Энергетическая проблема в современном мире

Энергетика процессов метаболизма, в которых энергия сохраняет форму химической, в основных чертах ясна, но этого нельзя сказать о процессах, в которых энергия переходит из химической формы в механическую работу или какой-нибудь иной вид энергии (например, электрический). Так, известно, например, что работа, совершаемая сокращающейся мышцей, производится за счёт энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ, но механизм этого преобразования энергии ещё не ясен. Выяснение интимных механизмов механо-химического эффекта и других превращений химической энергии - важная и актуальная задача Биоэнергетика, успешное решение которой может открыть путь к прямому преобразованию химической энергии в механическую и электрическую без промежуточного "разорительного" превращения её в тепло.

Основным и практически единственным источником энергии для жизни на Земле является энергия излучения Солнца, часть которой поглощается пигментами растений и некоторых бактерий и в процессе фотосинтеза аккумулируется автотрофными организмами в форме химической энергии: частью в виде АТФ (процессы фотосинтетического фосфорилирования), частью в виде энергии некоторых специфических соединений (восстановленных никотинамид-адениндинуклеотидов), являющихся важнейшими промежуточными аккумуляторами энергии. Весь дальнейший процесс синтеза углеводов, а затем и липидов, белков и других компонентов клетки осуществляется в цикле темновых ферментативных реакций за счёт энергии указанных выше соединений.

При реакции синтеза углеводов [суммарно: 6CO2+6H2O®C6H12O6+6O2] увеличение свободной энергии DF=2,87 Мдж/моль (686 000 кал/моль), а теплосодержание продуктов (молярная энтальпия) изменяется на величину DН=2,82 Мдж/моль (673 000 кал/моль). Т.о., углеводы, липиды, белки и другие пищевые продукты представляют собой форму долговременного хранения поглощённой растением энергии излучения.

В гетеротрофных организмах АТФ образуется в процессе дыхания на промежуточных стадиях окисления пищевых веществ до CO2 и воды. В этом процессе около 40-50% свободной энергии переходит в энергию макроэргических связей АТФ, а остальная теряется в виде тепла. Общее количество энергии, запасаемой растениями в год (при упрощённом предположении, что весь углерод фиксируется в виде глюкозы), равно примерно 1018-1021 дж, что составляет лишь 0,001 от общего потока падающей на Землю солнечной энергии (1024 дж/год.).

Некоторое количество энергии накапливается и в процессах хемосинтеза за счёт окисления восстановленных неорганических соединений, но вклад этих процессов в энергетику биосферы невелик.

Сказанное выше характеризует только суммарный баланс энергии в процессах её аккумуляции и использования. Изучение первичных механизмов миграции энергии на клеточном и молекулярном уровнях показало, что решающую роль в них играет транспорт электронов по цепи передатчиков. В отдельных звеньях этой цепи окислительно-восстановительных реакций происходит освобождение небольших порций свободной энергии, примерно соответствующих значениям DF для макроэргических связей АТФ.

Дальнейшее изучение проблем биоэнергетики, в частности механизмов преобразования химической энергии в работу, требует перехода к рассмотрению этих процессов на субмолекулярном уровне, где вступают в силу законы квантовой физики и химии.

 

3. Биотопливо  как продукт биоэнергетики

 

Использование спиртов в качестве топлива для автомобильных двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается).

Начало крупномасштабной добычи нефти сделало применение спирта в качестве моторного топлива невыгодным. Спиртовые топлива стали нишевым продуктом: например, на метиловом спирте работают двигатели мотоциклов для спидвея и многих спортивных картов. Спиртовое автомобильное горючее пользуется определённой популярностью в Бразилии, где нет больших запасов нефти, но зато есть идеальные условия для выращивания сахарного тростника и производства из него дешевого спирта. Помимо этанола и метанола, в качестве моторных топлив предлагается использовать и другие спирты. Компании BP и Du Pont делают ставку на бутанол.

Наибольшее внимание сейчас уделяется именно этиловому спирту. В лентах научно-технических и экономических новостей сообщения о планах по строительству новых заводов появляются чуть ли не каждый день. В США сахарный тростник не растет, поэтому главным источником биоэтанола должна стать кукуруза. "Царицей полей" дело, впрочем, не ограничивается: в ход планируется пустить все - от картофеля и пшеницы до различных органических отходов. Ряд стран планируют наладить экспорт биоэтанола в США и другие государства, заинтересованные в переходе на спиртовое горючее. Бразилия планирует к 2025 г. заменить тростниковым спиртом до 10% потребляемого в мире бензина.

Бензиновые двигатели, в общем случае, не годятся для использования спиртового топлива, хотя конструктивные изменения для перевода их на спирт минимальны. Часто удается ограничиться использованием стойких к спиртам материалов и установкой элементов для отделения водяного конденсата. В настоящее время многие ведущие автопроизводители выпускают универсальные двигатели, способные работать на бензине, спирте или их смесях. При использовании смесей бензина с небольшим количеством спирта (до 10%) топливо, как правило, подходит и для обычных бензиновых двигателей. Именно смесевыми топливами сейчас наиболее увлечены в мире. Смеси бензина с этанолом обычно обозначают буквой E (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо E10 или газохол, содержащее 10% этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах. В США топливо E10 набирает популярность из-за вступивших в силу ограничений на применение в бензине эфиров.

Вместе с тем, наибольший интерес сейчас проявляют к смесям с высоким содержанием этанола. Чаще всего говорят о топливе E85, которое представляет собой смесь спирта (85%) и бензина (15%). При этом на деле содержание этанола меньше 85%, так как для приготовления смесей используется девяностотрёх-девяностошести процентный спирт, к тому же денатурированный. Топливо E85 достаточно активно используется в Швеции, быстрыми темпами растет его популярность и в США.

Нужно отметить, что синтетический этанол, получаемый из нефти, в качестве топлива обладает точно такими же свойствами, как и полученный из растительного сырья, но не обеспечивает нейтральности в плане выбросов углекислоты.

Идея использовать растительные масла в качестве топлив для дизельных двигателей была выдвинута еще при создании первых таких моторов. Однако с освоением нефтяных запасов в XX веке более выгодным оказалось топливо из нефти. Сейчас биодизельное топливо часто отождествляют с рапсовым маслом, которое действительно стало основным сырьевым источником "биосоляры" в Европе. Однако биодизельное топливо можно получать и из других масел, например, подсолнечного, пальмового или соевого, что и делают за пределами Европы.

Важно иметь в виду, что сами по себе растительные масла в качестве топлив не используются. Любая "биосоляра" представляет собой смесь продуктов переэтерификации растительных масел. В растительном содержатся жиры - эфиры жирных кислот с глицерином. В процессе получения "биосоляры" эфиры глицерина разрушают и заменяют глицерин (он выделяется как побочный продукт) на более простые спирты - метанол и, реже, этанол. В Европе основным биодизельным топливом стал метиловый эфир рапсового масла.

Растительные масла и их эфиры, как и спирты, отличаются агрессивностью ко многим материалам, традиционно используемым в двигателях и топливной системе автомобилей. В последние годы большинство европейских производителей выпускают машины, допускающие использование смесей нефтяного топлива с "биосолярой" в количестве 5-20%, а иногда и 100% биотоплива. Добавление биодизельного компонента в количестве до 5% обычно считается приемлемым для любых двигателей, неадаптированных к биотопливу. Достаточно активно биодизельное топливо внедряется и в США, где в качестве сырья используют чаще всего соевое масло. Еще один перспективный источник "биосоляры" - отработанные пищевые масла.

В России биотоплива для двигателей внутреннего сгорания остаются экзотикой. Этому способствует как наличие значительных запасов нефти и газа, так и объективные трудности, связанные с получением и использованием топлив из природного сырья.

биоэнергетика биологическое топливо энергия

Россия - это не Европа, не США и, тем более, не Бразилия. Тут более суровый климат, и получать дешевый спирт или масло, снимая по нескольку урожаев в год, не выйдет. Климат заметно ограничивает и применимость биотоплив. Например, биодизельные топлива на основе рапсового масла застывают при температурах около - 15° С, а в ряде случаев и выше. Это ограничивает применимость биодизеля южными регионами страны или летним временем года. Проблема застывания существует и для нефтяного дизельного топлива, но она успешно решается технологическими методами (депарафинизация, облегчение фракционного состава) или добавлением депрессорных присадок, эффективно снижающих температуру застывания. Для растительных топлив такие присадки еще только разрабатываются. Другая проблема - поглощение влаги из атмосферы, при низких температурах грозящее расслоением топлива, коррозией и образованием льда. Спирт и его смеси с бензином не замерзают, однако еще больше склонны к поглощению влаги. На определенном этапе это может привести к расслоению топливной смеси, что недопустимо. Ситуация усугубляется тем, что даже если сразу расслоения не произойдет, резкие перепады температуры могут привести к появлению в топливной системе водяного конденсата. При низких температурах он замерзает и приводит к забивке топливопроводов, фильтров и др. Влага также способствует появлению коррозии. Таким образом, для районов с резко континентальным климатом спирто-бензиновые смеси могут оказаться непригодными.

Нельзя забывать и об огромном парке устаревшей техники, которая не только эксплуатируется, но и выпускается в России. Для нее топлива с высоким содержанием биокомпонента непригодны. Топлива с высоким содержанием этанола не годятся для России и по другой причине. Если за 20-30 рублей можно купить литр топлива, на 70% состоящего из спирта, быстро найдутся желающие выделить спирт у себя в гараже или организовать подпольное производство суррогатных напитков.

Несмотря на упомянутые недостатки, работа по созданию спиртовых топлив в России велась и ведётся. Ещё в 1990-е гг. "АвтоВАЗ" одобрил использование топлив, содержащих до 5% этанола в качестве добавки, повышающей октановое число. А в 2004 г. был принят ГОСТ Р 52201-2004 на спиртосодержащие моторные топлива "бензанолы", в которых доля этанола составляет 5-10%. Впрочем, подобные топлива так и не были запущены в широкое производство. В качестве октаноповышающей добавки привлекательнее оказались эфиры, прежде всего, МТБЭ. Они не так склонны к поглощению воды, к тому же, при использовании этанола наверняка придётся столкнуться с необходимостью соблюдать правила оборота спиртосодержащей продукции и печально известной ЕГАИС. К тому же, ГОСТ не указывает, что спиртовая добавка обязательно должна быть биологического происхождения, поэтому изготовители наверняка предпочтут более дешёвый синтетический спирт, получаемый из нефтяного сырья.

Стандартов на биодизельное топливо в России пока нет, и продавать его на заправках не спешат. Тем не менее, в стороне от мировых тенденций Россия не остаётся: во-первых, с биодизелем экспериментируют учёные и конструкторы, а, во-вторых, производство топлива из растительного сырья потихоньку налаживается: завод в Армавире в Ростовской области планирует построить компания "Русбиодизель", правда, ориентировано предприятие будет поначалу на экспорт.

Внутри страны пионерами по внедрению биотоплив, по всей видимости, станут крупные города, где особенно строги требования к выхлопу автотранспорта.

Организация производства биотоплив в России, пусть даже на экспорт, полезна и с точки зрения развития сельского хозяйства. Уже сейчас этанольный бум в США привел к росту цен на кукурузу, а в юго-восточной Азии озабочены вырубкой лесов под плантации для производства пальмового масла, из которого потом делают биодизельное топливо. Так что выгоду из бума на биотоплива при желании смогут извлечь и в России.

 

 

Список литературы

 

1.<http://www.energospace.ru>

.Горелов А.А. Концепции  современного естествознания. М., 1999.

.Концепции современного  естествознания. Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 2001.

.Концепции современного  естествознания. Под ред. С.И. Самыгина. Ростов н/Д, 2001.

.Найдыш В.М. Концепции  современного естествознания: Учебник. М., 2004.