Из чего можно сделать топливо? Как могут быть использованы металлы, водоросли и твердые бытовые отходы для создания топлива? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Фактически топливо можно делать из любого органического вещества. Современная энергетика имеет несколько первичных источников энергии. Самым потребляемым энергетическим ресурсом является нефть. На втором месте по потреблению стоит уголь, на третьем — природный газ. Ожидается, что к 2040 году потребление природного газа превысит потребление угля, потому что природный газ считается более экологичным — по крайней мере, на месте использования, а не добычи. И только после них по потреблению идут такие первичные источники энергии, как гидроэнергетика, атомная энергетика, биоэнергетика и возобновляемые источники энергии.
Металлы в качестве топлива
Топливом могут служить неорганические вещества. Потребность в экологически безопасных энергоносителях обусловлена как минимум ростом количества автомобилей на дорогах и, соответственно, выхлопных газов. Кроме того, совсем скоро роботы станут неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, а их тоже нужно чем-то питать. Роботы, используемые в помещениях, не могут работать на двигателе внутреннего сгорания по причине выхлопных газов.
Какие решения существуют? С одной стороны — водородное топливо, то есть использование водорода в качестве энергоносителя, с другой — аккумуляторные батареи. В случае с водородом главная сложность заключается в его транспортировке и хранении: это самый легкий газ. По большому счету с ним так и не научились работать в энергетике. В случае с аккумуляторами надо понимать, что, когда мы используем анод, катод и электролит, мы сразу теряем в удельных характеристиках. Если бензин несет в себе порядка 10 тысяч ватт-часов на килограмм, то в литийионных аккумуляторах это 200 ватт-часов на килограмм. Кроме того, литий не самый распространенный химический элемент в земной коре, поэтому сейчас ведутся активные поиски новых материалов как для топлива, так и для аккумуляторов. Например, самый распространенный химический элемент в земной коре, исключая кислород, — кремний. За ним идет алюминий, а после алюминия — железо, щелочные и щелочноземельные металлы.
Определенные фундаментальные предпосылки говорят о том, что неплохим топливом может оказаться алюминий. Килограмм алюминия и литр бензина по энергоемкости примерно одинаковы. Только для бензина у нас уже есть энергоустановки, которые преобразуют химическую энергию бензина в полезную, — например, двигатели внутреннего сгорания, — а для алюминия таких нет. Сегодня мы занимаемся разработкой эффективных установок по преобразованию химической энергии алюминия в полезную: электроэнергию, тепловую или механическую энергию. Идея такова: у нас есть источники электроэнергии, например гидроэлектростанции; вода течет, крутит турбину, вырабатывает ток, мы его потребляем, производим алюминий. И этот алюминий мы можем использовать как чистое топливо. Когда мы сжигаем бензин, образуются выбросы углекислого газа, CO, NOx и так далее. А когда мы сжигаем алюминий, то образуется только оксид алюминия. Он никуда не улетает. Это твердое порошкообразное вещество, которое можно отправлять обратно в цикл производства алюминия.
Правда, пока мы не можем точно сказать, каким КПД будут обладать энергоустановки на алюминии. Скажем, для двигателей внутреннего сгорания КПД известен, он достаточно низкий, на уровне 20–30%. КПД энергоустановок на алюминиевом топливе будет зависеть от способа окисления алюминия. Химическая энергия алюминия может быть преобразована в электроэнергию, например, путем прямого преобразования в процессе электрохимического окисления алюминия. В данном случае КПД варьируется от 50 до 60%. Но опять же, для организации прямого преобразования необходимо преодолеть ряд пока еще не решенных технических сложностей. На самом деле алюминий можно окислять и химически, а выделившуюся при этом тепловую энергию преобразовывать в полезную энергию по тому же принципу, как в случае с бензином. Существует ряд установок, которые показывают принципиальную возможность такого преобразования.
Окисление алюминия в нашей экспериментальной стационарной установке происходит следующим образом. Мы берем алюминий и окисляем его в воде. Образуются тепловая энергия и водород. Водород мы тут же окисляем в кислороде воздуха в топливном элементе и вырабатываем электрическую энергию. Так как алюминий можно окислять в воде с получением водорода, можно получать энергию под водой.
Энергоустановки на алюминиевом топливе разрабатываются в первую очередь для транспорта, автомобилей, чтобы была альтернатива бензину. С этой же целью сейчас, кстати, активно совершенствуются и аккумуляторные батареи для электромобилей. Здесь стоит заметить, что компания Tesla, которая сейчас выпускает и продает электромобили, имеет патенты по использованию алюминия в качестве энергоносителя.
Заправка алюминиевым топливом не должна сильно отличаться от привычной для нас заправки: приехала машина, открыла свой бак, высыпала отработанный оксид алюминия, засыпала алюминий. А оксид алюминия впоследствии отвозится на алюминиевый завод.
Разумеется, не только алюминий может использоваться в качестве топлива. Топливом могут служить и другие металлы, например железо или цинк. Их можно получать за счет использования возобновляемых источников энергии, например ветроустановок. Допустим, подул сильный ветер, и эту энергию можно пустить на производство металлов. В то же время удельные характеристики цинка не такие хорошие, как у алюминия.
Если взять металлы, о которых сейчас было сказано, высыпать на стол, то окисления не произойдет, потому как они покрыты окисной пленкой. Основная задача — придумать способ, чтобы металлы эффективно отдавали запасенную в них энергию. Для этого есть два окислителя: кислород и вода. В разработках энергоустановок с использованием в качестве окислителя кислорода мы пока не достигли существенных результатов, хотя такое окисление используется в ракетно-космической отрасли. Алюминий, например, используется как добавка к твердому топливу в ракетных двигателях.
Биотопливо
Биотопливо — это топливо, которое получено из сырья растительного происхождения. В основе его получения заложен процесс, в ходе которого углекислый газ, вода и солнечная энергия преобразуются в энергию химических связей органических соединений. Этот процесс называется фотосинтезом. Иными словами, сколько углекислого газа было преобразовано в биотопливо, столько примерно и получилось от его сжигания. Экономически биотопливо пока только в ряде случаев может конкурировать с углеводородным. Например, мы сейчас занимаемся созданием бионефти из микроводорослей. Здесь сложно говорить о конкуренции с традиционным топливом хотя бы потому, что микроводоросли, как правило, выращиваются для производства высокоценных пищевых и кормовых добавок. Стоимость такой биомассы достигает 200 долларов за килограмм.
Биоэнергетика по сравнению с традиционной, то есть углеводородной, энергетикой обеспечивает более устойчивое развитие окружающей среды. Скажем, традиционная тепловая электростанция выбрасывает много углекислого газа, который можно направить, например, в бассейн, где растут микроводоросли для последующего получения биотоплива из биомассы микроводорослей. Микроводоросли за счет высокой удельной поверхности эффективно потребляют этот углекислый газ в процессе роста. Кроме того, они могут использоваться для переработки сточных вод, которые могут служить для них возобновляемым источником питательных веществ.
Сегодня биотопливо используется там, где это экономически и географически целесообразно. Например, в Бразилии, где нет значительных традиционных запасов углеводородов, но есть хорошие климатические условия для растений. Зачастую там выращиваются сахарный тростник, кукуруза или рапс, из чего затем получают биотопливо. В России есть территории, где выращивание микроводорослей для последующего производства биотоплива выгодно, — например, Крым, Дагестан или Краснодарский край.
На мой взгляд, такие водоросли могут также использоваться как комнатные растения. Они могут находиться в некотором аквариуме и эффективно очищать воздух в помещении, обогащая его кислородом. Микроводоросли за счет своего небольшого размера имеют большую удельную поверхность, и они производят кислород на несколько порядков больше на единицу занимаемой площади, чем традиционные растения.
Двигатель для биотоплива принципиально не отличается от обычного двигателя внутреннего сгорания. Тем более биотопливо обычно используется вместе с традиционным, углеводородным топливом. В наших экспериментах мы извлекали из бионефти, полученной из биомассы микроводорослей, бензиновую фракцию, смешивали ее с обычным бензином и испытывали смесь на двухтактном двигателе внутреннего сгорания небольшой радиоуправляемой машины. Хотя мы смешивали бензин и бензиновую фракцию бионефти, никак не обработанную, изменений в эксплуатационных характеристиках работы двигателя не было отмечено.
Мне кажется, биоэнергетика — это одно из наиболее перспективных направлений с точки зрения первичного источника энергии.
Топливо из отходов
Сырьем для получения топлива могут служить также отходы, например твердые коммунальные. По данным Международной ассоциации по твердым отходам, в мире сегодня образуется более 200 миллиардов тонн различного рода мусора, из которых 2 миллиардов тонн — это твердые коммунальные отходы. В России, по данным Росприроднадзора, образуется около 3,5 миллиардов тонн отходов, из которых около 70 миллионов тонн приходится на твердые коммунальные — последние являются не самым многочисленным видом, однако это тот вид отходов, с которым каждый из нас имеет дело ежедневно. Сфера обращения с твердыми коммунальными отходами является одной из наиболее социально значимых. По данным специалистов из Всемирного банка, максимум скорости образования отходов с большой вероятностью не будет достигнут в ХХI веке.
Наши оценки показывают, что уже к 2035 году энергетический потенциал твердых коммунальных отходов может составить около 20% от энергетического потенциала угля — одного из основных первичных источников энергии, за счет которого вырабатывается до 40% электроэнергии в мире. Ожидаемый к 2035 году энергетический потенциал твердых коммунальных отходов превышает, например, ожидаемый вклад в энергетику от возобновляемых источников энергии к этому времени. При этом стоит отметить, что в данных оценках учтены только твердые коммунальные отходы, тогда как существуют также сельскохозяйственные, отходы деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, отходы животноводства, другие органосодержащие отходы и иные биоэнергетические ресурсы.
Из органической части твердых коммунальных отходов можно получить биоуголь методом гидротермальной карбонизации. За открытие данного процесса немецкий ученый Фридрих Бергиус получил Нобелевскую премию еще в 1931 году, однако до последнего времени данный процесс практически не применялся: задача утилизировать отходы не стояла столь остро.
Гидротермальная карбонизация, с помощью которой получается биоуголь, представляет собой процесс ускоренной углефикации. Данный метод наилучшим образом подходит для переработки влажных органических отходов. Одним из основных его преимуществ является высокая энергоэффективность. Согласно закону Аррениуса, с увеличением температуры скорость химических реакций возрастает по экспоненциальному закону. Соответственно, чтобы получить уголь из биомассы или органических отходов в течение нескольких минут, необходимо повысить температуру до 200–250 °C. Это не очень высокие температуры, мы имеем с ними дело на кухне, в духовке. Когда что-то подгорает в духовке, образуется уголек. По сути это тоже биоуголь.
