Еволюція енергії: Від дров до водню
Історія людства тісно пов'язана з пошуком та освоєнням нових джерел енергії. Кожна епоха приносила свої відкриття, які кардинально змінювали світ — від первісного вогнища до сучасних технологій.
🪵 Ера деревини
З початку часів деревина була найдоступнішим паливом. Проте вже в середньовіччі король Генріх VIII (1491–1547) висловлював занепокоєння, що Англії не вистачить деревини для опалення, приготування їжі та будівництва, закликаючи громадян до економії.
⚫️ Ера вугілля
Видобуток вугілля в 1700-х роках став рушієм промислової революції. Це нове джерело енергії вирішило проблему дефіциту деревини, але спалювання великої кількості вугілля призвело до забруднення повітря у містах та проблем зі здоров'ям.
🛢️ Ера нафти
У 1859 році була відкрита нафта. Вона була дешевою, її легко транспортувати та вона була відносно чистою для спалювання. Незабаром нафта стала найкращим енергетичним ресурсом, а Близький Схід — ключовим постачальником.
⚛️ Атомна енергетика
Вчені звернулися до ядерної енергії як до необмеженого джерела. Проте аварії на Три-Майл-Айленді, в Чорнобилі та Фукусімі значно сповільнили її розвиток. Радіація та утилізація відходів залишаються серйозними проблемами.
💧 Воднева мрія
Водень розглядався як наступне енергетичне диво — чисте та невичерпне. Однак його виробництво є дорогим, оскільки потребує стільки ж енергії, скільки й виробляється. Наразі водень залишається мрією, що не здійснилася.
Сучасний енергетичний ландшафт
Значна частина світової енергії надходить шляхом спалювання вуглеводнів у вигляді нафти, природного газу та вугілля, які є залишками живої матерії з минулих геологічних часів. Сонце, джерело всього життя, забезпечувало ці консервовані енергії, але вони не є відновлюваними. На графіку 1 показано види палива, що використовуються для виробництва електроенергії. Вугілля, найпоширеніше паливо, виробляє найбільшу кількість CO2, природний газ викидає приблизно вдвічі менше, ніж вугільний еквівалент, а нафта знаходиться десь посередині.
Графік 1: Світове виробництво електроенергії за видами палива (МЕА, 2014)
Вугілля дешеве, але викидає приблизно вдвічі більше CO2, ніж природний газ. Викиди CO2 від нафти знаходяться посередині між вугіллям і природним газом.
Порівняння щільності енергії палива
У таблиці 1 наведено чисту теплотворну здатність (ЧТЗ) та ефективність різних джерел енергії у Вт·год на літр. Дизельне паливо та бензин за ЧТЗ перевершують водень та літій-іонні акумулятори. Будь-який відхід від простого процесу згоряння до збору енергії пов'язаний з вищими витратами на енергію, але цей виграш має бути компенсований перевагою утворення меншого викиду парникових газів (CO2 ).
Таблиця 1: Нижча теплотворна здатність
Дизельне паливо та бензин перевершують водневі та літій-іонні акумулятори. ККД перетворення вимірюється тепловою потужністю та не враховує тертя та опір.
* СПГ (стиснений природний газ) – 250 бар (3625 фунтів на квадратний дюйм).
** Водень – 350 бар (5000 фунтів на квадратний дюйм).
У таблиці 2 наведено зведені значення нижчої теплотворної здатності стародавніх та сучасних видів палива за масою (кг) та об'ємом (літр). За винятком водню за масою, вуглеводні мають найвищу енергетичну цінність за вагою.
| Паливо | Енергетична цінність за масою (Вт·год/кг) | Енергія за об'ємом (Вт·год/л) |
|---|---|---|
| Водень (350 бар)* | 39 300 | 750 |
| Рідкий водень* | 39 000 | 2600 |
| Пропан | 13 900 | 6600 |
| Бутан | 13 600 | 7 800 |
| Дизельне паливо | 12 700 | 10 700 |
| Бензин | 12 200 | 9 700 |
| Природний газ (250 бар) | 12 100 | 3100 |
| Жир у тілі | 10 500 | 9 700 |
| Етанол | 7 850 | 6100 |
| Кам'яне вугілля (тверде) | 6600 | 9 400 |
| Метанол | 6400 | 4600 |
| Деревина (середня) | 2300 | 540 |
| Літій-кобальтовий акумулятор | 150 | 330 |
| Літій-марганець | 120 | 280 |
| Маховик | 120 | 210 |
| Нікель-металгідридний акумулятор | 90 | 180 |
| Свинцево-кислотний акумулятор | 40 | 64 |
| Стиснене повітря | 34 | 17 |
| Суперконденсатор | 5 | 73 |
Таблиця 2: Щільність енергії викопного палива та акумуляторів.
* Водень має найвище співвідношення енергії до маси (Вт·год/кг), але енергія за об'ємом (Вт·год/л) показує точнішу картину з точки зору зберігання та доставки. Дизельне паливо має майже в 14 разів більшу питому енергію за об'ємом, ніж чистий водень (750 Вт·год/л при 350 бар або 5000 фунтів на квадратний дюйм).
Висновок
Нафту та природний газ можна видобувати дешево, і економіка є вирішальним фактором при виборі палива. Це часто відсуває екологічні проблеми на другий план. Хоча викопне паливо є одним з найдешевших та найефективніших, екологічна шкода від його споживання у великих масштабах починає привертати увагу кожного.
