9 июня 2017
Альтернативная энергетика: что придумали новосибирские учёные?
Как в ближайшем будущем мы сможем получать электричество и обогревать дома? Что позволит людям слетать на Марс?
Ученый секретарь Института катализа СО РАН, д.х.н. Денис Владимирович Козлов
Казалось бы, уже давно открыты и работают основные источники электроэнергии и тепла. Но не всё так просто. Даже маленький Бердск сегодня имеет проблемы с обеспечением новых объектов электричеством. Запасы угля и газа не бесконечны, к тому же эти виды топлива не экологичны.
О самых перспективных разработках в области альтернативной энергетики «Свидетелю» рассказал Денис Козлов, учёный секретарь Института катализа СО РАН, доктор химических наук, профессор РАН.
Первое, что приходит в голову неспециалисту, когда речь заходит об альтернативной энергетике, это солнечные батареи и ветряные генераторы.
— Солнечные батареи — отнюдь не далёкое будущее, — утверждает Денис Владимирович. — Такую энергию выгодно использовать там, где её невозможно провести по проводам. Уже сейчас её используют, например, за полярным кругом или в отдалённых деревнях Горного Алтая.
Энергия ветра активно применяется в странах северной Европы; например, в Голландии или Дании. В России самые крупные ветроэлектростанции находятся в Крыму.
Однако существуют и другие интересные, хотя и не столь широко известные публике, технологии. Например, термохимическое преобразование солнечной энергии. В этом случае с помощью солнечного излучения из углекислого газа и воды синтезируют метан, который можно сжигать для получения тепловой энергии в тёмное время суток. Метан также стоит использовать в современных топливных элементах.
К основным видам альтернативной энергетики относят: солнечные электростанции, ветроэнергетику, геотермальную и водородную энергетику, биотопливо, а также управляемый термоядерный синтез и космическую энергетику, которые на данный момент не используются.
К альтернативным видам относится водородная энергетика в её самом широком понимании. Водород можно получить разными способами, в первую очередь — путём разложения воды. Его запускают в топливные элементы для получения электричества или используют напрямую для получения тепла.
Главное, что сегодня сдерживает повсеместное применение такой технологии, это проблема транспорта водорода. В баллонах его перевозить невыгодно, поэтому разрабатываются специальные материалы, способные адсорбировать водород, а потом, когда понадобится, отдавать его.
Затрудняет развитие водородной энергетики и проблема получения водорода. Электролиз воды имеет низкий КПД (коэффициент полезного действия). Но есть другие химические и, в частности, фотокаталитические технологии, которые как раз развиваются в нашем институте и уже находятся на конечной стадии фундаментальных исследований.
По прогнозам ассоциации «Глобальная энергия», к середине нынешнего века традиционные источники энергии начнут терять свой вес в пользу более чистой энергии, а к 2100 году доли нефти и угля составят 2,1% и 0,9% от общего энергетического баланса, соответственно. В то же время доля термоядерной энергетики превысит 11%.
Согласно результатам исследований, через 15 лет крупнейшим производителем топливно-энергетических ресурсов будет США (24%), второе место займёт Россия (21%), третье — Китай (16%). Однако через 50 лет, по оценкам экспертов, на первое место способна выйти Россия (19%), за ней на второе место переместится Китай (18%), а США «опустится» до третьего места (17%).
Умные стены
— Ещё одно перспективное направление, актуальное для Сибири, это селективные сорбенты воды, — рассказывает Денис Козлов.
— Это целый класс композитных материалов, некая матрица неорганической природы, пропитанная определёнными солями. Селективные сорбенты воды (ССВ) могут в большом количестве забирать влагу из воздуха и отдавать её обратно. Днём под воздействием солнца они высыхают, а ночью, наоборот, накапливают влагу, отдавая тепло. На основе этих материалов в нашем институте создаются тепловые машины и насосы, которые можно использовать для обогрева «умных» домов, встроив в конструкцию стен.
Потенциал у разработки очень хороший, уже есть прототипы таких машин, исследование подходит к прикладной стадии.
На Земле и в космосе
Учёные научились получать биодизельное топливо из растительного сырья; например, из рапсового масла. А технологии искусственного фотосинтеза помогут человечеству слетать на Марс.
— В Европе существует регламент, по которому к дизельному топливу из нефти добавляют 10% биодизельного топлива. Экономия получается колоссальная! — объясняет собеседник корреспонденту «Свидетеля».
— Экономия не только в деньгах. При использовании биодизельного топлива в качестве добавки мы на 10% сокращаем выбросы в атмосферу углекислого газа, а значит, и парниковый эффект.
Причём такая технология может давать не только топливо, но и массу других ценных продуктов для химической промышленности или фармацевтики. В растениях проходят очень сложные биохимические циклы, образуя сложные вещества, которые мы до сих пор не можем синтезировать.
Технология искусственного фотосинтеза, помимо того, что нужна нам на Земле, пригодится в космосе, если мы хотим полететь на Марс.
Наш организм — это топка. Он поглощает еду и кислород, выделяя при дыхании углекислый газ и воду. То же происходит на космическом корабле. Если воду мы научились рециркулировать, то весь углекислый газ, выдыхаемый космонавтами, выбрасывается за борт. Если мы сможем реализовать технологию замыкания углеродного цикла и начнём синтезировать из СО2 хотя бы какие-то органические вещества, то у нас отпадёт необходимость постоянно отправлять грузовые корабли с кислородом и продуктами питания на космические станции. А значит, мы сможем летать дальше от Земли.
В сутки один человек потребляет около одного килограмма кислорода. На Земле мы про это не думаем, но доставка на орбиту каждого килограмма груза стоит 25 тысяч долларов. Если удастся даже часть кислорода возвращать в дыхательный цикл, это будет огромная экономия. Полёт на Марс занимает 500 дней туда и столько же — обратно, так что на каждого космонавта нужно как минимум 1000 килограммов кислорода. Посчитайте, во сколько это обойдётся!
«Долина смерти»
Денис Козлов рассказал, что многие разработки российских учёных вынуждены преодолевать искусственную пропасть между фундаментальными исследованиями (их финансируют государственные фонды) и запуском в производство (на это выделяют деньги компании-производители.
— Между этими двумя этапами учёным приходится самими перебрасывать мостик, работая практически на голом энтузиазме.
При этом для развития альтернативной энергетики нужны колоссальные средства. Наша страна пока не может себе этого позволить, потому что главное сейчас — хоть как-то поднять ВВП и позволить людям жить немного лучше. Так что сейчас этим занимается кучка энтузиастов за небольшие деньги. Но не заниматься этим нельзя — иначе мы ещё больше отстанем от остального мира.
Конечно, можно продолжать жить на угле и газе, продавая за рубеж большую часть добываемых нефти и газа. Но регресс – это не только, когда ты идёшь назад, но и когда стоишь на месте, в то время как другие развиваются. Однажды может оказаться, что наши углеводороды уже никому не будут нужны.
Альтернативная энергия сегодня в нашей стране – это задел на будущее. Мы должны оставаться в тренде и не потерять позиции, которые во многом были завоёваны ещё во времена СССР. Кроме того, нельзя сбрасывать со счетов экологический фактор, ведь «чистая энергия» не зря так называется. Она поможет решить проблему не только с углекислым газом, но также с другими вредными соединениями, которые выделяются при сжигании и переработке органического топлива, в том числе с диоксидом серы.
В 2005 году в Бердске на территории БЭМЗа было начато строительство гелиоаэробарической теплоэлектростанции. Принцип её работы заключался в использовании энергии теплообменных процессов, происходящих в атмосфере под действием солнечного света.
На строительство 24-метровой башни был получен кредит в пять миллионов рублей. Но планы по развитию и масштабированию проекта, а именно строительству более крупной солнечно-ветряной станции мощностью на 500-1000 киловатт, так и остались не реализованными.
фото из архива Дениса КОЗЛОВА, коллаж Ольги КАШИНОЙ
