Все они призваны заменить ископаемые углеводороды, которых остается всё меньше на планете на возобновляемые источники энергии - солнце, верер, биомассу и т.д. Однако главная проблема заключается не в преобразовании энергии, а в ее хранении и транспортировке. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Бензин и дизельное топливо - жидкие углеводороды с высокой удельной плотностью энергии. Они весьма удобны для транспортировки и хранения так как не требуют для этого сложного специального оборудования. Баки для их хранения простые, легкие и дешевые, не требующие никаких высоких технологий или дорогих, дефицитных материалов.
Минус у бензина и дизтоплива один и весьма увесистый - все они получаются с помощью переработки нефти и в процессе сжигания отравляют атмосферу. Впрочем, баланс всё равно складывается в пользу ископаемых углеводородов. Этим и объясняется их широчайшее использование в мире.
Электричество
Электричество относительно углеводородов значительно чище с экологической точки зрения. Его легко добывать из дармовой энергии солнца с помощью солнечных панелей или термопреобразователей. Это хорошо преверенные технологии, которые продолжают совершенствоваться. Процесс преобразования становится всё дешевле. Однако, у электричества есть один огромный минус - его сложно хранить.
Для хранения электроэнергии используются электрические батареи. Самые современные литий-ионные батареи весьма тяжелы и дороги. И если сама электроэнергия ничего не весит и имеет казалось бы бесконечную плотность энергии, вкупе с аккумуляторной батареей она проигрывает по плотности энергии бензину и тем более дизельному топливу.
Так лучшие современные батареи имеют плотность энергии примерно 250 Вт на кг. или около 200 кВт.ч. на м2 объема. При этом, средний седан потребляет около 8,6 литра бензина на 100 км. пробега, что соответствует примерно 20 кВт механической энергии. Поэтому батарея необходимая для пробега 500 км. весит около 500 кг. и иметь объем около 2,5 м2.
Водород
Водород - отличный источник энергии, газ. Он совершенно безвредный и его легко добывать из воды с помощью энергии солнца. Всё казалось бы просто: воды и солнца у нас в достатке. Однако и водород не избежал проблем транспортировки и хранения.
В нормальном состоянии 1 кг. кодорода занимает объем в 11 м2. Это очень много. Его хранение подразумевает прежде всего уменьшение объема газа. Так в сжатом до 80 МПа виде, водород, имеет плотность 36 кг. на м2. В сжиженном виде водород имеет температуру всего 21,2o К и требует для своего хранения тяжелого и сложного криогенного оборудования. При этом его плотность составляет всего 70,8 кг. на кубометр, тогда как вода весит тонну! Большое количество энергии, необходимой для сжижения и непрерывного кипения водорода, ограничивает возможности применения криогенных систем хранения.
Водород можно хранить в металлгидридах, точнее внутри их кристалической решетки. Такая "губка" способна запасать довольно большой объем газа и отдавать его при нагревании. Причем, никаких особенных условий хранения не требуется, водород хранится при комнатной температуре и нормальном давлении.
Однако и у этого способа есть минусы. Первый и самый главный - такие сплавы не дёшевы. Второй - такие "губки" способны впитывать водорода не более 100% собственного веса, т.е. 50% веса - металл, 50% - водород, и это в теории.
На практике вот такой металл-гидридный аккумулятор водорода, весящий 105 г способен хранить лишь 10 литров газообразного водорода, что соответствует энергии всего 7 Вт.
Плотность энергии
Плотность энергии - это тот фундаментальный показатель, который не дает развиваться "чистым" энергетическим технологиям. И дело здесь не в самом топливе, а в системах его хранения. Батареи, толстостенные баллоны, криогенные установки, металлические "губки" - всё это кардинально уменьшает плотность энергии системы до неприемлемых значений. В этой схватке бензин и дизтопливо остаются победителями с большим отрывом. Для демонстрации сравним плотности энергии (кВт*час/кг):
- Дизельное топливо - 5,5
- Бензин - 2,5
- Li-Ion батарея - 0,25
- Металл-гидридный элемент - 0,07.
Синтез топлива
Несколько лет назад ученым пришла в голову идея отказаться от попыток преодолеть фундаментальную проблему хранения и попытаться синтезировать органические молекулы углеводородов, примерно так, как это делают растения. Одним словом воспроизвести фотосинтез, для которого растениям нужна вода, солнечный свет и углекислый газ. Только на выходе вместо углеводов, получить углеводороды, что практически одно и то же. Идея оказалась весьма плодотворной и в последнее время наметился натоящий прорыв.
Так, ученые из MIT и Лаборатории Беркли смогли с помощью солнечной энергии превратить углекислый газ CO2 в более активный монооксид углерода СО и соединить его с водородом, который также был получен с помощью солнечной энергии и воды. В результате этих химических реакций получается кислород, который отправляется обратно в атмосферу и легкие углеводороды, из которых в дальнейшем с помощью реакций Фишера-Тропша получаются более тяжелые углеводороды - бензин и дизельное топливо.
Технология уже шагнула в жизнь. Так Центр технических исследований Финляндии и Технологический Университет Карлсруэ реализовали проект SOLETAIR в результате которого на свет появился мобильный химический экспериментальный завод, производящий бензин, дизельное топливо и керосин из регенеративного водорода и двуокиси углерода. Он настолько компактен, что помещается в обычный транспортный контейнер. Такой заводик производит около 80 литров синтетического бензина в день.
Это только начало. Над технологией упорно работают и получают всё больше топлива в единицу времени.
Синтетическое топливо хранится и используется так же, как ископаемое топливо и позволяет эффективно экономить естественные ресурсы планеты и очищать атмосферу от парниковых газов. Независимо от того, где будет производиться и выпускаться CO2, его можно добывать из атмосферы где угодно. Это большое преимущество перед классической добычей нефти, газа или лития.
