Альтернативные способы получения энергии

0

Человечеству можно не опасаться энергетического и экологического кризиса, связанного с истощением запасов нефти, газа, угля и урана. Наши авто будут ездить на водороде, производимым вирусами, а отапливать дома мы сможем банановыми дровами.

Биотопливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).

На сегодняшний день современные разработки ученых позволяют получать биотопливо практически из любых подручных материалов. Например, в Австралии был создан агрегат, который работает на отходах пивоварения, а в США было налажено производство биодизеля из животных жиров. Хотя самым популярным биотопливом является этанол, а способом его получения – брожение различных сельскохозяйственных культур и древесины. Но ученые все время придумывают новые источники альтернативной энергии.

Вирусный газ

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (США) под руководством Анжелы Белчер нашла способ повторить в лабораторных условиях процессы, происходящие при фотолизе воды в растительной клетке, сообщает электронный журнал «Живые Системы» (biorf.ru). В результате такого расщепления молекул воды под действием солнечного света высвобождается большое количество водорода — перспективного альтернативного топлива.

В своей работе учёные использовали генетически-модифицированный бактериофаг М13 — безвредный для человека вирус, поражающий только бактерии. В процессе протекания реакции вирус модифицировался и собирал на себя наноразмерные компоненты, необходимые для фотолиза. Вирус связывался с молекулами оксида иридия, выступающих катализаторами, а также с клеточным пигментом цинк-порфирином, выполняющим роль антенн для улавливания света. Таким образом, вирус выступил своеобразным «проводником» света от пигмента до каталитического реакционного центра. В результате получилась эффективная система для фотолиза воды.

Однако одним из недостатков этой конструкции стала способность этих частиц со временем объединяться, что негативно отражалось на реакционной способности системы. Сотрудникам лаборатории удалось преодолеть это, инкапсулировав каждую самосборную частицу и закрепить на матриксе из микрогеля, что придало им стабильности на более продолжительное время.

По словам авторов, несмотря на то, что получение водорода является более востребованной прикладной реакцией, в частности в связи с активным развитием направления альтернативной энергетики, пока они сосредоточили своё внимание на той части процесса расщепления воды, где выделяется свободный кислород. И вместо того, чтобы заимствовать у растений компоненты для проведения фотолиза, специалисты решили имитировать сами методы. В дальнейшем учёные планируют заменить дорогой иридиевый катализатор на более доступный. Кроме того, необходимо усовершенствовать систему для фотолиза, сосредоточившись уже непосредственно на реакции получения водорода. По словам Анжелы Белчер, возможно уже в течение ближайших двух лет им удастся создать прототип устройства, которое сможет полностью осуществить весь процесс расщепления воды на кислород и свободный водород.

«Банановые дрова»

Британский аспирант Джоэл Чейни из Ноттингемского университета изобрел способ переработки банановой кожуры, стеблей и листьев в экологичное топливо.

Эта идея, как пишет топливный портал fuelalternative.com.ua, посетила исследователя во время поездки в Руанду, где, как и во многих других странах Африки, бананы используются не только как универсальный пищевой продукт, но также как сырье для перегонки спиртных напитков. В итоге от растения остается большое количество кожуры, листьев и ветвей, которые сами по себе непригодны для сжигания в печи. Таким образом, вернувшись в Великобританию, учёный начал эксперименты по превращению отходов с банановых плантаций в экологичное и дешевое топливо. Результатом проделанной работы стала следующая технология: сначала следует измельчить подгнившую кожуру, ветки и листья в однородную массу, затем к полученной массе добавить древесных опилок, сформировать получившееся сырое топливо в брикеты и после этого просушить его. Через две недели сушки на солнце топливо полностью готово к использованию.

Как утверждает создатель «банановых дров», при сгорании они создают ровный поток тепла, идеальный для приготовления пищи и освещения жилища. Джоэл Чейни надеется, что брикеты спрессованных отходов избавят жителей Африки от необходимости вырубать леса и тратить время на сбор хвороста.

Зеленый дизель

Все больше стран делают сегодня ставку на замену традиционных видов топлива биологическим, примером могут служить этанол либо масла, получаемые из зерна, кукурузы и сахарного тростника. Но продуцентами масел могут быть не только наземные, но и водные растения. Испанская компания Bio Fuel Systems представила технологию производства биодизеля, где сырьем являются водоросли, искусственно выращиваемые в любых водоемах, сообщает журнал «Коммерческая биотехнология» .

Технологию разработали немецкие ученые из Института Биоинженерии. Одноклеточные зеленые водоросли образуют богатую энергией растительную биомассу, которая является источником активной субстанции (биологической добавкой) для производства дизельного биотоплива. По мнению исследователей, морские водоросли являются наиболее эффективными и неприхотливыми микроорганизмами на Земле, способными поглощать солнечную энергию и превращать её в маслянистую биомассу для получения биотоплива, практически эквивалентного по свойствам сырой нефти. Водоросли в процессе жизнедеятельности производят и накапливают капельки твёрдых липидов по тому же принципу, по которому жир накапливается в организме животных. Эти капельки с помощью специальных технологий преобразуются в жидкое состояние. Ряд последующих действий с получившимся жидкими липидами приводит к превращению органических масел в биодизельное топливо для автомобилей и грузовиков, а в перспективе – и в топливо для авиации.

При росте водоросли интенсивно употребляют углекислый газ, и промышленного происхождения тоже, а это дает перспективу улучшения экологической ситуации в мире. Поскольку при производстве биотоплива углекислый газ является побочным продуктом, а водоросли способны его утилизировать, это биотопливная технология намного экологичнее прочих.

Помимо создания замкнутого цикла, в котором происходит как выработка, так и поглощение углекислого газа, водоросли имеют ряд других преимуществ. Так, например, они дают в 40 раз больше топлива, чем пальмовое масло, а их урожайность выше урожайности любой зерновой культуры в 100 раз. «По сравнению с наземными растениями водоросли производят в 5 раз больше биомассы на гектар и содержат 30-40% масла, пригодного для получения энергии», – говорит профессор Клеменс Постен, руководитель исследовательской группы.

Вечный двигатель

Привлечение нанотехнологий открыло возможность существенно снизить стоимость получаемых из водорослей масел за счет многократной наработки биомассой органических веществ.

Существенно снизить стоимость биотоплива, пишут «Живые Системы» (biorf.ru), можно, если выращенные организмы будут не погибать при выделении из них липидов и жирных кислот, а оставаться живыми и способными вновь вырабатывать и аккумулировать органические соединения.

Эту, на первый взгляд невероятную, задачу удалось осуществить американским учёным из Департамента энергетики США в Эймсе и Университета штата Айова. Сочетание решений био- и нанотехнологий, получившее название nanofarming (агронанотехнология), представляет превосходные перспективы для промышленности.

Коммерциализацией проекта занимаются организации-разработчики и еще несколько крупных организаций, специализирующихся на нано- и биотопливной продукции.
В новой технологии интегрированы подходы нанотехнологии, химии и катализа.

Мезопористые (имеющие наноразмерные поры) наночастицы экстрагируют масла из живых клеток водорослей, а для дальнейшего высокоэффективного выделения масла применяется специально разработанный и запатентованный катализатор Catilin.

Внедрение нового метода пройдет в три этапа: сначала будут подобраны наилучшим образом подходящие для культивации и производства масел виды водорослей, затем будет оптимизирована экстракция с помощью наночастиц и каталитическая технология: выделение масла из системы и его переработка в биодизельное топливо. Третья стадия — это масштабирование технологии и её непосредственное тестирование в промышленном формате.

Учёные полагают, что успешный запуск этой технологии, использующей колоссальный биотопливный потенциал водорослей, может кардинальным образом изменить ситуацию с энергетикой, начав эру воспроизводимых источников энергии, которые можно сравнить с вечным двигателем.

Оливковый спирт

Как пишет «Компьюлента» со ссылкой на материалы eScienceNews.Com, ученые из университетов Хаэна и Гренады (Испания) нашли способ переработки оливковых косточек в биоэтанол, — топливо, которое производится из растительного сырья и сможет в будущем заменить бензин и дизельное топливо. Это дает возможность использовать четыре миллиона тонн косточек, ежегодно выбрасывающихся при производстве оливкового масла и столовых оливок. По словам исследователя Себастьяна Санчеса, низкая стоимость транспортировки и переработки косточек оливок делает их привлекательными в качестве сырья для биотоплива.

Оливковая косточка составляет до четверти массы плода. Она богата полисахаридами, которые можно разложить на короткие молекулы углеводов и ферментировать в этанол. Технология, предложенная учеными, состоит из обработки косточек горячей водой под давлением и последующего добавления ферментов, перерабатывающих целлюлозу растения в углеводы. Гидролизат, полученный таким образом, ферментируется дрожжами для получения этанола. В лабораторных условиях достигнут выход 5,7 килограмма этанола из ста килограммов оливковых косточек.

Количество косточек, производимое пищевой индустрией, относительно невелико. Но если распространить принцип переработки отходов на другие отрасли пищевой и сельскохозяйственной промышленности, выход энергии может быть значительным.

Биотопливо не пахнет

В качестве источника для биотоплива можно использовать и навоз крупного рогатого скота, да и вообще любые экскременты. При переработке навоза без доступа кислорода из него получается биогаз метан, который можно использовать для выработки электроэнергии.

Согласно отчёту в журнале Environmental Research Letters, сообщает membrana.ru, американские ученые подсчитали, что около 7% всех вредных для экологии выбросов в США "генерирует" сельское хозяйство – в виде помёта домашних животных. Выделяемые при разложении оксид азота (N2O) и метан (CH4) нагревают атмосферу в 310 и 21 раз более интенсивно, чем углекислый газ. Поэтому утилизация навоза может снизить уровень экологического загрязнения. Однако при сжигании такого биотоплива – метана – также выделяется углекислый газ. Поэтому эксперты из Межправительственной группы по изменению климата сравнивали два гипотетических сценария. Согласно первому, все идет своим чередом – навоз оставляют разлагаться естественным путем, а для выработки энергии используется уголь. Второй предусматривает, что отходы скота перерабатываются в биогаз и используются вместо угля. Ученые пришли к потрясающим результатам. Выброс углекислого газа при сжигании биотоплива намного меньше соответствующего при сжигании угля. А сотни миллионов голов скота, обитающих в США, могут обеспечивать приблизительно 100 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, что хватит для снабжения миллионов домов. Кроме того, утилизация навоза снизит выбросы парниковых газов на 99 миллионов тонн, что соответствует 4% выбросов электростанций.

Биотопливо не является новейшим изобретением человечества. Люди издавна отапливали свои дома дровами и соломой. Но современная наука дала новый виток производству альтернативного горючего. Уже готовы проекты по получению топлива из арбузов, кофе, одуванчиков. И вскоре кадры из фантастической трилогии «Назад в будущее», в которых доктор Браун заправляет свою машину с помощью портативного реактора,

вырабатывающего энергию из мусора и пищевых отходов, уже не будут казаться такими фантастичными.

Подготовила Кристина Серебрякова

Поделиться.

Комментарии закрыты