Nawet gdy nadchodzi era syntezy, wciąż jesteśmy w epoce pary

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Lokomotywy parowe stukają po torach kolejowych. Parowce wiosłowe płynące po Murray. Pancerniki typu Dreadnought napędzane silnikami parowymi.

Wielu z nas uważa, że era pary dobiegła końca. Ale chociaż silnik parowy został zastąpiony silnikami spalinowymi, a obecnie silnikami elektrycznymi, współczesny świat nadal opiera się na parze. Prawie wszystkie elektrownie cieplne, od węglowych po nuklearne, muszą mieć parę, aby działać. (Elektrownie gazowe zwykle tego nie robią).

Ale dlaczego? Dzieje się tak z powodu czegoś, co odkryliśmy tysiące lat temu. W I wieku n.e. starożytni Grecy wynaleźli eolipil – turbinę parową. Ciepło zamieniło wodę w parę, a para ma bardzo przydatną właściwość: jest łatwym do wytworzenia gazem, który może pchać.

Ten prosty fakt oznacza, że nawet marzeniem jest energia termojądrowa skrada się bliżej, nadal będziemy w epoce pary. Pierwsza komercyjna instalacja termojądrowa będzie polegać na najnowocześniejsza technologia będzie w stanie pomieścić plazmę znacznie gorętszą od jądra Słońca, ale nadal będzie powiązana ze skromną turbiną parową przetwarzającą ciepło na ruch na energię elektryczną.

wewnątrz torusa termojądrowego — Nawet zaawansowane technologicznie elektrownie termojądrowe będą wykorzystywać parę do produkcji energii elektrycznej. Źródło obrazu: EUROfusion/Wikimedia Commons, CC BY

Dlaczego nadal jesteśmy zależni od Steam?

Wrząca woda wymaga znacznej ilości energii, największej ze wszystkich znanych nam płynów. Odparowanie wody wymaga około 2.5 razy więcej energii niż etanolu i 60 procent więcej niż cieczy amoniakalnej.

Dlaczego używamy pary, a nie innych gazów? Woda jest tania, nietoksyczna i łatwa do przekształcenia z cieczy w gaz energetyczny, zanim ponownie skondensuje się w ciecz i będzie można ją ponownie wykorzystać.

Para przetrwała tak długo, ponieważ mamy pod dostatkiem wody, pokrywając 71 procent powierzchni Ziemi, a woda jest użytecznym sposobem przekształcania energii cieplnej (ciepła) w energię mechaniczną (ruch) w energię elektryczną (elektryczność). Poszukujemy prądu, ponieważ można go łatwo przesłać i można go wykorzystać do wykonywania dla nas pracy w wielu obszarach.

Kiedy woda zamienia się w parę w zamkniętym pojemniku, znacznie się rozszerza i zwiększa ciśnienie. Para pod wysokim ciśnieniem może magazynować ogromne ilości ciepła, podobnie jak każdy gaz. Jeżeli zostanie podany wylot, para będzie przez niego przepływać z dużą szybkością. Umieść turbinę na jej drodze wyjściowej, a siła ulatniającej się pary będzie obracać łopatki turbiny. Elektromagnesy przekształcają ten ruch mechaniczny w energię elektryczną. Para skrapla się z powrotem do wody i proces rozpoczyna się od nowa.

Silniki parowe wykorzystywały węgiel do podgrzewania wody w celu wytworzenia pary napędzającej silnik. Rozszczepienie jądrowe powoduje rozszczepienie atomów w celu wytworzenia ciepła potrzebnego do wrzenia wody. Fuzja jądrowa zmusi ciężkie izotopy wodoru (deuter i tryt) do stopienia się w atomy helu-3 i wytworzenia jeszcze większej ilości ciepła – do zagotowania wody, aby wytworzyć parę, która będzie napędzać turbiny wytwarzające energię elektryczną.

Jeśli spojrzysz tylko na końcowy proces w większości elektrowni cieplnych – węgiel, olej napędowy, rozszczepienie jądrowe, a nawet syntezę jądrową – zobaczysz, że stara technologia pary została zaawansowana tak daleko, jak to tylko możliwe.

Turbiny parowe napędzające duże alternatory elektryczne, które wytwarzają 60 procent światowej energii elektrycznej, są piękne. Setki lat technologii metalurgicznej, projektowania i skomplikowanej produkcji niemal udoskonaliły turbinę parową.

Czy będziemy nadal używać pary? Nowe technologie wytwarzają energię elektryczną bez użycia pary. Panele słoneczne polegają na przychodzących fotonach uderzających w elektrony w krzemie i tworzących ładunek Turbiny wiatrowe działają jak turbiny parowe, z tą różnicą, że na turbinę nadmuchuje wiatr, a nie para. Niektóre formy magazynowania energii, takie jak elektrownie szczytowo-pompowe, wykorzystują turbiny, ale do gromadzenia wody w stanie ciekłym, a nie pary, podczas gdy akumulatory w ogóle nie wykorzystują pary.

Technologie te szybko stają się ważnymi źródłami energii i magazynowania. Ale para nie znika. Jeśli będziemy korzystać z elektrowni cieplnych, prawdopodobnie nadal będziemy korzystać z pary.

Dlaczego nie możemy po prostu zamienić ciepła na energię elektryczną?

Możesz się zastanawiać, dlaczego potrzebujemy tak wielu kroków. Dlaczego nie możemy przekształcić ciepła bezpośrednio w energię elektryczną?

To jest możliwe. Urządzenia termoelektryczne są już stosowane w satelitach i sondach kosmicznych.

Urządzenia te, zbudowane ze specjalnych stopów, takich jak ołów i tellur, opierają się na różnicy temperatur pomiędzy gorącymi i zimnymi złączami tych materiałów. Im większa różnica temperatur, tym większe napięcie mogą wytworzyć.

Powodem, dla którego te urządzenia nie są wszędzie, jest to, że wytwarzają one jedynie prąd stały (DC) przy niskim napięciu i mają od 16 do 22 procent wydajności w przetwarzaniu ciepła na energię elektryczną. Natomiast najnowocześniejsze elektrownie cieplne mają sprawność do 46 procent.

Gdybyśmy chcieli kierować społeczeństwem w oparciu o silniki konwertujące ciepło, potrzebowalibyśmy dużych zestawów tych urządzeń, aby wytworzyć wystarczająco wysoki prąd stały, a następnie użyć inwerterów i transformatorów, aby przekształcić go w prąd przemienny, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Tak więc, chociaż możesz uniknąć pary, ostatecznie będziesz musiał dodać nowe konwersje, aby energia elektryczna była użyteczna.

Istnieją inne sposoby zamiany ciepła w energię elektryczną. Trwają prace nad wysokotemperaturowymi ogniwami paliwowymi ze stałym tlenkiem przez dekady. Nagrzewają się one do temperatury od 500 do 1,000 stopni Celsjusza i mogą spalać wodór lub metanol (bez płomienia), aby wytworzyć prąd stały.

Te ogniwa paliwowe mają sprawność do 60 procent, a potencjalnie nawet wyższą. Chociaż te ogniwa paliwowe są obiecujące, nie są jeszcze gotowe do wykorzystania. Mają drogie katalizatory i krótką żywotność ze względu na intensywne ciepło. Ale postęp jest są wykonane.

Dopóki takie technologie nie zostaną opracowane, pozostajemy skazani na parę jako sposób na konwersję ciepła na energię elektryczną. Nie jest tak źle – para działa.

Kiedy widzisz w przeszłości grzechoczącą lokomotywę parową, możesz pomyśleć, że to osobliwa technologia z przeszłości. Ale nasza cywilizacja nadal w dużym stopniu opiera się na parze. Jeśli moc syntezy jądrowej nadejdzie, para również pomoże zasilić przyszłość. Era pary tak naprawdę nigdy się nie skończyła.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Kredytowych Image: Siemens Pressebild za pośrednictwem Wikimedia Commons