НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Здесь пойдет речь о таких источниках энергии, которые стали использоваться в последнее время для замены традиционных источников энергии. Наиболее важные из них - энергия, выделяемая при реакциях ядерного деления (см. гл. 1), энергия ветра, морских волн и приливов, а также солнечная энергия, используемая путем прямого преобразования и путем переработки биомассы.

Прямое преобразование солнечной энергии

Как показано на рис. 5.19, солнечная энергия используется в таких различных формах, как горючие ископаемые, биомасса, энергия ветра и гидроэнергия. Использование всех этих форм энергии представляет собой непрямое превращение солнечной энергии в формы, полезные человечеству. А каким образом можно непосредственно использовать солнечное излучение?

Важнейшим способом прямого преобразования солнечной энергии является использование солнечных панелей. Их изготовляют из металлов, поскольку последние являются хорошими проводниками тепла. Чаще всего с этой целью используется медь.

На нее наносят покрытие черного цвета, чтобы панель лучше поглощала солнечный свет. Солнечные панели обычно укрепляют на крышах домов и используют для обогрева жилищ.

Преобразование солнечной энергии возможно также с помощью фотоэлементов. Однако они обладают невысокой эффективностью: их коэффициент полезного действия не превышает 20%. В настоящее время затрачивается много усилий для повышения эффективности фотоэлементов. Одна из возможностей их улучшения заключается в использовании стеклянных панелей, содержащих оксид урана и редкоземельный элемент неодим, что усиливает поглощение света фотоэлементом.

В последние годы большое внимание ученых привлекло использование солнечной энергии для получения водорода (как горючего) из воды. Водород - наиболее распространенный элемент во Вселенной, хотя этого нельзя сказать о Земле (см. гл. 12). Большая часть водорода в земных условиях находится в форме воды. Полученный каким-либо способом водород можно превратить затем в другие виды горючего, например в метанол. Простейшим способом получения водорода из воды является электролиз. Эффективность этого процесса достигает 83%. Однако в настоящее время еще экономически невыгодно использовать электричество, вырабатываемое с помощью солнечной энергии, для получения водорода из воды путем ее электролиза.

Более привлекательным представляется прямое использование солнечной энергии для получения водорода из воды с помощью ее фотохимического разложения. Этот процесс называется фотолизом. В настоящее время изучаются два подхода к решению этой проблемы — биологический и биохимический.

В рамках биологического подхода для разложения воды на водород и кислород используются живые организмы (см. разд. «Водородное дерево» в начале данной

главы). Этот процесс называется биофотолизом. При биохимическом подходе для получения водорода из воды используются ферменты, полученные из живых организмов. С помощью этого подхода уже удается получать водород из воды, однако скорость и продолжительность этого процесса пока еще неудовлетворительны.

Интерес многих экспериментаторов привлекает использование искусственного хлоропласта и синтетического хлорофилла для фотохимического разложения воды.

Еще один долговременный источник энергии - это использование солнечных коллекторов, способных настолько сильно концентрировать солнечное излучение, что достигаются высокие температуры, необходимые для термохимического разложения воды. Этот процесс описывается уравнением

Биомасса

Биомасса включает любые вещества животного и растительного происхождения в составе как неживых, так и живых организмов. Пища, древесина, органические отходы животных и растений - все это разновидности биомассы. Биомасса является важной формой запасенной энергии. Например, углеводы, жиры и белки, входящие в пищу, обеспечивают энергией человеческий организм (см. разд. 5.2). Человечество уже давно использует древесину в качестве топлива. В последние десятилетия биомасса привлекает все больше внимания в качестве источника таких видов горючего, как биогаз и спирт.

Биогаз - подобно природному газу - представляет собой главным образом метан. Биологические процессы уже широко используются при очистке бытовых и сельскохозяйственных сточных вод с целью получения биогаза. На заводах по получению биогаза в качестве сырья используются отходы животного и растительного происхождения, которые перегнивают в генераторах биогаза или автоклавах. В этих установках

Рис. 5.21. Биогаз, получаемый из отходов растительного и животного происхождения, используется в некоторых развивающихся странах как источник энергии в индивидуальных домашних хозяйствах. Остаточный продукт переработки отходов в биогаз содержит много азота и может использоваться в качестве удобрений.

гниение происходит без доступа кислорода, т. е. в анаэробных условиях, при которых определенные разновидности бактерий разлагают отходы с образованием газообразного метана. Газообразный метан собирают, и затем его можно использовать непосредственно для отопления жилищ, приготовления пищи, либо для получения электрической энергии с помощью электрогенератора (рис. 5.21).

Производство биогаза быстро увеличивается в развивающихся странах. В Китае по всей стране размещено около 4,3 миллиона установок, производящих биогаз, и подготовлено приблизительно 100000 специалистов для их обслуживания. В Индии действует свыше 60000 установок по производству биогаза.

Использование «зеленых отходов» в развивающихся странах оказывается привлекательным по нескольким причинам. Во-первых, биогаз из них можно получать в сельской местности. Во-вторых, остатки после получения биогаза из зеленых отходов имеют высокое содержание азота и могут использоваться в качестве удобрений. Земли, непригодные для выращивания зерновых культур, могут быть использованы для выращивания биомассы с целью последующего получения биогаза. Многие водяные растения, такие, как, например, водяные гиацинты, которые засоряют каналы и водоемы в некоторых странах, тоже могут использоваться для получения биогаза. Наконец, использование биогаза позволяет уменьшить расходы древесины в качестве горючего.

Одна корова и мусорное ведро... Обычная установка для выработки биогаза, работающая на отходах животных, требует загрузки навозом по крайней мере от пяти коров. Производительность такой установки составляет около 3 м3 газа в сутки, причем вырабатывается и достаточное количество удобрений, которого хватает для ежегодной подкормки приблизительно 1,5 га пахотной земли.

Однако сложность заключается в том, что миллионы бедных хозяйств имеют всего по одной корове. Индийские ученые разработали в связи с этим самую дешевую в мире и, по-видимому, самую маленькую установку для выработки

биогаза. Она представляет собой просто керамическое мусорное ведро, которое может изготовить любой деревенский гончар. Чтобы предотвратить утечку газообразного метана из пористого сосуда, ученые Научного центра для сельского хозяйства в Вардхе разработали уплотняющую пасту, в состав которой входят известь и сок местных деревьев.

Другой разновидностью биотоплива является спирт, который уже давно использовался в качестве горючего, например в лампах - спиртовках или в смеси с бензином. Спирт можно получать из таких растений, как, например, сахарный тростник и маниок, путем ферментации (сбраживания) и перегонки. Бразилия, осуществляя свою программу получения спирта (об этом рассказано в начале главы), вырабатывает его из зерновых культур, а также разрабатывает и выпускает автомашины с двигателями, работающими на смеси бензина со спиртом.

Определенный интерес проявляется также к извлечению и использованию в качестве дизельного топлива и смазочных материалов некоторых растительных масел, последние годы в этом направлении проводятся испытания масел, извлекаемых из соевых бобов, подсолнечника, земляных орехов (арахиса), сурепицы (рапса), эвкалипта, тыквы, а также пальмового, кокосового и касторового масел.