Страница:
В Ленинградском горном институте ведется разработка основ проектирования и эксплуатации циркуляционных систем, позволяющих извлечь тепловую энергию горячих горных пород.
Температура земли повышается на один градус в среднем через каждые 30 метров. Если пробурить скважину на глубину до 3 километров и закачать туда воду, то она превратится в кипяток. Сейчас это не так уж сложно технически осуществить.
Энергетический потенциал недр только в верхней оболочке Земли составляет триллионы тонн условного топлива. Если использовать хотя бы один процент этих запасов, то можно обеспечить себя теплом на миллионы лет.
Видин отапливается из-под земли
Город Видин на северо-западе Болгарии - первый в НРБ город, в котором для отопления жилых зданий широко используются геотермальные воды. Под городом залегают два горячих водоносных слоя: на глубине 1600 метров - с температурой воды 60-70 градусов Цельсия и на глубине 3600 метров-с температурой 100 градусов Цельсия. Взятая из-под земли вода проходит по батареям отопления и снова закачивается в недра: она содержит много растворенных солей, и ее нельзя сбрасывать в водоемы.
Уже более 20 тысяч квартир Видима отапливаются геотермальными водами, и ежегодно к подземному теплоснабжению подключается около 800 новых квартир. Расходы на сооружение всей системы вдвое ниже, чем ежегодные расходы на топливо, и окупаются они за полтора-два года.
Куда запрятать тепло!
Для этого подходят подземные пустоты в скальных массивах. Шведская компания "Атлас Копко" ведет большие работы, чтобы найти и оборудовать такие подземные теплохранилища.
Вблизи города Упсала путем взрывов в скале создали на глубине сотни метров пещеру объемом в сто тысяч кубометров. Летом ее заполнили нагретой на солнце водой, которую зимой использовали в отопительной сети соседнего городского квартала. В дальнейшем для подогрева воды будут использовать устройства, которые собирают тепло солнечных лучей. В городе Лулео на севере Швеции роль хранилища тепла играют 120 скважин диаметром по 150 миллиметров, которые пробурили в скальной породе на глубину 25 метров. В каждой скважине поместили пару стальных труб, по которым циркулирует горячая вода, обогреваемая отходящими газами соседнего металлургического завода. Скважины служат своего рода теплообменниками, которые летом отдают тепло скальной породе, а зимой возвращают его в систему отопления городского университета. За трехлетнюю эксплуатацию, начиная с 1982 года, в хранилище была заложена энергия в количестве трех с половиной миллионов киловаттчасов. Полезная отдача достигла двух миллионов киловатт-часов.
Бетонные заводы - на солнечной энергии
Бетонные заводы потребляют колоссальное количество энергии в виде пара и электричества. Монолитный бетон, плиты, балки - все это подвергают обработке теплом и влагой, чтобы бетон набрал прочность, был более пластичным, быстрее твердел.
Все методы теплового воздействия на бетон связаны со значительными энергозатратами. Они составляют около семнадцати миллионов тонн условного топлива. Но вот что интересно - двадцать пять процентов этого топлива расходуют заводы и стройки в южных районах страны, где солнечных дней двести - двести пятьдесят в году.
Тут есть над чем призадуматься. Далее.
Тепловое воздействие на твердеющий бетон, как правило, осуществляют при температуре 70-95 градусов. Но ведь
именно до такой температуры идет прямой нагрев предметов солнечной радиацией. Если понадобится, то в преобразователях и аккумуляторах солнечной энергии можно создать температуру 100 градусов и выше. Одним словом, доступность и простота получения горячей воды, воздуха и других жидких теплоаккумулирующих композиций должны привлечь солнечную энергию для производства бетонных конструкций.
Начинали с простейших работ, не требующих почти никаких капитальных затрат. На бетонную плиту, прогретую солнечной энергией до максимальной температуры, формуют вторую плиту.
Обе плиты укрывают пленкой, и бетонный "бутерброд" превращается в своеобразный парник. Верх второй плиты прогревается солнцем, а низ аккумулированной теплотой, передаваемой от нижней плиты. Плит, разумеется, достаточно много, они образуют тепловой конвейер. Результаты - время твердения бетона нисколько не больше, чем при использовании традиционных видов энергии. Даже в таком довольно примитивном виде можно организовать большое количество гелиополигонов для обработки бетонных конструкций. Пленки, создающие "парниковый эффект", уже сегодня следует применять при сооружении градирен, силосных башен, труб, резервуаров, жилых домов из монолитного бетона.
Лучше кирпича
Французская фирма "Этаблисман Броссон" изготовила нагревательное устройство, которое используется для накопления тепла в часы самого низкого тарифа на электроэнергию. Оно состоит из двух плит слоистого известняка, между которыми находится электрическое сопротивление. Благодаря своей однородности известняк сохраняет накопленное тепло дольше, чем огнеупорный кирпич. Новое устройство может быть частью несущей стены или перегородки.
Эксперимент в Черном море
Румынские ученые провели в Черном море опыты с установками для преобразования энергии морских волн в электроэнергию. Использовались два типа установок. Одна из них представляет собой плавучий буй с открытым дном. При качаниях буя уровень воды в нем изменяется, соответственно воздух входит в полость буя или выходит из нее. Движение воздуха возможно только через верхнее отверстие, а здесь установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от направления потока воздуха (это изобретение румынского инженера Г. Олару). При волнах высотой 35 сантиметров турбина развивала 2100 оборотов в минуту.
Вторая установка - стационарная микроэлектростанция, нечто вроде ящика, который на опорах устанавливается на небольшой глубине. В ящик проникают волны, вращающие турбину.
Успешные опыты позволили сделать вывод, что энергетические прибойные установки могут использоваться в автономных морских бакенах, для освещения причалов и волноломов. Но остается решить проблему надежности техники, постоянно подвергающейся ударам соленой воды.
Топливо - корки мандаринов
Как известно, цены на нефть и нефтепродукты непрерывно растут в странах-импортерах нефти: не хватает бензина. В лабораториях Филиппинского университета успешно прошли испытания одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением, работающего на... кокосовом масле. А одна из японских автомобильных компаний провела испытания бензина из мандариновой кожуры. Вместо токсичных продуктов сгорания этот бензин выделяет фруктовый запах, но для получения одного литра такого бензина требуется кожура почти 11 тысяч (!) мандаринов.
Выбрасывать ли мусор!
Утилизация бытовых и промышленных отходов, опавшей листвы и погибших растений приведет к значительной экономии ценного энергетического сырья, говорится в докладе Научнотехнического управления Японии. Из этого документа следует, что Япония располагает огромным количеством биомассы, которую после переработки можно использовать вместо нефти или газа для производства электроэнергии.
По подсчетам специалистов, потенциальные запасы биомассы в стране составляют примерно полтора миллиарда тонн. Ежедневно из отходов лесного и сельского хозяйства и мусора можно получать более ста миллионов тонн биомассы и за счет ее использования покрывать десятую часть потребности ит э 1 нефти всей страны.
Горючее из пальмового масла
В Малайзии, являющейся одним из главных поставщиков пальмового масла на мировом рынке, в настоящее время испытывают горючее для дизельных моторов, изготовленное из пальмового масла. Семь различных типов автомашин наездили на этом топливе от 50 тысяч до 100 тысяч километров.
Самодельное топливо
Поиск новых источников энергии - задача немаловажная, ибо угля, нефти и газа хватит обитателям планеты на десятки лет, в лучшем случае - на сотни. Одно из направлений поиска - синтез нефтехимических продуктов из карбонатов или углекислого газа. Такого сырья в земной коре во много тысяч раз больше, чем органического топлива, к тому же углекислый газ во многих производствах является отходом.
В соединении с водородом можно получать из углекислого газа органические кислоты, спирты, метан и прочие углеводороды. Все это реакции, идущие с потреблением тепла, а его можно брать от теплых отходящих газов различных промышленных процессов.
Если удастся создать температуру около семисот градусов, то углекислый газ будет вступать в реакцию с углем и водяным паром. Разработки ведутся в Московском институте горючих ископаемых.
Урожай на крышах
При вентиляции промышленных зданий, котельных, горячих цехов буквально на ветер выбрасывается громадное количество теплого воздуха. А именно такое тепло позарез нужно тепличным хозяйствам. В себестоимости продукции теплиц затраты на отопление достигают шестидесяти процентов.
В Московском технологическом институте пищевой промышленности решили тепло вентиляционного воздуха употребить на обогрев теплиц. Причем теплицы эти разместить в самой непосредственной близости от здания, которое служит источником тепла: построить теплицы на его крыше. Тут еще одно преимущество - экономия земель, которая представляет особенно большую ценность в местах расположения промышленных предприятий.
Очень часто удаляемый из зданий воздух содержит двуокись углерода. В теплице ее будут поглощать растения, и это пойдет им на пользу. Если же удаляемый из цехов воздух будет содержать примеси, вредные для растений, его следует подавать в пространство между остеклением теплицы и специально подвешенной под ним прозрачной пленкой. Так загрязненный воздух не коснется растений.
Расчеты доказывают, что размещение теплиц даже на существующих зданиях не потребует сложных работ.
Первые теплицы и оранжереи уже приносят урожай овощей и цветов в Ленинграде, Туле, Сарапуле.
Химия и снабжение человечества энергией
Рассказывает доктор химических наук Г. 3аиков
Сколько же топлива осталось на Земле!
Бурно развивающаяся промышленность в XX столетии требовала все больших энергетических затрат. Добыча угля, нефти, а затем и природного газа шла всевозрастающими темпами, Когда-то эти источники энергии казались неистощимыми. Правда, освоение новых месторождений становилось делом все более трудным: за углем, нефтью, газом приходилось идти все дальше на север и восток, устремляться все глубже в недра Земли, а стоимость их все повышалась.
В 1973-1974 годах разразился нефтяной кризис. Резко поднялись цены на нефть. Главные тому причины носили политический характер. Но, привлекая к себе обостренное внимание, кризис повлек за собою также и дискуссии о перспективах добычи энергетического сырья. В их ходе утверждалось, что нефти и газа в недрах планеты осталось лишь на несколько десятилетий: нефти - около 80 миллиардов тонн, газа - около 65 триллионов кубометров.
Чтобы оценить эти цифры, заметим, что ежегодно мировое потребление нефти ныне составляет около 3 миллиардов тонн, газа - около 2 миллиардов кубометров.
Эти выводы (слишком пессимистические, как мы увидим ниже) имели и свои положительные последствия. Лозунгом дня стало максимальное сбережение энергетических ресурсов. Ученые и инженеры стали уделять больше внимания разработкам все менее энергоемких технологических процессов, создали и продолжают создавать все более экономичные двигатели (автомобильные, самолетные и т. д.), ищут новые источники энергии и способы их освоения. В перечне этих источников - сланцы, нефтяные пески, древесина, торф, отходы сельскохозяйственного производства.
Остановимся ради примера на растительном энергетическом сырье. Основное его достоинство в том, что оно представляет собой возобновляемый источник энергии. Каждый год на нашей планете зеленая биомасса прирастает на 117 миллиардов тонн (в сухом весе), в том числе на 80 миллиардов тонн в лесах, на 18 миллиардов тонн в саванне и степях, на 9 миллиардов тонн на обрабатываемых полях, на столько же в пустынях, в тундре и на болотах.
Энергия, которой обладает такое количество биомассы, составляет 1,75Х1021 джоулей"что эквивалентно примерно 40 миллиардам тонн нефти. Общие же запасы растительной биомассы на Земле насчитывают более 1800 миллиардов тонн, что эквивалентно 640 миллиардам тонн нефти.
Когда нефтяной кризис миновал, эксперты повторно принялись за оценки. Спокойно и неторопливо поразмыслив, подсчитав запасы топлива на Земле более точно, ученые сошлись во мнении, что нефти в недрах планеты на самом деле больше, чем казалось в середине 70-х годов: порядка 200 миллиардов тонн, из них твердо разведанных запасов-около 110 миллиардов тонн. Поэтому мировой объем нефтедобычи в ближайшее время может оставаться на теперешнем уровне (около трех миллиардов тонн в год ) и даже несколько повышаться. И если раньше, в годы кризиса, считалось, что максимум нефтедобычи придется на 80-е годы, далее она пойдет на убыль и к 2080 году на Земле не останется ни капли нефти, то теперь картина вырисовывается в более отрадном свете.
Согласно материалам Международной конференции максимум добычи нефти придется на 10-е годы будущего века и в это время ее будет добываться на 25 процентов больше, чем сегодня, однако к 2120-2130 году запасы нефти истощатся полностью.
Полагают, что нефть еще длительное время будет оставаться основным источником энергии. Ее добыча, конечно, будет все усложняться. Уже сейчас треть всей нефти добывается со дна морей, и именно этот способ будет превалировать, хотя он дорог и становится все дороже. Если двадцать лет назад техника позволяла доставать нефть в море с глубины 200 метров, то десять лет назад эта цифра удвоилась, а сейчас имеется возможность бурить подводные нефтяные скважины на глубину до двух километров.
Еще более оптимистичны прогнозы относительно природного газа по сравнению с теми, что давались в 70-х годах. Общие его запасы сейчас считаются равными 250 триллионам кубометров, причем твердо разведанные80-90 триллионам кубометров. Максимальное количество газа будет, вероятно, добываться в 2040 году-в два раза больше, чем сегодня. Потом начнется спад, но еще в 2150 году, как полагают эксперты, газ будет добываться в размерах 15-20 процентов от добычи сегодняшней.
Что же касается угля, то он не вызывает беспокойства у экспертов. Его добыча растет и будет продолжать расти. В 1979 году во всем мире угля было добыто свыше 2,8 миллиарда тонн. К 2000 году, как вытекает из приведенных оценок, эта цифра превзойдет отметку 9 миллиардов тонн. Так можно добывать уголь еще добрую сотню лет, поскольку даже твердо разведанные его запасы сейчас превышают триллион (тысячу миллиардов) тонн.
Нефть из угля
Уголь - надежный источник энергии, но, к сожалению, не самый удобный. Жидкое топливо наиболее технологично, менее загрязняет окружающую среду, наконец, к нему привыкли и приспособились в самых различных отраслях техники: например, почти все количество топлива, потребляемого сегодня в развитых странах на транспорте, получают из нефти.
Такое сопоставление источников энергии уже давно привело ученых к идее создать способы переработки угля в жидкое топливо, эквивалентное нефти.
Вот один из наиболее усиленно разрабатываемых сегодня способов. В присутствии кислорода и водных паров уголь сжигают. Газ представляет собой смесь водорода и окислов углерода.
Далее в присутствии катализаторов компоненты этой смеси вступают между собой в реакцию гидрогенизации.
В итоге получается метиловый спирт (метанол, как кратко называют его химики; заметим попутно, что он представляет собой четвертый по объему мирового производства и, стало быть, очень важный продукт органической химии). Из метанола же можно получить настоящий заменитель нефтяного топлива - смесь углеводородов, сходную по своим характеристикам с высокосортным нефтяным топливом. Для этого необходимо провести определенную перестройку молекул метанола на катализаторах. По ходу перестройки в качестве побочного продукта получается много воды. Ее нужно отделить от образующегося топлива. Вопрос этот нелегкий, но принципиально уже решен, хотя и таким путем, что получаемый заменитель нефти еще очень дорог. Нужно искать более дешевые способы, а заодно работать над повышением эффективности и долговечности катализаторов, увеличением выхода целевых продуктов и т. д. Проблемы тут не только технологические, но и научные, требующие активного участия химиков. Надо лучше знать структуру угля, природу существующих в нем химических связей, его реакционную способность. Все это позволит подбирать наилучшие катализаторы и направлять реакции по оптимальным путям.
В последние годы больших успехов в области газификации углей и получения жидкого топлива добились ученые из
Московского института горючих исколаемых. Во всем мире получили признание применяемые в подобных процессах селективные цеолитные катализаторы, в разработку которых внес весомый вклад академик X. Миначев, работающий в Институте органической химии АН СССР. Фирма "Мобил Ойл"
получает на цеолитных катализаторах топливо высокого качества, которое невозможно получить иными способами. Из 1000 тонн метанола при этом образуется 438 килограммов углеводородов и 562 килограмма воды. В конечном итоге можно получать и высокооктановый бензин, и керосин, и дизельное топливо.
Известен и прямой способ сжижения углей. Здесь сначала готовится кашица из измельченного угля с добавкой нефти. Затем при высоких температурах и давлениях, в присутствии катализатора (а в некоторых вариантах процесса еще и водорода).
В этом направлении ученые продвинулись вперед настолько, что уже имеются полупромышленные установки, реализующие этот процесс. Они построены в США, ФРГ, а также в Австралии (в сотрудничестве с японскими фирмами). Однако до сих пор еще нет ни одного рентабельного завода по сжижению углей прямым способом.
Показателем рентабельности был бы тот факт, что подобный завод обеспечивал бы себя энергией и водородом, который необходим для доводки углеводородных молекул до нужной величины и структуры. Для этого необходимо, чтобы выход жидкого продукта был не менее 50 процентов. Другая важная и пока не решенная проблема - отделение продуктов реакции от непрореагировавшего угля и золы. Неясно также, как использовать обширные отходы процесса.
Большого внимания заслуживают сланцы и нефтяные пески как будущие источники энергии. Ведь их хватило бы человечеству на добрую тысячу лет.
В освоении сланцев ведущее место в мире занимает наша страна. Фундаментальные принципы получения ценных продуктов из сланцев (не только для энергетики, но также для нефтехимии и органического синтеза) заложены работами эстонских ученых и ученых из Ленинградского технологического института.
Топливные плантации
Для получения жидкого топлива, заменяющего нефть, разумеется, можно использовать не только уголь. Голландский химик С. де Витт доказывает, что вполне успешные результаты достижимы, если брать за основу некоторые виды тропических растений. В практических опытах до сих пор удалось получить за год чуть более кубометра эрзац-нефти с гектара, засеянного такими растениями. Однако ученые полагают, что биотехнология позволит повысить "урожайность" нефтяных плантаций в два-три раза.
Если расценивать подобные эксперименты в плане обобщения, то можно предвидеть, что в будущем многие десятки тысяч гектаров малоценных земель и лесов станут источниками жидкого топлива.
Переработка зеленой биомассы в топливо заключается в газификации древесины и ферментации Сахаров.
В качестве целевого продукта необяза
тельно мыслить лишь углеводороды.
Известны и другие органические вещества, которые по своим энергетическим свойствам близки к нефти: эфиры, кетоны или спирты (метанол, этанол, бутанол). Спирты имеют очень высокое октановое число, что является важнейшей целью при разработке заменителей высококачественного топлива.
Ферментацией отходов сахарного тростника только в 1981 году в Бразилии было получено 4,2 миллиона литров этанола. На этом топливе работают все автобусы крупнейших бразильских городов Сан-Паулу и Рио-де-Жанейро, а также многие автомобили в целом по стране. В США этанол получают из отходов кукурузы. На Филиппинах масло кокосовых орехов смешивают с дизельным топливом. В 1982-1983 годах это позволило сэкономить стране 2,2 процента дизельного топлива.
В ряде стран из сельскохозяйственных отходов получают метан, который затем используют в качестве топлива.
На филиппинском острове Лусон так работает котельная, подающая горячую воду в сто домов круглый год.
В период с 1977 по 1982 год Япония снизила количество нефти, которое идет на топливо, с 74,5 до 62 процентов, а к 1990 году надеется довести этот показатель до 50 процентов. Здесь из рисовой соломы получают этанол, из сельскохозяйственных отходов - ацетон и бутанол. Значительны успехи биотехнологии в США, ФРГ, Англии, Франции. В лабораторных условиях здесь получают из биомассы метанол, этанол, этилен, пропилен, бутадиен, метан, ароматические соединения и другие виды альтернативного по отношению к нефти топлива.
Перспективы практического развития этих экспериментальных разработок неравноценны. Метанол можно получать из любого сырья, содержащего углерод и водород,- из угля и древесины, природного газа и сланцев, торфа и отходов переработки нефти.
Этанол как топливо близок по своим характеристикам к метанолу, но дороже, поскольку его производство отличается большей энергоемкостью. Бутанол - топливо с более высокими характеристиками, но его производство сложнее. Какой из упомянутых процессов получит наибольшее признание в будущем, покажет время.
Еще одно достоинство грецких орехов
Сейчас осваиваются такие ресурсы, которые до недавнего времени вообще не рассматривались как источники энергии. В ход пошли "альтернативы альтернативам" - от миндальной скорлупы до персиковых косточек. И не без успеха. "Сан даймонд гроверс оф Калифорния" производит 4,5 мегаватта электроэнергии за счет сжигания скорлупы грецких орехов - побочного продукта их переработки. Таким образом, в течение года экономится 11 тысяч тонн нефти. Как заявил один из руководителей компании, "грецкий орех дает превосходное и не загрязняющее окружающую среду топливо, оно не содержит серы и дает очень мало золы". Фирма "Имотек инкорпорейшн" вырабатывает 8,5 мегаватта электроэнергии путем сжигания миндальной скорлупы, косточек персиков и слив.
Еще один нетрадиционный источник энергии - бытовые отходы. В мире более 100 миллионов тонн таких отходов сжигается в печах с регенерацией энергии. Это, конечно, мизерное количество по сравнению с мусором, который все еще вывозится на свалки, представляя немалую опасность для окружающей среды. Небезопасно, впрочем, и простое сжигание мусора: при современном уровне очистки отходящие газы не утрачивают своей вредности.
В настоящее время химики многих стран работают над совершенствованием фильтров, улавливающих вредные вещества из газов. Из газообразных продуктов сжигания мусора необходимо удалять сажу, хлористый водород, окислы азота, двуокись серы и т. д. Что касается методов улавливания, то они уже разработаны. Вопрос лишь в том, как сделать их более дешевыми, надежными, долго работающими.
Особое внимание уделяется сейчас пиролизу (термическому разложению)
мусора и получению из него газообразного топлива. Пока здесь больших успехов нет, так как состав бытовых отходов неоднороден, и поэтому трудно подбирать и регулировать оптимальный режим пиролиза. Кроме того, в мусоре много вредных примесей.
Предлагается выделять из него наиболее горючие компоненты - бумагу, картон, пластики - и прессовать их в брикеты. Такие брикеты по теплотворности сравнимы с бурым углем.
Как полагают эксперты, усовершенствованная переработка бытовых отходов (как в энергию, так и сырье) позволит только Западной Европе достичь ежегодной экономии порядка 14 миллиардов долларов. Разделение отходов должно происходить уже на дому:
в одни контейнеры нужно сбрасывать пищевые отходы, в другие - бумагу и т. д. Такой путь предполагает высокую сознательность населения в отношении охраны окружающей среды и экономии сырья и энергии.
Теплые дома без отопления
Излучение Солнца в наши дни занимает в балансе энергетиков такое же положение, как нефть в середине прошлого века, когда преобладали уголь, торф и дрова.
Однако уже сегодня ток, вырабатываемый Солнцем, вливается тонкой струйкой в энергетический поток дли нужд человечества. Кремниевые пластинки преобразуют солнечный свет электроэнергию. Специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50 процентов.
В феврале 1983 года американски фирма "Арко Солар" начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 мег"
Температура земли повышается на один градус в среднем через каждые 30 метров. Если пробурить скважину на глубину до 3 километров и закачать туда воду, то она превратится в кипяток. Сейчас это не так уж сложно технически осуществить.
Энергетический потенциал недр только в верхней оболочке Земли составляет триллионы тонн условного топлива. Если использовать хотя бы один процент этих запасов, то можно обеспечить себя теплом на миллионы лет.
Видин отапливается из-под земли
Город Видин на северо-западе Болгарии - первый в НРБ город, в котором для отопления жилых зданий широко используются геотермальные воды. Под городом залегают два горячих водоносных слоя: на глубине 1600 метров - с температурой воды 60-70 градусов Цельсия и на глубине 3600 метров-с температурой 100 градусов Цельсия. Взятая из-под земли вода проходит по батареям отопления и снова закачивается в недра: она содержит много растворенных солей, и ее нельзя сбрасывать в водоемы.
Уже более 20 тысяч квартир Видима отапливаются геотермальными водами, и ежегодно к подземному теплоснабжению подключается около 800 новых квартир. Расходы на сооружение всей системы вдвое ниже, чем ежегодные расходы на топливо, и окупаются они за полтора-два года.
Куда запрятать тепло!
Для этого подходят подземные пустоты в скальных массивах. Шведская компания "Атлас Копко" ведет большие работы, чтобы найти и оборудовать такие подземные теплохранилища.
Вблизи города Упсала путем взрывов в скале создали на глубине сотни метров пещеру объемом в сто тысяч кубометров. Летом ее заполнили нагретой на солнце водой, которую зимой использовали в отопительной сети соседнего городского квартала. В дальнейшем для подогрева воды будут использовать устройства, которые собирают тепло солнечных лучей. В городе Лулео на севере Швеции роль хранилища тепла играют 120 скважин диаметром по 150 миллиметров, которые пробурили в скальной породе на глубину 25 метров. В каждой скважине поместили пару стальных труб, по которым циркулирует горячая вода, обогреваемая отходящими газами соседнего металлургического завода. Скважины служат своего рода теплообменниками, которые летом отдают тепло скальной породе, а зимой возвращают его в систему отопления городского университета. За трехлетнюю эксплуатацию, начиная с 1982 года, в хранилище была заложена энергия в количестве трех с половиной миллионов киловаттчасов. Полезная отдача достигла двух миллионов киловатт-часов.
Бетонные заводы - на солнечной энергии
Бетонные заводы потребляют колоссальное количество энергии в виде пара и электричества. Монолитный бетон, плиты, балки - все это подвергают обработке теплом и влагой, чтобы бетон набрал прочность, был более пластичным, быстрее твердел.
Все методы теплового воздействия на бетон связаны со значительными энергозатратами. Они составляют около семнадцати миллионов тонн условного топлива. Но вот что интересно - двадцать пять процентов этого топлива расходуют заводы и стройки в южных районах страны, где солнечных дней двести - двести пятьдесят в году.
Тут есть над чем призадуматься. Далее.
Тепловое воздействие на твердеющий бетон, как правило, осуществляют при температуре 70-95 градусов. Но ведь
именно до такой температуры идет прямой нагрев предметов солнечной радиацией. Если понадобится, то в преобразователях и аккумуляторах солнечной энергии можно создать температуру 100 градусов и выше. Одним словом, доступность и простота получения горячей воды, воздуха и других жидких теплоаккумулирующих композиций должны привлечь солнечную энергию для производства бетонных конструкций.
Начинали с простейших работ, не требующих почти никаких капитальных затрат. На бетонную плиту, прогретую солнечной энергией до максимальной температуры, формуют вторую плиту.
Обе плиты укрывают пленкой, и бетонный "бутерброд" превращается в своеобразный парник. Верх второй плиты прогревается солнцем, а низ аккумулированной теплотой, передаваемой от нижней плиты. Плит, разумеется, достаточно много, они образуют тепловой конвейер. Результаты - время твердения бетона нисколько не больше, чем при использовании традиционных видов энергии. Даже в таком довольно примитивном виде можно организовать большое количество гелиополигонов для обработки бетонных конструкций. Пленки, создающие "парниковый эффект", уже сегодня следует применять при сооружении градирен, силосных башен, труб, резервуаров, жилых домов из монолитного бетона.
Лучше кирпича
Французская фирма "Этаблисман Броссон" изготовила нагревательное устройство, которое используется для накопления тепла в часы самого низкого тарифа на электроэнергию. Оно состоит из двух плит слоистого известняка, между которыми находится электрическое сопротивление. Благодаря своей однородности известняк сохраняет накопленное тепло дольше, чем огнеупорный кирпич. Новое устройство может быть частью несущей стены или перегородки.
Эксперимент в Черном море
Румынские ученые провели в Черном море опыты с установками для преобразования энергии морских волн в электроэнергию. Использовались два типа установок. Одна из них представляет собой плавучий буй с открытым дном. При качаниях буя уровень воды в нем изменяется, соответственно воздух входит в полость буя или выходит из нее. Движение воздуха возможно только через верхнее отверстие, а здесь установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от направления потока воздуха (это изобретение румынского инженера Г. Олару). При волнах высотой 35 сантиметров турбина развивала 2100 оборотов в минуту.
Вторая установка - стационарная микроэлектростанция, нечто вроде ящика, который на опорах устанавливается на небольшой глубине. В ящик проникают волны, вращающие турбину.
Успешные опыты позволили сделать вывод, что энергетические прибойные установки могут использоваться в автономных морских бакенах, для освещения причалов и волноломов. Но остается решить проблему надежности техники, постоянно подвергающейся ударам соленой воды.
Топливо - корки мандаринов
Как известно, цены на нефть и нефтепродукты непрерывно растут в странах-импортерах нефти: не хватает бензина. В лабораториях Филиппинского университета успешно прошли испытания одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением, работающего на... кокосовом масле. А одна из японских автомобильных компаний провела испытания бензина из мандариновой кожуры. Вместо токсичных продуктов сгорания этот бензин выделяет фруктовый запах, но для получения одного литра такого бензина требуется кожура почти 11 тысяч (!) мандаринов.
Выбрасывать ли мусор!
Утилизация бытовых и промышленных отходов, опавшей листвы и погибших растений приведет к значительной экономии ценного энергетического сырья, говорится в докладе Научнотехнического управления Японии. Из этого документа следует, что Япония располагает огромным количеством биомассы, которую после переработки можно использовать вместо нефти или газа для производства электроэнергии.
По подсчетам специалистов, потенциальные запасы биомассы в стране составляют примерно полтора миллиарда тонн. Ежедневно из отходов лесного и сельского хозяйства и мусора можно получать более ста миллионов тонн биомассы и за счет ее использования покрывать десятую часть потребности ит э 1 нефти всей страны.
Горючее из пальмового масла
В Малайзии, являющейся одним из главных поставщиков пальмового масла на мировом рынке, в настоящее время испытывают горючее для дизельных моторов, изготовленное из пальмового масла. Семь различных типов автомашин наездили на этом топливе от 50 тысяч до 100 тысяч километров.
Самодельное топливо
Поиск новых источников энергии - задача немаловажная, ибо угля, нефти и газа хватит обитателям планеты на десятки лет, в лучшем случае - на сотни. Одно из направлений поиска - синтез нефтехимических продуктов из карбонатов или углекислого газа. Такого сырья в земной коре во много тысяч раз больше, чем органического топлива, к тому же углекислый газ во многих производствах является отходом.
В соединении с водородом можно получать из углекислого газа органические кислоты, спирты, метан и прочие углеводороды. Все это реакции, идущие с потреблением тепла, а его можно брать от теплых отходящих газов различных промышленных процессов.
Если удастся создать температуру около семисот градусов, то углекислый газ будет вступать в реакцию с углем и водяным паром. Разработки ведутся в Московском институте горючих ископаемых.
Урожай на крышах
При вентиляции промышленных зданий, котельных, горячих цехов буквально на ветер выбрасывается громадное количество теплого воздуха. А именно такое тепло позарез нужно тепличным хозяйствам. В себестоимости продукции теплиц затраты на отопление достигают шестидесяти процентов.
В Московском технологическом институте пищевой промышленности решили тепло вентиляционного воздуха употребить на обогрев теплиц. Причем теплицы эти разместить в самой непосредственной близости от здания, которое служит источником тепла: построить теплицы на его крыше. Тут еще одно преимущество - экономия земель, которая представляет особенно большую ценность в местах расположения промышленных предприятий.
Очень часто удаляемый из зданий воздух содержит двуокись углерода. В теплице ее будут поглощать растения, и это пойдет им на пользу. Если же удаляемый из цехов воздух будет содержать примеси, вредные для растений, его следует подавать в пространство между остеклением теплицы и специально подвешенной под ним прозрачной пленкой. Так загрязненный воздух не коснется растений.
Расчеты доказывают, что размещение теплиц даже на существующих зданиях не потребует сложных работ.
Первые теплицы и оранжереи уже приносят урожай овощей и цветов в Ленинграде, Туле, Сарапуле.
Химия и снабжение человечества энергией
Рассказывает доктор химических наук Г. 3аиков
Сколько же топлива осталось на Земле!
Бурно развивающаяся промышленность в XX столетии требовала все больших энергетических затрат. Добыча угля, нефти, а затем и природного газа шла всевозрастающими темпами, Когда-то эти источники энергии казались неистощимыми. Правда, освоение новых месторождений становилось делом все более трудным: за углем, нефтью, газом приходилось идти все дальше на север и восток, устремляться все глубже в недра Земли, а стоимость их все повышалась.
В 1973-1974 годах разразился нефтяной кризис. Резко поднялись цены на нефть. Главные тому причины носили политический характер. Но, привлекая к себе обостренное внимание, кризис повлек за собою также и дискуссии о перспективах добычи энергетического сырья. В их ходе утверждалось, что нефти и газа в недрах планеты осталось лишь на несколько десятилетий: нефти - около 80 миллиардов тонн, газа - около 65 триллионов кубометров.
Чтобы оценить эти цифры, заметим, что ежегодно мировое потребление нефти ныне составляет около 3 миллиардов тонн, газа - около 2 миллиардов кубометров.
Эти выводы (слишком пессимистические, как мы увидим ниже) имели и свои положительные последствия. Лозунгом дня стало максимальное сбережение энергетических ресурсов. Ученые и инженеры стали уделять больше внимания разработкам все менее энергоемких технологических процессов, создали и продолжают создавать все более экономичные двигатели (автомобильные, самолетные и т. д.), ищут новые источники энергии и способы их освоения. В перечне этих источников - сланцы, нефтяные пески, древесина, торф, отходы сельскохозяйственного производства.
Остановимся ради примера на растительном энергетическом сырье. Основное его достоинство в том, что оно представляет собой возобновляемый источник энергии. Каждый год на нашей планете зеленая биомасса прирастает на 117 миллиардов тонн (в сухом весе), в том числе на 80 миллиардов тонн в лесах, на 18 миллиардов тонн в саванне и степях, на 9 миллиардов тонн на обрабатываемых полях, на столько же в пустынях, в тундре и на болотах.
Энергия, которой обладает такое количество биомассы, составляет 1,75Х1021 джоулей"что эквивалентно примерно 40 миллиардам тонн нефти. Общие же запасы растительной биомассы на Земле насчитывают более 1800 миллиардов тонн, что эквивалентно 640 миллиардам тонн нефти.
Когда нефтяной кризис миновал, эксперты повторно принялись за оценки. Спокойно и неторопливо поразмыслив, подсчитав запасы топлива на Земле более точно, ученые сошлись во мнении, что нефти в недрах планеты на самом деле больше, чем казалось в середине 70-х годов: порядка 200 миллиардов тонн, из них твердо разведанных запасов-около 110 миллиардов тонн. Поэтому мировой объем нефтедобычи в ближайшее время может оставаться на теперешнем уровне (около трех миллиардов тонн в год ) и даже несколько повышаться. И если раньше, в годы кризиса, считалось, что максимум нефтедобычи придется на 80-е годы, далее она пойдет на убыль и к 2080 году на Земле не останется ни капли нефти, то теперь картина вырисовывается в более отрадном свете.
Согласно материалам Международной конференции максимум добычи нефти придется на 10-е годы будущего века и в это время ее будет добываться на 25 процентов больше, чем сегодня, однако к 2120-2130 году запасы нефти истощатся полностью.
Полагают, что нефть еще длительное время будет оставаться основным источником энергии. Ее добыча, конечно, будет все усложняться. Уже сейчас треть всей нефти добывается со дна морей, и именно этот способ будет превалировать, хотя он дорог и становится все дороже. Если двадцать лет назад техника позволяла доставать нефть в море с глубины 200 метров, то десять лет назад эта цифра удвоилась, а сейчас имеется возможность бурить подводные нефтяные скважины на глубину до двух километров.
Еще более оптимистичны прогнозы относительно природного газа по сравнению с теми, что давались в 70-х годах. Общие его запасы сейчас считаются равными 250 триллионам кубометров, причем твердо разведанные80-90 триллионам кубометров. Максимальное количество газа будет, вероятно, добываться в 2040 году-в два раза больше, чем сегодня. Потом начнется спад, но еще в 2150 году, как полагают эксперты, газ будет добываться в размерах 15-20 процентов от добычи сегодняшней.
Что же касается угля, то он не вызывает беспокойства у экспертов. Его добыча растет и будет продолжать расти. В 1979 году во всем мире угля было добыто свыше 2,8 миллиарда тонн. К 2000 году, как вытекает из приведенных оценок, эта цифра превзойдет отметку 9 миллиардов тонн. Так можно добывать уголь еще добрую сотню лет, поскольку даже твердо разведанные его запасы сейчас превышают триллион (тысячу миллиардов) тонн.
Нефть из угля
Уголь - надежный источник энергии, но, к сожалению, не самый удобный. Жидкое топливо наиболее технологично, менее загрязняет окружающую среду, наконец, к нему привыкли и приспособились в самых различных отраслях техники: например, почти все количество топлива, потребляемого сегодня в развитых странах на транспорте, получают из нефти.
Такое сопоставление источников энергии уже давно привело ученых к идее создать способы переработки угля в жидкое топливо, эквивалентное нефти.
Вот один из наиболее усиленно разрабатываемых сегодня способов. В присутствии кислорода и водных паров уголь сжигают. Газ представляет собой смесь водорода и окислов углерода.
Далее в присутствии катализаторов компоненты этой смеси вступают между собой в реакцию гидрогенизации.
В итоге получается метиловый спирт (метанол, как кратко называют его химики; заметим попутно, что он представляет собой четвертый по объему мирового производства и, стало быть, очень важный продукт органической химии). Из метанола же можно получить настоящий заменитель нефтяного топлива - смесь углеводородов, сходную по своим характеристикам с высокосортным нефтяным топливом. Для этого необходимо провести определенную перестройку молекул метанола на катализаторах. По ходу перестройки в качестве побочного продукта получается много воды. Ее нужно отделить от образующегося топлива. Вопрос этот нелегкий, но принципиально уже решен, хотя и таким путем, что получаемый заменитель нефти еще очень дорог. Нужно искать более дешевые способы, а заодно работать над повышением эффективности и долговечности катализаторов, увеличением выхода целевых продуктов и т. д. Проблемы тут не только технологические, но и научные, требующие активного участия химиков. Надо лучше знать структуру угля, природу существующих в нем химических связей, его реакционную способность. Все это позволит подбирать наилучшие катализаторы и направлять реакции по оптимальным путям.
В последние годы больших успехов в области газификации углей и получения жидкого топлива добились ученые из
Московского института горючих исколаемых. Во всем мире получили признание применяемые в подобных процессах селективные цеолитные катализаторы, в разработку которых внес весомый вклад академик X. Миначев, работающий в Институте органической химии АН СССР. Фирма "Мобил Ойл"
получает на цеолитных катализаторах топливо высокого качества, которое невозможно получить иными способами. Из 1000 тонн метанола при этом образуется 438 килограммов углеводородов и 562 килограмма воды. В конечном итоге можно получать и высокооктановый бензин, и керосин, и дизельное топливо.
Известен и прямой способ сжижения углей. Здесь сначала готовится кашица из измельченного угля с добавкой нефти. Затем при высоких температурах и давлениях, в присутствии катализатора (а в некоторых вариантах процесса еще и водорода).
В этом направлении ученые продвинулись вперед настолько, что уже имеются полупромышленные установки, реализующие этот процесс. Они построены в США, ФРГ, а также в Австралии (в сотрудничестве с японскими фирмами). Однако до сих пор еще нет ни одного рентабельного завода по сжижению углей прямым способом.
Показателем рентабельности был бы тот факт, что подобный завод обеспечивал бы себя энергией и водородом, который необходим для доводки углеводородных молекул до нужной величины и структуры. Для этого необходимо, чтобы выход жидкого продукта был не менее 50 процентов. Другая важная и пока не решенная проблема - отделение продуктов реакции от непрореагировавшего угля и золы. Неясно также, как использовать обширные отходы процесса.
Большого внимания заслуживают сланцы и нефтяные пески как будущие источники энергии. Ведь их хватило бы человечеству на добрую тысячу лет.
В освоении сланцев ведущее место в мире занимает наша страна. Фундаментальные принципы получения ценных продуктов из сланцев (не только для энергетики, но также для нефтехимии и органического синтеза) заложены работами эстонских ученых и ученых из Ленинградского технологического института.
Топливные плантации
Для получения жидкого топлива, заменяющего нефть, разумеется, можно использовать не только уголь. Голландский химик С. де Витт доказывает, что вполне успешные результаты достижимы, если брать за основу некоторые виды тропических растений. В практических опытах до сих пор удалось получить за год чуть более кубометра эрзац-нефти с гектара, засеянного такими растениями. Однако ученые полагают, что биотехнология позволит повысить "урожайность" нефтяных плантаций в два-три раза.
Если расценивать подобные эксперименты в плане обобщения, то можно предвидеть, что в будущем многие десятки тысяч гектаров малоценных земель и лесов станут источниками жидкого топлива.
Переработка зеленой биомассы в топливо заключается в газификации древесины и ферментации Сахаров.
В качестве целевого продукта необяза
тельно мыслить лишь углеводороды.
Известны и другие органические вещества, которые по своим энергетическим свойствам близки к нефти: эфиры, кетоны или спирты (метанол, этанол, бутанол). Спирты имеют очень высокое октановое число, что является важнейшей целью при разработке заменителей высококачественного топлива.
Ферментацией отходов сахарного тростника только в 1981 году в Бразилии было получено 4,2 миллиона литров этанола. На этом топливе работают все автобусы крупнейших бразильских городов Сан-Паулу и Рио-де-Жанейро, а также многие автомобили в целом по стране. В США этанол получают из отходов кукурузы. На Филиппинах масло кокосовых орехов смешивают с дизельным топливом. В 1982-1983 годах это позволило сэкономить стране 2,2 процента дизельного топлива.
В ряде стран из сельскохозяйственных отходов получают метан, который затем используют в качестве топлива.
На филиппинском острове Лусон так работает котельная, подающая горячую воду в сто домов круглый год.
В период с 1977 по 1982 год Япония снизила количество нефти, которое идет на топливо, с 74,5 до 62 процентов, а к 1990 году надеется довести этот показатель до 50 процентов. Здесь из рисовой соломы получают этанол, из сельскохозяйственных отходов - ацетон и бутанол. Значительны успехи биотехнологии в США, ФРГ, Англии, Франции. В лабораторных условиях здесь получают из биомассы метанол, этанол, этилен, пропилен, бутадиен, метан, ароматические соединения и другие виды альтернативного по отношению к нефти топлива.
Перспективы практического развития этих экспериментальных разработок неравноценны. Метанол можно получать из любого сырья, содержащего углерод и водород,- из угля и древесины, природного газа и сланцев, торфа и отходов переработки нефти.
Этанол как топливо близок по своим характеристикам к метанолу, но дороже, поскольку его производство отличается большей энергоемкостью. Бутанол - топливо с более высокими характеристиками, но его производство сложнее. Какой из упомянутых процессов получит наибольшее признание в будущем, покажет время.
Еще одно достоинство грецких орехов
Сейчас осваиваются такие ресурсы, которые до недавнего времени вообще не рассматривались как источники энергии. В ход пошли "альтернативы альтернативам" - от миндальной скорлупы до персиковых косточек. И не без успеха. "Сан даймонд гроверс оф Калифорния" производит 4,5 мегаватта электроэнергии за счет сжигания скорлупы грецких орехов - побочного продукта их переработки. Таким образом, в течение года экономится 11 тысяч тонн нефти. Как заявил один из руководителей компании, "грецкий орех дает превосходное и не загрязняющее окружающую среду топливо, оно не содержит серы и дает очень мало золы". Фирма "Имотек инкорпорейшн" вырабатывает 8,5 мегаватта электроэнергии путем сжигания миндальной скорлупы, косточек персиков и слив.
Еще один нетрадиционный источник энергии - бытовые отходы. В мире более 100 миллионов тонн таких отходов сжигается в печах с регенерацией энергии. Это, конечно, мизерное количество по сравнению с мусором, который все еще вывозится на свалки, представляя немалую опасность для окружающей среды. Небезопасно, впрочем, и простое сжигание мусора: при современном уровне очистки отходящие газы не утрачивают своей вредности.
В настоящее время химики многих стран работают над совершенствованием фильтров, улавливающих вредные вещества из газов. Из газообразных продуктов сжигания мусора необходимо удалять сажу, хлористый водород, окислы азота, двуокись серы и т. д. Что касается методов улавливания, то они уже разработаны. Вопрос лишь в том, как сделать их более дешевыми, надежными, долго работающими.
Особое внимание уделяется сейчас пиролизу (термическому разложению)
мусора и получению из него газообразного топлива. Пока здесь больших успехов нет, так как состав бытовых отходов неоднороден, и поэтому трудно подбирать и регулировать оптимальный режим пиролиза. Кроме того, в мусоре много вредных примесей.
Предлагается выделять из него наиболее горючие компоненты - бумагу, картон, пластики - и прессовать их в брикеты. Такие брикеты по теплотворности сравнимы с бурым углем.
Как полагают эксперты, усовершенствованная переработка бытовых отходов (как в энергию, так и сырье) позволит только Западной Европе достичь ежегодной экономии порядка 14 миллиардов долларов. Разделение отходов должно происходить уже на дому:
в одни контейнеры нужно сбрасывать пищевые отходы, в другие - бумагу и т. д. Такой путь предполагает высокую сознательность населения в отношении охраны окружающей среды и экономии сырья и энергии.
Теплые дома без отопления
Излучение Солнца в наши дни занимает в балансе энергетиков такое же положение, как нефть в середине прошлого века, когда преобладали уголь, торф и дрова.
Однако уже сегодня ток, вырабатываемый Солнцем, вливается тонкой струйкой в энергетический поток дли нужд человечества. Кремниевые пластинки преобразуют солнечный свет электроэнергию. Специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50 процентов.
В феврале 1983 года американски фирма "Арко Солар" начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 мег"