Фактически топливо можно делать из любого органического вещества. Современная энергетика имеет несколько первичных источников энергии. Самым потребляемым энергетическим ресурсом является нефть. На втором месте по потреблению стоит уголь, на третьем — природный газ. Ожидается, что к 2040 году потребление природного газа превысит потребление угля, потому что природный газ считается более экологичным — по крайней мере, на месте использования, а не добычи. И только после них по потреблению идут такие первичные источники энергии, как гидроэнергетика, атомная энергетика, биоэнергетика и возобновляемые источники энергии.

Металлы в качестве топлива

Топливом могут служить неорганические вещества. Потребность в экологически безопасных энергоносителях обусловлена как минимум ростом количества автомобилей на дорогах и, соответственно, выхлопных газов. Кроме того, совсем скоро роботы станут неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, а их тоже нужно чем-то питать. Роботы, используемые в помещениях, не могут работать на двигателе внутреннего сгорания по причине выхлопных газов.

Какие решения существуют? С одной стороны — водородное топливо, то есть использование водорода в качестве энергоносителя, с другой — аккумуляторные батареи. В случае с водородом главная сложность заключается в его транспортировке и хранении: это самый легкий газ. По большому счету с ним так и не научились работать в энергетике. В случае с аккумуляторами надо понимать, что, когда мы используем анод, катод и электролит, мы сразу теряем в удельных характеристиках. Если бензин несет в себе порядка 10 тысяч ватт-часов на килограмм, то в литийионных аккумуляторах это 200 ватт-часов на килограмм. Кроме того, литий не самый распространенный химический элемент в земной коре, поэтому сейчас ведутся активные поиски новых материалов как для топлива, так и для аккумуляторов. Например, самый распространенный химический элемент в земной коре, исключая кислород, — кремний. За ним идет алюминий, а после алюминия — железо, щелочные и щелочноземельные металлы.

Определенные фундаментальные предпосылки говорят о том, что неплохим топливом может оказаться алюминий. Килограмм алюминия и литр бензина по энергоемкости примерно одинаковы. Только для бензина у нас уже есть энергоустановки, которые преобразуют химическую энергию бензина в полезную, — например, двигатели внутреннего сгорания, — а для алюминия таких нет. Сегодня мы занимаемся разработкой эффективных установок по преобразованию химической энергии алюминия в полезную: электроэнергию, тепловую или механическую энергию. Идея такова: у нас есть источники электроэнергии, например гидроэлектростанции; вода течет, крутит турбину, вырабатывает ток, мы его потребляем, производим алюминий. И этот алюминий мы можем использовать как чистое топливо. Когда мы сжигаем бензин, образуются выбросы углекислого газа, CO, NOx и так далее. А когда мы сжигаем алюминий, то образуется только оксид алюминия. Он никуда не улетает. Это твердое порошкообразное вещество, которое можно отправлять обратно в цикл производства алюминия.

Правда, пока мы не можем точно сказать, каким КПД будут обладать энергоустановки на алюминии. Скажем, для двигателей внутреннего сгорания КПД известен, он достаточно низкий, на уровне 20–30 %. КПД энергоустановок на алюминиевом топливе будет зависеть от способа окисления алюминия. Химическая энергия алюминия может быть преобразована в электроэнергию, например, путем прямого преобразования в процессе электрохимического окисления алюминия. В данном случае КПД варьируется от 50 до 60%. Но опять же, для организации прямого преобразования необходимо преодолеть ряд пока еще не решенных технических сложностей. На самом деле алюминий можно окислять и химически, а выделившуюся при этом тепловую энергию преобразовывать в полезную энергию по тому же принципу, как в случае с бензином. Существует ряд установок, которые показывают принципиальную возможность такого преобразования.

Окисление алюминия в нашей экспериментальной стационарной установке происходит следующим образом. Мы берем алюминий и окисляем его в воде. Образуются тепловая энергия и водород. Водород мы тут же окисляем в кислороде воздуха в топливном элементе и вырабатываем электрическую энергию. Так как алюминий можно окислять в воде с получением водорода, можно получать энергию под водой.

Энергоустановки на алюминиевом топливе разрабатываются в первую очередь для транспорта, автомобилей, чтобы была альтернатива бензину. С этой же целью сейчас, кстати, активно совершенствуются и аккумуляторные батареи для электромобилей. Здесь стоит заметить, что компания Tesla, которая сейчас выпускает и продает электромобили, имеет патенты по использованию алюминия в качестве энергоносителя.

Заправка алюминиевым топливом не должна сильно отличаться от привычной для нас заправки: приехала машина, открыла свой бак, высыпала отработанный оксид алюминия, засыпала алюминий. А оксид алюминия впоследствии отвозится на алюминиевый завод.

Разумеется, не только алюминий может использоваться в качестве топлива. Топливом могут служить и другие металлы, например железо или цинк. Их можно получать за счет использования возобновляемых источников энергии, например ветроустановок. Допустим, подул сильный ветер, и эту энергию можно пустить на производство металлов. В то же время удельные характеристики цинка не такие хорошие, как у алюминия.

Если взять металлы, о которых сейчас было сказано, высыпать на стол, то окисления не произойдет, потому как они покрыты окисной пленкой. Основная задача — придумать способ, чтобы металлы эффективно отдавали запасенную в них энергию. Для этого есть два окислителя: кислород и вода. В разработках энергоустановок с использованием в качестве окислителя кислорода мы пока не достигли существенных результатов, хотя такое окисление используется в ракетно-космической отрасли. Алюминий, например, используется как добавка к твердому топливу в ракетных двигателях.

Биотопливо

Биотопливо — это топливо, которое получено из сырья растительного происхождения. В основе его получения заложен процесс, в ходе которого углекислый газ, вода и солнечная энергия преобразуются в энергию химических связей органических соединений. Этот процесс называется фотосинтезом. Иными словами, сколько углекислого газа было преобразовано в биотопливо, столько примерно и получилось от его сжигания. Экономически биотопливо пока только в ряде случаев может конкурировать с углеводородным. Например, мы сейчас занимаемся созданием бионефти из микроводорослей. Здесь сложно говорить о конкуренции с традиционным топливом хотя бы потому, что микроводоросли, как правило, выращиваются для производства высокоценных пищевых и кормовых добавок. Стоимость такой биомассы достигает 200 долларов за килограмм.

Биоэнергетика по сравнению с традиционной, то есть углеводородной, энергетикой обеспечивает более устойчивое развитие окружающей среды. Скажем, традиционная тепловая электростанция выбрасывает много углекислого газа, который можно направить, например, в бассейн, где растут микроводоросли для последующего получения биотоплива из биомассы микроводорослей. Микроводоросли за счет высокой удельной поверхности эффективно потребляют этот углекислый газ в процессе роста. Кроме того, они могут использоваться для переработки сточных вод, которые могут служить для них возобновляемым источником питательных веществ.

Сегодня биотопливо используется там, где это экономически и географически целесообразно. Например, в Бразилии, где нет значительных традиционных запасов углеводородов, но есть хорошие климатические условия для растений. Зачастую там выращиваются сахарный тростник, кукуруза или рапс, из чего затем получают биотопливо. В России есть территории, где выращивание микроводорослей для последующего производства биотоплива выгодно, — например, Крым, Дагестан или Краснодарский край.

На мой взгляд, такие водоросли могут также использоваться как комнатные растения. Они могут находиться в некотором аквариуме и эффективно очищать воздух в помещении, обогащая его кислородом. Микроводоросли за счет своего небольшого размера имеют большую удельную поверхность, и они производят кислород на несколько порядков больше на единицу занимаемой площади, чем традиционные растения.

Инженер Михаил Власкин