在此应用中,废水经过加热、蒸发,然后进入冷凝器,蒸汽在冷凝器中重新液化为水。Hammer介绍道,“这就是从高浓度废水分离洁净水的过程,最终得到的是去矿物质水。”潜在的热源包括造纸厂、瓶装饮料厂等等,这些地方产生的废水在污水处理厂无法立即得到处理。利用EvaCon不仅可以生产出新的洁净水,同时亦可以减轻污水处理的负担。
西门子研究院的研究人员目前正在探索用于蒸发器和冷凝器的最佳设计和材料。预计在2012年9月将推出一个雏形,用以示范这一工艺的工业规模应用。Tackenberg估计EvaCon有望在2015底以前做好面市准备,届时它将成为一款炙手可热的产品。Tackenberg介绍说:“从年度来看,如果一家饮料生产商每小时需要使用8立方米灭菌冲洗水,并处理掉伴生废水,那么目前它每年因此而为每个装瓶作业线支出的成本约为50万欧元。利用EvaCon来实现废水的再处理,每年可以节约37万欧元左右。因此,假如系统的建设成本为32.5万欧元,那么这个投入在不到一年内就可以逐步收回。”西门子研究院与西门子工业的食品与饮料业务部合作推广EvaCon,目前已经将该工艺推介到纽约的百事公司。
机器之幸。在另一个项目中,西门子研究人员研究了未来的潜热存储单元如何确保机器的“热舒适度”。在此类存储设备中,热不会引起温度的升高,而是促发形态转变,例如冰融化成水,只要还剩有最后一点冰未融尽,温度就会保持在0℃,高精度的机床尤其需要复杂的热管理。为了防止由于机床和产品的热膨胀而导致不合格品增多,在运转期间,机床需要冷却,而在启动前则要将其预热。潜热存储单元可以吸收生产期间产生的多余热能,然后在机器闲置时将这些热能重新释放到机器中。Tackenberg指出,“这种方法可以显著降低冷却成本,同时启动时也不再需要额外用电。”
上述项目仍处于起步阶段,所以究竟何种材料才是潜热存储的最佳选择目前尚未可知。如此看来,西门子的ORC和EvaCon解决方案很可能要先于潜热存储单元一步,在实际应用中一展拳脚了。Tackenberg预计,截至2020年,在这些解决方案及其他研发成果的作用下,工业浓烟中溢出的矿物初级能源余热比例将从高达50%降至40%左右。西门子触摸屏代理商
据西门子和McKinsey联合开展的一项研究显示,仅ORC 技术应用一项就可以带来1.1至 2.5千兆瓦的可用余热发电潜力。这对于气候和此类解决方案的供应商而言都是一大益事。西门子无疑是其中的受益者之一。
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发电大村
巴伐利亚南部的一个小村庄产出的绿色电能大大超过其用电量,这使其成为试验智能电网技术的理想之地。试验项目由西门子、当地电力公司和两所大学共同实施。
Ignaz Einsiedler灵活地爬上梯子和德国南部Oberallgäu地区Wildpoldsried村的2500名居民中的很多人一样,Einsiedler也是一名能源先锋。这里几乎家家户户的房顶上都有蓝色的太阳能电池板,它们在阳光下熠熠生辉。沼气发酵产生甲烷,消耗甲烷的热电联产(CHP)工厂排放出的废气,从很多谷仓的金属烟囱中袅袅升起。很多民房都从4.7公里长的地区电网中获得热能。Einsiedler和本地其他居民通过为此专门成立的合作机构,一起建造并筹资运营这个电网。Einsiedler还拥有一个燃气网络和五家风电站的股份。这个燃气网络负责向三家联合发电厂输送燃气;这些风电站完全是由村民们联合筹资运营的,没有引入任何外部投资
“Wildpoldsried村的居民们有点疯狂,但这种疯狂是积极的。”当地电网运营商AllgäuNetz有限公司的律师Guido Zeller说道。其中最疯狂的恐怕就是Arno Zengerle了,他从1996年起就一直担任这里的村长。第一个任期一开始,Zengerle就让村民就村庄的发展目标进行投票。“要想有效保护大气,就必须得到大家的积极支持,而不是违背他们的心愿。” Zengerle说。正是得到了大家的支持,Wildpoldsried村现在才能产出两倍于自身需求的电力。的确,现在很多村民既是电能的生产者也是消费者——即所谓的“生产型消费者”。
,来到一个大罐子上面巨大的灰色的圆拱型储气囊旁边。橡胶盖下面,褐色的混合物里有青草、玉米和其他生物质,中间还混杂着泥浆气泡。“就像一个巨大的牛胃。”这位63岁的农民这样描述道。这个“胃”消化这些生物质,并将其转化成沼气,沼气被送至Einsiedler的地下室。地下室里有两台燃烧沼气的发电机。Einsiedler将沼气发电机以及他家房顶上的三台光伏设备产生的电能送入Allgäuer überlandwerke GmbH(AüW)运营的电网。
电能盈余带来的困扰。Wildpoldsried村使大家看到了未来20年间德国将面临的情形。但是,一切并非看起来那么容易。建立太阳能、风能和沼气发电厂,这些还远远不够。利用可再生能源生产的电能,还要被送抵用户家中,这就需要建立一个系统来保持电力生产和消耗之间的平衡。不过,这个村庄如今面对的问题正是每一个社区所乐见的。它拥有的电能实在太多了。实际上,输入的波动会影响电网的输出功率,半小时内的浮动可以高达8兆瓦。
但对Robert Koerle来说,这种电能盈余却令人头疼。他在10公里以外的Kempten工作,任务是确保在任何时候,无论电量的输入或输出有多大,都要保证AüW电网的稳定性。2010年,AüW选择在Wildpoldsried村进行一项大规模试验,旨在建立可以自动稳定电力网络的智能电网。智能电网是未来能源系统的关键,因为只有它才能顺利输送采用可再生能源生产的电能,而不导致电力网络遭受破坏。
AüW制定计划时,西门子基础设施与城市业务领域的Alexander Hammer就在寻找一家电网运营商,作为项目合作伙伴测试新的智能电网技术。西门子和AüW于2011年4月签署了一份合作协议,成立了IRENE (可再生能源并网发电与电动交通)项目。项目总投资约600万欧元,其中三分之一来自两家合作伙伴,剩余部分由德国联邦经济技术部提供,因为后者很快就意识到该项目的重要性。
IRENE成立以来已经开展了很多工作。例如,AüW已在太阳能和沼气发电站以及变压器中安装了大约200个监测装置——装有移动通讯模块的黑匣子。气象测量数据和网络摄像头还被用于监测云的运动。这些监测的目的是了解谁在为电网送电,谁从电网拿走电力,他们何时何地送电或用电,以及所有这些对电网稳定性的影响。“我们需要管理网络中的动态。”Hammer说道。他还指出,每天要将大约30亿字节的数据发送到位于附近的Kempten的AüW总部。
一旦查明了电网存在的关键问题,就能有针对性地采取纠正措施。为此,西门子安装了一个可以抵消电压波动的可调变压器。这种装置在高压电网中十分寻常,但却是首次应用于二次配电网络。
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绿色解决方案
未来,水藻可被用来将电厂的二氧化碳转化为生产生物燃料的原料。为了实现这个目标,西门子研究人员正在探索脉冲电场和磁性技术等各类过滤技术。
澳大利亚昆士兰大学的研究人员基本用不着除藻。与许多园艺师不同,他们非常自豪他们露天水池里的水呈现深绿色。这是因为这里的水藻完全是有益的。他们利用光合作用从空气中去除二氧化碳并生成生物质:油、脂和蛋白质,它们可以转换为生物燃料、动物饲料或药品。“如果向它们供应富含二氧化碳的电厂烟气,它们每公顷每年可吸收二氧化碳120吨。”位于德国爱尔兰根的西门子研究院的化学家Manfred Baldauf博士说道。中欧的森林每公顷差不多可吸收二氧化碳10吨,即使是迅速生长的中国芒每公顷也只能吸收大约50吨温室气体。这并不是水藻养殖场只需要相对少量耕地的唯一原因。这种养殖场还可设在贫瘠的土地上,未来甚至可设在海洋或河流中。
西门子(以及其他方)正在为昆士兰大学获得政府资助的野外水藻养殖项目提供经济支持。公司还在自己的研究项目中研究借助水藻进行的二氧化碳吸收利用,探索其他碳利用方法,比如利用二氧化碳和氢制备甲烷和甲醇。Baldauf及其团队设定了一个非常宏伟的目标:开发能够将二氧化碳转化成环保产品的技术。
Baldauf无法预测水藻在其中扮演的角色。但是肯定的是如果没有有效的技术,将无法实现突破。“现在的工艺释放的二氧化碳比它们吸收的二氧化碳更多。”他解释道。除了生物反应器运行之外,这是因为收获和干燥流程会消耗大量的能源。
磁性方法。 解决方案也许指日可待。西门子研究人员正在研究两种特别有效的收获技术。当前的方法是利用离心或过滤方式将水藻与水分离开来。但具有更高能效的方法是电穿孔。浸没在富含水藻的水中的电极连通高频交流电,摧毁能使水藻上浮的结构。这样,绿藻就沉向水底,上面的水能被抽回反应器。“我们还在研究脉冲电场是否能引起水藻细胞壁破裂,”Baldauf说道。这是一个想要获得的副作用,因为这有助于分离生物燃料原料——水藻油。
在另外一种收获水藻的方法中,西门子研究人员将微米大小的磁性颗粒与水藻混合在一起,并使富含水藻的水通过旋转的磁鼓。磁性颗粒与水藻粘附在一起,然后两者一起被吸在磁体上。“但是,毕竟最后需要将水藻和磁性颗粒分离开来。我们正在试图找出最佳的分离方式。”Baldauf说道。并不是每种水藻都适合每种收获方式。为了确定合适的种类,西门子研究人员正在与德国比勒菲尔德大学的科学家携手合作。
西门子还与德国卡尔斯鲁厄工业大学合作,该校正在开发不同的生物反应器,以降低水藻养殖成本。靠近水藻养殖场的工厂或电厂通过供应包含二氧化碳和废热的烟气,可帮助改善环境和经济。这可有利于干燥流程,并帮助在寒冷天气保持理想的温度。水藻最适宜的温度是在20摄氏度至30摄氏度之间。
基于二氧化碳利用可能开发的是什么类型的最终产品?西门子研究人员倾向于生物燃料和动物饲料。实际上,这两种产品可以同时生产——生物燃料来自水藻油,动物饲料来自残渣。实际上,利用水藻成分生产食品、药品和化妆品已经经济可行,因为这些产品的售价要比生物柴油高得多。“但是产量太小,难以吸收大量的二氧化碳。”Baldauf指出。
作为西门子二氧化碳回收项目的一部分,研究人员还在研究是否以及如何高效实现生物质“水热碳化”。在这个过程中,收获的水藻被加热到近200摄氏度。得到的产品是碳元素,它可作为废水净化中的活性碳使用,或进行处理。“这个过程的一大优势是使二氧化碳非常长时间的脱离循环。”Baldauf说道。
基于水藻的二氧化碳再循环也是西门子研究院中那些没有参与二氧化碳回收项目的研究人员的目标。比如,Maximilian Fleischer教授就在研究转基因水藻细胞,他的工作得到了西门子医疗首席技术官同时也是基因技术专家的Cord Stähler的支持。其目标是利用超级细胞生产乙醇。比如,光合作用就被用于被称之为蓝细菌的蓝藻将二氧化碳主要转化为糖。一个额外的基因可确保糖在水藻细胞内被转化成乙醇。“我们想借此实现15%到20%的总体效率。”Stähler指出。
光合作用幕墙? 如果低等级的水藻细胞能够利用光合作用,那么高科技未来建筑呢?在此,空气中的二氧化碳与水、阳光和合适的催化剂发生化学反应,形成甲醇和氧气。“甲醇然后可用在燃料电池中,用来发电和提供热量。”西门子研究院的Fleischer表示。在未来,装满水的反应器面板通过玻璃隔绝太阳,并在后端配有可渗透二氧化碳的膜,这样的反应器可布满整个建筑物的幕墙,实现类似树一样的光合作用。
但是在光合作用幕墙吸收大量二氧化碳之前,另一种技术可能取得了突破。“借助风能或太阳能过剩电力利用二氧化碳和氢气生产甲烷和甲醇在技术上已是可行的。”Baldauf说道。实际上,位于斯图加特的初创企业Solarfuel计划于2013年在一家奥迪工厂推出第一套这样的系统。
西门子正在开发一种特别有效的动态电解槽,用于氢气生产。在这方面,化工公司和项目合作伙伴拜耳公司正在研究利用氢气和二氧化碳生产聚亚安酯,聚亚安酯是泡沫、塑料和油漆的重要原材料。
科学家是否能将二氧化碳转化为可盈利的量产原材料目前尚不清楚。但是已经出现了相应的积极迹象。利用二氧化碳生成的水藻产品已经有潜在买主。据Baldauf透露,表示出兴趣的公司包括EADS、Neste Oil、航空公司和饲养场。