Przepływ ropy i gazu w rurociągach zasili czujniki w ekstremalnych warunkach
Finansowany przez UE projekt HarshEnergy podjął to wyzwanie, wykorzystując nanomateriały. Zespół projektowy opracował innowacyjne systemy pozyskiwania energii wykorzystywanej w celu zasilania sieci czujników dla przemysłu naftowego i gazowego w środowiskach charakteryzujących się temperaturami wynoszącymi powyżej 250°C i ciśnieniem przekraczającym 10 000 psi. Działalność przemysłu naftowego i gazowego często wiąże się z pracą urządzeń w ekstremalnych warunkach, które uniemożliwiają zastosowanie typowych sposobów wytwarzania energii, takich jak na przykład ogniwa fotowoltaiczne. Jednocześnie istnieje także potrzeba monitorowania działań przy pomocy sieci czujników. „Rozwiązanie tego problemu polega na opracowaniu i optymalizacji nanomateriałów, które mogą posłużyć do pozyskiwania energii w trudnych warunkach – w wysokich temperaturach i w środowiskach, w których panuje wysokie ciśnienie”, mówi koordynator projektu dr Joao Ventura. Pozyskiwanie energii stanowi duże wyzwanie, które opiera się przede wszystkim na ograniczonym potencjale do generowania energii. Pomysł naukowców opiera się na pozyskiwaniu energii z procesów, w których następują jej straty w dowolnej formie, na przykład energii kinetycznej płynów transportowanych rurociągami. Istnieją już podobne technologie, jednak pozwalają one na wytwarzanie zaledwie niewielkich ilości energii elektrycznej, której efektywne wykorzystanie stanowi niemałe wyzwanie. Połączone technologie W ramach projektu HarshEnergy naukowcy skupili się na hybrydyzacji trzech różnych technologii pozyskiwania energii – piezoelektryczności, tryboelektryczności oraz indukcji elektromagnetycznej – w celu opracowania prototypów składających się z hybrydowych mikro- oraz nanogeneratorów. „W ramach tych urządzeń zintegrowaliśmy wzajemnie uzupełniające się technologie pozyskiwania energii w warunkach ekstremalnego ciśnienia oraz wysokich temperatur, co pozwoliło nam na skuteczne wykorzystanie płynów przepływających przez rurociąg oraz wibracji do generowania energii elektrycznej”, wyjaśnia dr Ventura. Przedsiębiorstwa już teraz czerpią korzyści z automatyzacji oraz monitorowania najważniejszych aktywności przy pomocy sieci czujników gromadzących olbrzymie ilości danych, na podstawie których wdrażane są usprawnienia procesów decyzyjnych bądź przewidywane są terminy konserwacji maszyn. Jak twierdzi dr Ventura: „Przedsiębiorstwa, które chcą utrzymać albo powiększyć przewagę konkurencyjną, muszą zadbać o monitorowanie aktywności poprzez włączanie kolejnych czujników, które będą z kolei pochłaniać coraz większe ilości energii. To właśnie te przedsiębiorstwa odniosą największe korzyści z rozwiązania opracowanego w ramach projektu HarshEnergy”. Co więcej, w większości przypadków czujniki wykorzystują niewielkie akumulatory lub baterie jako źródło energii. Wiąże się to z okresowymi wymianami. „Przy założeniu, że cały sektor wykorzystuje setki lub tysiące czujników w celu monitorowania prac, dzięki wdrożeniu nanogeneratorów odzyskujących energię działalność przedsiębiorstw będzie tańsza, bardziej ekologiczna i bezpieczniejsza dzięki rezygnacji z akumulatorów, z których korzystanie wiąże się z wytwarzaniem dużych ilości odpadów oraz ryzykiem eksplozji. Co więcej, z racji tego, że działalność staje się tańsza, możliwe jest zainstalowanie dodatkowych czujników gromadzących dane, na podstawie których możliwe będzie podejmowanie jeszcze lepszych decyzji zwiększających przewagę nad konkurencją”, dodaje Ventura. Rozwiązania przyjazne dla środowiska Podczas swojego cyklu życia nanogeneratory tryboelektryczne wykazują się lepszymi parametrami środowiskowymi, niższymi kosztami produkcji i niższą emisją dwutlenku węgla. Jednakże oddziaływanie niektórych prototypów na środowisko może być nieco gorsze ze względu na wyższą zawartość akrylu w budowie urządzeń oraz wyższe zużycie energii elektrycznej podczas produkcji. Niemniej jednak akryl może być przyjazny dla środowiska, w szczególności jeśli uwzględni się możliwości recyklingu i ponownego wykorzystania tego materiału. Ponadto materiał ten nie wytwarza podczas procesów spalania toksycznych gazów szkodliwych zarówno dla ludzi, jak i dla środowiska ze względu na jego stabilność podczas wystawienia na działanie promieniowania ultrafioletowego. „Nanogeneratory tryboelektryczne charakteryzują się lepszymi parametrami środowiskowymi niż komercyjne krzemowe i organiczne ogniwa fotowoltaiczne. Niektóre prototypy charakteryzuje jednak nieco dłuższy okres zwrotu niż ogniwa fotowoltaiczne oparte na perowskitowej aktywnej warstwie zbierającej światło opartej na metyloamonowym jodku ołowiu”, podsumowuje Ventura.
Słowa kluczowe
HarshEnergy, czujnik, odzyskiwanie energii, temperatura, ciśnienie, nanomateriał, tryboelektryczność, gaz, ropa, hybrydyzacja, piezoelektryczność, indukcja elektromagnetyczna