科技改變生活 · 科技引領未來
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卡爾·比倫伯格(CarlBielenberg)從工業革命的技術創新中獲得靈感，以減輕全球能源貧困。看一看夜間地球的衛星圖像，可以發現很多關于世界能源不平等的信息。歐洲、美國和中東地區閃耀著耀眼的光芒。日本、東南亞的大部分地區、加拿大南部以及
卡爾·比倫伯格 (Carl Bielenberg) 從工業革命的技術創新中獲得靈感，以減輕全球能源貧困。
看一看夜間地球的衛星圖像，可以發現很多關于世界能源不平等的信息。歐洲、美國和中東地區閃耀著耀眼的光芒。日本、東南亞的大部分地區、加拿大南部以及南美洲和澳大利亞人口稠密的沿海地區都是如此。但非洲——除了熾熱的約翰內斯堡和幾個閃爍的城市中心——是黑暗的。
根據 國際能源署的數據，全世界約有 13 億人無法用上電。他們中幾乎有一半生活在撒哈拉以南非洲地區的偏遠小社區，那里有近 10 億人口。盡管許多非洲國家的經濟增長迅猛，但無法獲得現代能源服務的人數仍在增加，因為基礎設施擴張無法跟上城市發展的步伐。事實上，由于能源服務成本高、增長緩慢，過去 40 年來，非洲“聯網”人口（包括城市和農村）的百分比幾乎沒有變化。
這幾乎是 Carl Bielenberg 一直在尋找在非洲創造負擔得起的電力的方法的時間。在 1980 年代，機械工程師正在探索如何使用植物油作為柴油燃料的低成本替代品，柴油燃料當時為大多數農村機械提供動力。他正在開發的技術沒有一項被證明具有他希望的成本效益，所以他又回到了繪圖板上。回來了。
“我開始問為什么我們拒絕蒸汽，”比倫伯格反映道。“蒸汽是推動工業革命的動力源。為什么我們不應該在非洲使用它？”
蒸汽機簡史
在 18 世紀中葉和 19 世紀之間，大多數工廠、船舶和火車都由蒸汽機提供動力。這項技術很簡單：鍋爐——基本上是一個下面有火的罐子或容器——通過加熱水產生蒸汽。在鍋爐內產生大量蒸汽會產生可用于推動運動和進行工作的壓力。
直到 19 世紀末，蒸汽機通過在鍋爐中對活塞施加壓力來產生可用的電力，活塞開始移動時會引發連鎖反應。該運動將旋轉連接的軸，例如，當連接到機車的車輪或船舶的螺旋槳時，該軸可用于驅動機械設備。或者它可以通過轉動發電機來發電。這是一個簡單的過程，蒸汽機是極其可靠且經久耐用的機器。事實上，蒸汽機工作長達 75 年且不經常維護的情況并不少見。
在過去的 40 年里，非洲的能源獲取幾乎沒有變化。
蒸汽機的缺點是體積大、重量大且資本密集。隨著時間的推移，隨著化石燃料和內燃機的使用越來越廣泛，蒸汽機的競爭力下降。因此，當比倫伯格決定重新使用蒸汽作為動力來源時，他知道他必須做出改進。
“并不是說他們不知道在 19 世紀他們需要做什么來提高效率。在其大約百年的使用歷史中，他們做了很多工作，”比倫伯格說。“但我們已經能夠使用他們沒有的材料更進一步。”
2008 年，比倫伯格使用現代材料和增強的熱力學，設計了一個小型的、以生物質為燃料的蒸汽動力工廠，將木材和農業廢棄物轉化為可用能源。他將原型裝置和他開始將其商業化的企業稱為 鄉村工業電力，或簡稱為 VIP。
生物質依賴
比倫伯格說，利用生物質作為一種強大而高效的能源，在貧困的離網社區中可能會改變游戲規則，在那里，自然物質占總能源使用量的 75% 至 80%。百分比如此之高的部分原因是因為在傳統的明火中燃燒了大量生物質，這是一種低效的供熱方式。
比倫伯格認為，為了緩解能源貧困，有必要了解人們已經在使用的燃料，以了解如何更有效地使用它們并提供現代能源服務。“如果你能做到這一點，你就為人們提供了一個在經濟上進步和提高生活水平的機會，而不必依賴昂貴的進口燃料。這是一個非常強大的范例，”他說。
正如其名稱中的“村莊”部分所暗示的那樣， VIP無疑為這種范式變革提供了強大的力量。該機器旨在為整個社區或小型商業活動提供能源，而不是為單個家庭提供能源。VIP 的預期用途包括為農業加工、社區診所和醫院或微電網供電。事實上，所有這些應用程序都已經過測試。
從地理上講，VIP 的目標市場包括欠發達國家，在這些國家，該技術可以替代那些依賴昂貴燃料來源的功能，如柴油，在非洲大部分地區，柴油成本約為每升 1 美元。由于 VIP 是生物質燃料，因此該技術僅適用于生物質資源豐富的地區，而不是沙漠或樹木稀少或植被稀少的地區。最理想的區域位于赤道 10 到 30 度之間。
在非洲偏遠的薩赫勒地區——非洲大陸北部沙漠和從蘇丹到塞內加爾的中央森林之間的地帶——農村社區幾乎沒有收入來源和基本的基礎設施。
簡單生物質能源的效率
“[對于能源]，人們燒木頭。木材和樹木對它們的生存非常重要，”比倫伯格解釋道。對于木材不能作為燃料的一切，人們依靠柴油發動機和發電機或人類的肌肉力量。
在收入機會稀缺的地方，柴油機價格昂貴。運行一整天的小型 2.5 千瓦柴油發電機會產生大約 10 美元的燃料成本。因此，人們試圖盡量減少燃料的使用，以節省現金以支付醫藥、衣服和學費等不可避免的費用；他們通過盡可能依靠自己的勞動來做到這一點。
“在擁有柴油動力谷物碾磨機的村莊中，很大一部分婦女更愿意用手搗碎玉米，以避免機械化碾磨的成本，”比倫伯格解釋道。“這表明，對于低收入女性來說，體力勞動可能比柴油動力便宜。”
比倫伯格強調需要可獲得的、低成本的電力類型，以及能夠在社區內提供創收機會的解決方案——尤其是對女性而言。
較小的蒸汽機可以
通過在西非 40 年的工作和在美國的長期發電生涯，比倫伯格有機會利用生物質作為欠發達地區的能源。在美國，他代表一家制造商業規模生物質鍋爐廠的“使命型公司”謀生。
“這些植物的主要市場是新英格蘭，那里的冬天很長，生長季節很短，而且我們有很多木材。我們把它們放在學校和醫院里，它們為大型建筑提供非常便宜的熱量和熱水，”他說。“這是一項在規模縮小時非常令人興奮且具有成本效益的技術。”
VIP 10千瓦機效率
的 VIP的可用能量輸出有三種形式：機械，電和熱。機械能可用于驅動機器或通過機器的發電機轉換為電能。最初的 7 千瓦原型蒸汽機從生物質燃料中吸收了 60% 的熱量——其中約 8% 可用于發電或電力。
VIP 的最新版本是一臺 10 千瓦的機器，可以捕獲 70% 的火災熱量——其中大約 10% 可以轉化為電能。每天運行 8 小時，它可以產生 80 千瓦時的電力，這足以為 100 到 200 個家庭提供低瓦數照明和基本電器（如小冰箱）的電力。它還可以替代每天 32 至 40 美元的柴油成本。
剩余 60% 的捕獲能量可用作公共洗浴、烹飪、作物加工或干燥或醫療保健消毒等應用的熱量。
“我們獲得的熱量多于電力，這聽起來很糟糕，但在我們正在研究的應用中，[例如] 作物加工和醫療保健，對熱量的需求實際上大于對電力或電力的需求，所以它本質上是一個非常好的平衡，”比倫伯格說。
與其他技術相比，VIP 的一個關鍵優勢是它的電力可以隨時輕松調度。例如，光伏太陽能需要備用電池在夜間或惡劣天氣條件下運行。
為資源稀缺的社區提供蒸汽動力能源需要比倫伯格和他的團隊對其鼓舞人心的模型進行重大設計修改。傳統的蒸汽機具有復雜的連桿機構和操作閥門的機構，這增加了機器的復雜性和成本。但 VIP 的設計必須簡單，移動部件最少，因為很難找到專家在偏遠社區進行維護。
Bielenberg 的團隊設計的解決方案是安裝自作用入口閥。他解釋說：“這些都是加壓的，可以自行操作，完全可以完成它們需要做的事情，而無需任何外部機構來移動它們。”
另一個重要的設計修改是 VIP 的運動部件不需要任何潤滑劑。在標準蒸汽機中，操作員必須使用油來潤滑活塞和活塞環，以使發動機平穩運行。比倫伯格想要取消潤滑劑有兩個原因：一是因為油會增加成本，二是因為活塞的潤滑油會與蒸汽混合，在將冷凝水循環回鍋爐之前必須過濾掉- 一個額外的復雜性。否則，油會在鍋爐內部燃燒并降低其效率。
作為解決方案，VIP 團隊將碳石墨材料用于活塞和活塞密封件的滑動表面。由這種碳的結晶形式制成的活塞和密封件是自潤滑的。這使得水——在許多地方都是一種稀缺資源——可以通過機器輕松回收。
VIP 設計的最后一項改進是其堅固的鍋爐。在使用加壓水評估鍋爐性能的靜水壓測試中，該機器的安全系數已被證明是普通美國鍋爐的三倍。這是比倫伯格 (Bielenberg) 勤奮的工程設計的結果，以確保鍋爐符合或超過 ASME 鍋爐規范——一套嚴格的標準，是圍繞商業化蒸汽發電的出現而形成的。
所有這些改進都使機器更加高效、安全和緊湊。然而，VIP 仍然是重量級的設備：完成的單元重約一噸。
目前，所有 VIP 均在新英格蘭手工制造，并運往最終目的地，準備在抵達時運行。每個單元都作為一個整體建造，可以在皮卡車上移動并用螺栓固定在棚屋內的混凝土墊上。一旦 VIP 裝置就位，操作員所要做的就是為其提供燃料和水以開始使用它。
到目前為止，手工制作 VIP 單元的缺點是遠離目標市場，尤其是在成本方面。這些機器目前的生產成本約為 20,000 美元。隨著公司采購低成本制造并增加產量，預計價格將降至 15,000 美元左右。
相比之下，能夠匹配 VIP 電力輸出的柴油發電機組的成本從 4,000 美元到 10,000 美元不等——不包括持續的柴油燃料成本。“所以我們的成本大約是制造成本的兩倍，”比倫伯格承認。
加上運送到非洲港口的成本，每臺機器大約需要 2,500 美元，從港口到最終站點的運輸費用為 100 到 500 美元，安裝費用高達 300 美元，VIP 成為非常昂貴的設備收入，農村社區預付。
該團隊承認必須有融資選擇才能使解決方案可行。但他們也預計，當最終定價確定后，VIP 將與其他可用技術相比具有成本競爭力。（VIP 聲稱該機器已經與同等規模的太陽能系統競爭。）比倫伯格估計，如果發動機每天運行 8 到 10 小時，機器將在一到兩年內收回成本。
示范項目的證明
2014 年底，VIP 開始對其裝置進行現場測試，以評估該技術的哪些方面運行良好，哪些方面需要改進。在美國國際開發署 2013 年“推動農業”獎的資助下，五臺 7 千瓦 Beta 原型機組被送往非洲：兩臺用于為坦桑尼亞的醫院和村莊微電網供電，三臺用于為貝寧的可持續油棕種植園供電。在坦桑尼亞，該醫院裝置旨在為抽水和洗衣取暖提供電力，而該村裝置預計將為 50 戶家庭和一些小企業供電。在貝寧，這些裝置旨在取代柴油和木柴，為農業加工機械提供動力并供應熱水。
醫院和油棕 VIP 分別使用來自咖啡殼（羊皮紙）和油棕纖維和棕櫚仁殼的燃料進行測試，而鄉村工廠正在使用來自人工林種植的桉樹的廢棄木材進行測試。
除了非洲的五臺測試機組外， VIP 在新罕布什爾州的一家國營療養院安裝了兩臺 50 千瓦的機組。這些機組構成了一個集成離網系統的一部分，該系統還包括水力發電和柴油發電機組。這些裝置接收來自 5 毫米 Btu Messersmith 鍋爐廠的蒸汽，部分由 Bielenberg 開發。新罕布什爾州的安裝突出了該技術在富裕社區中的廣泛應用和潛在用途。
通過現場試驗，該團隊希望更多地了解 VIP 在喂入不同類型的燃料時如何發揮作用，以及各種燃料產生多少灰分，以及它們是否會腐蝕鍋爐的傳遞表面或導致“結渣”通過粘附在爐子的熱表面上。這些試驗也是評估該技術對不同燃料的適應性的一種方式，以確定它最適合在何處使用。
到目前為止，VIP 收集的大部分結果都是軼事，但仍然很有見地。例如，該團隊正在解決的問題之一是為機器安裝自動進料控制和電池充電。其他反饋表明，機器的某些方面比最初估計的要好。
“很多人認為這是一臺手動機器這一事實將是一個問題，” VIP 的首席執行官Felicity Lodge 說。“事實上，人們很高興它是手動的，因為他們不必擔心更換他們無法接觸或無法修理的零件。他們很高興可以用兩個扳手在一個小時內拆開并組裝該裝置。”
她補充說，像他們在非洲所服務的那樣的低資源市場的技術有時可能過于復雜。“一旦它們壞了，它們就壞了。這不是這里的設計。有意使 VIP 可維修且易于維護。”
最令人驚訝的反饋之一是機器能夠最大限度地減少木材作為日常燃料來源的能力。比倫伯格和洛奇都相信農民和村民會對柴油的成本節約感到最興奮。“但事實證明，大幅減少木材消耗對他們來說同樣重要，甚至更重要，”洛奇說。
VIP 輸入輸出循環
這是該技術作為一種有效且可持續的能源的未來的重要標志。不難想象一個強大的、以生物質為燃料的電力生產商如何導致破壞性的環境行為，如森林砍伐，以保持社區取暖和照明并跟上經濟增長的步伐。但相反，比倫伯格認為，VIP 在當地的存在實際上可以通過激勵農民可持續地種植樹木作為燃料，而不是僅僅為了生存而采伐木材，從而鼓勵重新造林，他說。
VIP 團隊尚未發布有關機器每千克生物質材料可產生多少千瓦時電力的定量數據，但他們正在分析多種燃料來源的這些數據。初步測試顯示，當 VIP 的鍋爐壓力在 250 至 300 psi 之間運行時，每小時需要 25 至 30 公斤風干木材才能產生 7 千瓦的電力。“下一代 VIP”——于 2015 年 12 月推出——“旨在以高達 400 psi 的壓力運行。我們已經觀察到隨著壓力的增加，功率和效率有了很大的提高，預計新裝置在相同的燃料消耗下能產生 10 千瓦的功率，”比倫伯格說。
在早期風險支持公司 Factor(E) Ventures 的投資資金下，新裝置——被稱為 V-10——包括多項改進，例如按照ASME 規范設計的新鍋爐 、焊接管道連接和更堅固的內部發動機部件以適應增加的壓力和力量。新裝置的市場試驗將于 2016 年在肯尼亞和加納開始。
關閉循環
在VIP 單元用于為微電網供電的坦桑尼亞村莊， 啟動和運行電網的過程讓 VIP 團隊了解到他們發明的潛力和局限性。在村子里，他們發現一個社區正在等待政府將他們連接到國家電網，盡管坦桑尼亞的電網僅覆蓋了其近 5000 萬居民的 14%。（其大部分聯網用戶都在城市。）因此，即使政府的聯網步伐緩慢，村民支付電費的意愿也很有限。
那些認識到電網不太可能很快到達他們身邊的人更愿意為電力支付費用，前提是他們可以通過運行更長時間的電源來支持生產性白天活動來降低成本。
“人們很高興可以用兩個扳手在一個小時內拆開并組裝該裝置。”
VIP 團隊因此了解到，要使微電網系統正常工作，這些應用程序必須從第一天起就可用，并且還必須有一個明確的流程來為家庭使用的電力計費。使技術達到這一水平所需的成本和規劃可能超出 VIP 的一些目標客戶所能承受的范圍。
Bielenberg 和 Lodge 認識到 VIP 單元的前期成本，無論是用于微電網還是任何其他應用，都對其可擴展性構成挑戰。“對于很多農民來說，一個大問題是融資，因為他們無法輕易從銀行或其他傳統供應商那里獲得融資，”洛奇說。“我們正在研究不同的融資模式以及我們如何解決這個問題。”
一種解決方案是幫助社區開發類似于能源服務公司或合作社的融資模式，在這種模式下，成員會齊心協力購買一臺機器。他們還希望利用成功的社區成員的興趣幫助他們的家鄉獲得更好的資源。
“在非洲，那些前程似錦的人傳統上有責任幫助他們的村莊和家庭，”洛奇說。
比倫伯格補充道：“我認為他們最終應該為國家的經濟發展負責。他們擁有實現這一目標的資源，但他們尚未充分參與，因為 [經濟發展所需的] 技術尚未可用。”
比倫伯格親眼目睹了參與的影響力。去年四月去貝寧旅行時，比倫伯格與他的馬里司機談論了他在 VIP 上的工作。司機主動提出協助在 Sakete 安裝三個單元。他來幫忙卸下機器并管理安裝它的每個人；他還學會了如何維護和運行它。他告訴比倫伯格，退休后，他想在馬里的村子里有一位貴賓。
比倫伯格反思道，“他還說：‘這是你永遠無法完全了解其果實的東西，因為果實會在你離開很久之后繼續積累。’”
本文由特約編輯 Sara Goudarzi 撰寫。 編譯 陳講運
金原華