;
Кейсы 23 апреля 2021

Сила вулканов, водорослей и бумаги: неочевидные альтернативные источники энергии

Далее

В поисках альтернативы ископаемым видам топлива ученые по всему миру работают над созданием и внедрением в эксплуатацию новых источников энергии. Всем известно о ветряных электростанциях и солнечных батареях. Рассказываем о более неочевидном топливе — на смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и бумаги.

Водоросли

Один из способов, которым человечество начинает бороться с истощающимися запасами энергии, — это создание топлива из биомассы. Процесс производства аналогичен созданию нефти из органических материалов. Основное отличие состоит в том, что для получения топлива из биомассы требуются дни, а не миллионы лет.

Одним из источников топлива будущего являются водоросли — небольшие водные организмы, которые преобразуют солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Ученые и инженеры по всему миру исследуют лучшие штаммы эукариотических водорослей и разрабатывают наиболее эффективные методы ведения сельского хозяйства.

Этот потенциал быстрого производства в сочетании с потенциалом производства бесконечного количества биомассы приводит к теоретически бесконечному источнику энергии. Во всяком случае, более возобновляемому, чем нефть, уголь и газ, и вот почему.

Микроводоросли — это крошечные одноклеточные растения, которые растут в море и улавливают углерод посредством фотосинтеза. Эти растения когда-то были доисторическим источником сырой нефти, которая сегодня добывается из земной коры. Миллионы лет назад цветущие водоросли умерли и погрузились на морское дно. В конце концов, высокое давление и температура земной коры превратили остатки микроводорослей в сырую нефть. Сегодня биотопливо, полученное из водорослей, пытается ускорить этот процесс, создавая условия, необходимые для извлечения масел из липидов микроводорослей.

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объему газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное экотопливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

У этого вида топлива пока есть ограничения.

В течение более пяти лет, начиная примерно с 2005 года, компании, производящие биотопливо из водорослей, в том числе такие, как Algenol, Sapphire Energy и Solazyme, привлекли сотни миллионов долларов инвестиций в частный сектор, обещая, что химическая инженерия водорослей может увеличить производство десятков видов водорослей — миллионов галлонов топлива в течение нескольких лет по ценам, конкурентоспособным с ископаемым топливом. Преобразование топлива из водорослей в основном основано на высокой концентрации липидов в сырье: жирных, маслосодержащих молекул кислоты, которые могут быть извлечены для создания биотоплива.

Спустя почти 15 лет мир зеленых технологий разлюбил водорослевое биотопливо. Несмотря на большие суммы, потраченные на разработку процесса конверсии, амбициозные производственные цели отрасли — не говоря уже о конкурентоспособности ископаемого топлива по ценам — остаются далекой мечтой. С точки зрения затрат, значительное снижение цен на нефть в 2008 и 2014 годах, безусловно, не способствовало повышению конкурентоспособности биотоплива, но технические проблемы также оказались серьезным камнем преткновения. Возникли трудноразрешимые проблемы с точки зрения энергетического баланса экстракции липидов, поддержания подходящих условий выращивания в открытых прудах и огромных объемов воды, CO₂ и удобрений, необходимых для того, чтобы водоросли могли фотосинтезировать достаточно быстро в больших масштабах.

Вулканы

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. Исследования проводились на спящем вулкане в штате Орегон, США. Соленую воду закачали глубоко в горные породы. Благодаря распаду радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли температура в недрах очень высока. При нагреве вода превратилась в пар. Он подается в турбину, которая и вырабатывает электроэнергию.

На сегодняшний день существуют пока две действующие электростанции, которые используют такую технологию. Одна во Франции, а другая — Германии. Вообще, по оценкам геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Очень горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Вулкан Западный Мату извергается в 2009 году. Изображение любезно предоставлено Национальным управлением океанических и атмосферных исследований. Предоставлено: Национальное управление океанических и атмосферных исследований.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Кроме того, недавнее исследование показало, что извержения вулканов глубоко в океанах могут вызывать чрезвычайно мощные выбросы энергии со скоростью, достаточной для того, чтобы обеспечить энергией все Соединенные Штаты.

Долгое время считалось, что извержения глубоководных вулканов относительно неинтересны по сравнению с извержениями на суше. Хотя наземные вулканы часто вызывают впечатляющие извержения, рассеивая вулканический пепел в окружающей среде, считалось, что морские извержения на глубине вызывают только медленно движущиеся потоки лавы.

Но данные, собранные с помощью дистанционно управляемых аппаратов глубоко в северо-восточной части Тихого океана и проанализированные учеными из Университета Лидса, выявили связь между тем, как рассеивается пепел во время извержений глубоководных океанов, и образованием больших и мощных столбов нагретой воды, поднимающихся из дно океана, известное как мегаплюмы.

Эти мегаплюмы содержат горячую, богатую химическими веществами воду и действуют так же, как атмосферные шлейфы, видимые от наземных вулканов, распространяясь сначала вверх, а затем наружу, унося с собой вулканический пепел. Размер мегаплюмов огромен, объем воды эквивалентен 40 миллионам плавательных бассейнов олимпийского размера. Они были обнаружены над различными подводными вулканами, но их происхождение осталось неизвестным. Результаты нового исследования ученых из Университета Лидса показывают, что они быстро образуются во время извержения лавы.

Исследователи разработали математическую модель, которая показывает, как пепел от этих подводных извержений распространяется на несколько километров от вулкана. Они использовали структуру пепла, образовавшегося в результате извержения одного из подводных вулканов, чтобы реконструировать его динамику. Это показало, что скорость высвобождения энергии, необходимая для переноса пепла на наблюдаемые расстояния, чрезвычайно высока — эквивалентна мощности, используемой всеми Соединенными Штатами.

Бумага

Технология, созданная в Японии компанией Sony, вырабатывает электричество, превращая измельченную бумагу в сахар, который, в свою очередь, используется в качестве топлива. Команда, стоящая за проектом, сказала, что такие биобатареи безвредны для окружающей среды, поскольку в них не используются вредные химические вещества или металлы.

Процесс основан на использовании фермента целлюлазы для разложения материалов на глюкозный сахар. Затем они объединяются с кислородом и другими ферментами, которые превращают материал в электроны и ионы водорода. В проекте электроны использовались батареей для выработки электричества. Вода и кислотный глюконолактон, который обычно используется в косметике, были созданы как побочные продукты.

Исследователи, участвовавшие в проекте, сравнили этот процесс с механизмом, который используют термиты для переваривания древесины и превращения ее в энергию. Их работа основана на предыдущем проекте, в котором они использовали фруктовый сок для питания музыкального плеера Walkman.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. С презентации проекта прошло много лет, но пока технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало — его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

Что в итоге?

Люди используют ископаемые как основной источник энергии. Проблема в том, что они рано или поздно теоретически могут закончиться. Но люди могут до этого момента и не дожить из-за глобального потепления и изменения климата. Ученые и энтузиасты ищут новые источники энергии ежедневно. Не все из них очевидны и станут коммерчески успешными сразу, но работа в таком направлении — уже прогресс, который может помочь нашему существованию. Время забросить широкую сеть.


Читать далее

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

Посмотрите на потоки марсианской пыли от вертолета Ingenuity

Вертолет Ingenuity успешно взлетел на Марсе

Загрузка...