电力驱动:运输业发展的方向?

现代社会人类的活动范围越来越大,使用的物资的来源越来越广,物资的交流越来越频繁。每时每刻,都有无数的飞机,轮船,火车,汽车等等各类交通工具匆忙来往于各地,维持着现代社会的正常运转,这就是运输业。

运输业是能耗大户,消耗着人类活动百分之二十的能源。与人类其他活动复杂丰富的能源来源不同,运输业使用的能源形式相对单一:石油为运输业提供了百分之九十五的能量。

石油:时代将尽


运输业选择石油的原因非常简单:石油产品的使用非常方便,各种内燃机技术非常成熟;石油产品还可以很方便地存储,随用随取;石油产品的能量密度很高,一公 斤就可以存储相当于十几度电的能量;石油的供应量也巨大,目前每天八千五百万桶的产量至少还可以维持十数年。这些特性,目前还没有任何其他的能源可以与之 相比。

但是石油的大规模应用也带来了很多问题。石油是碳基燃料,其开采,炼制,运输,使用过程中排放的温室气体超过人类活动排放温室气体总量的四分之一, 这还是中远期的影响。在石油开采地,石油自身带来的环境代价就非常严重,去年美国墨西哥湾的深海采油泄露事件就是一个很典型的石油开采导致的生态灾难。而 小规模的泄露事件更是经常发生,甚至连新闻都缺少了报道的兴趣。石油资源的分布也非常不均匀,重要产地往往也是政治敏感地区,随时威胁着石油供应的安全。 所以如果有办法,人们还是需要寻找石油的替代品。

即使不考虑石油的环境影响,人们也需要寻找石油替代品了,原因也很简单,石油要不够用了。石油曾经是非常廉价的能源,一桶石油提供的能量,曾经可以 把三五十桶的石油开采到地面,加工成成品,送到用户面前。但是,随着超过一点二万亿桶石油已经被人类消耗,这类开采方便廉价的石油已经所剩不多。人们已经 开始开发那些并不方便的石油资源,比如深海开采,油砂,页岩油等等。这些非常规石油资源的开采需要消耗大量的能量,提升了石油开采的成本,也给环境带来更 大压力。可以说,廉价石油的年代已经结束了。

更麻烦的是,这些非常规石油资源也不是无限的,石油的开采高峰很可能已经近在眼前,可开采的石油资源可能在几十年最多百多年左右枯竭,而运输业却是 能量消耗增长最快的领域。人类要满足自己对于运输的需求,必须寻找其他的能源方式,必须改变目前已经成熟的运输方法。在这个背景下,电动车辆,就成了运输 业的一个重要选择。

电动车:优势与限制

 

可以说人类的运输必然要走向电驱动。曾经承担运输业主力的铁路已经大部分完成电气化,对于运输业里面消耗最多能量的公路运输来讲,电动汽车也是必然的发展方向。电动车自身有很多好处,最大的优点,就是在使用端零排放。这样,目前困扰着大城市的汽车粉尘、有机烟雾、一氧化碳、氮氧化物排放等等直接污染就可以 立刻得到缓解,为减轻城市的环保压力作出贡献。同时,电动汽车使用的是电力,可以摆脱对石油的依赖。而因为可再生能源大多数都在以电的形式被应用,随着电 的来源越来越清洁,电动车所带来的环境优势将会更加明显。

但是目前的电网的确不够清洁。目前世界大部分国家的电力来源仍然以煤炭和天然气为主,而煤炭火力电站的污染非常严重,不仅仅排放大量的温室气体,煤 炭火电还会产生硫化物,氮氧化物,颗粒污染物等的排放,甚至煤炭利用造成的核污染也远远高于核电造成的核污染。由于矿山安全问题,煤炭开采的生命代价也很 高。此外,目前的技术水平下,电动车的制造与传统内燃汽车相比也要消耗更多的资源,造成更大的环境危害。综合下来,目前阶段在很多国家推广电动车,从生命 周期角度考虑并没有多少环保优势,可能只是造成污染转移。甚至可能电动车在生命周期中排放更多的污染物。中国去年就有研究表明,根据目前的电网结构,普及 电动车的环保好处有限,硫排放和氮氧化物排放都比汽油车高上数倍;美国相关的研究也显示,目前阶段全电车的生命周期环境代价高于内燃气车。

电动车自身的技术也有待突破。人们现在已经习惯了内燃汽车带来的方便,一箱油五六百公里的行程成了标准要求。但是对于电动汽车来讲,这个行程需要携 带的电量就太大了。由于目前电池技术水平的限制,单位重量和体积所携带的能量太低,大多数全电动车的行程仍然只能被限制在一两百公里之内。超过这个行程 后,电动车的重量增加太多,效率降低,制造成本也大幅度升高,推广面临困难。而这么短的行程用户是否接受,是否愿意改变用车习惯,还需要在实践中摸索,电 池技术恐怕仍然需要更大的突破。

充电速度也是一个电动车推广过程中需要解决的问题。目前的常规技术的充电速度很慢,往往需要几个小时,虽然理论上说可以利用后半夜用电低谷的时候充 电几个小时,但是在实际应用中,一辆本来行程就不长的车经常处于缺电状态,显然无法应付一些突发事件,用户能否接受,也需要实践考验。当然针对这个问题, 也有了很多解决办法,比如快速加电站,比如电池更换等等,这些新概念给解决这个问题带来了希望,不过实际效果如何,仍然需要实践检验。

针对全电动车的这些问题,混合动力汽车就成了一个不错的选择。油电双驱动的混合动力汽车已经成功在市场上运行了十几年,其超低的油耗在目前高油价的 背景下越来越受到用户欢迎,加入这个行列的制造厂家越来越多。不过目前的油电双驱动汽车仍然使用内燃机,更像是一个节油效果很好的内燃汽车,并不能使用电 网的供电。

插入式混合动力车就更像是电动车了。插入式电动车平时依赖电网充电,进行能源补充,所携带的能量足够短途使用。在进行长途运行的时候,插入式电动车 又可以使用燃油,通过燃油燃烧发电来提供电力。这样,在使用的大多数时候,插入式电动车都可以使用电网提供的电力,同时也解决了长途运行以及紧急情况下的 使用问题。另一方面,由于内燃机只用于发电,可以保持在效率最高的工作状态下运行,也可以进一步提高燃油的利用率,降低对环境的影响。这个方案,在很多国 家被视为目前阶段电动车的重要发展方向。

无论如何,电动车非常可能是未来运输的解决方案,虽然目前在实际应用中仍然有一些技术问题,但是随着各国政府对电动车发展的重视,大的车辆制造企业 加大研发投入,相信这些问题终将得到解决。目前已经进入到电动车的工业推广尝试阶段,在较大应用规模中寻找暴露出的具体技术问题,寻找推广方法模式,为大 规模商业推广进行相关技术准备,积累经验。也许二三十年后,电动车就可以占到重要的比例,最终摆脱对石油的依赖。

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13岁男孩根据斐波那契数列发明太阳能电池树

一名13岁的男孩根据斐波那契数列发明了太阳能电池树,其产生的电力比太阳能光伏电池阵列多20-50%。 斐波那契数列类似从0和1开始,之后的数是之前两数的和,如0,1,1,2,3,5,8,13,21…Aidan Dwye在观察树枝分叉时发现它的分布模式类似斐波那契数列,这是大自然演化的一种结果,可能有助于树叶进行光合作用。因此,Dwye猜想为什么不按照斐 波那契数列排列太阳能电池?他设计了太阳能电池树,发现它的输出电力提高了20%,每天接受光照的时间延长了2.5小时。

八克钍足以替代汽车所需汽油

钍是一种丰富的放射性矿物质,主要被用于核能源。现在,一家美国公司宣布将推出使用钍为燃料的电动车原型。 Laser Power Systems公司CEO Charles Stevens发明了基于钍的驱动系统,其关键是利用激光加热钍,使其释放出热能,加热微型涡轮机中的水,产生蒸汽发电驱动汽车。Stevens称,1克 钍释放出的能量相当于7500加仑汽油,足够一般司机一年使用。八克钍足以保证汽车永远不用加燃料。Stevens认为这将消除石油需求。

地球周围发现稀薄反物质带

科学家首次发现了一个包围地球的稀薄反物质带。报告arXiv预印本)发表在《天体物理学学报通信》上。 这项研究证实了地球磁场能捕获反物质的理论推测。反质子是2006年发射的探测太阳和系外高能粒子的卫星Pamela发现的。Pamela的目标之一是从 丰富的普通粒子中寻找到数量稀少的反物质粒子。新的数据分析显示,当Pamela卫星飞过名叫南大西洋异常的区域时,它观察到了数千倍于正常粒子衰变的反 质子,证明存在一个类似范艾伦辐射带的反物质带。研究人员认为,这些反物质粒子可成为未来宇宙飞行器的燃料来源

加拿大全新处理技术,造就更便宜,更清洁石油

译言

New technology for extracting oil from oil sands could more than double the amount of oil that can be extracted from these abundant deposits. It could also reduce greenhouse-gas emissions from the process by up to 85 percent. The technology was developed by N-Solv, an Alberta-based consortium that recently received $10 million from the Canadian government to develop the technology.

这一项从油砂矿中提取石油的新技术,将有望把从加拿大丰富的矿产储备中所能提炼出的石油量增加一倍。同时,还会在整个提炼过程中将温室气体的排放量减少85%。这项技术是由总部设在亚伯达(加拿大西部的一个省)的N-Solv公司研发的,就在不久前,这家财团从加拿大政府获得了1000万美元的资助,以进一步发展这项技术。

Canada’s oil sands are a huge resource. They contain enough oil to supply the U.S. for decades. But they are made up of a tarry substance called bitumen, which requires large amounts of energy to extract from the ground and prepare for transport to a refinery. This fact has raised concerns about the impact of oil sands on climate change. The concerns have been heightened by plans to build a new pipeline for transporting crude oil from the sands to refineries in the United States.

加 拿大油砂资源丰富。它所能提供的石油足够美国使用数十年。但是其主要成分是一种被称为沥青的焦油状物质。因此从地面开采和把他们运往提炼产都需要消耗大量 的能源。这一现实已经引发了对开采利用油砂矿对气候变化的影响方面的担忧。在公布将建设一条新的石油运输管道把从油砂中提取出的原油运往位于美国的提炼产 之后,这些担忧进一步升级。

Most oil sands production currently involves digging up oily sand deposits near the surface and processing the sludgy material with heat and chemicals to free the oil and reduce its viscosity so it can flow through a pipeline. But 80 percent of oil sands are too deep for this approach. Getting at the deeper oil requires treating the bitumen underground so it can be pumped out through an oil well. The most common technique in new projects involves injecting the bitumen with steam underground. But producing the steam means burning natural gas, which emits carbon dioxide. And the oil that’s pumped out is still too thick to flow through a pipeline, so it has to be partially refined, which emits still more greenhouse gases.

目前,大多数的油砂生产的环节包括从近地面开采油砂矿资源,然后将这些泥糊糊的原材料在高温和化学物质的作用下分离出石油,并降低其粘性,最后就能在油管中运输了。尽管可以采用这种办法,但是80%的 油砂矿都是深埋地底的。要想开采到深层的石油,还要对付地下的地沥青,这样才能通过油井将石油抽上来。在新的工程中最常用的技术,则是往地下的沥青中注入 蒸汽。但是,要生产蒸汽就要燃烧天然气,这还是会产生二氧化碳。此外,要抽出的石油通常都是浓度太高而不能通过油管,所以在这之前还是要部分提炼才行,而 这样做仍然会排放更多的温室气体。

N-Solv’s process requires less energy because it uses a solvent rather than steam to free the oil, says Murray Smith, a member of N-Solv’s board of directors. The solvent, such as propane, is heated to a relatively low temperature (about 50 °C) and injected into a bitumen deposit. The solvent breaks down the bitumen, allowing it to be pumped out along with the propane, which can be reused. The solvent approach requires less energy than heating, pumping, and recycling water for steam. And because the heaviest components of the bitumen remain underground, the oil that results from the solvent process needs to be refined less before it can be transported in a pipeline.

一名N-Solv公司的董事会成员MurraySmith表示,N-Solv公司的处理技术则只要消耗更少的能源就能做到,因为该公司使用的是化学溶剂而不是蒸汽来分离出石油。像丙烷这样的溶剂会加热到相对较低的温度(大约是50摄 氏度)后被注入到沥青层。之后,溶剂会分解沥青,沥青会和丙烷一道会被抽取上来,这样还可以重新利用他们。采用溶剂的方法比加热,抽取,然后再利用生产蒸 汽的水资源这一处理过程要消耗更少的能量。不仅如此,因为沥青中最重的成分都还是埋在地底的,所以利用溶剂提取出的石油不需要深加工,之后就可以由油管运 送出去了。

Because the new process requires less energy, it should also be cheaper. Smith adds that the equipment needed for heating and reusing the propane is less expensive than technology for managing the large volumes of water used in the steam process. With conventional techniques, oil prices have to be above $50 to $60 per barrel—as they have been for several years—for oil sands to be economical. Smith says that with the solvent process, oil sands are still economical even if oil is $30 to $40 per barrel, close to what it was in the 1990s and early 2000s (in inflation-adjusted dollars). N-Solv says the lower costs will make it possible to economically extract more than twice as much oil from the oil sands compared to conventional technologies.

由于这项新的处理技术只需消耗少量的能量,它也应该是更加省钱的办法。Smith补充说,加热和重新利用丙烷的设备所花费的钱,比在蒸汽处理技术中控制大量的水这一技术花费的钱要少。如果使用传统的技术开采油砂资源而且要划算的话,其油价将会是在每桶50美元到60美元以上,其实过去这些年都是这个价。他还说,在公司看来,如果利用溶剂处理技术的话,即使油价在30美元至40美元一桶也很划算,这个价位接近1990年代和21世纪前几年的水平(扣除通货膨胀的因素后)。该公司表示,相比于传统的技术,这样更低的成本将会让从油砂中开采出比以前高出一倍多的石油成为了可能。

The idea of using solvents to get at oil sands was proposed in the 1970s, but early experiments showed that the process couldn’t produce oil quickly enough. Two things changed that, according to N-Solv. First, horizontal drilling technologies now make it possible to run a solvent injection well along the length of an oil sands deposit, increasing the area in contact with the solvent, thus increasing production. Second, N-Solv determined that even small amounts of methane—a by-product of using a solvent—could contaminate the propane and degrade its performance. So N-Solv introduced purification equipment to separate methane from the propane before it is reused. The separated methane can also be used to heat the propane, further reducing energy costs.

利用溶剂从油砂中获取石油的理念是在20世纪70年代提出来的,但是早期的实验表明这一技术不能快速的生产出石油。N-Solv公司表示,是两件事情改变了那种状况。首先,水平钻孔技术得以让溶剂一路注入到油砂矿的各个表面,这就增加了其和溶剂接触的面积,也因此增加了石油产量。其次,N-Solv坚持认为即使是少量的甲烷—在溶剂使用中一种的副产品—也会污染丙烷并削弱其效用。因此,N-Solv公司引进了提纯设备,在重新使用回收的丙烷前从丙烷中分离出甲烷,而分离出来的甲烷也可以用来加热丙烷,这样就进一步降低的能源消耗的成本。

Although N-Solv’s technology could reduce carbon-dioxide emissions from production, most of the emissions associated with oil sands—as with any source of oil—come not from producing the oil, but from burning it in vehicles and furnaces. The technology’s impact on climate change will depend on whether the process leads to increased oil production—if it does, it may actually result in increased net greenhouse-gas emissions, says David Keith, a chemical and petroleum engineering professor at the University of Calgary.

尽管N-Solv公 司的这一技术可以在生产过程中减少二氧化碳的排放量,但是这其中大部分的排放都和油砂有关,其实任何一种石油来源都是如此,排放的二氧化碳不是来自石油生 产环节,而是来自交通工具和锅炉的使用这一环节。这项技术对气候变化的影响,还要取决于它是否导致了石油产出的增加。(加拿大)卡尔加里大学化学和石油工 程学教授DavidKeith表示说,如果石油产出增加了,那么这将会引起温室气体的净排放。

So far, the process has been tested only in a lab. Now N-Solv will begin a pilot project that could produce 500 barrels of oil a day. The $60 million project, which is mostly funded by private sources, will determine whether the process can work on a larger scale.

到目前为止,这项技术还只是在实验室里进行了测试。现在,N-Solv公司决定开始一项可以每日生产500桶石油的试点计划。这一耗资6000万美元的试点项目将决定着这一技术是否有望大幅度推广,其中大部分资金将从私人那里获得。

小姜杂谈:全世界的数据中心,耗多少电?

Andy Yang 于 8 hours 之前发表

文章分类: 科技新闻

英特网是人类史上最重要的发明之一,其重要性不亚于印刷术的发明。如果说书本解除了空间的限制,让信息可以自由地在不同的地区、不同的阶级、不同的民族间 散布,以至于最终打破了这些藩篱,那因特网则是打破了时间的限制,让信息可以实时地传播,一则消息通过网络,短时间内就可以被所有人所知晓。同时,网络渐 渐地成为了无可比拟的大信息整合体,无论什么媒体、什么服务,都逐渐地移上了网络。

英特网在概念上是虚拟的,但在现实中,它便是由大把大把的各式服务器所组成,为了管理方便和成本考虑,通常这些服务器都会集合在所谓的数据中心 (Datacenter)或服务器农场(Server Farm)里。史丹佛大学土木与环境工程系的教授 Johnathan G. Koomey 最近发表的一篇文章,就着眼在这些数据中心对全球耗电量的影响,以及近期来的一些发展趋势。

根据该报告的推算,目前全世界的数据中心在 2010 年共耗去 1,988 亿度(千瓦*小时)的电力,约是全球 2010 年总发电量的 1.1 至 1.5%。听起来并不大,但是要知道,和家庭用电、工业生产用电等用电大户相比,平常不太受人注意的数据中心竟然能占到超过 1% 之多,其实是相当惊人的。在拥有大量数据中心的美国,这个比重还要再更高一些,约有 1.7 至 2.2% 之多。尽管如此,报告指出这个数字已经低于在 2005 年时所做的预估 — 当时预测从 2005 年到 2010 年的五年间,数据中心的总耗电量将增长一倍,但实际上只多了 56%。

Koomey 分析,这背后的原因是因为前一阵子的金融风暴延缓了新数据中心的需求,再加上最近几年芯片的研究方向从高速逐渐转向省电,但是其他分析师认为随着愈来愈多 的资料和服务移转到云端之上,数据中心的数目势必还要继续增加,现在所看到的相对平缓趋势,很有可能只是暂时的。未来因特网占去的资源,可能会比你我想象 的还要多上许多。

不过这也不是没有解决方法的 — 做为业界的一哥,或许 Google 的做法对其他人来说就很有参考性和启发性。在另一篇报告中,一位 Google 主管告诉 Koomey,他们的近百万台服务器(这个数字是外界的估计值,对 Google 来说当然是重要的企业机密)耗去的电力,大约只占全球数据中心的 1% 左右。这主要是拜 Google 完全自己设计、制造自己的服务器所赐,所以可以为各种应用做服务器架构的优化,当然在可能的情况下,Google 也会尝试一些不一样的技术,例如把服务器盖在海上以减少散热的困难度等等。

所以虽然只是平凡如上网买个东西、发个推、下载首歌、或是看个 Engadget,这背后的基础架构之庞大、电力消耗之多,可是相当难以想象的呢!

MIT推出不需阳光也可工作的太阳能发电系统

A solar energy system that doesn’t require sunlight is almost as bizarre as a tidal power system that doesn’t use water – however that’s exactly what researchers at MIT have cooked up. The team just unveiled a new photovoltaic energy conversion system that can be powered by heat, the sun’s rays, a hydrocarbon fuel, or a decaying radioisotope. The button-sized power generator that can also run three times longer than a lithium-ion battery of the same weight.

一个不需阳光就能发电的太阳能 发电系统就和一个不需要水就能工作的潮汐发电站一样不可思议——然而这这是MIT研究人员正在酝酿的事情。这个小组前不久推出一款由热量、阳光、烃类燃料 或正在衰变的放射性同位素驱动的新型光伏能量转换系统。这个只有一粒纽扣大小的发电机可比相同重量的锂离子电池多工作2倍时间。

The science behind the device is not necessarily groundbreaking, as engineers have long used the surface of a material to convert heat into precisely tuned wavelengths of light. However MIT’s method to convert light and heat into electricity is much more efficient than previous versions.

这个装置背后的科技并非是突破性的,因为工程师们早就用一种材料的表面将热量转换为精确波长的光束。然而,MIT将光和热转化为电力的方法比之前的版本要更有效。

Described in the journal Physical Review A, MIT’s breakthrough was enabled by a material with billions of nanoscale pits etched on its surface. When this pitted material absorbs heat, it radiates energy at precisely chosen wavelengths depending on the size of the pits. It is hoped that the technology may one day be used to generate power for spacecraft on long term missions where sunlight may not be available.

在 《物理学评论A》杂志中描述了MIT之所以能取得突破性进展的原因在于材料的表面蚀刻有数以亿计纳米尺度的小坑。当这个坑坑洼洼的材料吸收热量时,它精确 地辐射选定波长的光,而波长由坑的大小决定。人们希望这种技术能有朝一日运用在执行长期任务的宇宙飞船上,因为那些地方可能没有阳光能够到达。

“Being able to convert heat from various sources into electricity without moving parts would bring huge benefits,” says Ivan Celanovic, research engineer in MIT’s Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), “especially if we could do it efficiently, relatively inexpensively and on a small scale.” Celanovic went on to say that he believes his team could triple the efficiency of their prototype, adding that “It’s a neat example of how fundamental research in materials can result in new performance that enables a whole spectrum of applications for efficient energy conversion.”

“能够够将源自各种方式的热转化为电力而又不需任何活动部件将会带来巨大的好 处”MIT士兵纳米科技研究所工程师Ivan Celanovic说道,“尤其是如果它还很高效、相对较小并且安装在一小块东西上。”Celanovic接着说他相信他的小组将它们的光伏发电效率翻两 番,还说“这将是一个材料科学方面的基础性研究引发全领域电子用品高效能源转换的典范。”

Considering that space firms are looking for new ways to power spacecraft efficiently now that the shuttle fleet has been retired, we imagine NASA will be among the many companies interested in this technology.

考虑到太空公司正在寻找新的方法驱动高效地驱动太空飞船,而且现有的航天飞机都已退役,我猜NASA将会是众多对此技术感兴趣的公司之一。