Энергия из воздуха, виски, фекалий и другие удивительные проекты

  • 27 октября 2017
Автобус Правообладатель иллюстрации Wessex Water
Image caption Биоотходы одного человека за год могут обеспечить такой автобус топливом на 60 км

Российские ученые разработали способ утилизации углекислого газа и преобразования его в топливо. В случае реализации их идея позволит аккумулировать и использовать энергию, добытую так называемым чистым путем - буквально из воздуха.

О возможности накапливать энергию и одновременно перерабатывать вредные выбросы в атмосферу сообщило 17 октября 2017 года издание сибирского отделения РАН "Наука в Сибири".

Водород (H2), который высвобождается в результате электролиза воды, при определенных условиях реагирует с углекислым газом (CO2), который ученые предлагают брать прямо из воздуха. В результате химической реакции получается метан CH4 и вода.

"Энергия в этом топливе хранится в форме химических связей, и ее можно использовать по мере потребности. Инфраструктура для таких технологий уже существует - способные транспортировать CH4 на большие расстояния газопроводы, хранилища, системы доставки к конечному потребителю", - рассказала научный сотрудник Института катализа им. Г.К.Борескова СО РАН кандидат химических наук Жанна Веселовская.

Добыть углекислый газ можно где угодно, но для этого необходим сорбент, который будет "собирать", то есть концентрировать CO2. В качестве сорбента ученые новосибирского института использовали карбонат калия (K2CO3).

Чтобы ускорить процесс концентрации CO2, ученые подключили к реакции пористый носитель (похожий на губку с наноразмерными порами, пишет "Наука в Сибири"), специально разработанный ими для этой реакции.

Немецкая угольная электростанция. Сентябрь 2017 года Правообладатель иллюстрации Sean Gallup/Getty Images
Image caption Содержание углекислого газа в атмосфере планеты стремительно растет

"Тот факт, что карбонат калия взаимодействует с углекислым газом на воздухе, хорошо известен и открыт не нами. Сорбенты на основе карбоната калия тоже изучались ранее. Вместе с тем работ по применению этих материалов для сорбции углекислого газа из воздуха практически не было - равно как и по совмещению технологии концентрирования атмосферного CO2 с его последующим метанированием", - передает издание слова Веселовской.

В действительности все не так просто. Из школьного курса химии известно, что водород и углекислый газ реагируют напрямую лишь при высокой температуре, что требует дополнительной энергии.

Однако недавно химики из университета Дьюка в США нашли способ упростить эту реакцию. Они обнаружили, что при наличии ультрафиолета и катализатора - наночастиц родия - реакция получения метана из водорода и углекислого газа протекает легко и быстро.

Такой процесс получения синтетического газового топлива становится не только энергоэффективным, но и максимально чистым.

Резкий скачок

Мы уже привыкли к тому, что энергия добывается из воды, из ветра, из солнечных лучей. Но они есть не везде.

Воздух же и углекислый газ в его составе есть всюду. И концентрация СО2 в земной атмосфере растет - люди дышат, печи горят, двигатели выбрасывают отработанный газ.

график

Диоксид углерода - один из парниковых газов. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере планеты равно 400 ppm (долей на миллион). Это значит, что в одном кубометре воздуха 400 мл CO2.

На протяжении сотен тысяч лет в атмосфере Земли не было такого объема CO2, какой мы наблюдаем в последние несколько десятков лет. Это заставляет ученых искать новые способы добычи чистой энергии.

Холодно, тепло, горячо

Существуют проекты, позволяющие добывать энергию из лавы, растительного масла, человеческих тел и отходов жизнедеятельности, а также микроорганизмов, мусора и некоторых напитков.

Самым очевидным из вышеперечисленного кажется жидкая магма: она раскаленная, у нее огромный объем тепловой энергии - так почему бы этим не воспользоваться?

Но использование жидкой магмы в качестве источника энергии не распространено: за это пока взялись лишь в Исландии. В рамках проекта Iceland Deep Drilling бур "Тор" сверлит Срединно-Атлантический хребет земной коры, который проходит через остров Исландия.

Геотермальная электростанция в Исландии, участвующая в проекте The Iceland Deep Drilling. Март 2017 года. Правообладатель иллюстрации HALLDOR KOLBEINS/AFP/Getty Images
Image caption Геотермальная электростанция в Исландии, участвующая в проекте The Iceland Deep Drilling

На глубине в несколько километров, в условиях огромного давления вода нагревается расплавленной магмой до сверхкритического состояния, при котором исчезает различие между жидкостью и газом. Сверхкритическая вода, имеющая температуру 400-600 градусов по Цельсию, извлекается на поверхность и используется в качестве источника энергии.

Как замечает в своей статье Пит Роули, вулканолог из Университета Портсмута, сверхкритическая вода может генерировать энергию объемом до десяти раз больше, чем обычные геотермальные источники. Потенциальными местами ее добычи могут стать территории, где находятся молодые вулканы.

Нагретая лавой до сверхкритического состояния вода может быть источником энергии Правообладатель иллюстрации BERNARD MERIC/AFP/Getty Images
Image caption Нагретая лавой до сверхкритического состояния вода может быть источником энергии

В качестве альтернативных и возобновляемых источников энергии ученые рассматривают не только высокотемпературные. Некоторые специалисты уверены, что температуры человеческого тела может быть вполне достаточно.

Шведская компания Jernhusen еще несколько лет назад придумала, как обогревать здание в Стокгольме энергией теплом тел пассажиров расположенного рядом Центрального вокзала.

Как отмечала компания, она не отнимала тепло у пассажиров, а лишь использовала избыточное - то, что все равно бы ушло в атмосферу.

Этот способ экологичен, но у него есть свои минусы. Для того, чтобы транспортировать такую энергию из одного здания в другое, нужно, чтобы они находились относительно близко, а людской поток в помещении-источнике должен быть интенсивным. Это сужает возможности применения технологии.

То же самое можно сказать о способе, который предложила американская компания EnGoPlanet: она установила в Лас-Вегасе фонари, которые обеспечиваются электричеством благодаря кинетической энергии - аккумуляторы заряжаются, когда мимо кто-то проходит.

Один человеческий шаг генерирует 4-8 ватт, но чтобы фонари работали всю ночь, нужно много прохожих. Это реально, но применимо не везде.

Шокирующие технологии

В Дании, Швеции и Британии крематории продают избытки энергии, которая получается в результате сжигания тел умерших. Эта энергия идет на обогрев домов, а британский крематорий в Дареме даже преобразовывает ее в электричество.

Крематорий в Мьянме. Июнь 2017 года. Правообладатель иллюстрации YE AUNG THU/AFP/Getty Images
Image caption В некоторых странах крематории продают избытки энергии, которая получается в результате сжигания тел

За одну кремацию выделяется энергия, которой хватит на питание полутора тысяч телевизоров в течение часа. Кого-то такой источник энергии может шокировать, но сторонники этой идеи считают, что вклад в экологию - достаточный аргумент.

Неоднозначным выглядит еще один источник энергии - фекалии. Так называемый Bio-Bus, который отправила на британские дороги бристольская компания GENeco, ездит на полученном из фекалий биогазе.

За один 15-мильный маршрут Bio-Bus отрабатывает отходы более 30 тысяч домохозяйств. Сначала он ездил между городами Бат и Бристоль, затем его пустили и по улицам Бристоля.

Технология подобная той, что использует GENeco, применяется широко по всему миру, рассказывает на своем сайте норвежская компания Cambi. Запатентованный ей способ термального гидролиза используют в более чем 20 странах мира.

Фабрики, перерабатывающие навоз. Германия, 2016 год. Правообладатель иллюстрации Sean Gallup/Getty Images
Image caption Фабрики по переработке навоза активно строят в Германии с 2000-х годов

Он применяется в том числе и на заводе по переработке биоотходов в Вашингтоне. Биомассу нагревают под высоким давлением примерно до 160℃, после чего она проходит процедуру анаэробного (то есть в отсутствие кислорода) разложения. В результате получается биогаз, который потом и становится источником энергии.

"Когда в следующий раз вы будете нажимать на кнопку слива в своем туалете в столице [американской] нации, учтите, что вы - или, точнее, то, что вы слили, - помогает генерировать чистую энергию", - писала газета Washington Post.

Не только биомасса годна для переработки в топливо, но и твердый мусор. Это хорошо усвоили в Швеции - процент мусора, который отправляется на свалки, там стремится к нулю. Почти все отходы перерабатываются, в том числе в тепло и электричество. Мусор же на свалках выделяет метан и вредит экологии.

С этим также пытаются бороться британские компании Bio-Bean и Celtic Renewables. Первая была основана в 2013 году и занимается переработкой отходов кофейной индустрии в биотопливо. Среди ее партнеров - крупная сеть кофеен Costa Coffee, чьи производственные отходы на территории Британии составляют примерно 3 тысячи тонн в год.

Celtic Renewables же занимается сбором и переработкой отходов от производства скотча, которым занимается сотня вискокурен в Шотландии. Чистый виски на выходе из дистиллятора составляет лишь 10% от общего объема сырья, остальное идет в отходы.

Celtic Renewables перерабатывает эти отходы в электричество, а также путем ABE-брожения (процесса ацетоно-бутилового разложения углеводов, открытого в начале XX века химиком Хаимом Вейцманом) синтезирует топливо для дизельных двигателей. В июле 2017 года компания впервые продемонстрировала автомобиль на своем "вискотопливе".

Вид на аэропорт Мюнхена из иллюминатора самолет Правообладатель иллюстрации Alexander Hassenstein/Getty Images
Image caption Современный самолет может летать не только на авиакеросине

Возможно, уже скоро заправка автомобиля топливом, полученным из виски или кофе, перестанет казаться чем-то из ряда вон выходящим. Как и самолет на растительном масле.

В мае 2017 года авиакомпания Singapore Airlines отправила в рейс Сан-Франциско - Сингапур первый лайнер, заправленный керосином с добавкой топлива из отработанного растительного масла. Тогда компания объявила, что планирует запустить по этому маршруту еще 12 таких рейсов в течение трех последующих месяцев.

Ранее на подобное решилась китайская авиакомпания Hainan Airlines в марте 2015 года - ее самолет выполнил рейс из Шанхая в Пекин на топливе, частично синтезированном из отработанного растительного масла.

Биотопливо, сделанное из масла, при сгорании выделяет меньше вредных веществ, чем нефтепродукты. Кроме того, его использование позволит снизить потребность в добыче углеводородов.

Но у него есть и минусы: эксперты опасаются, что переход на растительное биотопливо повлечет вырубку лесов ради расширения плантаций пальм, из которых добывают масло.

.

Новости по теме