14.08.2009

Не все, что био, — эко

uaEnergy

8

0

Не все, что био, — эко

14.08.2009, Дмитрий Каракат

Газген-электростанция от украинских ученых

В последние годы очень популярной стала тема биотоплива. Вместе с тем многие специалисты не видят в этом экономической перспективы. Пожалуй, единственным преимуществом биоэнергетики, которое не подвергалось до последнего времени сомнению, была ее экологическая чистота. Но и здесь у исследователей по всему миру начинают появляться сомнения.

Ученые из Лидского университета (Великобритания) подсчитали, что переход с нефтепродуктов на биотопливо может привести к еще большему загрязнению атмосферы углекислым газом (CO2). Ведь если на площадях, отведенных под выращивание биосырья, посадить лес, он смог бы поглотить в 9 раз больше CO2, чем это дал бы отказ от углеводородов в пользу рапса.

А ведь для замены только лишь 10% бензина и дизеля биотопливом необходимо 38% сегодняшних сельхозплощадей Европы и 43% — США. Это значит, что для получения необходимого количества биотоплива значительная часть нынешних лесов и лугов также должна быть превращена в пашни.

Таким образом, биоэнергетика может опосредованно способствовать глобальному потеплению. И это при том, что энергия того же леса в виде древесины и ее отходов гораздо выгоднее и экономически.

Ненадолго в деревянный век

О преимуществах древесины и отходов ее производства как энергоносителей прекрасно знают в Украине. И не только знают, но и продолжают совершенствовать технологии, применяемые еще в 30-х — 50-х гг. Так, в 1936 г. с конвейера завода им. Сталина сошел грузовик, у которого угарный газ поступал в двигатель от неполного сжигания твердого топлива. Первый газген (такое название получил данный вид автомобилей) расходовал 80—85 кг чурок на 100 км пробега. Эти машины часто были незаменимы в северных лесных районах, удаленных от мест производства жидкого топлива. Именно поэтому газогенераторные автомобили (всего около 40 000 грузовиков) широко применялись в годы Великой Отечественной войны, когда промышленность была переведена за Урал. Уральский завод им. Сталина выпускал газгены ЗИС-21 до 1951 г.

И все же наибольшее распространение газогенераторы получили в гитлеровской Германии, которая испытывала дефицит нефти, особенно после потери румынских месторождений.

Газгены широко использовали на лесозаготовках вплоть до начала 60-х. Однако в это время на энергорынок Европы стали поступать углеводороды с Ближнего Востока, и продукты переработки нефти значительно подешевели по сравнению с твердым топливом. В 1957 г. производство газогенераторов прекратилось и в СССР, где в дополнение к каспийским месторождениям нефти были освоены поволжские. А после того как были открыты гигантские углеводородные залежи в Западной Сибири, СССР стал добывать более 600 млн. т нефти в год, при том что на транспортные нужды требовалось лишь 65 млн. т.

Наш еженедельник уже писал о группе ученых под руководством профессора Житомирского агроэкологического университета Леонида Лося, разрабатывающей высокоэффективный газогенератор (читайте, пожалуйста, «2000», № 14, B3 «Стремительное полено» или http://www.2000.net.ua/b/62373). Но поскольку эти работы ведутся на голом энтузиазме, специалисты сосредоточились исключительно на автомобильном двигателе.

Более широкий круг задач совместно решают харьковский Институт газа НАН Украины и киевский Институт местных видов топлива. Здесь разработаны газогенераторы для различных типов электростанций (при этом стоимость 1 кВт.ч электроэнергии — от 7 до 18 коп.), автомобилей, тракторов и насосных станций. На генераторном газе могут работать любые двигатели внутреннего сгорания: дизельные, карбюраторные, инжекторные. Стоимость генерируемого топлива, эквивалентного литру бензина, — от 20 до 60 коп. в зависимости от цены сырья.

Как мы уже писали в статье о житомирском ГАЗ-52, двигатель не требуется переделывать. Он просто дополняется смесителем газа с воздухом, который помещают перед воздухоочистителем (дизель также дополняется т. н. приставкой к насосу высокого давления). На смеситель устанавливают переключатель вида топлива, и по выбору владельца двигатель может работать либо на привычном для него топливе — бензине, солярке, природном газе — либо на угарном газе (СО), который вырабатывает газогенератор, расположенный между кабиной и кузовом авто.

Излишне, наверное, описывать перспективы, которые открывает применение газогенераторов для украинского сельского хозяйства, хронически страдающего отсутствием средств и горючего. Мало того, в Полесье и иных регионах всегда в избытке отходы деревообрабатывающего производства и многое другое, годящееся в качестве топлива для газовых генераторов. На этом буквально валяющемся под ногами топливе могут работать любые необходимые в хозяйстве механизмы.

СО вырабатывается из любого твердого топлива влажностью до 50% (торфа, угля, дров, сельскохозяйственных и бытовых отходов). Следовательно, газогенератор способен одновременно выполнять функции утилизатора мусора. Выхлоп при этом значительно чище, чем от жидкого топлива — носителя канцерогенных тяжелых металлов, хотя визуально грязнее в силу повышенной дымности.

Но дымность как раз препятствует глобальному потеплению. По крайней мере к такому выводу пришли ученые из цюрихского Государственного технического института.

Лучезарная сажа

Мельчайшие механические частицы рассеивают в воздухе солнечный свет. В результате он попадает на листья растений со всех сторон. Благодаря этому фотосинтез происходит интенсивнее, что способствует росту растений и как следствие большому поглощению ими СО2 — источника глобального потепления.

«В связи с загрязнением атмосферы с 1960-го по 1999 г. поглощение наземными растениями углерода увеличилось на 10%», — сообщают швейцарские ученые на страницах международного научного журнала Nature. Соавтор исследований, сотрудник метеослужбы г. Эксетер (Великобритания) Стивен Зич подтверждает: «Вопреки распространенному мнению растения лучше растут не под прямыми яркими солнечными лучами, а в условиях «глобального затемнения», пик которого пришелся на 50-е — 80-е г. К тому же часть солнечного света механические частицы отражают обратно в космос. Поэтому атмосфера нашей планеты нагревается меньше.

Точно так же отражают солнечный свет, направляя его обратно в космос, и мельчайшие частицы, содержащиеся в аэрозолях. Эти частицы способствуют образованию более плотных облаков, которые тоже в значительной степени отражают солнечный свет».

Солидарны с эксетерскими метеорологами и ученые из местного университета: «Очистка нижних слоев атмосферы, как того требуют нормы здравоохранения, значительно усложняет борьбу с глобальным потеплением». Данный вывод подтверждается расчетами Центра международных исследований окружающей среды в Осло, по которым без «глобального затемнения» средняя температура на Земле с начала эпохи индустриализации повысилась бы не на 0,7оC, а на 1,1оC.

Так что же предпочесть человечеству — вполне осязаемое загрязнение или пока еще абстрактное потепление, которое с проблемами собственного здоровья мало кто связывает?

12 друзей океанского потепления

У большинства из нас глобальное потепление ассоциируется с тающими льдами и повышением уровня Мирового океана. Но живущим вдали от береговых линий не стоит обольщаться: мягкие зимы и жаркое лето способствуют проникновению глубь континента возбудителей чумы, а также распространению холеры и туберкулеза.

Международная экологическая организация Wildlife Conservation Society называет 12 типов возбудителей. К вышеперечисленным, давно знакомым европейцам болезнетворным микроорганизмам могут присоединиться возбудители тропических желтой лихорадки и сонной болезни. Уже сегодня на Старом континенте встречаются экзотические заболевания (в частности, лаймский боррелиоз).

Клещи - переносчики бореллиоза и менингита

По данным берлинского Института Роберта Коха, в 2006 г., когда из-за мягкой погоды активность клещей в Германии не спадала в течение небывало длительного периода, было зафиксировано значительно большее количество случаев боррелиоза, чем в предыдущие и последующие годы. Одновременно было диагностировано рекордное числу поражений вирусом Ханта, который человеку передают мыши.

В связи с потеплением климата ожидается также широкое распространение в Европе видов комаров, не характерных сегодня для континента. Это подтверждается случаями заболевания в Италии тропической чукунгунской лихорадкой, переносчиком которой является тигровый комар. В Южной Европе создаются все более благоприятные жизненные условия для кровососа, естественный ареал которого — Южная Азия.

Аналогично при высоких температурах быстрее размножаются бактерии, содержащиеся в питьевой воде и продуктах питания, например возбудители холеры и сальмонеллы.

Значит, и здесь главную надежду человечество должно возлагать на альтернативную энергетику как на замедлитель глобального потепления.

Мертвое море живой воды

В последнее время к альтернативным источникам энергии все реже относят ветровые установки: инфранизкие акустические частоты от вращения лопастей угнетающе действуют на биоценоз в радиусе до 5 км. Что же касается солнечных батарей, то их мощность для многих потребителей недостаточна даже в быту.

Поэтому объектом поиска экологически чистых мегаватт продолжает оставаться водная стихия. Так, в устье одной из рек, впадающих в фиорд Осло — на стыке пресной речной и соленой морской вод, концерн Statkraft построил опытную станцию производительностью 10 кВт/час. Новизна ее в том, что в электрическую энергию преобразуется мощность осмотического давления.

Из школьного курса мы помним: если полупроницаемая мембрана разделяет растворы различных концентраций, возникает осмос — движение жидкости от «менее соленой» к «более соленой» для выравнивания концентраций.

В осмотической станции пресная и соленая вода встречаются в цилиндрах, внутри разделенных пополам мембранами. Речная вода, проходя через мембрану, соединяется с морской и выталкивает последнюю. Таким образом вытекающая из цилиндра смесь приводит в действие турбину. «Литр фиордовой воды содержит 33 г соли, — рассказывает руководитель проекта Стайн Эрик Скилхаген. — Этой концентрации достаточно для создания давления в 27 бар».

В принципе идея не нова. Подобные электроустановки были изобретены еще в 70-е годы прошлого века, но тогдашние мембраны имели низкий КПД. Впрочем, мембраны и сегодня являются «ахиллесовой пятой» технологии. Подсчитано, что для эффективной работы электростанции мембраны должны пропускать такое количество воды, чтобы 1 м2 их поверхности обеспечивал мощность турбин в 5 Ватт. «Это серьезное требование», — говорит эксперт берлинского Института полимеров Клаус-Виктор Пайнеман. — Сегодняшняя максимальная производительность мембран достигает 3 Ватт, да и то в лабораторных условиях. Хотя начинали-то мы с 0,1 Ватта».

Прогресс Пайнеман связывает с появлением новых материалов на основе нейлона, способного выдерживать очень высокое давление. Не исключено, что такие мембраны появятся к 2015 г., когда закончатся испытания станции в Осло. Впрочем, в отношении бассейна Северного моря немецкий специалист все равно настроен пессимистически: «В устьях северных рек разница концентраций соли мала. Значительно больший интерес представляет Мертвое море».

По прогнозам Statkraft, осмотические станции, будучи установленными в 170 местах впадения рек в моря и океаны по всему миру, могут производить 1 655 трлн. ватт в час. Это почти 10% потребляемой в мире электроэнергии за то же время, уточняет Financial Times Deutschland.

Дело жизни — труба

Не менее фантастические проекты осуществляются и на противоположной стороне Атлантики. Так, гигант американской аэрокосмической индустрии «Локхид» приступил к испытаниям странного предмета из стекловолокна, внешне напоминающего гигантскую трубу. Работы ведутся в рамках проекта «Преобразование термальной энергии океана» (OTEC). В основе соответствующей технологии — извлечение энергии из разницы между температурами верхнего и нижнего слоя воды.

Первым идею практического использования этого потенциала предложил в 1881 г. французский физик Жак Д'Арсонваль, но внимание экспериментаторов она привлекла лишь во время нефтяного кризиса 70-х гг. прошлого столетия. С тех пор руководитель федеральной программы термальной энергии океана Роберт Коэн предложил несколько практических решений. Как пишет научно-популярный журнал New Scientist, самый высокий КПД демонстрирует на сегодня система, основной элемент которой — упомянутая «труба».

Вначале теплая поверхностная вода разогревает жидкость с низкой температурой кипения (например, аммиак). Когда рабочая жидкость закипает, высвобожденный газ создает давление для вращения лопастей турбины, генерирующей электроэнергию. Затем газ охлаждается, проходя через холодную океанскую воду, закачанную с глубин в стеклопластиковые трубы диаметром 27м и длиной около километра. Скорость закачки — 1000 т в секунду. Пока газ конденсируется в рабочую жидкость для последующего использования, охлаждающая вода возвращается в океан. Отчасти это напоминает обычную тепловую электростанцию.

Первые такие образцы 50 кВт были получены еще в 1979 г. Тогда «Локхид» опустил трубу с баржи у берегов Гавайев. Двумя годами позже одна японская корпорация построила экспериментальную термальную океанскую электростанцию мощностью 120 кВт на тихоокеанском острове Науру.

На волне успеха министерство энергетики США разработало план строительства на Гавайях электростанции мощностью 40 МВт. Но в 1995 г., когда цены на нефть упали ниже $20 за баррель, финансирование проекта прекратилось.

В сентябре прошлого года министерство энергетики выдало «Локхиду» грант в размере $600 000 на разработку труб нового поколения. Предполагается, что океанские термоэлектростанции проектной мощностью 500 МВт будут возводиться на морских платформах. А пока «Локхид» на тех же Гавайях заканчивает проект экспериментальной станции мощностью 20 МВт. Впрочем, на очереди уже и промышленные станции: в рамках OTEC для министерства обороны строится океаническая термальная станция на о.Диего-Гарсия (базе ВМФ США) в Индийском океане. Ее предназначение — генерировать 8 МВт электроэнергии для системы опреснения 5 млн. л морской воды в сутки. Запуск океанской станции намечен на 2011 г.

Оранжевое лето оранжевой зимой

Тот же принцип использования перепада температур — только в подземных водах — уже применяется в Голландии, пусть не для выработки, но для экономии электричества. По крайней мере от потребляющих массу энергии кондиционеров здесь скоро можно будет отказаться благодаря технологии, разработанной арнхаймским инженерным бюро IF Technology.

Суть проекта «Хранение тепловой энергии в водоносных слоях почвы» (ATES) состоит в том, что резервуары для холодных и теплых подземных вод наполняются соответственно из разных водоносных горизонтов. Летом через бездействующую отопительную систему прокачивают студеные (до 10о С) воды. Отдав холод, они попадают в «теплый» горизонт. Зимой все наоборот: система подает наверх теплые грунтовые воды. Охладившись, они отправляются в «холодный» горизонт.

«Летом наша система кондиционирования позволяет снизить энергозатраты на 80—90%, — утверждает руководитель ATES Гуус Виллемсен. — Электроэнергия расходуется только для работы насосов. Сегодня в Голландии действует более 3000 таких установок, а через 10—15 лет, надеемся, их будут десятки тысяч. Тогда ATES сможет обеспечить треть возобновляемой энергии в нашей стране».

Идиллия от ATES

Пока же разработка специалистов из Арнхайма внедрена в Хеерхуговаарде, где ATES обслуживает 2700 жилых домов, и в Эйндховене, где для обслуживания более полусотни зданий Технического университета создан самый большой в стране резервуар подземных вод. Тепловая мощность установки — 30 МВт, чего достаточно для охлаждения/обогрева 5000 частных домов.

Впрочем, и традиционные энергоносители еще не исчерпали своего потенциала.

Процесс пошел с ускорением

В настоящее время нефтяные месторождения эксплуатируются только до того момента, пока дальнейшая разработка не становится убыточной. При этом в недрах остаются значительные массы сырой нефти, извлечение которой традиционным способом невозможно, поскольку жидкие фракции перемешаны с более плотными образованиями и насыщены непригодными примесями. Геологи Университета Ньюкасла оценивают мировой объем таких остатков в 6000 млрд. баррелей.

Микробиолог Иен Хэд из того же университета предлагает перерабатывать их в востребованный современной цивилизацией газ. Для этого нужно прибегнуть к услугам бактерий, преобразующих нефть в метан. Последний в таком случае можно будет добывать непосредственно из отработанных нефтяных скважин.

Профессор Хэд совместно с канадскими и норвежскими коллегами нашли анаэробный (безкислородный) процесс превращения бактериями нефти в метан настолько эффективным, что основали коммерческое предприятие Profero Energy.

Ученые задействуют микроорганизмы двух видов. Одни разлагают нефть, производя водород и уксусную кислоту. Другие — археи (древнейшие одноклеточные, выживающие в экстремальных условиях) — синтезируют метан из освобожденного водорода и углекислого газа.

В естественных условиях это происходит в течение миллионов лет, но микробиологи придали процессу сумасшедшее ускорение за счет «подкормки» бактерий особыми питательными веществами («рецепт» последних не разглашается). В итоге газ образуется в течение пары-тройки лет. Правда, пока в лабораториях, ведь на реальные глубины доставить «корм» проблематично.

Но разработчики не теряют оптимизма и полагают, что описанная технология позволит продлить срок эксплуатации нефтяных месторождений на 20—30 лет. Окажутся ли они правы, человечество узнает в самом ближайшем будущем — первые испытания метода уже проводятся на старых нефтяных скважинах в Канаде.

Здесь же — в Канаде — уже получены первые результаты внедрения метода, позволяющего добывать труднодоступную нефть и механическим путем.

Суперкритическая выгода

Одна из местных компаний по производству синтетического метана согласилась отправлять со своей фабрики весь попутный газ (на 96% — СО2) по трубопроводу на нефтяное месторождение «Вейберн».

С 1955-го и до конца 60-х «Вейберн» давал в среднем около 40 000 баррелей нефти в сутки. Затем уровень добычи начал снижаться, достигнув к 1986 г. отметки 9400 барр. Таким образом, было извлечено всего лишь 25% запасов нефти на месторождении. Остальная часть до 1997 г. считалась экономически невыгодной, пока не было предложено оригинальное решение по ее использованию.

Газ в трубопроводе находится под очень большим давлением, превращаясь в сжиженный (такие жидкости еще называют суперкритическими — они имеют высокую плотность, но низкую вязкость, поэтому идеальны для транспортировки по трубопроводам). С 2000 г. он стал закачиваться в нефтеносные слои «Вейберна» через 37 инъекционных скважин, выталкивая нефть через 145 активных скважин. Вместе с нефтью возвращается и часть СО2. Газ улавливается, сжимается и снова направляется в инъекционные скважины.

По прогнозам, повышение нефтеотдачи при помощи СО2 позволит добыть 130 млн. баррелей нефти, удлинив коммерческую жизнь месторождения почти на 25 лет.

Немаловажно и то, что за это время под землю на постоянное хранение будет закачано (и, таким образом, утилизировано) 20 млн. т. СО2 — источника глобального потепления. Не случайно проект «Вейберн» спонсируется несколькими международными энергетическими компаниями, правительствами США и Канады, а также Евросоюзом.

Но что же будет с тысячами видов материалов на основе нефтепродуктов, когда вся нефть с помощью новейших технологий будет выкачана из земли? Взять хотя бы резину — плантации каучукового дерева и сегодня не в состоянии удовлетворить все потребности человечества.

Русские цветы для немецких механизмов

В Мюнстерском университете разработана технология получения каучука из... одуванчиков.

Желтый цветок, листья, стебель и длинный узловатый корень измельчаются и выжимаются в центрифуге. С одного гектара можно получить более 1000 л сока одуванчика. Из него-то и собираются производить резину.

«Лучше всего подходит русский одуванчик, — рассказывает немецкому изданию Die Welt биотехнолог Дирк Прюфер. — Это растение может обеспечить десятую часть потребности Германии в резине. Пока же речь идет об опытном производстве автомобильных прокладок и шин — они лучше всего дадут представление об эластичности и других качествах продукта. Для этого нам необходимо засеять одуванчиками почти 10 000 га, что не является проблемой: этот цветок хорошо растет на самых бедных почвах».

Впрочем, уже сейчас можно утверждать, что резина, полученная в лаборатории Прюфера, — прекрасный заменитель латекса. Изготовленные из нее перчатки не вызывают аллергических реакций. Не случайно на желтые цветки одуванчика уже давно обратили внимание медики и химики: это растение содержит многочисленные целебные компоненты, которые могут быть использованы при лечении ревматизма, подагры, экземы, псориаза, вялости кишечника и водянки. Кроме того, одуванчик содержит вещество инулин, которое может быть использовано фармацевтами для создания оболочек препаратов внутреннего применения.

Угарный газ против апоплексического удара

Угарный газ (СО), образующийся при неполном сгорании веществ, не обладает ни цветом, ни запахом, его вдыхание незаметно блокирует способность крови связывать кислород. Но широко известный как мощное отравляющее вещество, он, как и всякий яд, является таковым лишь в определенных дозах. И, как многие другие яды, в малых количествах обладает целебными свойствами.

«Положительный эффект СО известен лишь с недавних пор, — говорит биофизик Штефан Х. Хайнеман из Центра молекулярной биомедицины Университета Фридриха Шиллера (Йена, Германия). — Окись углерода может улучшать кровоснабжение внутренних органов, подавляет реакции отторжения после трансплантации органов и уменьшает повреждения, обусловленные нарушением притока крови в органы. При хроническом воспалении кишечника СО проявляет противовоспалительные свойства».

Угарный газ производится не только в газогенераторных двигателях и банях «по-черному», но и человеческим организмом. По мнению британских ученых — в объемах от 3 до 6 см3 ежесуточно. 70—80% этого количества обеспечивает небелковая часть гемоглобина, выполняющая функцию носителя кислорода в крови. Предрасположенность CO к связыванию изолированным гемом* в 26 000 раз сильнее, чем у кислорода. При распаде гемоглобина CO высвобождается. Этот процесс, в частности, приводит к расширению кровеносных сосудов и, следовательно, понижению кровяного давления, а также улучшению кровоснабжения печени и почек.

Пока точно не известно, на чем основано положительное действие СО. Возможно, ответ дали совместные исследования университетов Фридриха Шиллера и Пенсильванского (США). «Нам удалось установить, что окись углерода связывается непосредственно так называемыми ионными каналами, — продолжает Хайнеман. — Это белковые молекулы, образующие «запирающиеся» поры в клеточных мембранах. Получив сигналы из клетки, эти каналы открываются и пропускают определенные минералы. В результате связывания с CO канал выпускает из клетки ионы калия».

Выход ионов калия из клеток кровеносных сосудов приводит к снижению тонуса сосудистой стенки и расширению просветов. «Способ связывания CO с ионным каналом соответствует совершенно новой биологической концепции, — говорит профессор. — Но положительно ли воздействует на иммунную систему взаимодействие окиси углерода с ионными каналами, пока не установлено».

В течение ближайших полутора лет рабочая группа Хайнемана, в состав которой входят химики, биохимики, невропатологи и реаниматологи, намерена провести исследования воздействия окиси углерода на кровеносные сосуды и нервную систему. Ученых также интересует вопрос, при каких условиях CO образуется в организме человека.

Эти сведения могут помочь, например, при быстром лечении апоплексического удара. Ученые из Йены пока провели исключительно теоретические исследования на сей счет, но уверены, что их результаты дают большие возможности для клинического применения, пишет Die Welt.

Если же говорить о практической стороне вопроса, то с целительными свойствами СО знакомы и украиские врачи.

— Несколько лет назад в организме человека были обнаружены СО-рецепторы, — говорит ведущий специалист одной из столичных коммерческих клиник Андрей Лищишин. — Они-то, попадая под стимулирующее воздействие малых доз угарного газа, и обеспечивают некий благотворный эффект. Будем надеяться, немецкие коллеги близки к его биохимическому объяснению.Справка «2000»

Институт местных видов топлива: г. Киев, ул. Булаховского, 2, тел. (044) 502-4205.

Леонид Васильевич Лось, доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники Украины, академик Инженерной академии Украины, профессор Житомирского агроэкологического университета (10008, Житомир, Старый бульвар, 7. Тел. 8 (0412) 42-56-93).* Гем — один из порфиринов, содержащий в центре молекулы атом двухвалентного железа.

Порфирины — природные и синтетические соединения, производные порфина входят в состав небелковой части молекулы гемоглобина, хлорофилла, ряда ферментов.

Комментарии 0

Написать комментарий