5. ЭНЕРГЕТИКА

Солнечная энергия в горючих материалах

Водородное дерево. Принципиально новый подход к использованию солнечной энергии, возможно, откроет биотехнология - область науки и техники, основанная на изучении и применении фотосинтеза и биологических процессов преобразования энергии.

Растения всегда использовали энергию солнечного света для разложения воды, но они не выделяли наружу водород, потребляя его для собственных энергетических нужд как средство восстановления диоксида углерода. Однако, быть может, удастся вывести новые биологические структуры, которые будут способны выделять водород. Сотрудник Международного института анализа прикладных систем в Лакссенбурге (Австрия) Чезаре Марчстти изучает возможность выведения породы деревьев, выделяющих водород (рис. 5.1). Это позволило бы заменить дорогостоящие коллекторы солнечной энергии и солнечные батареи листьями деревьев. Вздувшиеся растительные ткани, так называемые галлы, например наросты, образующиеся на пнях деревьев, могут быть генетически запрограммированы на использование солнечной энергии, поглощаемой листьями, для выделения газообразного водорода как побочного продукта фотосинтеза. Газообразный водород можно будет собирать внутри галлов и направлять по трубкам на центральную накопительную станцию. Нечто наподобие такой системы уже существует в природе. Многие насекомые и бактерии вызывают образование галлов у различных растений. Разнообразные типы возникающих при этом галлов, число которых измеряется десятками тысяч,

Рис. 5.1. Схематическое изображение «водородного» дерева и принципиальная схема протекающих в нем химических процессов.

Дрова - основной вид топлива во многих развивающихся странах.

Женщины, ведущие домашнее хозяйство в тесноте городских поселении и вынужденные подолгу вдыхать у очага дым от сжигания дров, сухого помета либо даже керосина, часто страдают респираторными или сердечно-легочные, заболеваниями. Дым, образующийся при сгорании этих видов топлива, содержит почти все токсичные компоненты, обнаруживаемые в дыму сжигаемых горючих ископаемых.

обеспечивают затем организм, на котором они образовались, защитой или питательными веществами. По крайней мере в одном случае, когда бактерии Rhizobium 4 находятся в симбиозе с бобовыми растениями, в галлах образуется значительное количество водорода, хотя сейчас он просто выделяется в атмосферу. Подсчитано, что только в США соевые плантации ежегодно выделяют в атмосферу приблизительно 30 миллиардов кубических метров водорода. Использование подобного потенциала путем достаточно простого объединения подобных растений с какой-либо газосборной системой будет зависеть от развития техники генной инженерии. Галлы позволяют обратить вспять фотосинтез и получать водород (или метан) в замкнутой полости, откуда он может транспортироваться по коллекторной линив.

Древесный уголь. В развивающихся странах 86% ежегодно расходуемой древесины используется в качестве топлива, из которого по меньшей мере половина идет на приготовление пищи. В этих странах почти повсеместно наблюдается повышение роли древесного угля в качестве топлива. Например, в Танзании доля сжигаемой древесины, идущая на переработку в древесный уголь, за 1970-2000 годы может возрасти от 3 до 25%. В принципе такое положение вызывает беспокойство, потому что в процессе получения древесного угля более половины содержащейся в дереве энергии расходуется бесполезно. Однако использование древесного угля облегчает и удешевляет транспортировку древесины, и возрастание его роли обусловлено все большим удалением мест заготовки от потребителей. Кроме того, древесный уголь по сравнению с дровами горит более равномерно, имеет высокую теплотворную способность, не образует дыма при горении и его пламя легче загасить, когда кончается необходимость поддерживать огонь. Древесный уголь может также служить заменителем горючих ископаемых, совершенно отсутствующих в некоторых регионах. Все это позволяет думать, что древесный уголь, несмотря на общую неэффективность его использования, будет все больше использоваться в дальнейшем для приготовления пищи.

Этанол. Несомненно, наиболее распространенный, хотя и не всегда наиболее экономичный, процесс переработки биомассы-получение этилового спирта (этанол, ) из сахарного тростника и кукурузы. Самым крупным в мире производителем этанола является Бразилия, где ежегодно производится 3,2 млрд. литров спирта из сахарного тростника, сорго и маниока. Спирт можно смешивать с бензином и, если доля спирта не превышает 20%, использовать эту смесь в качестве автомобильного горючего без переделки обычных двигателей. Однако, если необходимо, автомобильные двигатели можно переделывать для работы на чистом спирте. Стоимость спирта в Бразилии в 1980 г. превышала стоимость бензина в большинстве стран Европы. Тем не менее Бразилия извлекает из производства и использования спирта кое-какие косвенные выгоды, например экономит валюту на сокращении ввоза бензина, инициирует рост нового предпринимательства, развитие национальной технологии и промышленности.

Соединенные Штаты также уделяют повышенное внимание производству спирта; там намечалось к 1982 г. производить приблизительно 3,5 млрд. литров спирта для использования в качестве горючего (в большинстве случаев сырьем для получения спирта служит кукуруза). К числу других стран, где придается большое значение процессу переработки биомассы в спирт, относятся Австралия (из маниока) и Новая Зеландия (из сахарной свеклы).

Некоторые экономисты глубоко обеспокоены использованием зерновых культур для производства спирта в качестве заменителя моторного бензина. Они полагают, что от этого выиграют владельцы автомашин, а голодающее население возрастет, потому что земли, которые сейчас используются для выращивания пищевых культур, окажутся занятыми для получения горючего. Тем не менее можно указать несколько ситуаций, когда производство спирта в качестве горючего экономически оправдано. Развивающиеся страны с излишками сельскохозяйственной продукции, но с дефицитом энергетических ресурсов, такие, как Бразилия, Судан и Таиланд, по-видимому, имеют наиболее сильные стимулы для развертывания крупномасштабных программ получения энергии из биомассы, позволяющих уменьшить

зависимость этих стран от импортируемой энергии. Именно к такой группе принадлежат, как правило, страны, в которых эффективно развертываются программы производства спирта. Однако многие крупные развивающиеся страны, такие, как Бангладеш и Пакистан, импортируют и сельскохозяйственные продукты, и энергию. В большинстве подобных стран производство этилового спирта может считаться целесообразным только в том случае, если оно будет основываться на использовании избыточной недорогостоящей биомассы, как, например, меласса (черная патока) и биоотходы сельскохозяйственного производства (или же сахарный тростник в периоды перепроизводства сахара на мировом рынке). В странах с избыточными энергетическими ресурсами, как, например, в Мексике, Нигерии или Венесуэле, навряд ли есть необходимость в развертывании крупных программ получения энергии из биомассы.

После изучения главы 5 вы сможете:

1) объяснить смысл терминов

2) формулировать первый закон термодинамики:

3) объяснить, в чем заключается различие между экзотермическими и эндотермическими реакциями;

4) описать способы экспериментального определения энтальпии сгорания, энтальпии нейтрализации и энтальпии связей;

5) вычислить молярную энтальпию сгорания и молярную энтальпию образования по экспериментальным данным;

6) формулировать закон Гесса и применить его в простейших расчетах изменений энтальпии;

7) строить энтальпийные диаграммы, интерпретировать их и пользоваться ими;

8) знать, как интерпретируются и используются энтальпии связей и энтальпии кристаллических решеток;

9) пользоваться циклом Борна-Габера для вычисления энтальпии кристаллической решетки.

10) объяснить, в чем заключается различие между энтальпией растворения и энтальпией гидратации;

11) объяснить смысл термина энтропия;

12) объяснить смысл термина свободная энергия Гиббса и важность этого понятия;

13) вычислить изменения энтропии и свободной энергии Гиббса по соответствующим термодинамическим данным;

14) строить типичные диаграммы Эллингема и пользоваться ими, демонстрируя применение понятия свободной энергии Гиббса к обсуждению извлечения металлов из их оксидов;

15) описать различные источники энергии, используемые человеком;

16) объяснить, в чем заключается различие между возобновляемыми и невозобновляемыми формами энергии;

17) описать различные способы накопления энергии;

18) обсуждать энергетические потребности человечества в прошлом, настоящем и будущем и указывать проблемы, связанные с современными и будущими источниками энергии.