Как вода из неисправного крана, электроэнергия также утекает из всех электронных устройств – независимо от того, пользуемся мы ими или нет. Часть энергии пропадает только потому, что существующие микросхемы не очень эффективны. В этой программе мы расскажем об электронике завтрашнего дня, которая будет использовать гораздо меньше энергии. Но сначала давайте посмотрим, можем ли мы уже сейчас сократить затраты на электроэнергию благодаря умным кондиционерам.
В здании Центра устойчивого строительства в немецком Касселе внутренний климат управляется энергосберегающим компьютерным алгоритмом. Система анализирует метеорологические прогнозы, чтобы определить, когда лучше включить и выключить кондиционер. Экономия энергии происходит также благодаря использованию естественной вентиляции и солнечной энергии, когда это возможно.
“Предположим, что у нас есть здание и дует сильный ветер, – говорит Димитриос Ровас, эксперт в области термодинамики Технического университета Крита. – Мы знаем, что некоторые комнаты будут охлаждаться быстрее, из-за утечки тепла на улицу. Наша система может предсказать, что конкретным помещениям или зонам будет необходимо больше энергии в определенные отрезки времени. Поэтому мы можем приступить к оптимизации условий путем предварительного охлаждения или предварительного обогрева этих помещений, используя, по возможности, энергию солнечных батарей”.
Система следит за каждым помещением с помощью датчиков, измеряющих температуру, влажность, уровень углекислого газа и учитывая количество находящихся там людей. Она знакомится с графиком работы, поэтому знает, какие комнаты и когда будут заняты. Исходя из этого, система гарантирует достаточный комфорт с минимальными затратами энергии.
Этот умный алгоритм был разработан в рамках европейского проекта, объединившего исследования ученых из 5 стран.
“В этом здании мы моделируем сотни различных сценариев на основе прогноза завтрашней температуры и солнечного излучения, – рассказывает Хуан Сантьяго, старший исследователь в области возобновляемых источников энергии и технологий интеграции, FIBP. – Таким образом мы создаем стратегию для здания, которое будет экономить энергию и обеспечит больший комфорт для пользователей”.
Программой моделирования управляет распределенная компьютерная сеть, передающая команды простым локальным устройствам.
“Такой маленький компьютер может управлять всем зданием, – объясняет Хуан Сантьяго. – Он получает сигнал от сети и отправляет его зданию, например, говорит ему опустить жалюзи”.
Пользователи в любое время могут проверять показания датчиков или, по необходимости, корректировать условия с помощью веб-интерфейсов на своих планшетных компьютерах или смартфонах.
Посмотрим, как применяются подобные алгоритмы в более широком масштабе. Центр энергетических исследований в университете Аахена работает как гигантский холодильник. Для поддержания нужной температуры в многофункциональных офисах, конференц-залах и лабораториях, он использует подземные запасы энергии.
“Здесь у нас находятся 16 теплообменных скважин глубиной по 100 метров, – говорит Алекс Михальски, докторант в области геотермальной энергетики RWTH, Аахен. – Мы закачиваем в землю теплую воду, а оттуда выкачиваем холодную, с градиентом в 4 градуса по Цельсию”.
Геотермальные источники, солнечные панели и даже лишнее тепло от серверных центров дают полезную энергию для системы кондиционирования помещений. Компьютерная программа использует все доступные источники для оптимизации температуры воды, проходящей через трубы в потолке.
“После того, как тепловой насос охлаждает или нагревает воду, она распространяется по всему зданию, – рассказывает Ана Константин, научный сотрудник в области теплообмена и моделирования, RWTH, Аахен. – У нас она поступает по трубам в потолке. А программа системы говорит тепловому насосу, какой должна быть температура воды”.
Умный дом, который учитывает изменения погоды и регулирует отопление в соответствии с потребностями пользователей, уже в ближайшем будущем может позволить экономить ценную энергию.
Йоханнес Фуеттерер, научный сотрудник в области стратегий оптимизации климат-контроля, RWTH, Аахен:
“Здание будет адаптироваться к вашим привычкам. Когда вы приходите домой с работы, уезжаете в отпуск и так далее, система будет это учитывать и настраиваться на предварительное отопление или охлаждение зданий, и таким образом – экономить энергию и, следовательно, ваши деньги, а также повышать ваш тепловой комфорт”.
Другой европейский проект направлен против так называемых “энергетических вампиров” – всех электронных устройств, от мобильных телефонов до суперкомпьютеров, которые вызывают утечку энергии даже в режиме ожидания. В Европе, потери энергии от устройств, оставленных в режиме ожидания, равны энегропотреблению Австрии, Чехии и Португалии вместе взятых.
Кирстен Мозелунд, ученый в области наноэлектроники, IBM Research, Цюрих:
“Одна из сегодняшних проблем – это транзисторы, которые являются частью всех электронных схем. Они протекают. То есть, даже когда устройства не работают, все равно происходит утечка энергии. Фактически, огромный объем энергии тратится впустую. Мы работаем над новым типом транзисторов – так называемыми туннельными транзисторами, которые, как мы надеемся, помогут решить эту проблему. Они будут допускать меньше утечек энергии устройств в режиме ожидания, они будут потреблять меньше энергии, и мы можем уменьшить мощность электронных устройств по сравнению с нынешними”.
Транзистор работает как водопроводный кран, позволяя протекать току. Как ожидается, следующему поколению туннельных транзисторов потребуется гораздо меньшее напряжение для максимальной эффективности. Сегодня задача ученых – добиться успешного сочетания кремния, кремний-германия и полупроводниковых нанопроводов.
Маттиас Борг, ученый, IBM Research, Цюрих:
“Мы поместили кремниевую пластину внутрь этого реактора, а потом мы нарастили на кремниевой пластине нанопровода. С помощью этой структуры, сочетания этих двух материалов, мы можем сделать новый тип транзистора, который позволяет снизить энергопотребление при сохранении той же скорости, как и у современных транзисторов”.
Цель заключается в снижении потребления энергии компьютерными чипами на 90% и свединии практически к нулю ее потребления в режиме ожидания.
С такой эффективностью многие устройства смогут вообще обойтись без электрозарядки, они просто будут черпать необходимую энергию из окружающей среды. Тонкие и гибкие устройства с автономным питанием могут совершить революцию в таких областях, как здравоохранение, безопасность и связь.
Адриан Ионеску, координатор проекта STEEPER:
“Интересный результат этих разработок заключается в том, что сочетание низкого энергопотребления с гибкой подложкой и возможностью подпитки от окружающей среды, их интеграция, может привести к созданию автономной системы, открывающей совершенно новый тип применения устройств в повседневной жизни. Это могут быть как карманные системы, так и предметы, включающие в себя большое количество функций, которые можно использовать для того, чтобы улучшить нашу жизнь, улучшить коммуникации с окружающей средой”.
Исследования продолжаются, поэтому пока трудно сказать, когда следующее поколение транзисторов будет готово к промышленному производству – некоторые ученые полагают, что потребуется еще 15-20 лет, чтобы перекрыть кран утечки энергии.