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能源

2021年8月20日

重新发明蒸汽机

贡献:需求:ASME全球发展评论

卡尔·别伦伯格从工业革命的技术创新中找到了缓解全球能源贫困的灵感。


看一看夜间地球的卫星图像,就会发现很多关于世界能源不平等的问题。欧洲、美国和中东地区灯火通明。日本、东南亚大部分地区、加拿大南部以及南美洲和澳大利亚人口稠密的沿海地区都是如此。但非洲——除了灯火辉煌的约翰内斯堡和少数几个闪烁的城市中心——一片漆黑。

根据国际能源机构在美国,全球约有13亿人无法用上电。他们中几乎有一半生活在撒哈拉以南非洲地区的偏远小社区,那里居住着近10亿人。而且,尽管许多非洲国家的经济增长迅猛,但没有接触到现代能源服务的人数却在增加,因为基础设施扩张无法跟上城市发展的步伐。事实上,由于能源服务的高成本和缓慢增长,非洲“联网”人口(包括城市和农村人口)的比例在过去40年几乎没有变化。

差不多就是这么长卡尔•比伦贝格说一直在寻找在非洲创造负担得起的电力的方法。在20世纪80年代,这位机械工程师正在探索如何使用植物油作为柴油的低成本替代品,当时大多数农村机械都使用柴油。他正在开发的技术没有一项被证明像他希望的那样具有成本效益,所以他重新开始设计。回来的路上。

“我开始问我们为什么要放弃蒸汽,”别伦伯格回忆道。“蒸汽是推动工业革命的动力来源。为什么我们不应该在非洲使用它?”

蒸汽机的简史

在18世纪中期到19世纪之间,大多数工厂、轮船和火车都是由蒸汽机驱动的。这项技术很简单:锅炉——基本上是一个底部有火的水箱或容器——通过加热水产生蒸汽。在锅炉内部产生大量蒸汽,产生的压力可用于推动运动和进行工作。

直到19世纪末,蒸汽机都是通过在锅炉中对活塞施加压力来产生可用的动力,当活塞开始运动时,就会引发连锁反应。这个装置将会转动连接在一起的轴,当连接在火车头的轮子或轮船的螺旋桨上时,它可以用来驱动机械设备。或者它可以通过转动发电机来发电。这是一个简单的过程,蒸汽机是非常可靠和持久的机器。事实上,一台蒸汽机可以工作75年而很少进行维护,这并不罕见。

在过去40年里,非洲的能源获取几乎没有改变。

蒸汽机的缺点是体积大、重量重、资本密集型。随着时间的推移,随着化石燃料和内燃机的广泛使用,蒸汽机的竞争力减弱。因此,当别伦伯格决定恢复蒸汽作为动力来源时,他知道他必须做出改进。

“这并不是说他们不知道在19世纪他们需要做什么来提高效率。他们在其大约100年的使用历史中做了很多事情,”比伦伯格说。“但我们已经能够用他们没有的材料做得更远一些。”

2008年,Bielenberg利用现代材料和增强的热力学原理,建造了一个小型的、以生物质为燃料、以蒸汽为动力的工厂,将木材和农业废料转化为可用的能源。他给原型机和他开始商业化的公司都打了电话村工业强国,简称VIP。

生物质能的依赖

Bielenberg说,利用生物质能作为一种强大而高效的能源,可能会改变贫穷、没有电网的社区的游戏规则,在这些社区,自然物质为总能源消耗的75%至80%提供燃料。这一比例如此之高的部分原因是,很多生物质是用传统的明火燃烧的,这种方式提供热量的效率很低。

别伦伯格认为,为了缓解能源贫困,有必要研究人们已经在使用的燃料,看看如何更有效地使用它们,并提供现代能源服务。“如果你能做到这一点,你就为人们提供了一个机会,在不依赖昂贵的进口燃料的情况下促进经济发展,提高他们的生活水平。这是一个非常强大的范例。”

贵宾正如它名字中的“村庄”部分所暗示的那样,它无疑为这种范式变革提供了巨大的动力。这台机器旨在为整个社区或小型商业活动提供能源,而不是为单个家庭。VIP的预期用途包括为农业加工、社区诊所和医院或微电网供电。事实上,所有这些应用程序都经过了测试。

从地理位置上看,VIP的目标市场包括欠发达国家,在这些国家,该技术可以替代那些原本依赖柴油等昂贵燃料来源的功能。在非洲大部分地区,柴油的价格约为每升1美元。由于VIP是生物质燃料,这项技术只在生物质来源丰富的地区有用,而不是在沙漠或很少树木或植被的地区。最理想的区域在离赤道10到30度的范围内。

在非洲偏远的萨赫勒地区——从苏丹一直延伸到塞内加尔,位于北部沙漠和中部森林之间的地带——农村社区的收入来源很少,基础设施也很简陋。

简单生物质能源的效率

“(为了能源),人们烧木头。树木和树木对它们的生存非常重要,”别伦伯格解释道。凡是木头不能提供燃料的东西,人们都要依靠柴油发动机、发电机或人力的力量。

在收入机会稀少的地方,柴油机很昂贵。运行一个2.5千瓦的小型柴油发电机一整天可能会产生大约10美元的燃料成本。因此,人们尽量减少燃料的使用,以节省开支,如药品、服装和学费等不可避免的开支;他们尽可能依靠自己的劳动来做到这一点。

比伦伯格解释说:“在有柴油驱动的谷物碾磨机的村庄,很大一部分妇女宁愿用手碾磨玉米,以避免机械化碾磨的成本。”“这表明,对于低收入女性来说,体力劳动可能比柴油动力更便宜。”

别伦贝格强调,需要可获得的、低成本的电力,以及能够在社区内提供创收机会的解决方案,特别是对妇女而言。

更小的蒸汽机可以

通过在西非40年的工作和在美国长期的发电生涯,Bielenberg获得了利用生物质能作为欠发达地区能源来源的机会。在美国,他以代表他所谓的“以使命为基础的公司”为生,该公司制造商业规模的生物质锅炉厂。

“这些植物的主要市场是新英格兰,那里的冬天很长,生长季节很短,我们有很多木材。我们把它们放在学校和医院,它们为大型建筑生产非常便宜的暖气和热水,”他说。“这是一项非常令人兴奋的技术,在缩小规模时具有成本效益。”

VIP 10千瓦机的效率

贵宾太阳能的可用能量输出有三种形式:机械能、电能和热能。机械动力可以用来驱动机械,也可以通过机器的发电机转换成电能。最初的7千瓦原型蒸汽机从以生物燃料为燃料的火焰中吸收了60%的热量,其中大约8%可以用于发电或电力。

VIP的最新版本是一台10千瓦的机器,可以捕获火灾70%的热量,其中大约10%可以转化为电力。每天运行8小时,可以产生80千瓦时的电力,足以为100到200个家庭提供低瓦数照明和小型冰箱等基本电器的电力。它还取代了每天32至40美元的柴油成本。

剩下的60%的能量可以作为热能用于公共洗澡、烹饪、作物加工或干燥,或医疗消毒等应用。

比伦伯格说:“这听起来像是一个糟糕的交易,我们得到的热量比电力更多,但在我们正在考虑的应用中,[如]作物加工和医疗保健,对热量的需求实际上大于对电力或电力的需求,所以这本质上是一个非常好的平衡。”

VIP相对于其他技术的一个关键优势是,它的能力可以随时分派。例如,光伏太阳能需要备用电池在夜间或恶劣天气条件下运行。

为了让资源稀缺的社区获得蒸汽动力能源,Bielenberg和他的团队需要对他们鼓舞人心的模型进行重大的设计修改。传统的蒸汽机有复杂的连杆和机械装置来操作阀门,这增加了机器的复杂性和成本。但VIP的设计必须简单,活动部件最少,因为在偏远社区很难找到专家进行维护。

比伦伯格团队设计的解决方案是安装自动进口阀。他解释说:“这些装置是加压的,完全可以自行运作,完全按照它们需要的方式工作,不需要任何外部机构来移动它们。”

另一个重要的设计修改是,vip的运动部件不需要任何润滑剂。在标准的蒸汽机中,操作人员必须用油润滑活塞和活塞环,才能使发动机平稳运行。Bielenberg想要消除润滑剂有两个原因:第一,因为油会增加成本,第二,因为活塞的润滑油会与蒸汽混合,在将凝结水回收到锅炉之前必须过滤掉——这增加了复杂性。如果不是这样,油就会在锅炉内部燃烧,降低其效率。

作为解决方案,VIP团队使用碳石墨材料作为活塞和活塞密封件的滑动面。由这种晶体碳制成的活塞和密封件具有自润滑功能。这使得水——在许多地方都是稀缺资源——很容易通过机器循环利用。

VIP设计的最后一个改进是其坚固的锅炉。在水压试验中,使用加压水来评估锅炉的性能,该机器的安全系数已被证明是普通美国锅炉的三倍。这是Bielenberg努力确保锅炉达到或超过ASME锅炉规范的结果。ASME锅炉规范是一套严格的标准,是在蒸汽发电商业化时期形成的。

所有这些适应允许一个更有效,安全和紧凑的机器。然而,vip仍然是沉重的设备:完成的设备重约一吨。

所有的vip目前都是在新英格兰手工制造,并运送到他们的最终目的地,准备在抵达后操作。每个单元都是一个整体,可以用小货车移动,然后用螺栓固定在棚内的混凝土平台上。一旦一个VIP单元就位,操作人员所要做的就是给它注入燃料和水,开始使用它。

手工制作VIP单位距离目标市场如此之远存在缺陷,尤其是在成本方面。这些机器目前的生产成本约为2万美元。随着降低生产成本和增加产量,预计价格将下降到1.5万美元左右。

相比之下,与VIP的电力输出相匹配的柴油发电机组的成本在4,000美元至10,000美元之间,这还不包括目前的柴油燃料成本。比伦伯格承认:“所以我们的成本大约是它的两倍。”

再加上到非洲港口的运费,每台机器大约2500美元,从港口到最终地点的运输费用为100至500美元,安装费用高达300美元,对于低收入的农村社区来说,VIP成为一件相当昂贵的设备,需要提前支付。

小组承认,要使解决办法可行,必须有筹资办法。但他们也预计,当最终定价敲定时,VIP将具有与其他可用技术相比的成本竞争力。(维普称,这台机器已经可以与规模相当的太阳系竞争了。)别伦伯格估计,如果发动机每天运转8到10个小时,机器将在一到两年内收回成本。

业绩证明

2014年底,VIP开始对其设备进行现场测试,以评估哪些技术运行良好,哪些需要改进。在美国国际开发署2013年“农业供电”奖的资助下,5台7千瓦的beta原型机被送往非洲:两台给坦桑尼亚的一家医院和乡村微电网供电,三台给贝宁的可持续油棕种植园供电。爱游戏手机官网下载电脑版下载在坦桑尼亚,该医院的安装旨在为抽水和洗衣供暖提供电力,而村庄的安装预计将为50个家庭和一些小企业供电。在贝宁,这些装置的目的是取代柴油和木柴,为农业加工机械提供动力,并供应热水。

医院和油棕要人正在分别接受用咖啡壳(牧场)、油棕纤维和棕榈仁壳制成的燃料的测试,而村里的工厂正在接受用种植园种植的桉树截下来的废木材的测试。

除了在非洲的五个测试单元,贵宾在新罕布什尔州的一家国营疗养院安装了两台50千瓦的发电机。这些机组构成一个综合离网系统的一部分,该系统还包括水力发电机组和柴油发电机组。这些装置从5毫米Btu Messersmith锅炉装置接收蒸汽,该装置部分由Bielenberg公司开发。新罕布什尔州的装置突出了该技术的广泛应用和在富裕社区的潜在用途。

通过现场试验,研究小组希望进一步了解VIP在使用不同类型的燃料时是如何发挥作用的,以及各种燃料会产生多少灰分,以及这些灰分是否会腐蚀锅炉的传递面,还是会附着在炉膛的热表面而导致“结渣”。这些试验也是评估该技术对不同燃料适应能力的一种方式,以确定它最适合在哪里使用。

到目前为止,维普收集到的大多数结果都是轶事,但却颇有见地。例如,该团队正在解决的问题之一是在机器上安装自动进料控制和电池充电。其他反馈显示,机器的某些方面比最初估计的要好。

“很多人认为这是一台手动机器的事实会成为一个问题,”他说费利西蒂小屋VIP的首席执行官。“事实上,人们很高兴这是手动的,因为他们不用担心更换他们没有办法或不能修理的部件。他们很高兴这个装置可以在一个小时内用两把扳手拆卸和组装起来。”

她补充说,面向低资源市场的技术,比如他们在非洲服务的技术,有时可能过于复杂。“一旦它们坏了,它们就坏了。这不是我们的设计。这是有意让VIP可维修和易于维护。”

其中一个最令人惊讶的反馈是关于机器减少木材作为日常燃料来源的能力。比伦伯格和洛奇都相信,农民和村民会对柴油的成本节约感到最兴奋。洛奇说:“但事实证明,大量减少木材的消耗对他们来说同样重要,如果不是更重要的话。”

VIP投入产出周期

这是该技术作为有效和可持续能源的未来的一个重要标志。不难想象,一个强大的、以生物燃料为燃料的发电厂可能会导致破坏性的环境行为,比如砍伐森林,以保持社区的取暖和照明,并与经济增长保持同步。但与此相反,别伦伯格认为,当地贵宾的存在实际上可以通过激励农民可持续地种植树木以供燃料使用,而不仅仅是为了生存而采伐木材,从而鼓励重新造林。

VIP团队还没有公布机器每公斤生物质材料能产生多少千瓦时的电力的定量数据,但他们正在分析这些数据,以多种燃料来源。初步测试显示,当VIP的锅炉压力在250 ~ 300psi之间运行时,每小时需要25 ~ 30kg的风干木材来产生7kw的功率。“下一代VIP”于2015年12月推出,“设计工作压力高达400 psi。我们观察到,随着压力的增加,功率和效率都有很大的提高,预计新机组在相同的燃油消耗下可以产生10kw的功率。”

获得了早期风险投资公司的投资因素(E)合资企业在美国,被称为V-10的新机组包括几个改进,例如一个新的锅炉设计ASME规范,焊接管道连接和更强的内部发动机部件,以适应增加的压力和动力。新设备的市场试验将于2016年在肯尼亚和加纳开始。

关闭循环

在坦桑尼亚的村庄里贵宾这个装置正在被用来为微电网供电,电网建立和运行的过程让VIP团队对他们的发明的潜力和局限性有了很多了解。在这个村庄,他们发现了一个等待政府将他们连接到国家电网的社区,尽管坦桑尼亚的电网只覆盖了其近5000万公民中的14%。(它的大部分联网用户都在城市。)因此,尽管政府的连接速度缓慢,但村民为电力付费的意愿是有限的。

那些意识到电网不可能很快覆盖到他们的人更愿意为电力付费,只要他们可以通过延长供电时间来支持白天的生产活动来降低成本。

“人们很高兴这个装置可以在一个小时内用两把扳手拆卸和组装起来。”

VIP团队因此了解到,要使微电网系统工作,这些应用程序必须从第一天起就可用,还必须有一个明确的流程来为家庭使用的电力付费。让技术达到这个水平所需的成本和规划可能超出VIP的一些目标客户的承受能力。

Bielenberg和Lodge认识到,VIP单元的前期成本,无论是用于微电网还是其他应用,都对其可扩展性提出了挑战。洛奇说:“对许多农民来说,一个大问题是融资,因为他们无法轻易地从银行或其他传统供应商获得融资。”“我们正在研究不同的融资模式,以及如何解决这个问题。”

一种解决方案是帮助社区开发类似于能源服务公司或合作社的融资模式,成员们一起购买机器。他们还希望利用成功社区成员的兴趣,帮助他们的家乡获得更好的资源。

洛奇说:“在非洲,离乡背井的人传统上有责任帮助他们的村庄和家庭。”

别伦贝格补充道:“我认为他们最终应该为自己国家的经济发展负责。他们有实现这一目标的资源,但他们没有充分参与,因为(经济发展所需的)技术还没有获得。”

Bielenberg亲身见证了参与的影响力。去年4月,在贝宁的一次旅行中,别伦伯格和他的马里司机谈到了他在VIP上的工作。司机主动提出协助在清酒安装这三个装置。他来帮忙卸载机器,并管理安装机器的每个人;他还学会了如何服务和运营它。他告诉别伦贝格,退休后,他想在马里的村子里请一位要人。

别伦伯格反思道:“他还说:‘这是一件你永远无法完全了解其果实的事情,因为果实会在你离开很久之后继续积累。’”


编者按:需求:《ASME全球发展评论》在出版了6年关于全球发展中最有趣的设计、工程和社会风险的报道后停刊。这本半年度的杂志是全球发展写作的主要来源,也是《变革工程》的姊妹刊物。为了向Demand和其传播的专家的工作致敬,我们在这个网站上转载了Demand的文章和图片。

本文作者是需求特约编辑莎拉Goudarzi

标签:需求能源解决方案低成本的能源

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