond lan, plis pase triple ant 1990 ak 2000 (Figi 5). Plis pase 16,000 kilomèt nan tiyo gaz idwojèn atravè lemond transpòte pou itilizatè gwo, ak tiyo nan 100 ATM pwolonje jiska 400 km, pou egzanp, ki soti nan Antwerp, Bèljik, Normandy, la Frans. Men, echèl la SuperGrid se lòd nan grandè pi gwo.
![]() |
| Figi 4. efikasite nan ogmante pouvwa jenerasyon ak operasyon ki nan pi gwo presyon ak tanperati. (Ichihara, Tokyo elektrik pwisans) |
Kontinantal vle di kòt-a-kòt-pou egzanp, atravè km a 4,000 nan Amerik di Nò yo, ki fè yon sèl mache pou idwojèn, ak elektrisite.Suprakonduktivite rezoud pwoblèm lan nan pèt enèji soti nan liy kouran, ak yon echèl kontinantal ogmante efikasite nan plat koub la elektrisite-chaj, ki toujou ap swiv solèy la. Kapasite segondè vle di 40,000-80,000 MW. Kab sa a ta ka pote dc ak ta ka sanble swa kolòn vètebral yon oswa yon bag yon. Convertisseurs pouvwa ta konekte SuperGrid a dc nan divès pwen ki deja egziste segondè-vòltaj post transmisyon ac. SuperGrids ta dwe boujonnen sou tout kontinan. Yon sistèm kontinantal ta ka koute sou $ 1 billions, oswa $ 10 milya dola chak ane pou 100 ane, yo bati, opere, epi kenbe. Wout long la a SuperGrid la ta dwe kòmanse ak yon demonstrasyon konvenkan. Mwen pwopoze ke nan lespas twa zan, Etazini yo bati yon fleksib 100-m "Supercable"-yon tiyo 3-cm-dyamèt pou 1-m / koule idwojèn yo andedan yon 10 - cm-dyamèt tiyo an jeneral fil supèrkonduktin ki gen pote 5,000 V, 2,000 A a, epi 10 MW DC, demontre konstan aktyèl anba chaj varyab epi yon faktè tranch rid ki ba.
Chwa teknik ak defi gen anpil-an kriyojeni ak vid, pouvwa-kontwòl ak konsepsyon kab, ak materyèl Dielectric anba estrès similtane soti nan tanperati ki ba ak lòt jaden pou segondè. Toujou, nan lespas de 10 ane, nou te ka bati ak opere yon segman 10-20-km ki rezoud yon konstriksyon transmisyon vrè. Ak pa midcentury, nou te ka genyen SuperGrid an premye ki gen kèk 40 seksyon 100 kilomèt-tan entegre ak plant nikleyè nan mil megawatt plizyè apwovizyone kadriyaj la ak kouran elektrik, ak idwojèn. Fòs nikleyè adapte ak SuperGrid a paske nan pri ki ba li yo nan gaz pou chak èdtan kilowat-yo ak operasyonèl fyab nan yon nivo pouvwa konstan. High-tanperati réacteurs ak coatedparticle oswa grafit-matris konbistib pwomès yon wout patikilyèman efikas ak évolutive sou pouvwa konbine ak pwodiksyon idwojèn. Kounye a, idwojèn vini sitou nan vapè refòme nan metàn. Ou evite travay lap fè yo ak depans pou kabòn kapti ak sezi, idwojèn dwe evantyèlman vini soti nan dlo divize, ak enèji a fè idwojèn nan yo tou dwe kabòn-gratis. Gwo-echèl pwodiksyon de kabòn-gratis idwojèn lè l sèvi avèk nikleyè enèji ta dwe kòmanse alantou 2020.
![]() |
| Figi 5. Pwodiksyon de idwojèn ki nan peyi Etazini, 1971-1999, sou yon echèl semilog. (NM Victor ak JH Ausubel 2002) |
Thermochemically,-wo tanperati plant nikleyè ta ka fè sware idwojèn sou echèl la bezwen satisfè demann la de dè milya de konsomatè ( wè fizisyen Endistriyèl la, fevriye / mas 2002, pp 22-25). Nikleyè-enèji pwodiksyon se natirèlman 10,000 oswa menm 100,000 fwa kòm kontra enfòmèl ant kòm pwodwi enèji nan idrokarbur, epi, konsa, évolutive.Tankou ZEPPs,-wo tanperati réacteurs ta ka 5,000-10,000 MW. Kidonk, sipèfisi a pou pouvwa ak pak menm ki kantite plant yo bezwen diferan ti kras nan sa yo ki nan jodi an.Operating 24 èdtan nan yon jounen, plant sa yo ta ka doub debaz efikasite nan stock kapital elektrik-pouvwa endistri a la, ki jodi a se vizan pik-demann sou de fwa nivo a, men baseload mwatye rès tan an. Inaktif idwojèn-depo kapasite nan SuperGrid a, konbine avèk gaz selil wouj oswa lòt motè nouvo, pouvwa pèmèt rezo elektrik chanjman nan yon sistèm livrezon pi plis tankou sa yo ki nan lwil oliv ak gaz, epi lwen prezan, ki koute chè, matche la enstantane de materyèl demann.
Pou sekirite ultim, sekirite, ak estetik, nou ta dwe mete SuperGrid a, ki gen ladan câbles li yo ak plant pouvwa a, anba tè. Malgre koute chè, bilding anba tè diminye vilnerabilite sabotaj oswa dezas natirèl yo, aksidan, dwa-of-fason dispit, epi konjesyon sifas yo. Depi 1958, Lawisi te gen opere réacteurs anba tè nan Siberia. SuperGrid a miltipliye chans yo nan anplasman réacteurs ki pwodui idwojèn lwen lavil.
Evantyèlman, mayetik levitated tren (maglevs), lanse pa motè lineyè nan supèrkonduktin leman, ta ka pataje tinèl yo, k ap deplase nan vitès segondè nan presyon ba tib soti nan yon kwen nan yon kontinan nan yon lòt nan 1 h. Maglevs sa yo ta ka gaye pri a sou enfrastrikti itilize miltip.Mo sa yo majik pou SuperGrid la yo se idwojèn, suprakonduktivite, zero emisyon, ak ti anprint ekolojik, nan ki nou ajoute réacteurs-wo tanperati a, depo enèji, sekirite, fyab, ak évolutivité. Pwi a se ke tiyo a Super-gri kapab pote 5 a 10 fwa pouvwa a nan yon jounen jodi a kab nan dyamèt la menm.
Small se bèl lè ti vle di tou pwisan ak chè, tankou machin la nan entènèt la. Sistèm nan enèji mande pou ékonomi lide vèt gwo nan pouvwa ankò nan ti enpak.
Solè ak renouvelables yo sa yo rele yo pa konsidere kòm vèt lè yo nan balans gwo yo mande yo. Yon sèl 1,000 - mwe plant nikleyè équivalant tè agrikòl premye ki gen plis pase 2,500 km 2 pwodwi Biomass, yon fèm van okipe 750 km 2, oswa yon plant fotovoltaik nan sou 150 km 2 ansanm ak tè pou estokaj ak Rekipere. Malgre ke yon kado gaz natirèl konbine-sik plant itilize apeprè 3 tòn metrik nan asye ak 27 m 3 nan konkrè pou chak mwayèn elektrik megawatt, yon tipik van-enèji sistèm sèvi ak 460 tòn metrik nan asye ak 870 m 3 nan konkrè. Solè ak renouvelables nan chak fòm mande pou mas nan machin yo pwodwi megawatt anpil. Yo mank efikasite ak ekonomi de balans. Tankou ba-sede agrikilti, yo pwodwi plis kalori, solè ak renouvelables miltipliye nan limit, lignée. Kontrèman ak Entènèt la, solè ak renouvelables pa kapab vin pi piti anpil ke yo te vin pi pi gwo. Konsa, yo ap grandi ti kras.
Erezman, cho nouvo teknoloji tankou seramik, osi byen ke moun ki fre, tankou supèrkonduktor, fè sa posib gwo, se vre wi machin vèt enèji.ZEPPs ak SuperGrids ka miltipliye pouvwa a nan sistèm nan fwa 5-10 pandan y ap réduction li nan yon fason revolisyonè.
Izayi H. Ausubel dirije Pwogram la pou anviwònman an Imèn nan Inivèsite a Rockefeller nan New York. Se Atik sa a ki baze sou prezantasyon li a nan Millennium Senpozyòm sou la Prize Teknoloji nan Espoo, Fenlann, 14, jen 2004. Mèsi a C. Marchetti.