Большинство многообещающих систем высокотемпературных топливных элементов (HTFC) включают твердооксидные топливные элементы (SOFC) жидкокарбонатные топливные элементы (MCFC) с ожидаемым выходом по энергии до 65-75%. Системы SOFC и MCFC могут конвертировать углеводородное топливо, например, природный газ, угарный газ и водород непосредственно в электроэнергию без использования внешнего цикла переработки топлива (необходимого в большинстве случаев с топливными элементами PEM).
Появление систем HTFC ожидается в течение ближайших 10 лет, что станет альтернативой сегодняшним системам CCGT. По мере появления этих систем на рынке, эта технология будет включена в настоящую компьютерную модель.
1.6.3 Солнечные энергосистемы
Солнечная энергия – следующий после ветровой по важности возобновляемый источник энергии. Годовое производство 1 МВт (электричество) возобновляемыми источниками предотвращает годовой выброс в воздух от 600 до 2300 тонн CO2, 16 тонн NOx, 9 тонн SO2 и 600 кг других отходов сжигания ископаемого топлива [45]. Солнечные системы до сих пор дороги, но они являются устойчивыми системами производства энергии, если во главу угла ставится метод производства для минимизации потребления энергии а также выбросы при производственном процессе. По мере развития усилий по снижению потребления энергии и методов производства солнечных систем, модель будет пересмотрена для отражения этих улучшений.
Солнечные системы могут быть использованы для производства электроэнергии или различных форм тепла (например, горячая вода, пар и т.д.). Солнечные системы для производства электроэнергии (фотоэлектричество) в основном основаны на кристаллических и аморфных (тонкопленочных) кремниевых элементах, а также на некремниевых солнечных элементах с использованием полупроводниковых материалов. На 2000 год, самый большой выход по энергии наблюдается у кристаллических кремниевых (Si) элементов: 16,5% с монокристаллами и 14,5% с промышленными мульти-кристаллическими Si-элементами. Самый высокий выход по энергии, достигнутый в лабораторных тестах составляет 24,7% [35].
Компьютерная модель рассматривает производство электроэнергии кремниевыми элементами и солнечный нагрев для производства горячей воды с использованием крыш и фасадов всех низкоэнергетических зданий и отдельных дополнительных площадей, запланированных для производства солнечной энергии в устойчивом обществе. Это, например, позволяет пользователю рассчитать необходимую площадь для избежания импорта природного газа, как дополнительного топлива для систем CCGT. Общепризнанно, что для обеспечения необходимой пиковой дневной мощности, требующейся городу, солнечным системам необходимо определенное количество накопителей энергии (например, система аккумуляторов).
У любого региона мира есть определенный потенциал использования солнечной энергии. В модели принят коэффициент 5,0 кВт/м2-день; корректировка для конкретного места может быть легко выполнена.
См. лист “Транспорт”.
Транспортные системы, например легкие и тяжелые автомобили, железнодорожная система, авиация, грузовые и прогулочные суда обеспечивают широкий диапазон преимуществ, но, общепризнанно, что они также являются источником неблагоприятных воздействий на экологию и здоровье людей. Это воздействие включает прямое или косвенное влияние на людей и животных, воздух и воду, чувствительные к экологии организмы и ландшафты. Факторы воздействия включают выбросы газов, загрязнение воздуха, выброс токсинов и парниковых газов, шумовые загрязнения, твердые отходы и различные жидкие выбросы (например, нефть, антиобледенительные материалы и т.д.). Основные загрязнители воздуха включают угарный газ (CO), озон в приземном слое атмосферы (O3) и его предшественников, таких как легколетучие органические соединения (VOC) и оксиды азота (NOx), свинец (Pb), твердые частицы (PM10 и PM2.5) и диоксид серы (SO2).
Современная транспортная система в основном потребляет нефтепродукты: около 2/3 нефти, использованной в США в 1997 году, приходится на транспортную систему. В том же году на транспортную систему пришелся 61% всех выбросов CO, 31% VOC, 36% NОx и меньшая часть выбросов свинца и твердых частиц. В городах обычно наблюдается более высокая концентрация загрязнений, чем в сельских местностях. В городах до 95% всех выбросов CO может приходиться на дорожный транспорт. В 1997 году более 100 млн. человек в США жило в округах с концентрацией O3 выше стандарта National Ambient Air Quality Standards (NAAQS), установленного Агентством по защите окружающей среды (US Environmental Protection Agency, EPA).
Опасные загрязнители воздуха (HAP), называемые токсическими загрязняющими воздух веществами, регулируются в США в соответствии с Актом о чистом воздухе (EPA Clean Air Act), перечисляющим 188 загрязнителей или химических групп HAP, которые известны или подозреваются как возбудители рака или других серьезных заболеваний людей или причиняют вред окружающей среде. В 1993 мобильные источники выбросили около 21% всех HAP, общим объемом 8,1 млн. тонн воздушных токсинов в общенациональном масштабе США. В городской черте, концентрация HAP обычно выше с долей до 40% выбросов от мобильных источников.
Бесспорно, что традиционная транспортная система, основанная на ископаемом топливе, не только производит огромное количество загрязнений, она может послужить причиной краткосрочных и долгосрочных заболеваний людей и оказывает большое влияние на окружающую среду и ее обитателей. Следовательно, устойчивый город в этой модели должен создаваться с потоками легковых и грузовых автомобилей вне города для обеспечения более здорового и предсказуемого образа жизни. Современная транспортная система может создаваться с включением ряда электрических транспортных систем, таких как пригородные автобусы (различных размеров), железная дорога, транспортные пояса, лифты и т.д., обеспечивающих транспортировку людей и материалов. Транспортные потоки могут располагаться под землей, сохраняя максимальную площадь на поверхности для мест отдыха и предоставляя наземные дороги больше для развлекательного, немоторизованного передвижения (пешеходов, велосипедов и т.д.), а также для аварийного транспорта.
Концепция включает план терминалов для импорта и экспорта товаров. Автомобили могут парковаться на этих терминалах или рядом с ними для поездок вне городской черты. Концепция включает интегрированную транспортную систему, которая позволила бы людям удобно и быстро путешествовать от одного места (например, терминал) до другого (например, вход в офис или жилой дом). Как большинство транспортных систем, основанных на сохраненном или линейном электропитании (с соответствующей резервной системой), электростанция (см. 1.6 Энергохозяйство) должна быть устойчива сама по себе для избежания или минимизации выбросов газов, жидкостей и твердых отходов.
Таким образом, исключение транспортных потоков из черты города, сохраняет больше нетронутого природного пространства от строительства дорог и увеличивает рекреационнную ценность внутри сообщества. Разумная планировка города минимизирует преодолеваемые расстояния, время и энергию, затраченные на транспортировку. Все транспортные системы, работающие на электричестве (и возможно на водороде в недалеком будущем), сохраняют чистую атмосферу без продуктов сгорания ископаемого топлива и шумов.
Опыт работы электрического транспорта был предоставлен некоторыми организациями. Хранение энергии в легких высокоемких аккумуляторах – основная проблема развития. Однако сегодня следующие аспекты уже достигнуты:
- 35% экономия топлива по сравнению с традиционными грузовыми автомобилями,
- до 250 миль на галлон с легкими городскими автомобилями (3 колеса, 30 миль, 1 человек) и от 3,5 до 5,5 кВт.ч / 100 км (~ 60 миль)
- Высокая емкость свинцовых аккумуляторов: ~0,030 кВт.ч/кг (~ в 400 раз ниже чем бензин)
- Высокая емкость современных аккумуляторов: Ni ~0,060 кВт.ч/кг, Lithium-Ion ~0.120 кВт.ч/кг (~ в 100 ниже, чем бензин при типичных 12 кВт.ч/кг)
- Типичное использование ~ 20 кВт.ч/100 км по городу (в сравнении со ~175 кВт.ч/100 км для спортивных машин (SUV)
- Типичный автомобильный аккумулятор (1995) 14 кВт.ч зарядка => 70 до 90 км / зарядка
- Зарядка: ~ 2,5 кВт при нормальном выходе => ~4 ч для достижения 50 км.
См. лист “Импорт и экспорт материалов”.
Устойчивое общество постоянно обменивается товарами и услугами с другими сообществами. Раздел энергосистемы был построен так, чтобы минимизировать импорт ископаемого топлива и использовать возобновляемые источники энергии, в сочетании с минимизацией потребностей в энергии. Обзорный лист модели содержит краткий перечень основных позиций импорта и экспорта.
Модель поддерживает разнообразные производства и уровни потребления, что, в основном, будет иметь результатом баланс импортных и экспортных товаров и материалов. Подсистемы зависят от таких изменений (например, выработка сточных вод, производство синтетического газа и т.д.), и зависимость от потоков материалов и энергии может быть с легкостью исследована.
Импортируемые товары и услуги в сообщество могут включать:
- Топливо, включая природный газ, нефть и уголь.
- Потоки горючих и негорючих отходов от окружающих сообществ, включая биоотходы, канализацию, отходы сельского и лесного хозяйств.
- Сырье и обработанные материалы, промышленные товары и услуги, включая химикаты, технологические материалы, металлы, товары жизнеобеспечения и предметы роскоши и т.д.
Список экспортных товаров сообщества может включать: