Корреспондент: Прощай, нефть. Обзор самых перспективных технологий в сфере создания альтернативного топлива

Нефть - пережиток научно-технического прогресса XIXстолетия, говорит британский экономист Стэнли Хитч, и даже несмотря на то, чтоXX век произвел по этому пережитку два тяжелых залпа (угроза глобальногопотепления и появление альтернативных видов топлива), человечество все ещесидит на нефтяной игле.

Слезать с нее развитые страны не спешат, даже невзирая начасто обсуждаемую угрозу истощения запасов нефти. По словам Хитча, спорить отом, кто виноват в этом - богатое нефтяное лобби в правительствах, элементарнаянедальновидность или недостаточная скорость, с которой ученые работают надальтернативными 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 чтоамериканское правительство медлит с энергетической реформой, а европейскиевласти 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. Продажиавтомобилей с гибридными силовыми установками растут в геометрическойпрогрессии. Повышается спрос на биотопливо, а технологии его производствапрогрессируют - сегодня в ход идут уже не только сельскохозяйственные культуры,но и отходы сельхозпроизводства, например банальная солома.

Ископаемые виды топлива скоро станут историей, и этопризнают не только яростные зеленые, но и люди, еще недавно находившиеся как быпо другую линию фронта.

Основных прорывов стоит ждать в области водородного топлива и солнечной энергетики

“Я потратил 35 лет своей жизни на разработку разных видовсредств передвижения, а теперь работаю над тем, чтобы у моих детей было ещебольше возможностей”, - говорил Роберт Стэмпл, в прошлом председатель советадиректоров General Motors, а затем возглавивший компанию ECD, занимавшуюсяразработкой альтернативных источников энергии.

Стэмпл считал, что основных прорывов стоит ждать в областиводородного топлива и солнечной энергетики. Но сегодня все чаще звучатпредположения о том, что гвоздь в крышку гроба дорогой и экологически опаснойнефти забьют другие виды топлива.

Корреспондент проанализировал публикации о новейших исследованияхв этой области и предлагает своим читателям обзор самых перспективныхтехнологий в сфере создания альтернативного топлива.

Бактерии

Многочисленные публикации о достоинствах биотоплива заочнопохоронили бензин еще пару десятилетий назад, однако, несмотря на ростпопулярности гибридных автомобилей, спрос на машины с бензиновыми и дизельнымидвигателями не спешит падать.

Недавний отчет Управления энергетической информации СШАнаглядно объясняет, почему это так. Самое популярное на данный момент биотопливо- этанол - вырабатывается из кукурузы, и до сих пор его производство былоэкономически невыгодным. Вдобавок воздействие на окружающую среду при егосжигании 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 нефтизатягивается все туже. Да и в целом для мировой энергетики эта проблемастановится с каждым годом все более заметной, отмечает Арун Маюмдар, директорАгентства 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 разработкунового вида биотоплива, которую в последний год финансирует его агентство.

Пока этот вид горючего условно называют “электротопливом”.Идея заключается в следующем. Создается раствор с микроорганизмами, питающимисяаммиаком и водородными сульфидами. В условной “камере сгорания” двигателя черезэтот раствор пропускается электрический ток, который заставляет бактерииперерабатывать углекислый газ в горючую смесь. Это дает эффект, похожий на тот,что приводит в движение нынешние двигатели внутреннего сгорания. Никакогоэнергоэффективного источника наподобие бензина, солнечного света или биомассыбактериям не требуется.

Агентство финансирует разработки в области “электротоплива”в 15 лабораториях в разных университетах США. По словам Маюмдара, коэффициентполезного действия такого двигателя приближается к 100 %. Это может сделатьезду на автомобилях чуть ли не бесплатной.

Об аналогичном проекте заявила недавно и американскаякомпания OPX Biotechnologies, утверждающая, что разработала возобновляемоебиологическое топливо, вредные выбросы которого на 75% ниже, чем в случае сбензином.

Воздух

Автомобили, а следовательно, и двигатели внутреннегосгорания являются одним из ключевых факторов на энергетическом рынке. А чтоесли автотранспорт перестанет потреблять горючее из ископаемого топлива вогромных количествах? Ведь это изменит энергетическую картину мира.

По мнению некоторых ученых, для того чтобы добиться такогорезультата, необязательно изобретать новые виды топлива. Возможно, идеальноегорючее находится у нас под носом, причем в неограниченных количествах, простомы не умеем его использовать. Первые патенты на применение сжатого воздуха вкачестве движущей силы для механических повозок были выданы в Великобританииеще в начале XIX века.

Первые двигатели такого типа использовались на английскихжелезных дорогах, однако после появления эффективных двигателей внутреннегосгорания 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 другавоскрешают идею, способную переломить ситуацию на рынке автомобилей.

Принцип работы современного двигателя внутреннего сгоранияпрост: в камере сгорания происходит детонация горючей смеси, таким образомсоздается давление, толкающее поршни, а их энергия при помощи других механизмовпередается на колеса.

Приводить в движение поршни можно и при помощи сжатоговоздуха, рассуждают инженеры компании General Motors, создавшие тестовый автомобильCadillac Aera. КПД такого двигателя составляет фантастические 90 %, чтосущественно 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, закачивающиевоздух в баки под давлением), компрессоры, передающие порции воздуха из бака врабочую зону, и турбина - основная рабочая часть двигателя.

Главным плюсом применения сжатого воздуха как топлива являетсяэкологичность - вредные выбросы попросту исчезнут как класс. Дополнительнымпреимуществом станет упрощение конструкции двигателя - отсутствие сложнойсистемы зажигания, бака для горючей жидкости. А уж о стоимости “топлива” тутможно 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, осталосьразобраться с некоторыми техническими проблемами. Так, необходимо создатьтехнологию, которая сможет повысить степень сжатия воздуха в баках, поскольку нынешниеметоды не позволяют в обычных условиях нагнетать воздух более чем до 300 бар (втаком случае энергетический потенциал не превышает 1% от высокооктановогобензина).

Именно из-за низкой компрессии максимальная мощность пневматическогодвигателя до сих пор не превышает 75 л. с.

С другой стороны, большая мощность во многих случаях и нетребуется. Пневмоавтомобили уже сегодня применяются в качестве служебных внекоторых аэропортах Франции. Еще одна французская разработка, OneCat, предлагаетсяв качестве городского такси (вместимость - четыре человека, максимальнаяскорость - 110 км/ ч).

В городском парке Мельбурна пневмодвигателями оснащены всетранспортные 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, чтобыобеспечить 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 огромнымпотенциалом, настолько большим, что в наиболее перспективных на сегодняшнийдень топливных элементах магнием стоило бы заменить водород.

Магний способен аккумулировать в десять раз больше энергии, чемводород. 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 ираньше, но отсутствие бюджетных методов его добычи неизменно ставило на нихкрест, а водород считался более практичным.

Однако благодаря разработке профессора Ябе мир может оказатьсяна пороге магниевой революции. По методу Ябе окись магния, извлеченная изморской воды, сжигается лазером при температуре 3.700°С. При этом созданныйяпонцами лазер питается от солнечных батарей. Первый двигатель, использующий магнийв качестве топлива, уже был построен инженерами японской компании Mitsubishi.

Исследователи считают, что их технология может избавить мирот нефтяной иглы. “Магний спасет мир”, - убежден Ябе.

Водород

Пока самые передовые специалисты ищут радикальные средстварешения энергетических проблем человечества, многие ученые полагают, что лучшесиница в руках, чем журавль в небе.

Такой синицей обычно выступает водород как наиболее дешевыйи экологически чистый вид не ископаемого топлива. На текущий момент чаще всегорассматривают два вида использования горючего в автомобильных двигателях.

Первый - в качестве топлива в двигателях внутреннегосгорания. Но эта идея меньше нравится сторонникам борьбы за снижение вредныхвыбросов. Дело в том, что при сжигании водорода происходят попутные реакции с компонентамивоздуха, вследствие чего все равно образуются токсичные выхлопы. Кроме того, энергетическийпотенциал водорода при сжигании меньше, чем у бензина или дизтоплива, в связи счем 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 считаютвторой вариант - применение водорода для питания топливных элементов. Этатехнология всегда была мечтой фантастов. Ведь в этих элементах энергия топлива превращаетсяв электричество напрямую, минуя стадию горения.

В природе существует идеальный пример топливного элемента -митохондрия, способная преобразовывать энергию белков и углеводов в углекислыйгаз и воду, используя разницу потенциалов на своих мембранах.

У топливных элементов на водороде очень высокий КПД, гораздовыше, чем у бензиновых двигателей, в которых значительная часть энергии топливатратится впустую при горении. Водород также абсолютно экологичен, ведьединственное, что может выделяться при его использовании, - это безвредный водянойпар.

Вдобавок топливные элементы производят меньше шума, меньшенагреваются и вообще во всех отношениях превосходят традиционные двигателивнутреннего сгорания.

Некоторые эксперты считают, что тема водородных топливныхэлементов настолько хорошо изучена, что теперь все упирается в извечнуюпроблему “яйцо - курица”. Даже в самых развитых странах мира отсутствуетводородная инфраструктура, и никто не спешит строить специальные заправки, покапроизводители не начали выпускать транспортные средства, работающие наводороде. А те, в свою очередь, не спешат выпускать такие автомобили, посколькудля 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 уводорода в качестве топлива есть проблемы посерьезнее. Например, тот факт, чтоего себестоимость не так уж и мала и напрямую зависит от ископаемого топлива,поскольку добыча водорода из природного газа до сих пор является самым распространеннымспособом.

Тем не менее количество существующих моделей транспортныхсредств, работающих на водороде, исчисляется десятками. Так, Honda еще в 2008году начала продажу модели FCX с силовой установкой на водородных элементах.Заправка автомобиля осуществляется водителем самостоятельно с помощью домашней энергетическойстанции, которая производит водород из бытового природного газа.

Компания Ford разработала модель Focus FCV с двигателем наводороде, а Daimler наладил производство пригородных автобусов Mercedes-Benz Citaroна водородных топливных элементах. Прокатиться на таких автобусах сегодня можнов Амстердаме, Барселоне, Гамбурге, Стокгольме, Штутгарте и многих других городахЕвропы.

Присоединились к водородному “братству” и многие другиеавтомобильные гиганты, включая Nissan, Toyota, General Motors, Hyundai.

Искусство сжигать

Порядком исчерпав природные ресурсыпланеты 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

• Теги:
• нефть
• топливо
• журнал Корреспондент
• биотопливо
• водород
• альтернативна енергетика