Angenommen, es wurde ein sehr großes Gerät gebaut, das bis zu 20 % der mechanischen Energie eines Tornados ernten könnte. Es ist eine Art mobile Plattform, und eine oder mehrere davon sind bereit, in einer anfälligen Region wie Amerikas Tornado-Allee eingesetzt zu werden.
Nehmen wir das einfachste Schema an: Das Gerät wandelt die Kraft des Tornados in Rotationsarbeit um, indem es eine Konstruktion aus großen Flügeln, Drachen oder anderen Ablenkflächen einsetzt, die den Kräften standhalten können. Indem er sich in die Mitte des Zyklons stellt, kann er 20 % der Rotationsenergie abziehen und speichern, bevor der Zyklon wegwandert. Die Konstruktion ist zu diesem Zeitpunkt noch unbekannt. Es ist für die gängigsten EF-2-Zyklone ausgelegt und kann sich selbst gegen größere abschalten und absichern. Für Berechnungszwecke kann es die Ernte vervollständigen, indem es sich zwei Minuten lang im Zentrum des Zyklons hält, dann wandert der Trichter mit 75 % seiner ursprünglichen Energie ab (der Prozess lässt 5 % als verformtes Metall, Hitze und ohrenbetäubende akustische Energie verloren , und erodiertes Metall).
Während das Energieerfassungsgerät selbst derzeit unsere Technologie übersteigen mag, betrifft die Frage einfach einen Speichermechanismus, der so viel wie möglich von dieser enormen Rotationsarbeit zurückgewinnen kann und gleichzeitig für eine mobile Plattform zugänglich ist (die Unvorhersehbarkeit von Tornados macht es unmöglich, dies vorherzusehen -Situieren Sie Ihre Energiebatterien oder das Gerät in einer großen Konstruktion). Als solches nimmt das Hard-Science-Tag nur die Eingabe einer bekannten Energiemenge mit einer bekannten Rate von einem unbekannten Ort oder einer unbekannten Zeit an.
Meine Welten sind größtenteils windbetrieben, daher kann diese Antwort im Allgemeinen mehreren Anwendungen dienen.
Wenn Sie die vielen Gründe, warum die Aufbewahrung eines Tornados in einer Flasche (metaphorisch) nicht funktionieren würde und eine unpraktische Methode zum Sammeln von Energie wäre, von Hand winken würden, würde ich Schwungräder empfehlen, wenn Sie es versuchen würden, nur basierend auf den von Ihnen angegebenen Parametern .
Sobald das tragbare Schwungrad aufgebaut ist und der Tornado vorbeigezogen ist, können Sie die Energie nach Belieben auf einen längerfristigen Speicher, z. B. Batterien, übertragen.
Schwere
Verwenden Sie Windmühlen, um den Sturm einzufangen, und dann Pumpen, um so etwas wie Wasser von einem niedrigen Ort zu einem hohen Ort zu heben, wie in Pumpspeicher-Wasserkraftwerken .
Es ist eine bessere Möglichkeit, normalen Wind zu speichern als Tornados, aber Tornados neigen dazu, mit starken Winden zu kommen.
Eine allgemeine Alternative ist "Gewichtheben", Sie verwenden die Energie, die Sie ernten, um viele Tonnen Gewicht in eine höhere Höhe zu heben. und dann erzeugt das kontrollierte Absenken dieses Gewichts, das nach Bedarf starten und stoppen kann, Strom.
Eine praktische Umsetzung ist bereits im Einsatz: Überschüssiger Solarstrom wird genutzt, um tagsüber Wasser aus einem „niedrigen“ Stausee in einen „hohen“ Stausee zu pumpen und nachts über Turbinen das Hochbecken kontrolliert in das niedrige Becken zu entleeren , erzeugt nachts Strom. Dies sind offensichtlich seegroße Stauseen, die oft durch Regen aufgefüllt werden. Im Hochspeicher ist das ein bisschen kostenlose Energie.
Die Reservoirs können gebaut werden, indem man nach dem niedrigen gräbt und das Material verwendet, um das hohe zu bauen. Oder denken Sie an so etwas wie den Hoover-Staudamm; das nach fast demselben Prinzip funktioniert, außer dass wir nicht pumpen, um es zu füllen; ein Fluss, der bergab fließt, füllt es für uns.
Dies ist eine Möglichkeit, intermittierende Energie in Energie nach Bedarf umzuwandeln; obwohl aufgrund unvermeidbarer Ineffizienzen beim Pumpen ein Energieverlust von etwa 15 % bis 20 % auftritt. (Deshalb nutzen sie, wenn möglich, direkt Solarenergie, um diesen Verlust zu vermeiden, aber sie sind so konzipiert, dass sie um einen erheblichen Faktor übererzeugen, damit sie den Nachtbedarf pumpen und decken können.)
Sie haben ein großes Problem.
Zunächst müssen wir wissen, wie viel Energie gespeichert werden muss. Laut NIH hat der typische EF2-Tornado eine Energie von 88 TJ , 20 % bedeuten also, dass 17,6 TJ gespeichert werden.
Wie viel ist das? Nun, die Umrechnung von 17,6 TJ in TNT-Äquivalent (4,184 GJ pro Tonne TNT) ergibt 4,206 KT TNT, ungefähr 30 % der Atombombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde. Energiespeichersysteme werden oft in kWh ausgedrückt. 17,6 TJ sind 4,89 GWh
Wenn wir also die anderen Kosten für den Moment ignorieren, wie hoch sind die Kosten für die Speicherung im Netzmaßstab für 17,6 TJ? Laut dem National Renewable Energy Laboratory im Jahr 2021 und unter Verwendung des unteren Endes der Spanne für Speicherkosten.
Lithium Ion 352 USD/kWh
Lead Acid 380 USD/kWh
Sodium-sulfur 599 USD/kWh
Pumped Water 150 USD/kWh
Compressed Air 97 USD/kWh
Flywheel 4320 USD/kWh
Thermal 20 USD/kWh
Pumpwasserspeicher sind eindeutig nicht tragbar. Thermische und komprimierte Luft sind auch sehr unwahrscheinlich tragbar - was die 3 billigsten Methoden ausschaltet. Also, was kostet ein Lithium-Ionen-Speicher – 5,89 E9 * 352 / 1000 = 2,07 E9 oder über 2 Milliarden Dollar.
Obwohl dies eine Strecke ist, wird es viel weniger machbar, wenn Sie berücksichtigen, dass Sie viel Zeit haben, um Ihr Speichersystem aufzuladen. Der Versuch, so viel Lithium-Ionen-Speicher in 2 Minuten aufzuladen, würde zu einem sehr großen Brand führen. Andere Speichersysteme hätten ähnliche Probleme. Sie müssen Energie mit einer Rate von 146,7 GW speichern - das 6,5-fache der Leistung des Drei-Schluchten-Staudamms.
Unabhängig von Ihrem Speichersystem müssen Sie in der Lage sein, die Leistung mit einer Rate von 146,7 GW zu speichern – dies wird bei einem tragbaren Gerät, das Sie in den Sturmpfad leiten müssen, niemals der Fall sein. Ein F2-System hat eine bemerkenswerte Menge an Energie.
Ich würde sagen, dass niemand diesen Tornado jemals einfangen wird
Sie möchten statische Elektrizität ernten und vorübergehend in Superkondensatoren speichern.
Diese lassen sich sehr schnell aufladen und halten (je nach Kondensatorausführung) einige Tage ihre Ladung. Es würde im Wesentlichen wie einer dieser Mega-Trucks aussehen. Sie rollen es vor den Tornadopfad, laden Ihre Kondensatoren auf und fahren es dann an einen zentralen Ort, um die Energie abzuladen.
Dies würde einem Van de Graaff-Generator ( https://en.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaff_generator ) ähneln, aber das mechanische Element wird bereits vom Tornado bereitgestellt.
Wenn die Luftpartikel durch Ihren Apparat gezogen werden, wird eine enorme Menge statischer Elektrizität erzeugt, die Sie dann in Superkondensatoren speichern können ( https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor ).
Kondensatoren sind auch sehr elastisch, sodass Sie dies immer wieder mit minimaler Verschlechterung tun können. Als Bonus sollte es möglich sein, einen statischen Generator ohne bewegliche Teile zu konstruieren, der viel länger hält (Sie wissen, wenn Ihr Energiesammelwagen nicht von einem Schuppen getroffen wird).
Bearbeiten: Wie von @Goodies angemerkt, ist die spezifische Energie von Kondensatoren im Vergleich zu anderen Speichermedien gering. Die Wikipedia-Seite hat das obere Ende bei etwa 100 Wh/kg. Angenommen, wir wollen 1 GWh speichern (der Einfachheit halber), würden wir 10 Millionen kg Kondensatoren benötigen.
Wenn man bedenkt, dass der größte Lastwagen der Welt ( https://en.wikipedia.org/wiki/BelAZ_75710 ) magere 450000 kg laden kann, müssten etwa 20-25 dieser bösen Jungs zusammenarbeiten, um den Tornado zu ernten.
Ich ignoriere wie andere das Problem, dass Ihr Gerät nie mehr als einem kleinen Teil seiner hochbeweglichen und unvorhersehbaren Rotationsenergie ausgesetzt ist, und begründe meine Antwort auf diese Weise ...
@GaryWalker skizziert die extrem hohe Lade- oder Speicherrate, die impliziert ist. @Amadeus erklärt, dass sein Heben einer großen Masse gegen die Schwerkraft theoretisch funktioniert, aber in der Praxis keine große Hilfe wäre.
Darauf aufbauend würde ich vorschlagen, dass Ihr Gerät Rotationsenergie in eine Pumpe umwandelt und einen riesigen Luftbehälter aus einem Elastomer unter Druck setzt. Hier ist der Grund:
Wir nutzen Druck, um riesige Luftmengen sehr schnell zu speichern, während der Sturm tobt, nicht um sie unter ultrahohem Druck zu speichern oder zu verflüssigen. (Das sind natürlich Optionen für Antwortvarianten).
Luft kann einem immensen Druck standhalten, und wir brauchen das für eine schnelle Speicherung . Aber eigentlich brauchen Sie nur einen großen Airbag, denn auch ohne Hochdruckspeicher erzeugen Sie beim Wiederaufrollen einen starken Luftstrahl zur Wiederverwendung, allein aufgrund des Volumens der gespeicherten Luft, auch wenn sie nicht besonders unter Druck steht.
(Denken Sie an den Luftstoß aus einer Luftmatratze, wenn Sie darauf sitzen, um die Luft herauszulassen, wenn Sie sie wegpacken.)
Beim Druck geht es also viel mehr um die Fähigkeit, ultrahohe Luftmengen mit einer ultrahohen Rate einzufangen, die unter einem bestimmten Druck stehen können (aber nicht wirklich sein müssen), als darum, sie unter hohem Druck zu speichern . Die Beutel müssen also außer an der Ansaugstelle keinen enormen Drücken standhalten.
Beachten Sie auch, dass Sie thermische Effekte haben werden. Komprimieren und Dekomprimieren tut das. Wir können diese von Hand schwenken, aber der einzige Hochdruckprozess hier ist die Kompression, und wir konstruieren das Ansauglüftersystem, um thermische Effekte zu zerstreuen. Sie werden heiß, und die einströmende Luft wird ein bisschen warm sein, denke ich, aber nicht super heiß. Die Abluft wird viel langsamer abgegeben, sodass das viel weniger ein Problem darstellt.
Sie könnten auch Kondensationseffekte haben, aber das geht eher in Richtung harte Wissenschaft / Realismus, und wenn sie in einer Geschichte ignoriert werden, wird es niemand bemerken.
AlexP
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