¿Dónde podrías almacenar la energía de un tornado?

Suponiendo que se construyó un dispositivo muy grande que podría recolectar hasta el 20% de la energía mecánica de un tornado. Es una plataforma móvil de algún tipo, y una o varias de ellas están listas para implementarse en una región propensa como el callejón de tornados de Estados Unidos.

Supongamos el esquema más simple: el dispositivo convierte la fuerza del tornado en trabajo de rotación, desplegando alguna construcción de paletas grandes, cometas u otra superficie deflectora capaz de resistir las fuerzas. Al colocarse en el centro del ciclón, es capaz de extraer el 20% de la energía de rotación y almacenarla antes de que el ciclón se aleje. La construcción es desconocida en este punto. Está diseñado para manejar los ciclones EF-2 más comunes y puede apagarse y protegerse contra ciclones más grandes. Para fines de cálculo, puede completar la cosecha manteniéndose dentro del centro del ciclón durante dos minutos, luego el embudo se aleja con el 75% de su energía original (el proceso deja un 5% perdido como metal deformado, calor, energía acústica ensordecedora y metal erosionado).

Tornado EF-2 golpea cerca de Des Moines, Iowa, EE. UU.

Si bien el dispositivo de captura de energía en sí puede estar actualmente más allá de nuestra tecnología, la pregunta simplemente se refiere a un mecanismo de almacenamiento que pueda recuperar la mayor cantidad posible de este enorme trabajo de rotación, al mismo tiempo que es accesible a una plataforma móvil (la imprevisibilidad de los tornados hace que sea imposible preverlo). -escenifique sus baterías de energía, o el dispositivo, dentro de una gran construcción). Como tal, la etiqueta de ciencia dura solo asume la entrada de una cantidad conocida de energía a un ritmo conocido desde un lugar o tiempo desconocido.

¿Cuál sería el medio más eficiente para almacenar la energía capturada de un tornado dada la alta tasa de entrega y la incapacidad de predecir la ubicación?

Mis mundos funcionan en gran medida con energía eólica, por lo que esta respuesta puede servir para varias aplicaciones en general.

(1) Un tornado gira sobre un área muy grande. El dispositivo descrito es mucho más pequeño que el área sobre la que gira el tornado. Solo tendrá la oportunidad de recolectar una pequeña fracción de la energía del tornado, porque la gran mayoría nunca se acercará al dispositivo. (2) ¿Qué diablos es el "trabajo de rotación"? (3) ¿Cuál es el significado numérico de trabajo "enorme"? en joules, por favor, o, si se deben usar medidas olde skoole, incluso en foote powndes-force.
@AlexP El trabajo de rotación es la fuerza que cambia la velocidad angular de una masa. La premisa de la ciencia ficción es que sus preocupaciones han sido resueltas por la tecnología. El ciclón es un EF-2 y el dispositivo capta el 20% de la energía neta, esto es lo que significa "enorme". Hay una posible consecuencia de desconcertar y disminuir el embudo, pero eso está más allá de esta pregunta. La mayor parte de la energía cinética de un tornado se invierte en el movimiento de rotación, no en mover el ciclón en sí.
@VogonPoet Solo para que nadie más pueda volverse gruñón por eso, ¿el "trabajo de rotación" que describe es par o "fuerza de rotación"? A la gente de ciencia dura le gustan las definiciones duras :p.
@Tortliena No, el torque no funciona en absoluto. Resultados del trabajo de rotación después del par ( τ = F × r ) se ha aplicado a una masa, y la medida del trabajo de rotación (en unidades de trabajo estándar de joules) está relacionada con el momento de torsión por el ángulo que gira la masa a causa de él (W = F × s = F × θ × r = τ θ ). Aquí está el cálculo del trabajo de rotación en la física.
Capturar la energía de un tornado suena genial, pero increíblemente poco práctico. El dispositivo de captura debe ser lo suficientemente fuerte para resistir un tornado, pero lo suficientemente móvil para seguirlo. ¿Por qué no simplemente poner muchos molinos de viento en todas partes, que pueden recibir un impulso si un tornado está cerca?
@JamesFaix ¿Porque hemos resuelto el problema de los materiales y ya no necesitamos ensuciar las llanuras con miles de asesinos de pájaros multimillonarios conectados por cientos de millas de cable? No es probable que la historia cambie en este punto al desinventar el dispositivo.
Con qué propósito ? podría alimentar un generador de 60kW durante una semana? "La energía total de un tornado es relativamente baja. Un tornado típico contiene 10 000 kilovatios-hora, mientras que un huracán contiene 10 000 000 000 kilovatios-hora" . y-poder-de-tornados.501504
@Goodies La referencia de NIH parece una autoridad . Dicen que un EF-2 formado contiene 88 terajulios de energía.
@VoginPoet es mejor que sea cierto, de lo contrario, estarías a unos 7 decimales ... ¿estás seguro de que nih enumera la energía en el suelo, donde planeas cosecharla? ¿O es energía total en una columna de 2200 metros de altura de aire giratorio de 200MPh?
@Goodies Respondí eso en la pregunta. No se limita a la energía en el suelo. El dispositivo existe en el mundo ficticio, su función no es parte de la pregunta. Considere que también es posible volar por encima de un tornado. Bajar un cable de 200 m es una tarea relativamente sencilla, la gravedad hace el trabajo duro por ti.
Técnicamente, una supercélula ya almacena el poder de un tornado.
Realmente, en el momento en que tengamos tecnología que incluso podría contemplar hacer esto, tendremos mejores formas en conjunto, como desviar más gradualmente la energía del sistema eólico local para que el tornado no pueda formarse en primer lugar. Esto le otorga dos victorias: recolectar energía (a un ritmo manejable) y mitigar los eventos climáticos extremos. Tratar de capturar un tornado es como tratar de recolectar energía de una bomba atómica. En general, mejor si puedes liberar la energía lentamente... como en un reactor. Cuando se convierte en una bola de furioso caos, es demasiado tarde para hacer algo sensato.

Respuestas (6)

Volantes

Agitando a mano las muchas razones por las que almacenar un tornado en una botella (metafóricamente) no funcionaría, y sería una forma poco práctica de reunir energía, si fuera a intentarlo, basado solo en los parámetros que ha proporcionado, recomendaría volantes .

  • Ya son una forma rotacional de almacenamiento de energía.
  • Son pesados ​​pero pueden ser portátiles.
  • Puede cargar muy rápidamente/bajo un alto impulso

Una vez que la plataforma de volante portátil está configurada y el tornado ha pasado, puede transferir la energía a un almacenamiento a largo plazo, por ejemplo, baterías en su tiempo libre.

Mi suposición es que una estimación del tamaño de un volante de este tipo tendría una gran superficie produciendo fricción en el aire y una masa montada sobre rodamientos notables. Esto no está en desacuerdo, pero mi intuición dice que la energía se agotará con bastante rapidez. Sin embargo, ciertamente gana más tiempo que el que otorga el tornado. Esta es sin duda una respuesta.
@VogonPoet Almacenar el volante en una cámara de vacío y hacerlo funcionar con repulsión magnética podría ayudar a superar estos problemas. No soy ingeniero y no estoy seguro de cuán práctica es esta tecnología, pero tal vez valdría la pena echarle un vistazo.
@VogonPoet Hay fabricantes comerciales de almacenamiento de energía de volante en la Tierra hoy. Los volantes generalmente están contenidos en el vacío y, a menudo, funcionan en conjuntos múltiples.
Creo que entiendo el concepto, es difícil decir si esto se puede hacer. Me imagino volantes de precisión montados sobre plataformas muy sólidas y estabilizadas. Obviamente, este dispositivo será golpeado por el vórtice. Los cojinetes magnéticos serían perfectos, pero no les gusta que los sacudan. Tal vez sellos de prensaestopas lubricados con vapor como el uso de turbinas de energía. Los álabes de turbina son técnicamente volantes de masa de reacción.
@VogonPoet si el dispositivo se mueve significativamente, ciertamente no absorberá el 20% de la potencia del tornado, ya que el tornado se mueve rápidamente en relación con el suelo , no en sí mismo. He dado por sentado que tienes algún tipo de plataforma mística y estabilizada que captura el viento. La configuración del volante (en una cámara de vacío, será al menos tan portátil como su dispositivo) simplemente está ahí para proporcionar una solución de almacenamiento de energía con una curva de carga muy agresiva.
Están en uso actual en los trenes, sin duda en menor capacidad de energía, por lo que son capaces de ser móviles.
En general, su almacenamiento de energía no debería ser puesto en peligro. Es factible enterrar todo el sistema bajo tierra y alimentar el sistema eléctricamente con energía. Un motor para agregar velocidad al volante enganchado a una dínamo en una turbina que se hace girar por el tornado. Diseñar una turbina lo suficientemente duradera y eficiente para que no sea destruida por un tornado es un desafío mucho más difícil.

Gravedad

Use molinos de viento para capturar la tormenta, luego bombas para elevar algo parecido al agua de un lugar bajo a un lugar alto, como en las represas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo .

Es una mejor manera de almacenar viento normal que los tornados, pero los tornados tienden a venir con vientos fuertes.

Una alternativa general es el "levantamiento de pesas", usas la energía que recolectas para levantar muchas toneladas de peso a una altitud mayor; y luego el descenso controlado de este peso, que puede comenzar y detenerse según sea necesario, genera electricidad.

Una implementación práctica ya está en uso: el exceso de energía solar se usa para bombear agua de un depósito "bajo" a un depósito "alto" durante el día y durante la noche, drenaje controlado del depósito alto al depósito bajo, a través de turbinas. , genera electricidad por la noche. Estos son embalses del tamaño de un lago, obviamente, a menudo reabastecidos por la lluvia. En el depósito alto, esto es un poco de energía libre.

Los embalses se pueden construir excavando para el bajo y usando el material para construir el alto. O piense en algo como la Presa Hoover; que opera casi con el mismo principio, excepto que no estamos bombeando para llenarlo; un río que corre cuesta abajo lo llena para nosotros.

Esta es una forma de convertir la energía intermitente en energía bajo demanda; aunque hay alrededor de un 15%-20% de pérdida de energía debido a ineficiencias inevitables en el bombeo. (Es por eso que usan energía solar directamente si pueden, para evitar esa pérdida, pero están diseñados para generar en exceso por un factor significativo para que puedan bombear y cubrir las necesidades nocturnas).

También consideré esto, pero no creo que sea fácil hacerlo portátil.

Tienes un gran problema.

Primero, necesitamos saber cuánta energía se necesitará almacenar. Según los NIH, el tornado EF2 típico tiene un valor de energía de 88 TJ , por lo que el 20 % significa almacenar 17,6 TJ.

¿Cuanto es eso? Bueno, convertir 17,6 TJ a TNT equivalente (4,184 GJ por tonelada de TNT) da 4,206 KT de TNT, aproximadamente el 30% de la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima. Los sistemas de almacenamiento de energía a menudo se expresan en términos de kWh. 17,6 TJ son 4,89 GWh

Entonces, ignorando los otros costos solo por el momento, ¿cuál es el costo del almacenamiento a escala de red para 17,6 TJ? Según el Laboratorio Nacional de Energías Renovables en 2021, y utilizando el extremo inferior del rango para los costos de almacenamiento.

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

El almacenamiento hidráulico de agua bombeada claramente no es portátil. También es muy poco probable que el aire térmico y comprimido sea portátil, eliminando los 3 métodos más baratos. Entonces, ¿cuál es el costo del almacenamiento de iones de litio? 5.89E9 * 352 / 1000 = 2.07E9, o más de 2 mil millones de dólares.

Aunque esto es una exageración, se vuelve mucho menos factible cuando considera que tiene mucho tiempo para cargar su sistema de almacenamiento. Intentar cargar tanto almacenamiento de iones de litio en 2 minutos daría como resultado un incendio muy grande. Otros sistemas de almacenamiento tendrían problemas similares. Necesita almacenar energía a razón de 146,7 GW, 6,5 veces la producción de la presa de las Tres Gargantas.

Independientemente de su sistema de almacenamiento, debe poder almacenar la energía a una tasa de 146,7 GW; esto nunca será cierto en un dispositivo portátil que debe guiar hacia el camino de la tormenta. Un sistema F2 tiene una cantidad notable de energía.

Diría que nadie nunca va a capturar ese tornado.

¿Por qué eliminarías el aire térmico o comprimido? Un gran tanque neumático puede ser portátil y reforzado, llenado a través de una bomba accionada por turbina. Un embrague de fricción ablativo o un banco de resistencias podría capturar una gran cantidad de energía térmica y contenerla en un tanque sellado al vacío (o tal vez incluso en un gran horno de aerogel). Quizás genera una cuba de plomo fundido. Estoy de acuerdo en que un intermediario eléctrico sería un desafío (a menos que use ultra capacitores que pueden cargarse tan rápido como pueda).
@VogonPoet, el almacenamiento de aire comprimido a gran escala generalmente usa cuevas de sal o minas de roca dura abandonadas, que no son particularmente portátiles.
@Mark... Ya veo. ¯_(⊙︿⊙)_/¯
El almacenamiento térmico de @VogonPoet tampoco es el esperado. A ese precio, es un sustituto de la calefacción de espacios, donde el calor se almacena cuando hay una fuente de calor disponible y se libera cuando se necesita. Esto puede ser el resultado de las bombas de calor, que tienen un rendimiento excelente cuando las diferencias de temperatura son pequeñas. Se basa en que los materiales de almacenamiento térmico se coloquen junto con la estructura que se calienta o enfría.
@GaryWalker, ¿entonces se necesita un artículo transportable con alta capacidad de calor en un contenedor de baja conductancia de calor? ¿Al menos el tiempo que se tarda en llegar al intercambiador de calor para su almacenamiento (como el volante)?
La figura 2 del documento en el primer enlace muestra que el tornado EF2 promedio tiene alrededor de 5TJ de energía total. ¿De dónde obtiene ese número de 88TJ? Eso se acerca a la energía contenida en un tornado EF5 promedio , y es un orden de magnitud demasiado alto según esta fuente.

Desea recolectar electricidad estática y almacenarla temporalmente en supercondensadores.

Estos se pueden cargar muy rápidamente y mantendrán su carga durante unos días (dependiendo del diseño del condensador). Básicamente se vería como uno de esos mega camiones. Lo conduce frente a la ruta del tornado, carga sus condensadores y luego lo lleva a una ubicación central para descargar la energía.

Esto sería similar a un generador Van de Graaff ( https://en.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaff_generator ) pero el tornado ya proporciona el elemento mecánico.

A medida que las partículas de aire se arrastran a través de su aparato, se creará una enorme cantidad de estática que luego podrá almacenar en supercondensadores ( https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor ).

Los condensadores también son muy elásticos, por lo que puede hacer esto una y otra vez con una degradación mínima. Como beneficio adicional, debería ser posible diseñar un generador estático sin partes móviles, que durará mucho más (ya sabe, si su camión recolector de energía no es golpeado por un cobertizo)

Editar: como señaló @Goodies, la energía específica de los condensadores es baja en comparación con otros medios de almacenamiento. La página de wikipedia tiene el extremo superior en alrededor de 100 Wh/kg. Suponiendo que queremos almacenar 1 GWh (por simplicidad) necesitaríamos 10 millones de kg de capacitores.

Teniendo en cuenta que el camión más grande del mundo ( https://en.wikipedia.org/wiki/BelAZ_75710 ) puede cargar apenas 450 000 kg, necesitaría entre 20 y 25 de estos chicos malos trabajando juntos para cosechar el tornado.

Hola, @TsSkTo, bienvenido como respondedor de WB. Tengo que hacer un comentario sobre la última parte: puede liberar una gran cantidad de energía (kilovatios) de los supercondensadores... pero el almacenamiento de energía (kilovatios hora) en un supercondensador es inferior a 5. % de baterías de iones de litio mucho más baratas por unidad de peso. Estudie la tabla aquí en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor
@Goodies Por eso normalmente no los usamos en este aspecto. Hay algunos combos de Lipo/condensador que cierran la brecha. Pero en lo que respecta al almacenamiento rápido de energía, realmente no se puede vencer a un condensador. A menos que estemos usando combustibles de alta densidad de energía.
+1 buena edición pero no sobreestimes mi estado, por favor escribe bien mi nombre :p jeje

Ignorando como otros, el problema de que su dispositivo nunca está expuesto a más de una pequeña proporción de su energía de rotación altamente movible e impredecible, razono de esta manera para mi respuesta...

@GaryWalker describe la tasa extremadamente alta de carga o almacenamiento implícita. @Amadeus explica que levantar una gran masa contra la gravedad en teoría funciona, pero en la práctica no sería de mucha ayuda.

Solución: grandes volúmenes de aire almacenado/posiblemente algo presurizado

Sobre la base de eso, sugeriría que su dispositivo convierta la energía de rotación en una bomba y presurice un inmenso contenedor de aire hecho de algún elastómero. Este es el por qué:

  • Levantar un objeto almacena energía pero está limitado por la masa involucrada, necesita mucha masa para ello. El aire comprimido también almacena energía muy bien, pero no es necesario transportar un bloque de hormigón o acero de 100.000 toneladas (o la masa que sea) para este fin. Es mucho más escalable.
  • También se adapta mucho mejor a esta situación. Los ventiladores pueden presurizar el aire a velocidades muy altas, si el ventilador tiene la potencia adecuada para girar rápidamente; solo piense en el motor turboventilador de un avión a reacción. Ahora encienda una serie de ellos con tomas verticales, por rotación desde un tornado. (Los motores se pueden desarmar ya que necesita un elemento de engranaje y algo que el tornado gire para girarlo, y nunca dejan el nivel del suelo para que puedan moverse más fácilmente o formar a partir de transportadores individuales que se agrupan y se mueven cohesivamente o algo para rastrear la tormenta)
  • Las bolsas de aire pueden aceptar fácilmente una presurización ultrarrápida si están bien diseñadas y son grandes. Necesitarían sujeción o la tormenta los atraparía, eso es bastante fácil, ejercicio para el OP. El diseño de elastómero hace que tengan tendencia a desinflarse, facilita la extracción de energía, aunque en realidad todo lo que se necesita es enrollarlos y utilizar el chorro de aire emergente.
  • Simple y bastante infalible.

Es importante tener en cuenta el propósito de la presurización en esta solución.

Estamos utilizando la presión para almacenar rápidamente grandes volúmenes de aire muy, muy rápido, mientras ruge la tormenta, no para almacenarlo a presiones ultra altas o licuarlo. (Esas son opciones, por supuesto, para respuestas variantes).

El aire puede soportar una presurización inmensa, y la necesitamos para un almacenamiento rápido . Pero en realidad solo necesita una bolsa de aire grande, porque incluso sin almacenamiento a alta presión, a medida que la vuelve a enrollar, creará un poderoso chorro de aire para reutilizar, simplemente debido al volumen de aire almacenado, incluso si no está especialmente presurizado.

(Piense en la ráfaga de aire de una cama de aire mientras se sienta en ella para sacar el aire cuando la guarda)

Por lo tanto, la presión se trata mucho más de la capacidad de capturar volúmenes de aire ultra altos a una velocidad ultra alta, que puede estar a cierta presión (pero en realidad no es necesario), que de almacenarlo a alta presión . Por lo tanto, las bolsas no tienen que poder resistir grandes presiones, excepto en el punto de admisión.

Otros efectos secundarios físicos

También tenga en cuenta que tendrá efectos térmicos. Comprimir y descomprimir hace eso. Podemos moverlos a mano, pero en realidad, el único proceso de alta presión aquí es la compresión, y diseñamos el sistema de ventilación de admisión para disipar los efectos térmicos. se calentarán, y supongo que el aire entrante estará un poco caliente, pero no muy caliente. El aire saliente se libera a un ritmo mucho más lento, por lo que es un problema mucho menor.

También podría tener efectos de condensación, pero eso se está desviando más hacia la ciencia dura/realismo, y si se ignoran en una historia, nadie lo notará.

¿Qué escribí que te llevó a esta idea: " tu dispositivo nunca está expuesto a más de una pequeña proporción de su... energía de rotación "?