Перспективные источники энергии: топливо из водорослей и электричество из воздуха

Когда мы слышим словосочетание «чистая энергия», сразу возникает образ ветряных электростанций и солнечных батарей. По поводу правды и мифов вокруг зеленой энергетики мы писали здесь и сегодня хотим развить эту тему. А есть ли альтернативы солнцу, ветру и воде, почему мировые «поставщики света» сконцентрировались именно на этих источниках? Да, они понятнее и уже освоены, но ученые не привыкли останавливаться на достигнутом. В статье расскажем о нескольких способах добыть энергию, о которых не всегда вспоминают. 

---

Водород — первый очевидный вариант

Новости из мира водородной тяги всплывают в СМИ регулярно. Так, 13 января швейцарская компания Sirius Aviation представила первый в мире электролет, работающий на водороде, — он разгоняется до 520 км/ч, перевозит до 5 пассажиров и практически бесшумен. Чуть ранее в США показали кросс-минивэн Revo Zero Energy с сочетанием электрических аккумуляторов и водородных топливных элементов — запас хода составляет 1120 км.

В целом водород выглядит как идеальный источник энергии:

• в результате его использования образуется только безопасный для экологии водяной пар;

• время заправки транспорта составляет не более 4-5 минут;

• запасы водорода практически безграничны, и он есть у всех стран, что исключает колебания цен на рынке;

• высокий КПД на уровне 65% (для сравнения, у солнечных элементов — 20%, у ветрогенераторов — 40%);

• резерв водородной энергии не зависит от интенсивности солнечного света или скорости ветра. 

Реальность куда печальнее: только 0,04% всего потребляемого в мире водорода приходится на энергетические и транспортные нужды. Весь остальной объем отправляется на нефтепереработку (45%), производителям аммиака (36%) и метанола (14%), в металлургию (5%). Все из-за существенных недостатков водородной энергетики:

1. Водород пока слишком дорог. Добывать и сжигать уголь все еще намного дешевле. Если быть точнее, в 10 раз. Ожидать снижения цен, по мнению экспертов, стоит только к 2040-2050 гг. 

2. Водород горит и взрывается. Если сравнивать с природным газом, бензином или пропаном, то водород превосходит их по горючести. Любая трещина или пробоина в баллоне в перспективе приведет к трагедии. При этом водородное топливо очень быстро рассеивается в атмосфере благодаря легкости, что положительно сказывается на безопасности. 

3. Водород трудно хранить и перевозить. Нужны либо большие баллоны, либо экстремальные условия для сжижения газа (давление в 700 раз больше атмосферного, температура до −253 °C). Пока это слишком тяжело и неоправданно дорого.

Последнюю проблему пытаются решить давно, и успехи есть. Так, в 2023 году ученые из Самарского политеха сообщили о прорыве в сфере: они предложили хранить и транспортировать водород с помощью системы, в которой молекулы газа химически связаны с органическими носителями. Результатом химической обработки становится негорючая жидкость, напоминающая моторное масло, — ее можно перевозить при любых температурах и в обычных канистрах, а затем выделять водород на специальных станциях или непосредственно в двигателях. Удобно и безопасно. 

Прогнозы. Международное энергетическое агентство (МЭА) предполагает, что к 2050 году мировой спрос на водород может вырасти до 528 млн тонн против 87 млн в 2020-м. Сейчас главная цель — подтянуть технологии. Но стоит держать в уме, что возможный переход с ископаемого топлива будет скорее вынужденным, чем добровольным.

Бутанол, или будущее биоэнергетики

Если водородная энергетика знакома многим, то про биобутанол слышали немногие. Тем не менее рынок бутанола растет почти на 6% ежегодно. Вот только в 85% случаев для производства такого топлива используются нефтепродукты, что точно не назовешь «чистой энергией».

Сам по себе бутанол — бесцветный бутиловый спирт с характерным запахом сивушного масла. И потенциальное топливо по всем статьям превосходит распространенный этанол: оно безопаснее, содержит больше энергии, не выделяет оксидов серы или азота при горении, способно полностью заменить бензин. Единственная преграда — цена. Бутанол примерно в 3 раза дороже газа, поэтому он не нашел широкого применения. Но все может измениться благодаря биотехнологиям. 

Так, в 2018 году американские ученые изучили процессы переработки целлюлозы и моносахаров термоанаэробактериями. Оказалось, микроорганизмы способны выдавать биобутанол безопасным для экологии способом. В 2021 году команда студентов СПбГТИ и МГТУ имени Баумана продемонстрировала технологию получения бутанола посредством бактериального сбраживания микроводорослей. Результат — себестоимость сырья снизилась на 15%, а углеродный след — на 70%. Прогресс есть, но биоэнергетика пока находится в своем зачаточном состоянии. 

Прогнозы. Эксперты транснациональной нефтегазовой компании BP предполагают, что потребление полученной из биомассы энергии в мире увеличится более чем вдвое к 2050 году. Поэтому у биобутанола определенно есть будущее. 

Энергия недр планеты

Физические и химические процессы, протекающие в глубине нашей планеты, разогревают ее до невероятных температур. По расчетам ученых, внутреннее ядро Земли разогрето до 5000-6000 °C — как на поверхности Солнца. Разумеется, человечество давно пытается использовать этот неисчерпаемый источник энергии себе во благо. И вполне успешно: только в России сейчас работают четыре геотермальные электростанции суммарной мощностью 81,4 МВт. Плюсов у такого подхода три:

1. Экологичность. На геотермальных станциях ничего не горит, здесь не разливаются химикаты и не вырубаются леса. 

2. Возобновляемость. Человечеству хватит всего 1% энергии, генерируемой в центре Земли, чтобы полностью обеспечить свои нужды.  

3. Эффективность. Потребляя 1 кВт, тепловой насос способен возвращать 4-5 кВт в виде тепловой энергии. 

Без технических проблем не обошлось, иначе геотермальные электростанции были бы повсюду. Так, у них слишком низкий КПД, они малоэффективны в холодном климате и пока строятся в основном у горячих источников. Но ключевая преграда, опять же, в цене. Строить геотермальные станции пока чересчур дорого. 

Всемирный банк посчитал, что только разведывательные работы перед бурением 3-5 геотермальных скважин обходятся в 20-30 млн долларов без учета других капитальных затрат. В реальности инвестиции значительно больше, и каждый объект имеет свою экономику. Так, строящаяся на Южных Курилах геотермальная станция «Океанская-2» обойдется в 2 млрд рублей — это официальные данные. Ее мощность на старте составит всего 5 МВт — то есть мы получим 400 млн рублей на 1 МВт. Для примера: строительство Маяковской и Талаховской ТЭС мощностью по 160 МВт каждая (320 МВт в сумме) обошлось в 25 млрд рублей (около 78 млн рублей на 1 МВт). Более чем пятикратная разница в цене.

Летом 2023 года в США показали прорывную технологию, которая способна изменить текущее положение дел. Компания Fervo Energy разработала уникальный способ горизонтального бурения, позволяющий строить геотермальные станции практически в любых местах и с минимальными затратами на земляные работы. Возможно, это послужит толчком в отрасли. Любопытно, что только в сентябре 2023 года появился первый в мире стандарт в области геотермальной энергетики — его разработал Китай. 

Прогнозы. Эксперт Центра Россия-ОЭСР РАНХиГС Мария Гирич считает, что «геотермальная энергия обеспечит около 800-1300 ТВтч/г (тераватт-час) до 2050 года, то есть 2-3% мирового производства электроэнергии». Уже сейчас есть пример Исландии, где 30% электричества производятся из мощностей, скрытых в недрах планеты.

Термоядерный синтез

Это словосочетание будоражит умы человечества уже более 70 лет. Термоядерный синтез — процесс объединения атомов, сопровождающийся колоссальными выбросами энергии. Обратите внимание, что на атомных электростанциях происходит обратный процесс — деление. По словам ученых, если человечеству удастся обуздать энергию, сокрытую внутри элементарных частиц, это станет одним из величайших достижений в истории.

Кульминацией изучения термоядерного синтеза стал ITER (ИТЭР, International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор). Его строят во Франции сообща 35 стран с 2010 года, и сроки сдачи неоднократно переносились. Все потому, что совершать открытия и менять стратегию приходится по ходу работы. Пока ориентировочная дата запуска передвинута на 2025 год. 

Термоядерный синтез в перспективе — это неисчерпаемый источник по-настоящему чистой энергии, безопасные станции без цепных реакций и безграничная применимость. Но пока перспектива слишком далекая. При этом успехи периодически случаются. Так, в декабре 2022 года ученые из США получили гораздо больше энергии в результате эксперимента с термоядерным синтезом, чем предполагалось изначально. А Китай намерен построить первый прототип термоядерной электростанции к 2035 году.

Прогнозы. Большинство частных компаний ожидают появления электростанций нового типа в 2030-х годах. Это смелое утверждение, если учесть, что сейчас все термоядерные реакторы в мире потребляют больше энергии, чем выделяют.

Внезапно — электричество из воздуха

В 2018 году профессор Массачусетского университета в Амхерсте (UMass) Цзюнь Яо проектировал датчик влажности воздуха (гигрометр) и наткнулся на интересное явление: оказалось, что устройство из микроскопических нанопроволок генерирует электрический сигнал и без питания. Эти миниатюрные проволоки настолько малы, что внутри них с трудом проходит даже молекула воды, которая в процессе движения задевает стенки и генерирует небольшой заряд. Так ученый начал работать в другом направлении — генерации электричества из влажного воздуха.

В 2023 году команда под руководством Цзюнь Яо опубликовала научную работу, где подробнее описала процесс генерации и функционал собранного ими устройства. Пока сфера находится на начальном этапе, но далеко не каждый день открываются новые возобновляемые источники энергии. Сейчас с уникальными свойствами влажности экспериментируют не только в США, но и в Европе. 

Прогнозы. В 2024 году лиссабонская компания Catcher планирует показать широкой публике прототип устройства по получению энергии из воздуха. Его размеры сравнимы с габаритами стиральной машины, а мощности хватит для питания небольшой квартиры. 

Заключение

Есть и другие интересные проекты, работающие от энергии волн, супрамолекулярной системы на основе ДНК, необычных свойств древесины и т. д. Но их потенциал пока сомнителен. Сегодня передовые страны смотрят в сторону новых источников энергии — это подтверждают факты:

• Европейский союз (ЕС) решил повысить долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в общем потреблении электроэнергии к концу десятилетия до 45%;

• Международное энергетическое агентство (МЭА): доля возобновляемых источников энергии в мире может превысить одну треть в 2024 году; 

• в 2023 году доля ВИЭ в структуре мощности китайской электроэнергетики достигла почти 50%.

Вывод можно сделать следующий: ВИЭ стремительно вытесняют традиционную энергетику. Но пока неизвестно, кто займет пьедестал нефти, угля и атомной энергетики — сейчас на него претендуют ветер и солнце, но очередные прорывы, например, в термоядерном синтезе могут изменить расклад сил.

Как вы думаете, в случае технологического прорыва в том же термояде, как скоро данный энергоресурс будет доступен простым обывателям?

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

 

Источник