Источники энергии, заменяющие нефть в каком-либо приложении, будь то: первичные источники энергии, топливо для транспорта, или ингредиенты в пластиках, пестицидах, вполне могут служить альтернативами нефти. Таковыми являются нефтеносные сланцы, сжижение и газификация угля, а также битумные пески. Когда истощатся традиционные нефтяные запасы, мир начнет активнее использовать эти альтернативные источники энергии, однако на настоящий момент ни один из не стал достаточно чистым, т. е. не влияющим на загрязнение окружающей среды, дешевым и доступным в тех огромных количествах, в которых ежедневно нуждаются экономики мира, основанные на нефти и природном газе.
Есть несколько альтернативных нефти видов топлив:
- Синтетическое топливо (представляет собой жидкое горючее, которые получают из биомассы или угля).
- Биодизельное топливо (это горючее, получаемое из растительных или животных масел)
- Этанол и метанол (топливо, соответственно получаемое из пшеницы или древесины)
- Электричество
- Водород
Для того, чтобы успешно применять энергоустановку на транспорте, нужно, чтобы она обладала необходимыми для этого качествами. Она должна удовлетворять спрос масс, а для этого должна стоить не очень дорого; кроме того, она должна быть достаточно компактной, чтобы её можно было поместить на борту транспортного средства, а также взрывобезопасной и нетоксичной, чтобы, если случится авария, не пострадали люди. Есть ещё очень важное условие: следует достаточно быстро создать инфраструктуру, которая бы обеспечила всеобъемлющее применение технологии. Следует отметить, что это непростая задача, так как на создание современной автомобильной и топливной промышленности ушло целое столетие.
Синтетическое топливо — это такой вид жидкого горючего, который производится из каменного угля или биомассы. Интересный факт: таким топливом пользовались фашистская Германия и милитаристская Япония при заправке своих танков и автомобилей. Для этого они синтезировали бензин из угля. Позже этот метод практиковала ЮАР, которая из-за режима апартеида попала под международные санкции. Следует отметить, что и в первом, и во втором случае дело добром не кончилось. Не углубляясь в химию, следует отметить, что очень большое количество полезных вещей может быть получено из угля. Например, сингаз, т. е. синтетический природный газ, и из него можно получать в дальнейшем и жидкое топливо.
Биодизельное топливо — такое топливо, которое производится из растительных или животных масел. Вполне подходит для альтернативы обычному топливу. В ограниченном объеме его использовали с самого начала двадцатого века. С начала 1990х гг. используется в промышленных объемах.
Такое топливо можно получить из разных растительных масел: для биодизеля подходят европейское рапсовое масло, азиатское пальмовое и американское соевое и т. д.
Производство биодизельного топлива по себестоимости в настоящее время сравнимо собычным дизтопливом (однако, его не облагают налогами, а иногда государство даже дотирует его производство).
Плюс биотоплива состоит и в том, что современные двигатели, работающие на дизеле, не обязательно существенно модернизировать для того, чтобы использовать биодизель, то есть транспортная инфраструктура не требует полной перестройки.
Еще одно достоинство биодизельного топлива состоит в том, что оно абсолютно безопасно в эксплуатации, потому что у него высокая температура возгорания и при его сгорании выделяется гораздо меньше вредоносных веществ, чем при сгорании дизельного топлива.
Нетрудно догадаться, что такое топливо может быть хорошей заменой дизельному, которое производится из добываемых углеводородов. Именно поэтому биодизель активно внедряется в мировое производство. Многие страны уже имеют государственные программы по его использованию.
Однако, биодизельное топливо не сможет удовлетворить мировой спрос в случае, если наступит энергетический голод. Дело в том, что указанные выше культуры растут на посевных площадях, количество которых ограничено. К примеру, Евросоюз из-за производства биодизеля из рапса увеличил площадь своих посевов до 12 % в 2006 (в 1990 году их было около 3 %). В дальнейшем, если увеличивать площади под рапс, другие культуры окажется вытеснены, производство продуктов питания будет снижено и, в последствии, произойдет рост цен на них. Однако, современные размеры производства данного вида топлива относительно невелики. Например, в Германии, в которой рапс занимает примерно 10 % пашни, удельный вес биодизтоплива составляет 3 % на рынке топлива государства. «Зеленые» в Малайзии уже протестуют против биодизеля, для производства которого увеличивают площади под плантации пальм. Урожайность, можно, например, повысить путем генной инженерии, а развивающиеся страны обладают гораздо большим количеством посевных площадей, чем развитые страны. Но даже учитывая это обстоятельство в настоящее время в мире удельная доля биотоплива примерно равна 10 %. Это говорит о том, что технология может немного отдалить, но вовсе не остановить приближающийся энергетический кризис.
Другая разновидность биодизтоплива — это этанол и метанол. Их достоинства и недостатки в принципе схожи со свойствами биодизеля. Спирт представляет из себя альтернативу бензину. Однако энергоемкость спирта значительно ниже, и расходы энергии на производство очень часто превосходят энергию, которая извлекается из урожая (в зависимости от погоды). Программы по активному внедрению этанола в энергетический баланс есть и в США, ЕС, Бразилии и остальных странах. Вместе с тем такие программы (как и программы по внедрению биодизеля) представляют собой скорее необъявленные субсидия сельскому хозяйству. На данный момент только Бразилия добилась более-менее значимых результатов: сегодня потребление этанола это 20–25 % потребления бензина. Этому способствует жаркий климат Бразилии, благодаря которому можно производить около трех урожаев сахарного тростника в год, а сахарный тростник представляет собой одну из самых продуктивных культур с целью получения спирта. Евросоюз и США используют кукурузу для этой цели, но это совсем не выгодно. Например, США, если они захотят перейти на этанол, придется засеять кукурузой около 97 % своей территории.
Следующим видом энергии являются аккумуляторы и электрические батареи. Электромобили, которые работают на энергии батарей и аккумуляторов, были внедрены в жизнь существенно раньше, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Примерно до начала прошлого века выпуск электромобилей был больше, чем выпуск бензиновых автомобилей. Первый автомобиль, который превысил скорость в 100 километров в час, был именно автомобиль, работающий на электроэнергии. Однако впоследствии именно бензин выиграл конкурентную борьбу. Это случилось потому, что элементы питания электромобиля имели недостаточную энергоемкость. И до сих пор электромобили занимают очень узкую область рынка транспорта. У современного электромобиля скорость развивается от 50 до 100 километров в час, запас хода составляет 50–150 километров, а аккумуляторы заряжаются от 4 до 8 часов.
Если рассматривать новейшие разработки в этой отрасли, то мы придем к выводу, что скорее всего в ближайшие годы сектор рынка электромобилей не изменится. Крупные компании покупают их с целью передвижения собственных предприятий, домохозяйки с помощью электромобилей ездят за покупками, и, кроме того, их используют озабоченные сохранением природы люди. Электромобили мало пригодны для путешествий на большие расстояния, а также для перевозки больших грузов и использования в сельском хозяйстве. Ещё один минус состоит в том, что очень сложно устанавливать на данный вид транспорта электрические приборы типа печки и кондиционера, так как им приходится экономить энергию для езды. Электродвигатели из-за высокого коэффициента полезного действия дают мало тепла в салон, поэтому зимой в нашей стране ими будет неудобно пользоваться.
Можно сделать вывод, что в ближайшем будущем электромобили вряд ли полноценно заменят автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Однако пренебрегать такой технологией и сбрасывать её со счетов было бы неверно.
Что касается «водородной экономики», то она является одной из самых актуальных тем во время обсуждения энергетических проблем. Очень желательно было бы обладать такой эффективной энергоустановкой, которая бы использовала воду (которая будет разложена на кислород и водород) в качестве топлива, а выхлопом стал бы водяной пар, выбрасывавшийся в атмосферу. Энергоустановки, которые работают на водороде, уже созданы. Топливным элементом является электрохимический источник тока, осуществляющий превращение энергии окислителя и топлива, которые непрерывно подведены к электродам, в электрическую энергию как таковую. Коэффициент полезного действия такого устройства гораздо выше коэффициента полезного действия традиционных двигателей, и может даже составлять 90 %. Автомобили работают на нём. Однако их очень мало, потому что на пути внедрения этой технологии в массы стоят немалое количество проблем.
Например, получить водород очень дорого и инфраструктура для его добычи, которая ещё более дорогая, отсутствует. Предполагается, что его можно будет получать на АЭС либо через высокотемпературные ядерные реакторы, либо через газификацию угля. Для этого необходимо выполнить огромное строительство, и объём этого строительства впечатляет. Так, рассматривая Великобританию, если она захочет полного перевода своего автомобильного парка на водород, то ей понадобится примерно сотня новейших атомных станций.
Вторая проблема связана с тем, что отсутствуют необходимая промышленная и транспортная инфраструктура (т. е. и заводы во выпуску двигателей, и заправочные станции, и т. д.). На данный момент «водородные трассы» мире насчитывают только немного сотен километров.
Кроме того, нет безопасной и дешевой технологии, как хранить водород на средстве транспорта. Так как водород при смеси с кислородом образует гремучий газ, который взрывается от любой искры, какая-нибудь авария на транспорте при утечке водорода будет сопровождаться объемным взрывом.
Когда производится энергия, то применяют каталитические мембраны, при производстве которых используются имеющие небольшой срок действия платина или палладий. Из-за этого топливные элементы оказываются очень недешевыми установками. Причем ещё неизвестно, что нам на нашей планете хватит этих металлов для производства энергоустановок, а доступные и высокопроизводительные катализаторы ещё не появились.
Однако, несмотря на все препятствия, энергетика, связанная с водородом, развивается быстрыми темпами. Глобальный рынок топлива всех видов развивается на 30 % в год последние 5 лет. Если говорить про водородный автотранспорт, то его доля по одному из прогнозов к 2015 году составит от 1 до 4,5 % от всех имеющихся автомобилей, и от 40 до 75 % к 2050 году.
Вырастет ли существенно роль альтернативных источников энергии в ближайшем будущем? Если значительный рост состоит в том, что возобновляемые источники энергии получат двухзначную долю в энергобалансе, то это вполне достижимая цель. Гидроэнергетика, например, уже сейчас имеет существенную долю в энергобалансе (около 5 % в балансе первичной энергии). Однако внедрение других вариантов энергии будет практиковаться и без гидроэнергетики. Я считаю, что агрегированная доля новейших и возобновляемых источников энергии вместе с традиционными, такими как угль, нефть, газ, атомная энергия, в обозримом будущем станет очень важным элементом структуры энергетического баланса, который выработает человечество. Совокупная доля альтернативных источников энергии вместе с гидроэнергетикой в среднесрочной перспективе, скорее всего, не достигнет уровня более 10–15 %, однако в отдельных, в первую очередь развитых странах доля отдельных компонентов уже достигает планку в 10 % (это, к примеру, ветроэлектроэнергия). Главнейшее преимущество возобновляемых типов энергии состоит в том, что они экологически чистые. А забота о сохранении окружающей среды возникает главным образом тогда, когда государство достигает высокого уровня развития экономики. Кроме того, новейшие и возобновляемые типы энергии требуют высокотехнологичного производства и больших затрат. Развитие данных технологий зависит от снижения издержек производства и достаточного объема экономического и административного стимулирования. Однако одни новейшие источники энергии сами по себе никогда не будут играть главную роль в энергопотреблении, так как большинство из них имеют цель производить электроэнергию. Невозможно перевести всю экономику только на электроэнергию, потому что всегда должна доля газообразного и жидкого топлива. Но главный итог их распространения состоит в том, что человечество отойдёт от монопольного положения одного ресурса энергии к более диверсифицированной структуре.
Нефть больше не определяющий фактор развития энергетики. Её, конечно же, применяют на транспорте, это очень трудно изменить на сегодняшний день. Много нефти используют в химической промышленности, однако это не является её использованием с энергетической точки зрения. Но в остальных сферах её масштабное потребление уже в прошлом. Например, удельная доля мазута понизилась до 10 % и даже меньше, а уголь обрел «второе дыхание». Широко начали использовать газ и возобновляемые источники энергии. Но нефть пока ещё определяющий фактор энергетического развития, и поэтому очень важна в экономическом развитии. К примеру, цены на газ во внешней торговле в странах, у которых ещё отсутствует биржевое ценообразование, очень привязаны к нефтяным ценам. В плане экономики нефть имеет большое влияние, и играет ключевую роль в развитии стран-экспортеров и стран-импортеров. В России, например, цена на нефть до сих пор играет основную роль в выработке государственного бюджета. Более того, так как доходы населения в странах Азии и Латинской Америки растут, там пополняется автомобильный парк. То есть нефть ещё очень долго будет оставаться значимым, но не определяющим элементом в энергетике мира. Роль «черного золота», которая активно вытесняется электроэнергией и газом, продолжит своё относительное сокращение: повышение качества человеческой жизни будет сопровождать рост экономики в неразвитых странах. Но и того, и другого невозможно достичь, если не провести синхронную или опережающую электрификацию. Создание электричества будет проходить на основе интенсивного использования экологически безопасного газа и формирования его мирового рынка. Рынок сжиженного природного газа, который развивается быстрыми темпами, будет связывать региональные рынки газа. Когда рынок газа выйдет на новую фазу развития, механизмы его ценообразования оторвутся от цен на «черное золото» и доля нефти в экономике мира будет относительно уменьшаться. Но это не произойдёт в ближайшей перспективе.
Есть ли альтернатива? Есть. Это старинные виды топлива, которые человечество употребляло ещё до ископаемых видов топлива. Ветер, приливы и отливы как движения воды, древесина, внутренняя энергия Земли — всё это производит энергию и не загрязняет окружающую среду, всё является возобновляемым и неиссякаемым. Но сейчас, используя современные технологии, мы можем использовать их даже более эффективно, чем раньше.
К примеру, не стоит рубить деревья варварскими методами, чтобы получать из них тепло или чтобы из выжженного древесного угля сделать сырьё для сталелитейной промышленности. Можно сделать упор на выращивании специальных культур, которые очень быстро поглощают двуокись углерода, и делать из этого биомассу. Можно прямо сжигать эти культуры, выращенные специально, или лучше выращивать какие-либо разновидности, которые будут давать горючее масло или те, которые дают спирт. Эти особые культуры очень помогут будущим нашим фабрикам и средствам передвижения.
У топлива, которое имеет растительное происхождение, есть огромное преимущество — оно не оставляет двуокись углерода в воздух. Такое топливо содержит двуокись углерода, поглощаемую годами до этого момента и возвращаемую в атмосферу.
Когда-то давно отливы и приливы использовались, чтобы вводить и выводить корабли из бухт. Но сейчас они могут быть использованы для производства энергии. Во время высокого прилива можно наполнить резервуары, а во время низкого отлива при помощи падения воды использовать вращение турбин для получения электричества. Ведутся дискуссии об использовании разницы температур в глубине и на поверхности океана в тропическом климате, а также об использовании непрекращающегося движения волн океана.
Следует отметить, что все вышеперечисленные виды энергии вечны и не несут вреда людям и окружающей среде. Они не загрязняют биосферу и будут существовать, пока будут Солнце и Земля.
Но все такие источники энергии не очень мощные. Дело в том, что ни по отдельности, ни вместе взятые они не обладают возможностью полностью удовлетворить все потребности цивилизации в энергии, как нефть в двадцатом и двадцать первом веке. Однако это не значит, что их можно сбрасывать со счетов. В какой-то степени все эти виды энергии, каждый на своем месте и по какой-то причине может служить хорошим источником энергии. Вместе взятые, они продлят время использования углеводородов. Учитывая все эти источники доступной энергии ископаемое топливо может сжигаться в невысоком темпе, чтобы не навредить климату, и работать в таком режиме длительное время. И, возможно, за это время человечество найдёт вечный, безопасный и обильный источник энергии.
Несмотря на то, что альтернативные источники бурно развиваются, в ближайшие 30 лет нефть будет играть роль основного сырья для топлива.
Литература:
- Альтернативное топливо. Режим доступа: https://avtonov.info/alternativnoe-toplivo
- Альтернативные виды топлива. Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/id/5d88c34104af1f00b0467f65/alternativnye-vidy-topliva-5e1811d542b03d00afa4d505
- Водородное топливо. Режим доступа: https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/142374-vodorodnoe-toplivo/
- Синтетический бензин: описание, характеристика, показатели, способы производства. Режим доступа: https://yandex.ru/turbo/fb.ru/s/article/402146/sinteticheskiy-benzin-opisanie-harakteristika-pokazateli-sposobyi-proizvodstva
