Эволюция энергии: От дров до водорода
История человечества тесно связана с поиском и освоением новых источников энергии. Каждая эпоха приносила свои открытия, которые кардинально меняли мир — от первобытного очага до современных технологий.
🪵 Эра древесины
С начала времен древесина была самым доступным топливом. Однако уже в средневековье король Генрих VIII (1491–1547) выражал обеспокоенность, что Англии не хватит древесины для отопления, приготовления пищи и строительства, призывая граждан к экономии.
⚫️ Эра угля
Добыча угля в 1700-х годах стала двигателем промышленной революции. Этот новый источник энергии решил проблему дефицита древесины, но сжигание большого количества угля привело к загрязнению воздуха в городах и проблемам со здоровьем.
🛢️ Эра нефти
В 1859 году была открыта нефть. Она была дешевой, ее легко транспортировать и она была относительно чистой для сжигания. Вскоре нефть стала лучшим энергетическим ресурсом, а Ближний Восток — ключевым поставщиком.
⚛️ Атомная энергетика
Ученые обратились к ядерной энергии как к неограниченному источнику. Однако аварии на Три-Майл-Айленде, в Чернобыле и Фукусиме значительно замедлили ее развитие. Радиация и утилизация отходов остаются серьезными проблемами.
💧 Водородная мечта
Водород рассматривался как следующее энергетическое чудо — чистое и неисчерпаемое. Однако его производство является дорогостоящим, поскольку требует столько же энергии, сколько и производится. В настоящее время водород остается несбывшейся мечтой.
Современный энергетический ландшафт
Значительная часть мировой энергии поступает путем сжигания углеводородов в виде нефти, природного газа и угля, которые являются остатками живой материи из прошлых геологических времен. Солнце, источник всей жизни, обеспечивало эти консервированные энергии, но они не являются возобновляемыми. На графике 1 показаны виды топлива, используемые для производства электроэнергии. Уголь, самое распространенное топливо, производит наибольшее количество CO2, природный газ выбрасывает примерно вдвое меньше, чем угольный эквивалент, а нефть находится где-то посередине.
График 1: Мировое производство электроэнергии по видам топлива (МЭА, 2014)
Уголь дешев, но выбрасывает примерно вдвое больше CO2, чем природный газ. Выбросы CO2 от нефти находятся посередине между углем и природным газом.
Сравнение плотности энергии топлива
В таблице 1 приведена чистая теплотворная способность (ЧТС) и эффективность различных источников энергии в Вт·ч на литр. Дизельное топливо и бензин по ЧТС превосходят водород и литий-ионные аккумуляторы. Любой отход от простого процесса сгорания к сбору энергии связан с более высокими затратами на энергию, но этот выигрыш должен быть компенсирован преимуществом образования меньшего выброса парниковых газов (CO2 ).
Таблица 1: Низшая теплотворная способность
Дизельное топливо и бензин превосходят водородные и литий-ионные аккумуляторы. КПД преобразования измеряется тепловой мощностью и не учитывает трение и сопротивление.
* СПГ (сжатый природный газ) – 250 бар (3625 фунтов на квадратный дюйм).
** Водород – 350 бар (5000 фунтов на квадратный дюйм).
В таблице 2 приведены сводные значения низшей теплотворной способности древних и современных видов топлива по массе (кг) и объему (литр). За исключением водорода по массе, углеводороды имеют наивысшую энергетическую ценность по весу.
| Топливо | Энергетическая ценность по массе (Вт·ч/кг) | Энергия по объему (Вт·ч/л) |
|---|---|---|
| Водород (350 бар) | 39 300 | 750 |
| Жидкий водород | 39 000 | 2600 |
| Пропан | 13 900 | 6600 |
| Бутан | 13 600 | 7 800 |
| Дизельное топливо | 12 700 | 10 700 |
| Бензин | 12 200 | 9 700 |
| Природный газ (250 бар) | 12 100 | 3100 |
| Жир в теле | 10 500 | 9 700 |
| Этанол | 7 850 | 6100 |
| Каменный уголь (твердый) | 6600 | 9 400 |
| Метанол | 6400 | 4600 |
| Древесина (средняя) | 2300 | 540 |
| Литий-кобальтовый аккумулятор | 150 | 330 |
| Литий-марганец | 120 | 280 |
| Маховик | 120 | 210 |
| Никель-металлогидридный аккумулятор | 90 | 180 |
| Свинцово-кислотный аккумулятор | 40 | 64 |
| Сжатый воздух | 34 | 17 |
| Суперконденсатор | 5 | 73 |
Таблица 2: Плотность энергии ископаемого топлива и аккумуляторов.
* Водород имеет самое высокое соотношение энергии к массе (Вт·ч/кг), но энергия по объему (Вт·ч/л) показывает более точную картину с точки зрения хранения и доставки. Дизельное топливо имеет почти в 14 раз большую удельную энергию по объему, чем чистый водород (750 Вт·ч/л при 350 бар или 5000 фунтов на квадратный дюйм).
Заключение
Нефть и природный газ можно добывать дешево, и экономика является решающим фактором при выборе топлива. Это часто отодвигает экологические проблемы на второй план. Хотя ископаемое топливо является одним из самых дешевых и эффективных, экологический вред от его потребления в больших масштабах начинает привлекать всеобщее внимание.
