Мы живем в так называемом нефтяном веке, когда «чёрное золото» – самый востребованный источник энергии. Треть всей энергии человечество получает именно из нефти, которая, как и любой другой природный ресурс, рано или поздно закончится. Возникают логичные вопросы: когда мы исчерпаем запасы нефти и что делать потом?
Здесь уместно привести цитату бывшего министра нефти Саудовской Аравии:
«Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни, а нефтяной век закончится не потому, что кончится нефть».
Известные запасы нефти составляют 1700 миллиардов баррелей – при текущем уровне потребления этого хватит примерно на 50 лет. Интересно, что 50 лет назад подсчёты были примерно такими же. Вполне возможно, что за следующие полвека человечество опять найдёт новые нефтяные залежи.
Так что о том, что закончится нефть, какое-то время можно не беспокоиться. По крайней мере потому, что в энергетическом секторе есть и более насущная проблема – экология. 70% всех антропогенных выбросов приходятся на энергетический сектор. В результате в воздухе снижается концентрация кислорода, повышается – углерода, и усиливается парниковый эффект. Поэтому при текущем сценарии развития энергетики скорее наступят неблагоприятные экологические последствия, чем кончится нефть.
Энергетике и её транспортной отрасли требуются решения, способные обеспечить устойчивое развитие человечества на многие десятилетия вперед. При этом экологичность должна быть одним из главных приоритетов.
Так, существует острая экологическая проблема загрязнения воздуха – и в городах основным источником загрязнения является транспорт. Для кардинального решения этой проблемы сегодня предлагают использовать электродвигатели или водородное топливо. Но оба варианта связаны с трудностями.
Стандартный электрокар коммерческого выпуска ездит на аккумуляторной батарее ёмкостью 75 кВт*ч. Соответственно, чтобы за час зарядить такую батарею, потребуется мощность 75 кВт. Если все автомобили Москвы (а это около 3,5 миллионов) заменить на электрокары, чтобы зарядить их за час, потребуется 262,5 миллионов кВт или 262,5 ГВт. Получается, что установленной мощности всех электростанций страны не хватит, чтобы это обеспечить.
Если попробовать перевести ёмкость такой батареи в привычное для нас топливо, то получится всего 32 л бензина:
- 75 кВт*ч – это 270 МДж;
- С учётом КПД двигателя внутреннего сгорания в 25% запас энергии составит 1080 МДж;
- Теперь делим это на удельную энергоёмкость бензина 33 МДж/л – получаем 32 л.
Не лучший показатель для батареи, которая весит почти полтонны (а для грузовика – как сам грузовик).
Другая сложность – электрозаправки. Чтобы заряжать электромобиль быстро, хотя бы за час, нужно подвести к заправкам соответствующую электрическую мощность – примерно 100 кВт на 1 автомобиль. А это уже мощность нескольких частных домов. Чтобы заряжать 5 автомобилей одновременно, потребуется 0,5 МВт. Такая электрификация заправок в масштабах нашей страны представляется с трудом.
Другая возможная альтернатива нефти и её производным – водородное топливо. Оно экологичное и имеет хорошую энергоёмкость, но не нашло широкого распространения из-за трудностей в хранении и транспортировке (водород крайне взрывоопасен).
Эту проблему решает перспективная отрасль металлоэнергетики. Принцип такого подхода – сжигание металла в кислороде или другом окислителе, по аналогии с тем, как сгорают углеводородные топлива. Преимущество металлоэнергетики в том, что в этом случае не выделяются вредные отходы, как углекислый или угарный газ, а образуется оксид металла, который можно использовать повторно. В масштабе мировой энергетики целесообразно применять металлы, которых много в природе, к примеру: алюминий или железо.
Есть два ключевых принципа преобразования химической энергии металлов в полезную энергию:
- Металло-воздушные топливные элементы, в которых анодом выступает металл, а катодом – воздушный электрод. Максимальный теоретический КПД такого элемента – 90%. На практике его величина составляет 50-60%, что почти вдвое больше, чем у нынешних двигателей внутреннего сгорания.
- Окисление металлов в окислителях. В качестве последнего можно использовать кислород воздуха или даже воду. Причём металл вытесняет из воды водород, который можно направлять в топливный элемент или в двигатель внутреннего сгорания. В этом случае мы, по сути, используем водородное топливо, минуя проблемы с его хранением и транспортировкой.
Таким образом, даже если прогнозы верны, и нефть закончится через 50 лет, у людей уже готовы возможные решения проблемы энергетики.
