Солнце, ивы и метан
Солнце, ивы и метан
Некоторые деревья можно использовать как аккумуляторы солнечной энергии
Использование биомассы в качестве топлива имеет множество преимуществ. Одно из них заключается в том, что выбросу углекислого газа, вызывающего парниковый эффект, в атмосферу, предшествует изъятие его оттуда. Как показывают исследования, проводящиеся на опытных плантациях университета штата Нью-Йорк, искусственные посадки ивы поглощают двуокись углерода в 10–15 раз эффективнее, чем естественные леса. Фото: David Parsons; DOE/NREL
21 ноября во Франции было наконец подписано международное соглашение о строительстве международного термоядерного реактора ITER. Этот проект задумывался не один десяток лет назад, и по ходу дела не раз модифицировался. Изначально предполагалось, что реактор послужит прототипом коммерческой термоядерной электростанции, но в конечном итоге термоядерщикам отказали в финансировании строительства прототипа как такового. Задача перед ними стоит более скромная — показать осуществимость самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза. Это очень дорогостоящий эксперимент — строительство ITER продлится 30 лет и обойдется в десяток миллиардов евро.
Производя энергию, человечество уже основательно загрязнило атмосферу и поверхность Земли продуктами сгорания нефти и угля. Началось таяние ледников, повышение уровня и температуры мирового океана, неблагоприятное изменение климата. В третьем тысячелетии необходимо перейти к таким источникам энергии, которые не загрязняют окружающую среду и способны убрать из атмосферы избыток углекислого газа.
Большинство стран разворачивает экологически чистую ядерную энергетику. Работают, в основном, легководные реакторы на слабообогащенном уране-235. Во Франции ядерная энергетика производит около 80% электроэнергии.
В Канаде создано крупномасштабное производство тяжелой воды. Реактор, тепловая мощность которого 3000 МВт, производит всего 1000 МВт электроэнергии — остальное тепло уносит отработанный пар. Это тепло используют для многократной перегонки воды в высоких ректификационных колоннах. Разработан проект тяжеловодного реактора АСР с полным воспроизводством ядерного топлива из урана-238. Решена проблема обеспечения топливом АЭС после исчерпания запасов урана-235.
В Бразилии возделывается первая биоэнергетическая культура — сахарный тростник. Это крупное растение обладает высокой скоростью фотосинтеза сахаристых веществ. Сладкий сок тростника перебраживает, затем этанол отгоняют и по спиртопроводам доставляют энергопотребителям.
В Германии под давлением зеленых была принята программа развертывания экологически чистой и возобновляемой энергетики. Предполагалось поставить вдоль берега моря и на холмах ветростанции, на горных речках — гидростанции, на каждой крыше установить солнечную батарею, все экскременты направлять в метантанки, использовать энергосберегающие технологии и немецкую аккуратность. Выяснилось, что альтернативная электроэнергия заметно дороже вырабатываемой атомными и тепловыми станциями, а альтернативная энергетика может произвести только 15–20% необходимой стране энергии. Теперь Германия вынуждена перейти к метановой энергетике.
Метановая энергетика
Проект «Зеленый генератор-газификатор» принес своим авторам миллион долларов пять лет назад. А разрабатывать его начали еще в 1970-е годы в Австралии. Синтетический натуральный газ в предложенной авторами установке немедленно сжигается и приводит в движение микротурбину. Вращение последней преобразуется в электроэнергию. Фото: CSIRO Forestry and Forest Products | Метан — легкий бесцветный газ, известный каждому. Его голубоватое пламя горит в кухонных горелках. Метан легко сжижается, его можно хранить и перевозить не только в баллонах, но и в тонкостенных дьюарах. При авариях метан просто испаряется, не оставляя следов. В природном газе его от 75 до 90%. Это лучшее органическое топливо!
При сгорании угля из трех атомов углерода получается три молекулы углекислоты, при сгорании молекулы метана — одна молекула углекислоты и две молекулы безвредной воды. В энергетических установках горячие продукты сгорания метана сначала вращают газовую турбину, а затем нагревают до кипения воду — образующийся пар вращает свою паровую турбину. Коэффициент полезного действия таких двойных установок достигает 60%. Метановая энергетика имеет неоспоримые преимущества перед нефтяной и угольной: она не загрязняет атмосферу аэрозолями и выбрасывает на порядок меньше углекислого газа. |
Россия располагает, по крайней мере, третью всех мировых запасов метана. Построены и строятся новые газопроводы для снабжения газом Европы. Обсуждаются пути снабжения газом США. При интенсивном сжигании запасов метана хватит лет на тридцать. В атмосферу при этом, несмотря на все преимущества метановой энергетики, будет выброшено громадное количество парниковых газов — углекислоты и непрореагировшего метана.
Но есть один выход: производить метан из растений, отбирающих избыток парниковых газов из атмосферы. Наиболее перспективным из них представляется обыкновенная ива, и во многих странах уже сложился значительный «ивовый рынок». Принимая во внимание постепенное истощение основных месторождений нефти и газа в России, и ей тоже нужно скорее переходить к ивовой энергетике, превращать углекислый газ атмосферы в легкую древесину культурной ивы, а затем переводить ее в древесный газ или метан.
При фотосинтезе ива аффективно аккумулирует энергию солнца и выделяет столь необходимый кислород. Метан можно и нужно выращивать на полях, а не добывать во льдах Арктики. К разведению ивы приступили агробиологи Швеции, Англии и Германии. Для современных агробиологов невыносима медленная и трудоемкая обычная селекция — они предпочитают скрещивание разных видов дикорастущих ив для получения мощных, быстрорастущих гибридов. Их высаживают на хорошо удобренных полях, а через год, осенью, подросший лесок срезают под корень.
В Австрии созданы и работают первые промышленные установки для получения древесного газа из отходов деревообработки. В газогенераторы непрерывного действия сверху сбрасывается щепа и прессованные опилки, а снизу удаляется зола, образующаяся смесь окиси углерода и азота, поступает на тепловые электростанции.
Технология, созданная Институтом Пауля Шерера, уже внедряется, хотя пока на уровне эксперимента. Экспериментальная газификационная станция в Гюссинге (Австрия) доказала, что метан можно производить в промышленных объемах. Фото: Renewable Energy Network Austria
В швейцарском институте Пауля Шерера был усовершенствован процесс перевода древесной массы в метан. Сырую щепу или дрот нагревают в автоклаве в атмосфере водяного пара. Образовавшиеся при разложении древесины газы пропускают через катализатор и подают в разделительную установку. В ней смесь газов делится на две фракции: легкую, содержащую метан с примесью водорода и водяного пара, и тяжелую-смесь водяного пара, монооксида углерода и углекислоты. Тяжелую фракцию сразу дожигают, а метан с примесью водорода под названием синтетический природный газ поступает энергопотребителям. Первая промышленная установка для производства синтетического метана строится в кантоне Во, Швейцария. Пуск ее намечен на 2009 год.
В Швеции посадки ивы должны были стать основным источником энергии. Шведский риксдаг даже принимал поднявшее шум решение закрыть все АЭС после 2000 года, впоследствии, правда, отмененное. Программа XXI века более реалистична — предполагается создать гармоничное производство экологически чистой энергии, 40% будут производить АЭС, 20% — гидростанция, остальные 40% должна дать ивовая энергетика. Сейчас под ивой в Швеции занято 20 000 га. Когда-то планы создания ивовой энергетики вынашивали в СССР, но со временем о них забыли.
Гатчинские ивы
Император Александр III редко выезжал из Гатчины. Тринадцать лет этот уютный городок был по существу столицей Российской Империи. Современному туристу, приезжающему взглянуть на царский дворец и Белое озеро, трудно представить себе великолепие гатчинских парков тех лет. И виновато в том не время — революция и война прокатились по паркам, а потом современные вандалы разрушили все, что можно было дорушить. Пейзажные парки Гатчины медленно умирают — они запущены и неухожены.
Но все равно гатчинские парки остаются шедевром паркового искусства. Рукотворные горы спускаются к ключевым озерам. По берегам озер с причудливыми заливами и протоками размещены древесные множества и отдельные деревья. Они подобраны так, чтобы создавать цветовую гамму, особенно осенью. Голландский и английский парки переходят в парк Сильвию, потом в зверинец и Орлову рощу. Эти парки служили для царской охоты. Круглые поляны с расходящимися лучами просек предназначались для охоты на оленей, вдоль извилистой речки Колпанки гнездились дикие утки, в заячьем ремезе, заросшем кустами, плодились русаки, но истинным украшением парка были благородные олени и косули.
Гатчинские ивы окружают здание ФИЗТЕХа и склоняются над прудами. Когда-то их высаживали вдоль дорог для украшения. Академик Константинов считал, что им уготовано другое будущее. Фото: К. Буш, из архива автора
Гатчинская охота была не только забавой, но и поставщиком дичи к царскому столу. Царские егеря знали, как накормить дичь, дать ей нагулять жирок. Наталкиваясь в Орловой роще на родниковое поильце или на заросли зубровки, чувствуешь, сколько заботы и знаний вкладывали они в свое дело.
Вдоль лесных дорог егеря высаживали кормовую иву. Ее мощные кусты, с темно-зелёной сверху и белесой снизу листвой, и сейчас попадаются в роще. Эта ива обладает замечательной способностью к регенерации — вместо скушенных листьев и веток у нее вырастают новые побеги. Царские егеря нашли когда-то подходящую иву, размножили ее и высадили вдоль водосборных канав.
В середине прошлого века на северной окраине Орловой рощи началось строительство филиала Ленинградского физико-технического института. Создавался филиал по плану академика Бориса Павловича Константинова — крупнейшего естествоиспытателя XX века. Константинов был мощным генератором идей и еще обладал редкостным даром мгновенно оценивать реализуемость научных и технических предложений вплоть до мельчайших деталей. 1960-е годы были трудными для него: обязанности вице-президента Академии Наук — а это 40 000 входящих и исходящих бумаг в год — требовали его присутствия в Москве. Чтобы вести свои научные работы, он приезжал утром в субботу в Ленинград, весь день проводил в физико-техническом институте, а в воскресенье вечером уезжал в Москву.
Ивовые листья были не сладкие — на вкус это была смесь бумаги и салата. Борис Павлович объяснил, что другого пути нет, — полупроводниковые солнечные батареи с концентраторами света и аккумуляторами оказались настолько дорогостоящими, что вырабатываемая ими энергия еле-еле покрывает стоимость изготовления. Напрямую энергию Солнца нужно использовать для добычи и опреснения воды — днем воду добывать, сутки расходовать. Когда возвращались к машине, Борис Павлович показал место, где будет строиться корпус для Агробиологического отдела, который будет вести исследования и разработки в области биоэнергетики — эффективного превращения энергии Солнца в массу органического вещества с последующим переводом в горючие жидкости и газы.
Начинать нужно было с выведения культурной ивы, способной превращать энергию солнца в легкую древесину без смолистых веществ. Культурная ива должна иметь правильную форму куста, мощную корневую систему, давать прирост в виде множества прямых прутьев. Иметь съедобные листья, а главное, допускать многолетнюю и ежeгодную срезку прутьев на дрот. При правильной агротехнике культурная ива может давать более 3000 центнеров древесной массы с гектара в год. Одной плантации ивы размером 10 на 10 км хватит газовому заводу для производства миллиарда кубометров газа. Ивовые плантации дадут обильный и питательный корм для животноводства, взамен они должны получать искусственные удобрения, золу и перебродивший в метантанках навоз.
Занятие для энтузиастов
Есть все основания полагать, что Константинов собирался применить для выведения культурной ивы искусство селекции — найти в Орловой роще сохранившиеся кусты кормовой ивы, отобрать лучшие, размножить их в тысячах экземпляров и снова отобрать лучшие по совокупности полезных признаков. Примерно так выводили культурные растения наши предки.
Создание Агробиологического отдела задержалось из-за начавшегося форсированного строительства реактора ПИК-прообраза тяжеловодных реакторов на тепловых нейтронах с воспроизводством ядерного топлива. Легководную активную зону реактора окружает протяженный тяжеловодный замедлитель нейтронов, в котором находились каналы для облучения чистого урана-238 и тория-232. Этих изотопов в природе много больше, чем урана-235, и их энергии хватит человечеству на тысячи лет.
Выступая на различных ареопагах, Константинов доказывал экономическую несостоятельность альтернативных энергетических проектов. Особенно доставалось проектам термоядepной электростанции и быстрого реактора-размножителя (бридера) с натриевым охлаждением. Константинов умер на 59-м году жизни, в расцвете творческих сил. Сразу же начались санкции — филиал отделили от материнского ФИЗТЕХа, строительство реактора ПИК приостановили. К руководству Ленинградским институтом ядерной физики им. Б. П. Константинова пришли другие люди с другими взглядами. Площадка под агробиологический корпус заросла дикой ивой. В наши дни только памятник работы Аникушина да громада недостроенного реактора ПИК напоминают о деятельности этого выдающегося ученого.
Так России не удалось стать пионером в создании своей ивовой энергетической индустрии. Приоритеты в технологических разработках уже принадлежат ученым соседних стран. Однако время для возобновления исследований по биоэнергетике еще не упущено. Это дело ждет своих энтузиастов.
http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/theory/191/
Интересно почитать