Не все, що біо, — еко

Газген-електростанція від українських учених

Останніми роками дуже популярною стала тема біопалива. Разом із тим багато фахівців не бачать у цьому економічної перспективи. Мабуть, єдиною перевагою біоенергетики, яка не піддавалася до останнього часу сумніву, була її екологічна чистота. Але й тут у дослідників по всьому світу починають з'являтися сумніви.

Учені з Лідського університету (Великобританія) підрахували, що перехід з нафтопродуктів на біопаливо може призвести до ще більшого забруднення атмосфери вуглекислим газом (CO2). Адже якщо на площах, відведених під вирощування біосировини, посадити ліс, він зміг би поглинути у 9 разів більше CO2, ніж це дала б відмова від вуглеводнів на користь ріпаку.

А адже для заміни лише 10% бензину та дизеля біопаливом необхідно 38% сьогоднішніх сільгоспплощ Європи і 43% — США. Це означає, що для отримання необхідної кількості біопалива значна частина нинішніх лісів і лук також має бути перетворена на орні землі.

Таким чином, біоенергетика може опосередковано сприяти глобальному потеплінню. І це за того, що енергія того самого лісу у вигляді деревини та її відходів набагато вигідніша й економічно.

Ненадовго в дерев'яний вік

Про переваги деревини та відходів її виробництва як енергоносіїв чудово знають в Україні. І не лише знають, а й продовжують удосконалювати технології, застосовувані ще в 30-х — 50-х рр. Так, 1936 р. з конвеєра заводу ім. Сталіна зійшла вантажівка, у якої чадний газ надходив у двигун від неповного спалювання твердого палива. Перший газген (таку назву отримав цей вид автомобілів) витрачав 80—85 кг чурок на 100 км пробігу. Ці машини часто були незамінними в північних лісових районах, віддалених від місць виробництва рідкого палива. Саме тому газогенераторні автомобілі (усього близько 40 000 вантажівок) широко застосовувалися в роки Великої Вітчизняної війни, коли промисловість було переведено за Урал. Уральський завод ім. Сталіна випускав газгени ЗІС-21 до 1951 р.

І все ж найбільшого поширення газогенератори набули в гітлерівській Німеччині, яка відчувала дефіцит нафти, особливо після втрати румунських родовищ.

Газгени широко використовували на лісозаготівлях аж до початку 60-х. Однак у цей час на енергоринок Європи стали надходити вуглеводні з Близького Сходу, і продукти переробки нафти значно подешевшали порівняно з твердим паливом. 1957 р. виробництво газогенераторів припинилося й у СРСР, де на додачу до каспійських родовищ нафти було освоєно поволзькі. А після того як було відкрито гігантські вуглеводневі поклади в Західному Сибіру, СРСР став видобувати понад 600 млн. т нафти на рік, при тому що на транспортні потреби було потрібно лише 65 млн. т.

Наш тижневик уже писав про групу вчених під керівництвом професора Житомирського агроекологічного університету Леоніда Лося, яка розробляє високоефективний газогенератор (читайте, будь ласка, «2000», № 14, B3 «Стрімке поліно» або http://www.2000.net.ua/b/62373). Але оскільки ці роботи ведуться на голому ентузіазмі, фахівці зосередилися виключно на автомобільному двигуні.

Ширше коло завдань спільно вирішують харківський Інститут газу НАН України та київський Інститут місцевих видів палива. Тут розроблено газогенератори для різних типів електростанцій (при цьому вартість 1 кВт.год електроенергії — від 7 до 18 коп.), автомобілів, тракторів і насосних станцій. На генераторному газі можуть працювати будь-які двигуни внутрішнього згоряння: дизельні, карбюраторні, інжекторні. Вартість палива, що генерується, еквівалентного літру бензину, — від 20 до 60 коп. залежно від ціни сировини.

Як ми вже писали в статті про житомирський ГАЗ-52, двигун не потрібно переробляти. Він просто доповнюється змішувачем газу з повітрям, який розміщують перед повітроочисником (дизель також доповнюється т. зв. приставкою до насоса високого тиску). На змішувач встановлюють перемикач виду палива, і за вибором власника двигун може працювати або на звичному для нього паливі — бензині, солярці, природному газі — або на чадному газі (СО), який виробляє газогенератор, розташований між кабіною та кузовом авто.

Зайве, мабуть, описувати перспективи, які відкриває застосування газогенераторів для українського сільського господарства, що хронічно потерпає від відсутності коштів і пального. Мало того, на Поліссі та в інших регіонах завжди з надлишком відходи деревообробного виробництва та багато чого іншого, придатного як паливо для газових генераторів. На цьому буквально валяється під ногами паливі можуть працювати будь-які необхідні в господарстві механізми.

СО виробляється з будь-якого твердого палива вологістю до 50% (торфу, вугілля, дров, сільськогосподарських і побутових відходів). Отже, газогенератор здатен одночасно виконувати функції утилізатора сміття. Вихлоп при цьому значно чистіший, ніж від рідкого палива — носія канцерогенних важких металів, хоча візуально брудніший через підвищену димність.

Смог над китайським містом Урумчі

Але димність якраз перешкоджає глобальному потеплінню. Принаймні до такого висновку дійшли вчені з цюріхського Державного технічного інституту.

Промениста сажа

Найдрібніші механічні частинки розсіюють у повітрі сонячне світло. У результаті воно потрапляє на листя рослин з усіх боків. Завдяки цьому фотосинтез відбувається інтенсивніше, що сприяє росту рослин і як наслідок більшому поглинанню ними СО2 — джерела глобального потепління.

«У зв'язку із забрудненням атмосфери з 1960-го по 1999 р. поглинання наземними рослинами вуглецю збільшилося на 10%», — повідомляють швейцарські вчені на сторінках міжнародного наукового журналу Nature. Співавтор досліджень, співробітник метеослужби м. Ексетер (Великобританія) Стівен Зіч підтверджує: «Всупереч поширеній думці рослини краще ростуть не під прямим яскравим сонячним промінням, а в умовах «глобального затемнення», пік якого припав на 50-ті — 80-ті рр. До того ж частину сонячного світла механічні частинки відбивають назад у космос. Тому атмосфера нашої планети нагрівається менше.

Так само відбивають сонячне світло, спрямовуючи його назад у космос, і найдрібніші частинки, що містяться в аерозолях. Ці частинки сприяють утворенню щільніших хмар, які теж значною мірою відбивають сонячне світло».

Солідарні з ексетерськими метеорологами й учені з місцевого університету: «Очищення нижніх шарів атмосфери, як того вимагають норми охорони здоров'я, значно ускладнює боротьбу з глобальним потеплінням». Цей висновок підтверджується розрахунками Центру міжнародних досліджень довкілля в Осло, за якими без «глобального затемнення» середня температура на Землі з початку епохи індустріалізації підвищилася б не на 0,7 °C, а на 1,1 °C.

Тож що ж віддати перевагу людству — цілком відчутне забруднення чи поки ще абстрактне потепління, яке з проблемами власного здоров'я мало хто пов'язує?

12 друзів океанського потепління

У більшості з нас глобальне потепління асоціюється з льодами, що тануть, і підвищенням рівня Світового океану. Але тим, хто живе далеко від берегових ліній, не варто тішитися: м'які зими й спекотне літо сприяють проникненню вглиб континенту збудників чуми, а також поширенню холери й туберкульозу.

Міжнародна екологічна організація Wildlife Conservation Society називає 12 типів збудників. До вищеперелічених, давно знайомих європейцям хвороботворних мікроорганізмів можуть приєднатися збудники тропічних жовтої гарячки та сонної хвороби. Уже сьогодні на Старому континенті трапляються екзотичні захворювання (зокрема, лаймський бореліоз).

Кліщі - переносники бореліозу та менінгіту

За даними берлінського Інституту Роберта Коха, 2006 р., коли через м'яку погоду активність кліщів у Німеччині не спадала впродовж небувало тривалого періоду, було зафіксовано значно більшу кількість випадків бореліозу, ніж у попередні та наступні роки. Одночасно було діагностовано рекордне число уражень вірусом Ханта, який людині передають миші.

У зв'язку з потеплінням клімату очікується також широке поширення в Європі видів комарів, не характерних сьогодні для континенту. Це підтверджується випадками захворювання в Італії на тропічну чукунгунську гарячку, переносником якої є тигровий комар. У Південній Європі створюються дедалі сприятливіші життєві умови для кровосмока, природний ареал якого — Південна Азія.

Аналогічно за високих температур швидше розмножуються бактерії, що містяться в питній воді та продуктах харчування, наприклад збудники холери й сальмонели.

Отже, і тут головну надію людство має покладати на альтернативну енергетику як на сповільнювач глобального потепління.

Мертве море живої води

Останнім часом до альтернативних джерел енергії дедалі рідше відносять вітрові установки: інфранизькі акустичні частоти від обертання лопатей пригнічувально діють на біоценоз у радіусі до 5 км. Що ж до сонячних батарей, то їхня потужність для багатьох споживачів недостатня навіть у побуті.

Тому об'єктом пошуку екологічно чистих мегават продовжує залишатися водна стихія. Так, у гирлі однієї з річок, що впадають у фіорд Осло — на стику прісної річкової та солоної морської вод, концерн Statkraft збудував дослідну станцію продуктивністю 10 кВт/год. Новизна її в тому, що в електричну енергію перетворюється потужність осмотичного тиску.

Зі шкільного курсу ми пам'ятаємо: якщо напівпроникна мембрана розділяє розчини різних концентрацій, виникає осмос — рух рідини від «менш солоної» до «більш солоної» для вирівнювання концентрацій.

В осмотичній станції прісна й солона вода зустрічаються в циліндрах, усередині розділених навпіл мембранами. Річкова вода, проходячи через мембрану, поєднується з морською та виштовхує останню. Таким чином суміш, що витікає з циліндра, приводить у дію турбіну. «Літр фіордової води містить 33 г солі, — розповідає керівник проєкту Стайн Ерік Скілхаген. — Цієї концентрації достатньо для створення тиску в 27 бар».

У принципі ідея не нова. Подібні електроустановки були винайдені ще в 70-ті роки минулого століття, але тодішні мембрани мали низький ККД. Втім, мембрани й сьогодні є «ахіллесовою п'ятою» технології. Підраховано, що для ефективної роботи електростанції мембрани мають пропускати таку кількість води, щоб 1 м2 їхньої поверхні забезпечував потужність турбін у 5 Ват. «Це серйозна вимога», — каже експерт берлінського Інституту полімерів Клаус-Віктор Пайнеман. — Сьогоднішня максимальна продуктивність мембран сягає 3 Ват, та й то в лабораторних умовах. Хоча починали-то ми з 0,1 Вата».

Прогрес Пайнеман пов'язує з появою нових матеріалів на основі нейлону, здатного витримувати дуже високий тиск. Не виключено, що такі мембрани з'являться до 2015 р., коли закінчаться випробування станції в Осло. Втім, щодо басейну Північного моря німецький фахівець усе одно налаштований песимістично: «У гирлах північних річок різниця концентрацій солі мала. Значно більший інтерес становить Мертве море».

За прогнозами Statkraft, осмотичні станції, будучи встановленими в 170 місцях упадання річок у моря й океани по всьому світу, можуть виробляти 1 655 трлн. ват на годину. Це майже 10% електроенергії, що споживається у світі за той самий час, уточнює Financial Times Deutschland.

Справа життя — труба

Не менш фантастичні проєкти здійснюються і на протилежному боці Атлантики. Так, гігант американської аерокосмічної індустрії «Локхід» розпочав випробування дивного предмета зі скловолокна, зовні схожого на гігантську трубу. Роботи ведуться в рамках проєкту «Перетворення термальної енергії океану» (OTEC). В основі відповідної технології — вилучення енергії з різниці між температурами верхнього та нижнього шару води.

Першим ідею практичного використання цього потенціалу запропонував 1881 р. французький фізик Жак Д'Арсонваль, але увагу експериментаторів вона привернула лише під час нафтової кризи 70-х рр. минулого століття. Відтоді керівник федеральної програми термальної енергії океану Роберт Коен запропонував кілька практичних рішень. Як пише науково-популярний журнал New Scientist, найвищий ККД демонструє нині система, основний елемент якої — згадана «труба».

Спочатку тепла поверхнева вода розігріває рідину з низькою температурою кипіння (наприклад, аміак). Коли робоча рідина закипає, вивільнений газ створює тиск для обертання лопатей турбіни, що генерує електроенергію. Потім газ охолоджується, проходячи через холодну океанську воду, закачану з глибин у склопластикові труби діаметром 27м і завдовжки близько кілометра. Швидкість закачування — 1000 т на секунду. Поки газ конденсується в робочу рідину для подальшого використання, охолоджувальна вода повертається в океан. Почасти це нагадує звичайну теплову електростанцію.

Перші такі зразки 50 кВт було отримано ще 1979 р. Тоді «Локхід» опустив трубу з баржі біля берегів Гавайїв. Двома роками пізніше одна японська корпорація збудувала експериментальну термальну океанську електростанцію потужністю 120 кВт на тихоокеанському острові Науру.

На хвилі успіху міністерство енергетики США розробило план будівництва на Гавайях електростанції потужністю 40 МВт. Але 1995 р., коли ціни на нафту впали нижче $20 за барель, фінансування проєкту припинилося.

У вересні минулого року міністерство енергетики видало «Локхіду» грант у розмірі $600 000 на розроблення труб нового покоління. Передбачається, що океанські термоелектростанції проєктною потужністю 500 МВт зводитимуться на морських платформах. А поки «Локхід» на тих самих Гавайях завершує проєкт експериментальної станції потужністю 20 МВт. Втім, на черзі вже й промислові станції: в рамках OTEC для міністерства оборони будується океанічна термальна станція на о.Дієго-Гарсія (базі ВМФ США) в Індійському океані. Її призначення — генерувати 8 МВт електроенергії для системи опріснення 5 млн. л морської води на добу. Запуск океанської станції намічено на 2011 р.

Платформа ОТЕС

Помаранчеве літо помаранчевої зими

Той самий принцип використання перепаду температур — тільки в підземних водах — уже застосовується в Голландії, нехай не для вироблення, але для економії електрики. Принаймні від кондиціонерів, що споживають масу енергії, тут скоро можна буде відмовитися завдяки технології, розробленій арнхаймським інженерним бюро IF Technology.

Суть проєкту «Зберігання теплової енергії у водоносних шарах ґрунту» (ATES) полягає в тому, що резервуари для холодних і теплих підземних вод наповнюються відповідно з різних водоносних горизонтів. Влітку через бездіючу опалювальну систему прокачують студені (до 10 °С) води. Віддавши холод, вони потрапляють у «теплий» горизонт. Взимку все навпаки: система подає нагору теплі ґрунтові води. Охолонувши, вони відправляються в «холодний» горизонт.

«Влітку наша система кондиціонування дає змогу знизити енерговитрати на 80—90%, — стверджує керівник ATES Гуус Віллемсен. — Електроенергія витрачається тільки для роботи насосів. Сьогодні в Голландії діє понад 3000 таких установок, а через 10—15 років, сподіваємося, їх будуть десятки тисяч. Тоді ATES зможе забезпечити третину відновлюваної енергії в нашій країні».

Ідилія від ATES

Поки що розробку фахівців з Арнхайма впроваджено в Хеерхуговаарді, де ATES обслуговує 2700 житлових будинків, і в Ейндховені, де для обслуговування понад півсотні будівель Технічного університету створено найбільший у країні резервуар підземних вод. Теплова потужність установки — 30 МВт, чого достатньо для охолодження/обігріву 5000 приватних будинків.

Втім, і традиційні енергоносії ще не вичерпали свого потенціалу.

Процес пішов із прискоренням

Нині нафтові родовища експлуатуються лише до того моменту, поки подальша розробка не стає збитковою. При цьому в надрах залишаються значні маси сирої нафти, видобування якої традиційним способом неможливе, оскільки рідкі фракції перемішані з більш щільними утвореннями й насичені непридатними домішками. Геологи Університету Ньюкасла оцінюють світовий обсяг таких залишків у 6000 млрд. барелів.

Мікробіолог Іен Гед із того самого університету пропонує переробляти їх на затребуваний сучасною цивілізацією газ. Для цього потрібно вдатися до послуг бактерій, що перетворюють нафту на метан. Останній у такому разі можна буде видобувати безпосередньо з відпрацьованих нафтових свердловин.

Професор Гед спільно з канадськими та норвезькими колегами знайшли анаеробний (безкисневий) процес перетворення бактеріями нафти на метан настільки ефективним, що заснували комерційне підприємство Profero Energy.

Учені задіюють мікроорганізми двох видів. Одні розкладають нафту, виробляючи водень і оцтову кислоту. Інші — археї (найдавніші одноклітинні, що виживають в екстремальних умовах) — синтезують метан зі звільненого водню та вуглекислого газу.

У природних умовах це відбувається впродовж мільйонів років, але мікробіологи надали процесові шаленого прискорення за рахунок «підгодівлі» бактерій особливими поживними речовинами («рецепт» останніх не розголошується). У підсумку газ утворюється впродовж пари-трійки років. Щоправда, поки що в лабораторіях, адже на реальні глибини доставити «корм» проблематично.

Але розробники не втрачають оптимізму й вважають, що описана технологія дасть змогу продовжити термін експлуатації нафтових родовищ на 20—30 років. Чи виявляться вони правими, людство дізнається в найближчому майбутньому — перші випробування методу вже проводяться на старих нафтових свердловинах у Канаді.

Тут же — в Канаді — уже отримано перші результати впровадження методу, що дає змогу видобувати важкодоступну нафту й механічним шляхом.

Суперкритична вигода

Одна з місцевих компаній з виробництва синтетичного метану погодилася відправляти зі своєї фабрики весь попутний газ (на 96% — СО2) трубопроводом на нафтове родовище «Вейберн».

З 1955-го і до кінця 60-х «Вейберн» давав у середньому близько 40 000 барелів нафти на добу. Потім рівень видобутку почав знижуватися, досягши до 1986 р. позначки 9400 бар. Таким чином, було видобуто лише 25% запасів нафти на родовищі. Решта до 1997 р. вважалася економічно невигідною, поки не було запропоновано оригінальне рішення щодо її використання.

Газ у трубопроводі перебуває під дуже великим тиском, перетворюючись на зріджений (такі рідини ще називають суперкритичними — вони мають високу щільність, але низьку в'язкість, тому ідеальні для транспортування трубопроводами). З 2000 р. він став закачуватися в нафтоносні шари «Вейберна» через 37 інжекційних свердловин, виштовхуючи нафту через 145 активних свердловин. Разом із нафтою повертається і частина СО2. Газ уловлюється, стискається й знову спрямовується в інжекційні свердловини.

За прогнозами, підвищення нафтовіддачі за допомогою СО2 дасть змогу видобути 130 млн. барелів нафти, подовживши комерційне життя родовища майже на 25 років.

Не менш важливо й те, що за цей час під землю на постійне зберігання буде закачано (і, таким чином, утилізовано) 20 млн. т. СО2 — джерела глобального потепління. Невипадково проєкт «Вейберн» спонсорується кількома міжнародними енергетичними компаніями, урядами США й Канади, а також Євросоюзом.

Але що ж буде з тисячами видів матеріалів на основі нафтопродуктів, коли вся нафта за допомогою новітніх технологій буде викачана із землі? Узяти хоча б гуму — плантації каучукового дерева й сьогодні не здатні задовольнити всі потреби людства.

Російські квіти для німецьких механізмів

У Мюнстерському університеті розроблено технологію отримання каучуку з... кульбаб.

Жовта квітка, листя, стебло та довге вузлувате коріння подрібнюються й вичавлюються в центрифузі. З одного гектара можна отримати понад 1000 л соку кульбаби. З нього й збираються виробляти гуму.

«Найкраще підходить російська кульбаба, — розповідає німецькому виданню Die Welt біотехнолог Дірк Прюфер. — Ця рослина може забезпечити десяту частину потреби Німеччини в гумі. Поки що йдеться про дослідне виробництво автомобільних прокладок і шин — вони найкраще дадуть уявлення про еластичність та інші якості продукту. Для цього нам необхідно засіяти кульбабами майже 10 000 га, що не є проблемою: ця квітка добре росте на найбідніших ґрунтах».

Втім, уже зараз можна стверджувати, що гума, отримана в лабораторії Прюфера, — чудовий замінник латексу. Виготовлені з неї рукавички не викликають алергічних реакцій. Невипадково на жовті квітки кульбаби вже давно звернули увагу медики й хіміки: ця рослина містить численні лікувальні компоненти, які можуть бути використані при лікуванні ревматизму, подагри, екземи, псоріазу, в'ялості кишечника та водянки. Крім того, кульбаба містить речовину інулін, яка може бути використана фармацевтами для створення оболонок препаратів внутрішнього застосування.

Чадний газ проти апоплексичного удару

Чадний газ (СО), що утворюється при неповному згорянні речовин, не має ні кольору, ні запаху, його вдихання непомітно блокує здатність крові зв'язувати кисень. Але широко відомий як потужна отруйна речовина, він, як і будь-яка отрута, є такою лише в певних дозах. І, як багато інших отрут, у малих кількостях має лікувальні властивості.

«Позитивний ефект СО відомий лише з недавніх пір, — каже біофізик Штефан Х. Гайнеман із Центру молекулярної біомедицини Університету Фрідріха Шиллера (Єна, Німеччина). — Окис вуглецю може поліпшувати кровопостачання внутрішніх органів, пригнічує реакції відторгнення після трансплантації органів і зменшує пошкодження, зумовлені порушенням припливу крові в органи. При хронічному запаленні кишечника СО виявляє протизапальні властивості».

Чадний газ виробляється не лише в газогенераторних двигунах і банях «по-чорному», а й людським організмом. На думку британських учених — в обсягах від 3 до 6 см3 щодоби. 70—80% цієї кількості забезпечує небілкова частина гемоглобіну, що виконує функцію носія кисню в крові. Схильність CO до зв'язування ізольованим гемом* у 26 000 разів сильніша, ніж у кисню. При розпаді гемоглобіну CO вивільняється. Цей процес, зокрема, призводить до розширення кровоносних судин і, отже, зниження кров'яного тиску, а також поліпшення кровопостачання печінки та нирок.

Поки точно не відомо, на чому ґрунтується позитивна дія СО. Можливо, відповідь дали спільні дослідження університетів Фрідріха Шиллера та Пенсільванського (США). «Нам вдалося встановити, що окис вуглецю зв'язується безпосередньо так званими іонними каналами, — продовжує Гайнеман. — Це білкові молекули, що утворюють «замикні» пори в клітинних мембранах. Отримавши сигнали з клітини, ці канали відкриваються й пропускають певні мінерали. У результаті зв'язування з CO канал випускає з клітини іони калію».

Вихід іонів калію з клітин кровоносних судин призводить до зниження тонусу судинної стінки та розширення просвітів. «Спосіб зв'язування CO з іонним каналом відповідає абсолютно новій біологічній концепції, — каже професор. — Але чи позитивно впливає на імунну систему взаємодія окису вуглецю з іонними каналами, поки не встановлено».

Упродовж найближчих півтора року робоча група Гайнемана, до складу якої входять хіміки, біохіміки, невропатологи та реаніматологи, має намір провести дослідження впливу окису вуглецю на кровоносні судини й нервову систему. Учених також цікавить питання, за яких умов CO утворюється в організмі людини.

Ці відомості можуть допомогти, наприклад, при швидкому лікуванні апоплексичного удару. Учені з Єни поки що провели виключно теоретичні дослідження з цього приводу, але впевнені, що їхні результати дають великі можливості для клінічного застосування, пише Die Welt.

Якщо ж говорити про практичний бік питання, то з цілющими властивостями СО знайомі й українські лікарі.

— Кілька років тому в організмі людини було виявлено СО-рецептори, — каже провідний фахівець однієї зі столичних комерційних клінік Андрій Ліщишин. — Вони-то, потрапляючи під стимулювальний вплив малих доз чадного газу, й забезпечують певний благотворний ефект. Будемо сподіватися, німецькі колеги близькі до його біохімічного пояснення.Довідка «2000»

Інститут місцевих видів палива: м. Київ, вул. Булаховського, 2, тел. (044) 502-4205.

Леонід Васильович Лось, доктор технічних наук, заслужений діяч науки і техніки України, академік Інженерної академії України, професор Житомирського агроекологічного університету (10008, Житомир, Старий бульвар, 7. Тел. 8 (0412) 42-56-93).* Гем — один із порфіринів, що містить у центрі молекули атом двовалентного заліза.

Порфірини — природні та синтетичні сполуки, похідні порфіну входять до складу небілкової частини молекули гемоглобіну, хлорофілу, ряду ферментів.