Альтернативні види палива. Сьогодення та майбутнє.
Історія розвитку людства найтіснішим чином пов'язана з отриманням та використанням енергії. Здавна в якості основних джерел енергії, використовувалися дрова (і зараз теж), торф, деревне вугілля, вода, вітер. Також з найдавніших часів відомі вугілля та нафту.
Історія нафти налічує тисячі років. Різні пам'ятки старовини свідчать про те, що Вона застосовувалася задовго до нашої ери. Так, виявлені (розкопками) сліди нафтового промислу, що існував за 6-4 тисячі років до нашої ери на березі Ефрата. Нафтова смола тут застосовувалася як цементу при спорудженні міста УР і як гідроізоляція при зведенні тунелю під річкою Євфрат.
Практична цінність палива визначається кількістю теплоти, що виділяється при його повному згорянні.
(Так при згоранні 1 кг деревини виділяється теплота, рівна 10,2 мДж / кг, кам'яного вугілля -22 мДж / кг, бензину - 44 мДж / кг.)
Основний недолік природного палива - його вкрай повільна восполняемость. Існуючі нині запаси утворювалися десятки і сотні мільйонів років тому. У той же час видобуток палива безперервно збільшується.
Шведські вчені вважають, що існуюче уявлення про загальносвітових природних запасах нафти в розмірі 18 трлн бар., З яких до теперішнього часу було витрачено тільки 1 трлн, є "абсолютно нереалістичним". Згідно з їх даними, в даний момент світові запаси нафти становлять усього 3500 млрд бар. Якщо врахувати, що щорічно людство споживає близько 25 млрд. бар. нафти і ця цифра має тенденцію до зростання, припущення, що криза ресурсів можлива вже в найближчі 2-3 десятиліття, бачиться цілком обгрунтованим. За найбільш песимістичними підрахунками Міжурядової групи з кліматичних змін, світові ресурси нафти на даний момент становлять 5 трлн бар. (03.10.2003)
Виснаження не загрожує гідроенергетичним ресурсів - на відміну від органічного палива вони безперервно відновлюються. Але гідроенергетичні ресурси нездатні, дати необхідну кількість енергії.
Ось чому найважливішою проблемою енергетики стала проблема пошуку нових джерел енергії, зокрема ядерної енергії, енергії сонячного випромінювання, внутрішнього тепла Землі.
Одним з перспективних джерел енергії є водень. Його виділяють з звичайної води, і це не єдиний спосіб його отримання, він добре зберігається і транспортується в газоподібному, рідкому і твердому вигляді. Газ зручно зберігати в підземних сховищах, рідина - в резервуарах. Одного резервуара об'ємом 3500м в кубі вистачало б для постачання енергією протягом цілого року невеликого містечка з 20-ти тисячним населенням.
Для того щоб отримувати водень у великих кількостях необхідно в дали від населених пунктів на березі моря можна поставити потужні атомні, а в майбутньому термоядерні реактори. При цьому енергія атома піде не лише для виробництва електроенергії, але й на розкладання води. По одному трубопроводу діаметром 900 мм можна передати енергопотік потужністю понад 12000 мВт.
Вчені Науково-дослідного інституту енергетики США працюють над проектом надпровідної енергомережі для доставки електрики і водневого палива по всій країні. Здатність до передачі великих обсягів енергії та доставка альтернативного палива - водню - робить нову мережу дуже перспективною мережею. Її впровадження значно прискорило б відмову від традиційного спалювання вуглеводнів.
Перехід на водневе паливо має і ще одну привабливу сторону. Якщо кам'яне вугілля, нафту, газ витрачається безповоротно, то водень може брати участь у кругообігу енергії скільки завгодно: згоряючи, він, перетворюється на водяну пару, потім у воду.
Все йде до того, що основним паливом у автомобільних двигунах стане електрику. От тільки як його отримати? По всій видимості, найефективнішим, компактним і нешкідливим способом є використання водню в так званих паливних елементах.
Паливний елемент - це електрохімічний пристрій, що перетворює паливо в електрику без горіння. В якості палива можна використовувати природний газ, метанол, бензин або нафту. При роботі паливний елемент виділяє тільки тепло і водяну пару.
Ідея їх використання не так вже й нова. Ще в 1839 році англієць сер Вільям Гроув розробив принципи їх функціонування. Починаючи з 60-х NASA стала використовувати лужні паливні елементи в космосі. І вже зараз серійно випускаються електростанції на паливних елементах з потужністю до 200 кВт.
У паливних елементів є кілька великих переваг. По-перше, вони набагато більш ефективні в порівнянні з будь-якими іншими способами генерації електричної енергії, особливо - з двигунами внутрішнього згоряння. Електроенергія в елементах виробляється безпосередньо з хімічних реакцій. У цьому випадку не потрібно проміжних механічних ланок, що використовуються в більшості електростанцій і знижують ефективність. Крім того, слід відзначити екологічну чистоту і зручність паливних елементів. Вони не виділяють токсичних речовин і працюють практично безшумно.
Поки що отримання водню сучасними методами (з природного газу або електролізом води) вимагає більше енергії, ніж отриманий водень може дати. Тим не менш, після вичерпання родовищ джерел нафти і газу він може стати єдиним доступним видом автомобільного палива. Саме з цієї причини, практично всі великі автомобільні компанії вкладають в розробку двигунів на водні величезні кошти.
Найбільш близька до серійного виробництва таких систем компанія Ford. Спільно з канадською компанією Ballard Power Systems нею розроблений зразок водневої генераторної установки Ballard Ecostar. Вона здатна замінити невеликі турбіни або двигуни внутрішнього згоряння, в яких застосовуються інші види палива. Установка здатна розвивати потужність до 114 кіловат.
Треба сказати, що і Росія не відстає від конкурентів. На ВАТ "АВТОВАЗ" в 1999 році була прийнята програма по розробці автомобіля на паливних елементах. У 2001 році був розроблений ходовий макет АНТЕЛ 1 на базі автомобіля ЛАДА НИВА 2131.
До речі кажучи, процес з'єднання водню з киснем становить основу біоенергетики організму людини. Завдяки хімічним реакціям, що протікають в кожній живій клітині, енергія з високим ККД перетворюється на теплову і механічну. Так що людина лише повторює створене природою пристрій одержання енергії (і не без користі для самого себе, природно, тим то робота щодо подальшого удосконалення технології паливних елементів вселяє надію на щасливе енергетичне майбутнє).
Безумовно, на шляху до нього виникає і ще виникне достатньо проблем. І до появи на дорогах автомобілів на водні пройде ще не мало часу.
Але вже зараз Ісландія планує перевести весь транспорт на паливні елементи. Ісландія готується стати першою країною в світі, яка зведе викиди вуглекислого газу в атмосферу до нуля. Це північна острівна держава стане випробувальною лабораторією нової економіки, в якій роль ведучого енергоносія буде грати водень.
Протягом 20 найближчих років уряд має намір перевести автобуси, автомобілі та рибальський флот на паливні елементи (fuel cells) і створити нову інфраструктуру.
А в Росії, безпосередньо в Москві Юрій Михайлович вже збирається перевести техніку на ефір.
Ще одним альтернативним видом палива сьогодні є ДМЕ (диметиловий ефір). Це, так би мовити, наступний щабель з впровадження використання газу в двигунах внутрішнього згоряння. У Москві відбулася презентація абсолютно нового виду дизельного двигуна. Відтепер ЗІЛи зможуть їздити на диметиловому ефірі. За великим рахунком це аналог газу. Головний плюс нового палива - екологічна безпека. Викиди оксиду азоту скорочуються мінімум у 2,5, а то і в 3 рази.
"Ми хочемо запустити наступну дослідну партію приблизно з 50 автомобілів. Але ця робота тільки починається. При цьому перші три зразки автомобілів показують, що принципових труднощів з ними не буде, - зазначив заступник начальника Управління транспорту і зв'язку Москви Валерій Антюфєєв. За його словами, "всі автомобілі підтвердили ті екологічні характеристики, на які ми розраховували. У майбутньому ми плануємо змінити інфраструктуру заправних станцій "." Пропанобутанової станції, які зараз будуються в місті по цій же програмі, в майбутньому піддадуться глибокої модернізації і стануть двохпаливні ".
Ще на початку 2002 року столична мерія прийняла програму переведення частини міського автопарку на альтернативні види палива. Одним з головних "козирів" програми вважалося впровадження замість дизельного палива диметилового ефіру (ДМЕ, хімічна формула СНз-0-СНз, отримують декількома способами з органічних сполук, найбільш економічний "- синтез з природного газу метану). Зазначалося, що застосування цього палива не зажадає серйозних доопрацювань серійних автомобілів, зате вихлопи цілком будуть відповідати суворим європейським стандартам.
Мер повідомив, що хімічні заводи вже готові поставляти нове паливо і його можна виробляти мільйонами тонн. А тульські хіміки пообіцяли зробити ДМЕ в масовому виробництві в два рази дешевше від солярки. Тобто навіть при витраті альтернативного палива в 1,7 рази більше дизельного, машини будуть економічніше в експлуатації.
Також на сьогоднішній день в науці вже багато років розробляється проблема використання для цілей енергетики термоядерних реакцій як гігантських джерел енергії. Вчені прагнуть навчитися контролювати хід термоядерної реакції. Про величину термоядерної енергії можна судити з такого порівняння: вступ до синтез 1 р. ізотопів водню еквівалентно згорянню 10 тонн бензину.
Але й тут є свої підводні камені, для того щоб здійснити термоядерну реакцію потрібно побудувати величезний завод, оснастити його надійним обладнанням та високо кваліфікованої робочої силою, що, як нам відомо, не дуже дешево, і це все, якщо не брати проблеми бюрократичного та екологічного характеру.
Так що зараз у людства є багато шляхів, за якими можна піти. Крім розглянутих у цій роботі варіантів є й багато хто інші шляхи, які вже розроблені або ще розробляються, але не розглянуті в цій роботі і вирішувати яким шляхом піде населення планети належить вирішувати новим вченим, винахідникам і інженерам, можливо випускникам МГАТХТ.