Как бы ни протестовали энергетические компании, эра ископаемого топлива близится к концу. На смену нефти, газу и углю приходят не только ветер и солнце, но также магний, воздух и даже бактерии, - пишет Алексей Бондарев в № 41 журнала Корреспондент от 19 октября 2012 года
Нефть - пережиток научно-технического прогресса XIX
столетия, говорит британский экономист Стэнли Хитч, и даже несмотря на то, что
XX век произвел по этому пережитку два тяжелых залпа (угроза глобального
потепления и появление альтернативных видов топлива), человечество все еще
сидит на нефтяной игле.
Слезать с нее развитые страны не спешат, даже невзирая на
часто обсуждаемую угрозу истощения запасов нефти. По словам Хитча, спорить о
том, кто виноват в этом - богатое нефтяное лобби в правительствах, элементарная
недальновидность или недостаточная скорость, с которой ученые работают над
альтернативными источниками энергии, - можно долго.
Даже с учетом того что американское правительство медлит с энергетической реформой, а европейские власти больше воплощают ее на словах, чем на деле, дни нефти сочтены.
Однако, по мнению эксперта, даже с учетом того что
американское правительство медлит с энергетической реформой, а европейские
власти больше воплощают ее на словах, чем на деле, дни нефти сочтены.
Каждые полтора года количество электроэнергии,
вырабатываемой в мире с помощью солнечных батарей, вырастает вдвое. Продажи
автомобилей с гибридными силовыми установками растут в геометрической
прогрессии. Повышается спрос на биотопливо, а технологии его производства
прогрессируют - сегодня в ход идут уже не только сельскохозяйственные культуры,
но и отходы сельхозпроизводства, например банальная солома.
Ископаемые виды топлива скоро станут историей, и это
признают не только яростные зеленые, но и люди, еще недавно находившиеся как бы
по другую линию фронта.
Основных прорывов стоит ждать в области водородного топлива и солнечной энергетики
“Я потратил 35 лет своей жизни на разработку разных видов
средств передвижения, а теперь работаю над тем, чтобы у моих детей было еще
больше возможностей”, - говорил Роберт Стэмпл, в прошлом председатель совета
директоров General Motors, а затем возглавивший компанию ECD, занимавшуюся
разработкой альтернативных источников энергии.
Стэмпл считал, что основных прорывов стоит ждать в области
водородного топлива и солнечной энергетики. Но сегодня все чаще звучат
предположения о том, что гвоздь в крышку гроба дорогой и экологически опасной
нефти забьют другие виды топлива.
Корреспондент проанализировал публикации о новейших исследованиях
в этой области и предлагает своим читателям обзор самых перспективных
технологий в сфере создания альтернативного топлива.
Бактерии
Многочисленные публикации о достоинствах биотоплива заочно
похоронили бензин еще пару десятилетий назад, однако, несмотря на рост
популярности гибридных автомобилей, спрос на машины с бензиновыми и дизельными
двигателями не спешит падать.
Недавний отчет Управления энергетической информации США
наглядно объясняет, почему это так. Самое популярное на данный момент биотопливо
- этанол - вырабатывается из кукурузы, и до сих пор его производство было
экономически невыгодным. Вдобавок воздействие на окружающую среду при его
сжигании имеет сомнительные преимущества в сравнении с традиционным бензином.
Для США такая ситуация таит в себе существенную угрозу,
поскольку в стране почти 600 млн автомобилей и удавка иностранной нефти
затягивается все туже. Да и в целом для мировой энергетики эта проблема
становится с каждым годом все более заметной, отмечает Арун Маюмдар, директор
Агентства по исследованиям в области альтернативной энергетики США (ARPA).
Создается раствор с микроорганизмами, питающимися аммиаком и водородными сульфидами. В условной “камере сгорания” двигателя через этот раствор пропускается электрический ток, который заставляет бактерии перерабатывать углекислый газ в горючую смесь. Это дает эффект, похожий на тот,что приводит в движение нынешние двигатели внутреннего сгорания
Именно поэтому Маюмдар считает чрезвычайно важной разработку
нового вида биотоплива, которую в последний год финансирует его агентство.
Пока этот вид горючего условно называют “электротопливом”.
Идея заключается в следующем. Создается раствор с микроорганизмами, питающимися
аммиаком и водородными сульфидами. В условной “камере сгорания” двигателя через
этот раствор пропускается электрический ток, который заставляет бактерии
перерабатывать углекислый газ в горючую смесь. Это дает эффект, похожий на тот,
что приводит в движение нынешние двигатели внутреннего сгорания. Никакого
энергоэффективного источника наподобие бензина, солнечного света или биомассы
бактериям не требуется.
Агентство финансирует разработки в области “электротоплива”
в 15 лабораториях в разных университетах США. По словам Маюмдара, коэффициент
полезного действия такого двигателя приближается к 100 %. Это может сделать
езду на автомобилях чуть ли не бесплатной.
Об аналогичном проекте заявила недавно и американская
компания OPX Biotechnologies, утверждающая, что разработала возобновляемое
биологическое топливо, вредные выбросы которого на 75% ниже, чем в случае с
бензином.
Воздух
Автомобили, а следовательно, и двигатели внутреннего
сгорания являются одним из ключевых факторов на энергетическом рынке. А что
если автотранспорт перестанет потреблять горючее из ископаемого топлива в
огромных количествах? Ведь это изменит энергетическую картину мира.
По мнению некоторых ученых, для того чтобы добиться такого
результата, необязательно изобретать новые виды топлива. Возможно, идеальное
горючее находится у нас под носом, причем в неограниченных количествах, просто
мы не умеем его использовать. Первые патенты на применение сжатого воздуха в
качестве движущей силы для механических повозок были выданы в Великобритании
еще в начале XIX века.
Первые двигатели такого типа использовались на английских
железных дорогах, однако после появления эффективных двигателей внутреннего
сгорания об идее позабыли.
В камере сгорания происходит детонация горючей смеси, таким образом создается давление, толкающее поршни, а их энергия при помощи других механизмов передается на колеса
Сегодня инженеры некоторых компаний независимо друг от друга
воскрешают идею, способную переломить ситуацию на рынке автомобилей.
Принцип работы современного двигателя внутреннего сгорания
прост: в камере сгорания происходит детонация горючей смеси, таким образом
создается давление, толкающее поршни, а их энергия при помощи других механизмов
передается на колеса.
Приводить в движение поршни можно и при помощи сжатого
воздуха, рассуждают инженеры компании General Motors, создавшие тестовый автомобиль
Cadillac Aera. КПД такого двигателя составляет фантастические 90 %, что
существенно больше, чем у традиционных бензиновых (до 30 %) и дизельных (до 50
%) двигателей.
Самыми сложными элементами считаются бак со сжатым воздухом
(на заправках будут использоваться электрические компрессоры, закачивающие
воздух в баки под давлением), компрессоры, передающие порции воздуха из бака в
рабочую зону, и турбина - основная рабочая часть двигателя.
Главным плюсом применения сжатого воздуха как топлива является
экологичность - вредные выбросы попросту исчезнут как класс. Дополнительным
преимуществом станет упрощение конструкции двигателя - отсутствие сложной
системы зажигания, бака для горючей жидкости. А уж о стоимости “топлива” тут
можно вообще не вспоминать, говорят эксперты.
Необходимо создать технологию, которая сможет повысить степень сжатия воздуха в баках, поскольку нынешние методы не позволяют в обычных условиях нагнетать воздух более чем до 300 бар
Для того чтобы довести технологию до совершенства, осталось
разобраться с некоторыми техническими проблемами. Так, необходимо создать
технологию, которая сможет повысить степень сжатия воздуха в баках, поскольку нынешние
методы не позволяют в обычных условиях нагнетать воздух более чем до 300 бар (в
таком случае энергетический потенциал не превышает 1% от высокооктанового
бензина).
Именно из-за низкой компрессии максимальная мощность пневматического
двигателя до сих пор не превышает 75 л. с.
С другой стороны, большая мощность во многих случаях и не
требуется. Пневмоавтомобили уже сегодня применяются в качестве служебных в
некоторых аэропортах Франции. Еще одна французская разработка, OneCat, предлагается
в качестве городского такси (вместимость - четыре человека, максимальная
скорость - 110 км/ ч).
В городском парке Мельбурна пневмодвигателями оснащены все
транспортные средства. Власти одного из самых загрязненных мегаполисов мира,
Мехико, намерены перевести на пневматику весь муниципальный таксопарк.
Магний
На Земле есть запасы магния, достаточные для того, чтобы
обеспечить энергетические потребности человечества на ближайшие 300 тыс. лет,
убежден профессор Такаси Ябе из Токийского технологического института.
Как и многие другие ученые, он считает, что магний обладает огромным
потенциалом, настолько большим, что в наиболее перспективных на сегодняшний
день топливных элементах магнием стоило бы заменить водород.
Магний способен аккумулировать в десять раз больше энергии, чем
водород. Запасы его в соленой морской воде огромны, практически неисчерпаемы,
отмечают ученые. Осталось разработать методику извлечения магния из воды,
которая сделает использование его как топлива экономически обоснованным.
Первый двигатель, использующий магний в качестве топлива, уже был построен инженерами японской компании Mitsubishi
Разговоры о применении магния поднимались в научной среде и
раньше, но отсутствие бюджетных методов его добычи неизменно ставило на них
крест, а водород считался более практичным.
Однако благодаря разработке профессора Ябе мир может оказаться
на пороге магниевой революции. По методу Ябе окись магния, извлеченная из
морской воды, сжигается лазером при температуре 3.700°С. При этом созданный
японцами лазер питается от солнечных батарей. Первый двигатель, использующий магний
в качестве топлива, уже был построен инженерами японской компании Mitsubishi.
Исследователи считают, что их технология может избавить мир
от нефтяной иглы. “Магний спасет мир”, - убежден Ябе.
Водород
Пока самые передовые специалисты ищут радикальные средства
решения энергетических проблем человечества, многие ученые полагают, что лучше
синица в руках, чем журавль в небе.
Такой синицей обычно выступает водород как наиболее дешевый
и экологически чистый вид не ископаемого топлива. На текущий момент чаще всего
рассматривают два вида использования горючего в автомобильных двигателях.
Первый - в качестве топлива в двигателях внутреннего
сгорания. Но эта идея меньше нравится сторонникам борьбы за снижение вредных
выбросов. Дело в том, что при сжигании водорода происходят попутные реакции с компонентами
воздуха, вследствие чего все равно образуются токсичные выхлопы. Кроме того, энергетический
потенциал водорода при сжигании меньше, чем у бензина или дизтоплива, в связи с
чем снижается мощность двигателя и растет расход водорода.
Эта технология всегда была мечтой фантастов. Ведь в этих элементах энергия топлива превращается в электричество напрямую, минуя стадию горения.
Значительно более перспективным многие эксперты считают
второй вариант - применение водорода для питания топливных элементов. Эта
технология всегда была мечтой фантастов. Ведь в этих элементах энергия топлива превращается
в электричество напрямую, минуя стадию горения.
В природе существует идеальный пример топливного элемента -
митохондрия, способная преобразовывать энергию белков и углеводов в углекислый
газ и воду, используя разницу потенциалов на своих мембранах.
У топливных элементов на водороде очень высокий КПД, гораздо
выше, чем у бензиновых двигателей, в которых значительная часть энергии топлива
тратится впустую при горении. Водород также абсолютно экологичен, ведь
единственное, что может выделяться при его использовании, - это безвредный водяной
пар.
Вдобавок топливные элементы производят меньше шума, меньше
нагреваются и вообще во всех отношениях превосходят традиционные двигатели
внутреннего сгорания.
Некоторые эксперты считают, что тема водородных топливных
элементов настолько хорошо изучена, что теперь все упирается в извечную
проблему “яйцо - курица”. Даже в самых развитых странах мира отсутствует
водородная инфраструктура, и никто не спешит строить специальные заправки, пока
производители не начали выпускать транспортные средства, работающие на
водороде. А те, в свою очередь, не спешат выпускать такие автомобили, поскольку
для них нет инфраструктуры.
Даже в самых развитых странах мира отсутствует водородная инфраструктура, и никто не спешит строить специальные заправки, пока производители не начали выпускать транспортные средства, работающие на водороде
В то же время другие эксперты указывают на то, что у
водорода в качестве топлива есть проблемы посерьезнее. Например, тот факт, что
его себестоимость не так уж и мала и напрямую зависит от ископаемого топлива,
поскольку добыча водорода из природного газа до сих пор является самым распространенным
способом.
Тем не менее количество существующих моделей транспортных
средств, работающих на водороде, исчисляется десятками. Так, Honda еще в 2008
году начала продажу модели FCX с силовой установкой на водородных элементах.
Заправка автомобиля осуществляется водителем самостоятельно с помощью домашней энергетической
станции, которая производит водород из бытового природного газа.
Компания Ford разработала модель Focus FCV с двигателем на
водороде, а Daimler наладил производство пригородных автобусов Mercedes-Benz Citaro
на водородных топливных элементах. Прокатиться на таких автобусах сегодня можно
в Амстердаме, Барселоне, Гамбурге, Стокгольме, Штутгарте и многих других городах
Европы.
Присоединились к водородному “братству” и многие другие
автомобильные гиганты, включая Nissan, Toyota, General Motors, Hyundai.
Искусство сжигать
Порядком исчерпав природные ресурсы
планеты с использованием примитивных технологий тысячелетней давности,
человечество постепенно переходит на альтернативные источники энергии
- 770 тыс. лет до н. э.. Древние люди научились добывать огонь, который стал для них источником тепла и света
- 2 тыс. лет до н. э. Для обогрева и приготовления пищи начали сжигать уголь
- 1 год н. э. Человечество научилось находить и очищать нефть, используя ее в качестве топлива для ламп
- 200. Люди научились строить водяные мельницы на реках и ручьях и стали использовать их в качестве источника энергии
- 1.000 В Европе построили первые ветряные мельницы
- 1700-е. Изобретение помпы для откачки воды из шахт позволило вести интенсивную добычу угля, что положило начало его активному использованию в промышленности и быту
- 1820-е. Во Фредонии (Нью-Йорк, США) впервые успешно добыт природный газ
- 1830-е. Открытие британским ученым Майклом Фарадеем электромагнетизма позволило разработать первый в мире электрогенератор, мотор и реле
- 1850-е. В Титусвилле (Пасадена, США) пробурена первая нефтяная скважина
- 1860-е. Французский инженер Огюст Мушо продемонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал солнечные лучи на паровом котле
- 1880-1890-е. Американский инженер Никола Тесла изобрел электрогенератор переменного тока. Начинается эпоха электрификации
- 1892. В Бойсе (Айдахо, США) для обогрева жилых домов впервые использована геотермальная энергия
- 1948. В Саудовской Аравии открыто крупнейшее нефтегазовое месторождение - Гавар
- 1950. В Обнинске (СССР) и Шиппингпорте (Пасадена, США) построены первые атомные электростанции
- 1980-е. Ученые начали получать доказательства того, что использование ископаемых видов топлива может стать причиной катастрофических изменений климата
- 2000-е. На фоне дискуссии о вреде использования ископаемых источников энергии для экологии активно развиваются направления возобновляемых ресурсов - солнечная и ветровая энергетика. Продолжаются поиски альтернативных источников энергии
***
Этот материал опубликован в №41 журнала Корреспондент от 19 октября 2012 года. Перепечатка публикаций журнала Корреспондент в полном объеме запрещена. С правилами использования материалов журнала Корреспондент, опубликованных на сайте Корреспондент.net, можно ознакомиться здесь