Применение электризации: Электризация тел. Виды и свойства.Применение и особенности

Электризация тел. Виды и свойства.Применение и особенности

В обыденной жизни окружающие нас предметы электрически нейтральны, то есть со временем не накапливают на своей поверхности каких-либо зарядов. Но существуют ситуации, когда по тем или иным причинам они изменяют это состояние на противоположное. Эффект приобретения предметами определенного заряда носит название «электризация тел».

Краткая история открытия

В школьном курсе физики это явление изучается в разделе электростатики, посвященном особенностям образования неподвижных электрических частиц. Оно было открыто много веков назад в Древней Греции, где исследованиями природных эффектов занимались многие «натуралисты» и философы. При проведении опытов было отмечено, что после натирания шерстью кусочка янтаря он начинал притягивать мелкие частички ворса, ниток и пылинки.

Открытый эффект объяснялся на приемлемом для того времени уровне. Считалось, что притяжение – это следствие взаимодействия мельчайших частиц вещества, которым в Древней Греции присвоили название «электрона» (так раньше назывался янтарь). Сегодня этот опыт чаще всего проводится с эбонитовой палочкой и кусочком шерсти.

Электризация тел как физическое явление

В современном толковании такое явление – это процесс разделения носителей заряда, приводящее к тому, что электрически нейтральные тела превращаются в заряженные статикой. По отношению к этому эффекту действительны физические принципы, закрепленные законом Кулона и утверждениями о сохранении заряда. Первый описывает особенности взаимодействия электронных частиц и те причины, которые вызывают электризацию.

Формулируется этот закон следующим образом: сила взаимного влияния имеющихся на 2-х телах зарядов пропорциональна произведению их абсолютных величин и обратно пропорциональна квадрату удаленности. Отмечается также, что противоположно заряженные частицы притягиваются, а элементы с одинаковой полярностью – отталкиваются.

Второй закон, касающийся сохранения заряда, формулируется так: алгебраическая сумма всех накопленных на предмете зарядов разной полярности со временем сохраняется. Это означает, что если на нем появилось, например, 10 положительных зарядов, то одновременно обязательно должно образоваться и 10 отрицательных частиц. В сумме они дадут нулевой эффект.

Практические выводы из закона Кулона:

• Электризация тел невозможна без конкретного материального носителя.
• Свободные электроны накапливаются только на поверхностях предметов или в воздухе.
• Тело с избытком электронов заряжается отрицательно, а с их дефицитом – положительно.

Отмечается также, что деление электрического заряда на «отрицательный» и «положительный» чисто условно. Оно выбирается в зависимости от удобства оценки степени заряженности тела.

Свойства статического электричества

Электризация тел возможна не только в случае использования твердых тел; она также проявляется в жидкостях и газах. В жидких средах, в частности, при электризации наблюдается перераспределение молекулярных частиц – ионов, образующих их суммарный заряд. Электризацией обладают вещества самого разного типа, включая полупроводники, диэлектрики и изолированные проводники.

В случае разделения предварительно наэлектризованного предмета приобретенное им свойство полностью передается его частям. При соприкосновении с электрически нейтральным предметом заряды с электризованного тела мгновенно отреагируют на это мощным разрядом.

То же самое произойдет, если приблизить друг к другу тела с противоположным знаком электризации. Именно поэтому люди, одетые в синтетику, нередко испытывают неприятный «удар током» при прикосновении к металлическим предметам или к телам, заряженным противоположно. Важно отметить, что расстояние, на котором происходит такой воздушный «пробой», зависит от степени электризации каждого из сближающихся тел.

Как можно наэлектризовать предмет

Для получения статического электричества на поверхностях различных тел используются следующие распространенные способы:

• Приближение к предварительно заряженному предмету.
• Разделение зарядов трением.
• Нагрев или охлаждение (электризация за счет градиента температур).
• Помещение в поток ионизирующего излучения.

При соприкосновении электрически нейтрального тела с электризованным предметом первое приобретает заряд того же знака. Этот эффект объясняется индукционными свойствами заряженных диполей.

При трении тел, изготовленных из различных материалов, на их поверхностях появляются противоположные электрические заряды. Причина их электризации – различие удерживающих атомы сил и подкачка тепловой энергии, повышающей степень их свободы. Проще говоря, вещество, в котором атомы связаны между собой с большей силой, начинают притягивать электроны из того материала, где эти частицы взаимодействуют слабее.

Виды зарядов, возникающие при трении различных материалов

Трение двух тел различной структуры вызывает различную электризацию каждого из них. При этом возможны следующие комбинации:

• Стекло при трении о шелк электризуется положительно.
• Эбонит при взаимодействии с шелком заряжается отрицательно.
• При проведении пластиковым гребешком по волосам они заряжаются положительно, а сама расческа – отрицательно.

На основе многочисленных опытов установлено, что при трении 2-х материалов положительно заряжаются бумага, шерсть и стекло. В то же время отрицательный заряд приобретают силикон, пластик и резина.

Длительная электризация тел возможна лишь при отсутствии в окружающей атмосфере частиц влаги.

При высоком уровне влажности в воздухе появляются носители заряда (ионы), приводящие к постепенному стеканию зарядов с электризованных предметов. Если в помещении, где постоянно находится человек, имеется много растений и часто кипятится вода – статический заряд появляется на волосах или одежде намного реже.

Типичный пример образования мощного статического электричества – грозовые тучи, накапливающие разноименные заряды вследствие трения облаков. При достижении критической ЭДС (разницы потенциалов) между ними и землей «проскакивает» мощный разряд в виде молнии. Доказано, что «заряженные» электричеством облака за счет эффекта индукции могут вызвать электризацию предметов, находящихся на земле.

Демонстрационные опыты

Продемонстрировать эффект взаимного отталкивания заряженных тел можно с помощью обычного скотча. Для этого потребуется взять две полоски и приклеить их к столу таким образом, чтобы их небольшая часть (около 2,5 см) висела в воздухе, т. е. оставалась свободной. Затем свисающие концы закрепляются на 2-х карандашах и резко отрываются от стола.

При отрыве полосок не следует касаться их руками или другими оголенными частями тела. При выполнении этого условия полоски наэлектризуются одинаковым зарядом. Если теперь постепенно сближать их – на некотором расстоянии они начнут отталкиваться.

Для демонстрации притяжения заряженных тел одну полоску липкой ленты электризуют подобно тому, как это делалось в предыдущем опыте. После этого она кладется на стол липкой стороной вверх, а вторая полоса (ее предварительно закрепляют одним концом на карандаше) кладется на первую, а затем резко отрывается. В этом случае оба кусочка ленты электризуются противоположными зарядами. Обнаружить это можно, постепенно сближая их и отмечая, что на каком-то расстоянии они начнут притягиваться.

Чем опасна электризация тел

Заряд наэлектризованного тела, представленный в виде разницы потенциалов, может достигать несколько десятков киловольт. С учетом того, что его мощность очень мала – образующиеся при разряде токи имеют мизерную величину и не опасны для человека. Но их вполне достаточно для того, чтобы повредить микросхемы с КМОП структурой, например, или некоторые виды точных измерительных приборов.

По этой причине при производстве электронных компонентов, а также при работе с ними обязательно использование защитных колец (браслетов), обеспечивающих стекание зарядов на землю.

Электризация тел особо опасна при пайке микросхем. Для их защиты от пробоя статикой жало паяльника рекомендуется заземлять любым походящим для этого способом.

В определенных условиях накопление большого количества заряда может привести к образованию искры и возгоранию. Примером этому служат корпуса самолетов, которые электризуются в воздухе.

Вот почему перед подачей трапа с них обязательно удаляется скопившийся в полете заряд путем его отвода на землю. По той же самой причине на цистернах бензовозов крепится соприкасающаяся с дорожным покрытием цепочка. По ней заряды стекают в грунт, что исключает возможность образования искры и возгорания топлива.

Практическое применение

Электризация тел имеет и положительные стороны, благодаря которым она используется в практических целях. Наибольшее распространение этот эффект получил при электростатической окраске поверхностей и деталей. Еще одна известная область его применения – производство специальных воздухоочистительных фильтров.

При окрашивании металлических поверхностей в автомобилестроении, например, мелкие частички наэлектризованного красителя притягиваются и оседают на них равномерным слоем. В результате удается существенно сократить расход краски и повысить качество получаемого покрытия.

Похожие темы:

• Трибоэлектрический эффект. Принцип действия и особенности
• Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
• Электрофорная машина. Устройство и работа. Особенности
• Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
• Защита от статического электричества. Возникновение и действие
• Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
• Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
• Электричество. Электрический ток. Электростанции
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
• Поверхностный эффект. Характеристики и применение
• Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
• Замбониев столб. Устройство и применение. Особенности

«Учет и применение в технике явлений электризации»

Цели урока:

1. Систематизировать и обобщить знания учащихся об электризации тел.
2. Формировать убеждения материальности и познаваемости окружающего мира.
3. Формировать умения делать логические выводы, уметь применять полученные знания для объяснения явлений, происходящих в природе и технике.
4. Прививать интерес к физике.

План урока:

1. Организационный этап.
2. Актуализация знаний.
3. Сообщения о проявлениях явления электризации в природе и технике с демонстрацией опытов.
4. Решение качественных задач.
5. Подведение итогов.

Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой. Но одновременно ставит множество проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.

Применение в технике явлений электризации и взаимодействия наэлектризованных тел.

Изготовление наждачной бумаги.

Принцип покрытия наждачным порошком бумаги и получения искусственных ворсистых материалов можно пояснить на следующем опыте. Диски от раздвижного конденсатора соединяют с кондукторами электрофорной машины. На нижний диск насыпают песок или узкие полоски цветной бумаги. Поверхность верхнего диска смазывают клеем. Приведя в действие электрофорную машину, заряжают диски. При этом кусочки бумаги или песок, находящиеся на нижнем диске, получив одноимённый с ним заряд, под действием сил электрического поля притягиваются к верхнему диску и оседают на нём.

После сообщения учащегося учитель демонстрирует электростатический способ изготовления наждачной бумаги.

Метод электростатической покраски металлических изделий.

Представление об электростатическом методе покраски учащиеся могут составить на следующем опыте. Для опыта используют пульверизатор. Если нагнетать с помощью груши воздух, находящаяся в пульверизаторе подкрашенная жидкость поднимается вверх по трубе, распыляясь в воздухе, попадает на экран а. Если сбоку от струи расположить экран и подавать на него положительный заряд капельки красителя притягиваются к этому экрану, окрашивая его.

Если теперь на металлическую трубку пульверизатора подать отрицательный заряд, соединив её с другим кондуктором электрофорной машины, можно заметить, что капельки красителя становятся более мелкими и ложатся на экран, имитирующий окрашиваемую деталь, ровным слоем. Экран-деталь изготавливают из проводящего материала. Чтобы улучшить видимость опыта, сверху на экран наклеивают лист белой бумаги.

Метод окраски поверхностей в электрическом поле – электроокраска – впервые разработал видный русский ученый А.Л. Чижевский. Суть его такова. Жидкий краситель любого цвета помещают в пульверизатор – сосуд с тонко оттянутым концом (соплом) и подводят к нему отрицательный потенциал.

К металлическому трафарету подводят положительный потенциал, а перед трафаретом размещается окрашиваемая поверхность (ткань, бумага, металл и т.д.). Благодаря электростатическому полю между соплом с краской и трафаретом частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету, и на окрашиваемой поверхности воспроизводится точный рисунок трафарета, при этом ни одна капля краски не падает. Регулируя расстояние между соплом и объектом окраски, можно менять скорость нанесения и толщину покровного слоя, т.е. регулировать скорость окраски.

Данный метод даёт экономию красителей до 70% по сравнению с обычным методом окраски и ускоряет примерно в три раза процесс покрытия изделия, т.к. один человек за пультом электропульверизатора заменяет несколько рабочих с кистями, кроме того, можно почти одновременно покрывать все изделие независимо от габаритов. Если при работе кистью краска не всегда ложится ровно, то при электроокраске пробелы и неровности отсутствуют, повышается глянцевитость, снижается брак.

Немаловажно и то, что этот метод позволяет улучшить и условия труда: управление процессом электроокраски может производиться с пульта, полностью изолированного от места окраски.

В нашей стране метод распыления красок и покрытия ими поверхностей, изобретённый А.Л. Чижевским, стали осваивать в начале 50-х годов XX в. В настоящее время этот метод стал основным на крупных предприятиях, имеющих дело с покраской изделий, будь то вагоны метро, самолёты, океанские лайнеры, военное оборудование, заводские станки, автомобили, сельскохозяйственные машины, мебель или игрушки.

Кроме того, метод, подобный методу окраски в электростатическом поле, можно использовать и в пищевой промышленности, например, для копчения рыбы. В результате экономится коптильное вещество, а эффективность процесса копчения резко повышается.

На этом принципе основано изготовление с помощью электрического поля ковров, искусственного меха, замши, декоративных материалов для обивки мебели.

Движение заряженных частиц краски в электрическом поле используют в типографском производстве.

После сообщения учащегося учитель демонстрирует способ электростатической покраски.

Очистка воздуха от пыли и лёгких частиц.

Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтр, внутри которых находится электрозаряженный элемент, притягивающий к себе микрочастицы. Для того чтобы сделать пылеудаление более эффективным, воздух в помещении ионизируют. Такие электрофильтры устанавливают в цехах размола цемента и фосфоритов, на химических заводах.

Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту.

На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены учёные. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении её о валки.

При трении о воздух электризуется самолёт. Поэтому после посадки к самолёту нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт “разряжают”: опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и разряд происходит между землёй и концом троса. Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъёме.

В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества или движется зерно или жидкость, происходит разделение зарядов. Одна из опасностей при транспортировке зерна в элеватор связана с тем, что в результате разделения зарядов в атмосфере, заполненной горячей пылью, может проскочить искра и произойти возгорание.

Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.

Если способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.

На производстве – это тщательное заземление станков, машин применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода “нейтрализаторов”, ионизаторы воздуха.

В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60-70 %. Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также протирать электризующие поверхности глицерином. Химическая промышленность выпускает препарат “Антистатик”, который снимает электрический заряд с синтетической одежды.

Качественные вопросы:

Вопрос.

Струя бензина, вытекающая из бензохранилища, электризуется, что может стать причиной взрыва паров бензина. Каким образом бензиновые, керосиновые, нефтяные баки оберегают от возможного пожара?

Ответ.

Путём заземления корпуса нефтяного бака.

Вопрос.

Согласно правилам пожарной безопасности, полиэтиленовые канистры категорически запрещается применять для хранения бензина и заправки автомобиля, так как, если бензин наливать или выливать из пластиковых канистр, может произойти самопроизвольное воспламенение жидкости. Почему это происходит?

Ответ.

Дело в том, что при трении бензина о внутреннюю поверхность полиэтиленовой канистры на стенках ёмкости скапливается статическое электричество. Поскольку полиэтилен не проводит электричества, величина заряда может быть значительной. Если поднести такую канистру к заливной горловине бензобака, то между ними произойдёт электрический разряд в виде искры, способной воспламенить пары бензина. К сожалению, не все любители знают об это, а результат неведения может быть самым печальным. Бензин можно хранить только в металлических канистрах.

Вопрос.

Почему нити прилипают к гребням чесальных машин, применяемых в текстильной промышленности, и при этом путаются и часто рвутся. Для борьбы с этим явлением в цехах искусственно создают повышенную влажность воздуха. Зачем это делают?

Ответ.

Нити на гребнях чесальных машин электризуются и прилипают к гребням. Повышенная влажность препятствует электризации.

Вопрос.

Электростатические явления гораздо лучше получаются зимой, чем летом. Почему так происходит? Ведь очевидно, что заряды одинаково хорошо разделяются в любое время года.

Ответ

Обычно влажность воздуха ниже зимой, чем летом, особенно внутри отапливаемых строений. При повышенной влажности сырой не только воздух, но становится влажной и поверхность тел. Водяная плёнка на поверхности тел обеспечивает частично проводящий путь, поэтому заряды могут стекать с тел, возвращая всё вокруг в электронейтральное состояние.

Вопрос.

Почему огнеопасные объекты, например пороховые склады, иногда покрывают металлической заземлённой сеткой?

Вопрос.

Для чего к корпусу автоцистерн, предназначенных для перевозки бензин, прикреплена массивная цепь, несколько звеньев, которой волочатся по земле?

Вопрос.

Почему при быстром перематывании плёнки на магнитофоне она приобретает способность “прилипать” к различным предметам?

Литература.

1. Методика преподавания физики.- М.:”Просвещение”, 1965.
2. Кл.Э. Суорц Необыкновенная физика обыкновенных явлений. – М.:”Наука”, 1987.
3. Карпович А.Б. Сборник задач-вопросов по физике – М.: Издательство Академии Педагогических Наук , 1956.
4. Книга для чтения по физике -М.:”Просвещение”, 1986.
5. Майкл Ди Специо .Занимательные опыты, М.: АСТ Астрель, 2006.
6. Физика в школе, №6 1998.
7. Сёмке А.И. Занимательные материалы к уроку, М. “Издательство НЦ ЭНАС”, 2004.
8. Внеклассная работа по физике, Саратов ОАО “Издательство “Лицей”, 2002.
9. “Физика” №41/03, с. 22.
10. “Физика” №20/05, с. 45.
11. “Физика” №28/1996.(Качественные задачи по физике, М.Е. Тульчинский)

Электрификация: возможности во многих, но не во всех приложениях

Электрификация — переход от ископаемого топлива к электричеству — является ключевой стратегией обезуглероживания экономики США. Хотя электрификация может не работать во всех приложениях, учитывая современные и вероятные технологии, а также экономику, электрификация может сократить потребление энергии, сократить выбросы парниковых газов и сэкономить деньги потребителей во многих приложениях. В этом посте мы обсуждаем ключевые возможности электрификации по секторам и подчеркиваем важность энергоэффективности как важнейшего партнера.

Транспорт

Как отмечалось в предыдущем сообщении в блоге ACEEE, наибольшие возможности для электрификации открываются в транспортном секторе. В настоящее время на рынке представлено около 15 полностью электрических моделей легковых автомобилей с аккумуляторными батареями, и все большее их количество способно проезжать более 200 миль без подзарядки. Согласно недавнему анализу, проведенному Deloitte, отрасль достигнет переломного момента примерно в 2022 году, когда, по ее мнению, стоимость владения электрическим пассажирским транспортным средством с аккумулятором будет наравне с аналогами с двигателями внутреннего сгорания. Кроме того, несколько производителей в настоящее время разрабатывают электрические пикапы, которые будут представлены на рынке в ближайшие несколько лет.

Более крупные электрические грузовики также выходят на рынок, как указано в недавнем официальном документе ACEEE. Аккумуляторные электрические грузовики, вероятно, наберут популярность сначала для транспортных средств доставки (например, Amazon заказала 100 000 электрических фургонов для доставки), затем для региональных перевозок и, в конечном итоге, для перевозок на дальние расстояния до 500 миль (например, Freightliner, Tesla и Volvo в настоящее время). дорожные испытания 18-колесных транспортных средств, которые могут проехать 200 миль и более на одной зарядке и должны выйти на рынок к концу 2021 года). Однако перевозки на расстояние более 500 миль на одном заряде будет сложно осуществить — для этих целей Nikola, Kenworth и Hyundai в настоящее время разрабатывают грузовики на топливных элементах, работающие на водороде. По данным Североамериканского совета по эффективности грузовых перевозок, в 2040-х годах большинство тяжелых грузовиков на дорогах будут работать на аккумуляторах или топливных элементах.

Существуют также возможности электрификации самолетов, но только для коротких рейсов. Несколько компаний построили полностью электрические самолеты, способные перевозить несколько пассажиров. Ведутся работы по созданию более крупных самолетов для коротких маршрутов. Например, Wright Electric и Easy Jet работают над созданием 180-местного электрического самолета, способного преодолевать 300 миль, с целью коммерческого использования к 2027 году. В конечном итоге возможны полеты на расстояние около 600 миль. Но большая часть воздушных миль приходится на более длительные полеты, которые, вероятно, потребуют биотоплива, водородных топливных элементов и гибридных топливно-электрических моделей.

Промышленность

Промышленность очень разнообразна в своих энергетических потребностях. Хотя большая часть энергии, потребляемой в этом секторе, приходится на ископаемое топливо, некоторые промышленные процессы, такие как вторичная сталь, алюминий и промышленные газы, в основном используют электричество. Усилия по промышленной электрификации предпринимались на протяжении многих десятилетий и были сосредоточены на тех нишах, где электротехнологии могут обеспечить повышение производительности или качества или создать экономическую экономию за счет вывода из эксплуатации устаревших систем, таких как старые паровые котлы. Некоторые примеры включают электрический инфракрасный нагрев, ультрафиолетовое отверждение, используемое для покрытий, радиочастотную сушку, индукционную плавку черных металлов и мембранное разделение в химических процессах. В некоторых низкотемпературных и среднетемпературных системах отопления могут использоваться промышленные тепловые насосы, температура которых может достигать 130 ° C (266 ° F). Многие высокотемпературные процессы в металлургической, керамической, химической и нефтяной промышленности требуют топлива для текущих процессов.

Дома

Электрические тепловые насосы могут обеспечивать теплом и горячей водой многие американские дома. Они имеют смысл, в частности, в новом строительстве, поскольку они могут сэкономить деньги застройщика, поскольку им не нужно устанавливать газ, а новые дома могут быть построены так, чтобы они были очень эффективными, так что жителям не нужно много тепла даже в холодном климате. Институт Роки-Маунтин обнаружил, что тепловые насосы обычно имеют смысл в новых домах, в том числе на севере, в Чикаго.

Аналогичным образом, исследование ACEEE показало, что в существующих домах с газовым отоплением примерно на двух третях юга США установка теплового насоса при необходимости замены существующей центральной системы кондиционирования воздуха часто может сэкономить энергию и деньги. на основе жизненного цикла. ACEEE также обнаружил, что в существующих домах с масляным или пропановым отоплением экономические показатели жизненного цикла тепловых насосов часто положительны на большей части страны, за исключением северного Среднего Запада.

В зависимости от типа системы и географического положения, за пределами Среднего Запада, простые периоды окупаемости составляют от 1 до 16 лет, при этом периоды окупаемости обычно короче для вытеснения нефти, чем для вытеснения пропана. В ходе полевого исследования в Миннесоте в восьми домах были установлены тепловые насосы, оптимизированные для использования в холодном климате, и было обнаружено, что они хорошо работают при температуре наружного воздуха до 5–10 °F. Но когда температура понизилась, домам потребовалось резервное тепло, как правило, от печи на пропане или природном газе. В течение зимы тепловой насос давал в среднем 60% тепла, а печь – 40%. Таким образом, в настоящее время возможна частичная, но не полная электрификация существующих домов в холодном климате.

Коммерческие здания

Анализ возможностей электрификации в коммерческом секторе был проведен очень мало. Как и в случае с жилыми домами, полностью перейти на электричество в новом строительстве намного проще, чем в существующих зданиях. Например, Стэнфордский университет и Калифорнийский университет в Беркли установили политику, согласно которой новое строительство должно быть полностью электрическим. И большинство зданий с нулевым энергопотреблением используют эффективность, чтобы резко снизить нагрузку на отопление и охлаждение, что часто делает тепловые насосы предпочтительной системой кондиционирования воздуха в них.

В настоящее время ACEEE начинает исследование затрат и выгод от электрификации существующих коммерческих зданий в Соединенных Штатах, изучая различные сектора (например, офисы, магазины), типы зданий (например, малоэтажные и высотные), типы систем и географии. Мы надеемся опубликовать наши результаты этим летом. Хотя исследования только начинаются, уже сейчас ясно, что электрифицировать малоэтажные дома проще, чем электрифицировать многоэтажки.

Топливо с нулевым содержанием углерода

Если некоторым приложениям потребуется топливо, какое мы можем использовать? Возобновляемый природный газ (RNG) (термин, используемый газовой промышленностью для газообразного метана, образующегося на свалках, в установках по переработке навоза, очистных сооружениях и других биологических источниках), зеленый водород (водород, полученный с минимальными выбросами парниковых газов, например, путем электролиза с использованием возобновляемых источников энергии). энергии), и биотопливо, вероятно, будет играть свою роль. Для некоторых промышленных процессов также может быть вариантом использование топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. А для транспорта, хотя в настоящее время это дорого, синтетическое электротопливо может стать вариантом в будущем.

Однако поставки многих из этих видов топлива, вероятно, будут ограничены; оценки потенциального производства RNG в США составляют всего 10% от текущего потребления природного газа в США. Аналогичным образом, по одной из оценок, даже если все нынешние мировые мощности по производству биотоплива будут направлены на производство биореактивных двигателей, это обеспечит менее 1,5% мировых потребностей в реактивном топливе. Использование энергоэффективности для снижения потребления приведет к дальнейшему увеличению имеющихся запасов. И все эти виды топлива, как правило, дороже, чем обычное топливо, иногда значительно дороже. Чтобы эти виды топлива могли конкурировать в экономическом отношении, нам может понадобиться налог на выбросы углерода или некоторая эквивалентная политика. Еще одна важная проблема, связанная с биотопливом, заключается в том, что оно должно производиться устойчиво, чтобы не вызывать экологических проблем.

Заключение

Существует множество отличных приложений для электрификации, например, для многих или большинства автомобилей, грузовиков, новых домов и зданий, многих существующих домов и зданий и многих промышленных применений. Но электрификация не имеет четкого пути к жизнеспособности для некоторых приложений, таких как дальнемагистральные грузовики и самолеты, высокотемпературные промышленные приложения и отопление существующих домов на севере США в самые холодные дни года. Для этих приложений нам, вероятно, понадобится топливо с нулевым содержанием углерода. Но запасы этих чистых видов топлива будут ограничены, и, возможно, их следует зарезервировать для тех применений, где нет других жизнеспособных вариантов.

 

 

Эта статья была о

Эффективность транспортной системы Промышленные программы Потенциал эффективности

Авторы

Стивен Надель

Исполнительный директор

Выявление возможностей для электрификации в промышленности

Электродвигатели являются крупнейшим в мире потребителем электроэнергии — мы говорим о 53 процентах мирового потребления. Но вот в чем фишка: только 20 процентов промышленного энергопотребления покрывается электричеством. Остальное прямо или косвенно питается от ископаемого топлива.

Но это меняется.

Ожидается, что к 2040 году 30 процентов роста спроса на электроэнергию будет приходиться на промышленные двигатели. Это критическое время для отрасли. Ни в одном отдельном секторе нет больше средств для снижения своего энергопотребления, стремясь к эффективной электрификации двигателей и другого промышленного оборудования.

В 2021 году Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) запустила инициативу «Помимо эффективности», чтобы подчеркнуть, что эффективность сейчас является ставкой для промышленности. Это уже не особенность. Поскольку мы работаем над разработкой двигателей следующего поколения, наша миссия состоит в том, чтобы создать что-то лучшее для планеты и для всех нас.

В Infinitum Electric мы решили разработать двигатель, который меньше, легче и тише, чем обычный двигатель, чтобы мы могли стать частью радикально устойчивого будущего. Если мы все внесем свой вклад, к 2040 году многие компании в отрасли будут следовать нашей миссии.

Три области возможностей для электрификации .

Электрификация может принимать различные формы в зависимости от области применения в промышленности. Наиболее распространенными возможностями являются (1) улучшение существующих электродвигателей путем замены менее эффективных моделей меньшими, более умными и эффективными или (2) полная замена оборудования, работающего на ископаемом топливе, оборудованием, работающим на электричестве. Вот несколько областей промышленности, которые созрели для электрификации:

Автопарки / Тяжелые транспортные средства Применение

Подумайте о том, сколько автопарков задействовано в обеспечении нашей повседневной жизни — легковых автомобилей, полуприцепов, пассажирских фургонов и т. д. Сегодня правила начинают вынуждать коммерческие автопарки переходить на электричество. Согласно недавнему опросу, промышленные производители поставили перед собой цель электрифицировать почти 40% автопарков к 2035 году; парк включает в себя что угодно, от грузовиков для доставки в город до вилочных погрузчиков, поэтому существует большой потенциал для повышения эффективности. Электрооборудование в этой области обычно дешевле в обслуживании и эксплуатации.

Кроме того, мы наблюдаем стремление к электрификации в области тяжелых транспортных средств. Например, ведущий производитель тракторов обратился к Infinitum Electric с целью перехода с гидравлических вспомогательных двигателей на электрические. В таком оборудовании, как экскаваторы-погрузчики и бульдозеры, по-прежнему преобладают старые гидравлические конструкции. Переход на вспомогательные электрические двигатели позволяет производителям поддерживать мощность, необходимую для приведения в действие и тяги, за счет более эффективного и экологически безопасного источника.

Компании Caterpillar и Rockwell Automation, крупные игроки в промышленном секторе, являются инвесторами Infinitum Electric. Эти компании видят потенциал электродвигателей в сферах производства, погрузочно-разгрузочных работ и производства электроэнергии. Существует большое количество оборудования, которое поддерживает работу крупной промышленности, и оно будет работать намного эффективнее на электричестве.

Крупномасштабные промышленные процессы

Многие промышленные процессы используют паровую конверсию, сушку, выпаривание, дистилляцию, активацию, промывку, ополаскивание и процессы приготовления пищи, чтобы не отставать от темпов производства. Сегодня в большинстве этих процессов прямо (например, теплоснабжение) или косвенно (например, коммунальные системы) используется ископаемое топливо.

Но грядут перемены. Многие производители стремятся электрифицировать почти 45 процентов своих процессов к 2035 году. Благодаря своей превосходной конструкции по сравнению с другими вариантами на рынке электрические системы обеспечивают большую управляемость и гибкость. Такого рода улучшения приводят к повышению производительности в течение всего срока службы. Учитывая, что промышленные процессы закладывают основу для крупномасштабного производства, они являются основной целью электрификации. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) видит большой потенциал технологий с высокой производительностью. При широком внедрении к 2050 году можно было бы электрифицировать 63 процента потребностей в отверждении, 32 процента услуг по сушке и 56 процентов других процессов технологического нагрева9.0003

Промышленные помещения

Тепловые насосы имеют значительные преимущества в промышленных условиях. Как правило, системы охлаждения и отопления HVAC гудят в фоновом режиме, почти не замечая жильцов здания, но электрификация этих систем открывает возможность для радикально эффективного управления зданием. Ожидается, что к 2026 году рынок тепловых насосов достигнет 9,87 млрд долларов. Это неудивительно. Тепловые насосы производят около трех единиц тепла на одну единицу энергии (генерируемой из окружающего тепла). Для сравнения, газовый котел выдает всего около 0,9единиц за ту же самую единицу энергии.

Хотя первоначальная стоимость оборудования для электрических тепловых насосов обычно выше, чем для обычного газового оборудования, они могут обеспечить значительный прирост эффективности по сравнению с более традиционным вариантом. Электрические тепловые насосы могут гибко работать, чтобы сбалансировать остаточную нагрузку в периоды избытка производства возобновляемой энергии.

Из-за низкого уровня использования офисные помещения по сравнению с другими промышленными помещениями, такими как фабрики и склады, считаются особенно расточительными. Сегодня около 40 процентов помещений и воды нагреваются за счет электричества, и ожидается, что к 2035 году этот показатель возрастет до 50 процентов. Используя датчики присутствия, интеллектуальные системы зданий могут обеспечить дополнительную экономию энергии, которая со временем приведет к значительной экономии.

Роль сверхвысокоэффективных двигателей в промышленности

Большинство двигателей, используемых сегодня в промышленности, не предназначены для работы с переменной скоростью или энергосбережения в целом. Электродвигатели нового поколения становятся умнее. Все чаще эти двигатели оснащены приводом с регулируемой скоростью для повышения энергоэффективности и экономии энергии за счет более точной регулировки скорости.