Паливні елементи

Біоетанол     

Етанол, або етиловий спирт, більш відомий як сировину для  виготовлення алкогольних напоїв. Біоетанол - це зневоднений етиловий спирт, виготовлений з біологічно відновлюваної сировини.  
    Є три способи отримання етилового спирту: зброджуванням харчової сировини (переробкою міститься в сировині цукру в спирт за допомогою дріжджів), гідролізом рослинної сировини і гідратацією етилену (синтетичний спирт). Енергетична цінність спирту майже в півтора рази нижче, ніж у бензину.  
Як отримують етанол?  
   Перший етап - це отримання целюлози. Наприклад, в деревині її міститься до 60%, а в паперових відходах - всі 90%. Потім целюлозу в присутності каталізатора піддають гідролізу (або «оцукрюванню»), в результаті якого виходить технічна глюкоза. Після цього глюкозу в присутності дріжджів (звичайних, як у тесті) змушують бродити. І на виході утворюється етиловий спирт - С2Н5ОН. Як у тому анекдоті - «він»!  
    В якості автомобільного палива етанол за деякими параметрами перевершує бензин. У ньому набагато менше домішок (наприклад, сірки), а октанове число по дослідницькому методу досягає 125 одиниць. Тому етанол іноді використовують як високооктанову добавку - наприклад, «дев'яносто другий» бензин з десятьма відсотками етанолу стає «дев'яносто п'ятим» (схоже пальне, Е-10, використовують в Таїланді). Однак теплотворна здатність етанолу істотно нижче «бензинової» (21,2 кДж / л проти 31,9 кДж / л) - звідси й більш високу витрату палива. Крім того, етанол дуже гігроскопічний - при контакті з водою він «вимивається» зі складу суміші, порушуючи її характеристики.

Дослідна станція в Орнскольдсвіка виробляє етанол із деревини. Тирса з контейнерів (1) надходять в автоклав (2), де підігріваються паром, і опиняються в реакторі (3). У ньому тирса «висахарюють», розкладаючись на технічну глюкозу і лігнін. Потім в баку (4) в процесі детоксикації глюкоза позбавляється домішок і відправляється на бродіння в колони (5), де перетворюється в етанольне «сусло». Завершує процес дистиляція, після закінчення якої товарний етанол накопичується в баку (6)

Плюси: 
- Запаси сировини різноманітні і практично необмежені; 
- Є багатий досвід експлуатації двигунів, що працюють на спирті (Бразилія, Австралія); 
- Нижче токсичність вихлопних газів; 
Мінуси: 
- Потрібно вносити конструктивні зміни в систему живлення; 
- Потужність двигуна знижується, а витрата пального збільшується; 
- Через гігроскопічності спирту можуть погіршуватися пускові властивості двигуна; 
- Дороге виробництво біоетанолу; 
 
Метанол 
 
    Процес отримання заснований на каталітичної конверсії вуглеводнів природного, коксового та інших углеводородсодержащих газів з водяною парою. Як самостійне пальне і як добавок до бензину застосовується рідко і лише для двигунів спортивних мотоциклів, не розрахованих на тривалу експлуатацію. У той же час досить широко використовується як сировина, з якої автомобілі на паливних елементах черпають водень. 
 
Плюси: 
- Дозволяє вирішити проблему зберігання водню і вилучення його у міру потреби; 
- Запаси сировини практично необмежені; 
- Може використовуватися як сировина для виробництва синтетичного бензину; 
Мінуси: 
- Дуже токсичний (смертельна доза для людини - 30 мілілітрів); 
- Викликає корозію деталей;

5) Електричний кактус

Відтепер поняття «Електричний Кактус» може означати дещо більше, ніж просто назва одного з сімейств різноманітної флори нашої планети. Це може стати першим кроком до перетворення живих рослин у генератори екологічно чистих, поновлюваних джерел енергії. 
Вчені французького Центру досліджень Поля Паскаля (CNRS) нещодавно розробили біопаливний елемент, який може виробляти електроенергію, використовуючи два основні продукти фотосинтезу: глюкозу і кисень. Потім вони вставили отриманий елемент в живій кактус ... і отримали на виході енергію потужністю 9 ват на квадратний сантиметр. 
Спостерігаючи діяльність біопаливного елемента, вчені, по суті, спостерігали фотосинтез в дії, також вони вперше змогли відстежувати рівень глюкози в рослині і змінювати його в режимі реального часу. Наприклад, вони помітили, що вироблення електричного струму в біопаливному елементі зростає при включенні настільної лампи, тобто при збільшенні потоку світловий енергії для фотосинтезу на кактус. Після виключення лампи генерація електричного струму знову зменшилася. 
Ця інноваційна розробка відкриває величезні потенційні можливості не тільки для кращого розуміння того, як працює фотосинтез, але і для розвитку нових технологій, які могли б перетворювати сонячну енергію в електрику безпосередньо в живій рослині. Такі біопаливні елементи можна буде використовувати і в області медицини - наприклад, імплантований елемент може використовувати енергію, одержувану внаслідок хімічної реакції кисню і глюкози в людському організмі, для роботи датчика рівня глюкози у хворого на діабет. 
Крім того, як написали вчені CNRS Вікторія Флехер (Victoria Flexer) і Ніколас Мано (Nicolas Mano) в останньому випуску журналу «Аналітична хімія», «ми продемонстрували, що наші електроди, здатні використовувати глюкозу і кисень, які створюються в ході фотосинтезу, для виробництва енергії, є простим і екологічно чистим способом перетворення сонячного світла в електроенергію ». 
6) Ферментний елемент 
Кайлі Вінсент (Kylie Vincent) і її колеги з Оксфорда (University of Oxford) створили паливний елемент на базі ферментів, у багато разів дешевший, ніж паливні елементи традиційної конструкції. 
 
Перший зразок водневого паливного елемента на ферментах поки виробляє напругу всього в 0,7 вольта і слабенький струм - достатній лише для приведення в дію цифрових годинників. Проте потенційно ця технологія може забезпечити енергією різноманітну портативну електроніку. 
У звичайних паливних елементах кисень (з повітря) і водень подаються з двох сторін від обмінної мембрани, що розділяє камери з двома електродами. Мембрана вільно пропускає через себе протони. На одному електроді водень поділяється на протони й електрони. Останні не можуть пройти через мембрану і досягають протилежної камери елемента тільки після проходження зовнішнього електричного ланцюга. Тут вони беруть участь у синтезі води з кисню і протонів, які пройшли через мембрану. Обидві ключові реакції в паливних елементах підтримуються каталізатором, нанесеним на поверхню електродів. Зазвичай - це платина. Платиновий каталізатор і обмінна мембрана - найдорожчі компоненти паливних елементів. І це одна з причин, що стримує їх поширення. Але в елементі, створеному Кайлі, немає ні того, ні іншого. 
Британські вчені використовували два недорогих ферменти: один, узятий від бактерії (гідрогеназа), а другий - від гриба (лакказа), які здатні виступати каталізаторами тих же самих реакцій. Кожен електрод покритий одним з цих двох ферментів. А оскільки кожен фермент прискорює саме свою реакцію, даний паливний елемент не потребує і в мембрані, так як два компоненти «пального» - повітря і водень, у ньому можуть вільно змішуватися. Власне, в дослідному зразку - простий скляній колбі з двома електродами, покритими ферментами, дослідники одержували струм, просто подаючи в апарат повітря з невеликою (кілька відсотків) домішкою водню.

4)Інноваційні Розробки Уральських вчених 
Уральський електрохімічний комбінат запропонував державі організувати до 2020 року масове виробництво водневих джерел енергії 
 Уральський електрохімічний комбінат запропонував державі організувати до 2020 року масове виробництво водневих джерел енергії 
Водневою енергетикою Росія займається досить давно. Ще в 1971 році була створена воднево-киснева енергогенеруюча система для місячного корабля, яка пройшла випробування на Землі і була готова для польоту в космос. Виросла вона з технології поділу ізотопів урану, на основі якої фахівці Уральського електрохімічного комбінату (УЕХК) розробили нікель-водневі акумулятори та електрохімічні генератори електричної енергії. Одна з модифікацій акумулятора вже 10 років працює на навколоземній орбіті у складі супутника "Ямал-100", забезпечуючи трансляцію радіо-і телепрограм. Друга встановлена на супутнику "Стерх", виведеному на орбіту в кінці липня 2009 року. Перевага таких приладів в тому, що вони не вимагають вуглеводневого палива, екологічно чисті і демонструють більш високий ККД, ніж традиційні джерела електроенергії. 
УЕХК бачить застосування своїм розробкам не тільки в космосі. У 90-ті роки фахівці модернізували електрохімічний генератор "Фотон", створений для космічного корабля "Буран", і встановили його на автомобіль. Втім, далі демонстрації його можливостей справа не пішла: екологічно чистий автомобіль переважній більшості жителів Росії не по кишені. Вартість одного кіловата в такій машині коливається від 10 до 25 тисяч євро (потужність двигуна, як правило, 60 кіловат). 
Експерти стверджують, що можливості для зниження вартості "водневого" автомобіля є. Вони пов'язані з використанням більш дешевих матеріалів, спрощенням конструкції і з переходом на каталізатори з недорогоцінних металів. Проте, стверджує провідний інженер заводу електрохімічних перетворювачів УЕХК Борис Поспєлов, кращі розуми світу за 20 років не змогли істотно знизити вартість кіловата потужності. До того ж при серійному виробництві електромобілів елементарно не вистачить платини. Тому, вважає експерт, світ йде неправильним шляхом. 
Фахівці УЕХК підрахували, що генератори, що працюють на лужних паливних елементах, відсотків на двадцять дешевше полімерних, яким у світі віддається перевага. У перспективі лужні можуть працювати на каталізаторах без дорогоцінних металів. Ресурс такого генератора виходить в п'ять разів вище полімерного. Розрахунки показали, що при серійному виробництві нових джерел енергії загальною потужністю 5 мегават на рік вартість кіловата може бути знижена з 10 до 3 тисяч євро. До 2020 року, прогнозує Борис Поспєлов, при масовому виробництві реально досягти вартості менше 1 000 євро за 1 кіловат. 
 
Розробники, втім, віддають собі звіт, що водневий електромобіль з'явиться на наших дорогах нескоро. По-перше, треба суттєво знизити вартість одного кіловата, по-друге, створити мережу автомобільних заправок воднем, по-третє, треба вирішувати питання отримання та зберігання водню. Завідувач лабораторією Інституту високотемпературної електрохімії Микола Баталов говорить, що найбільш дешевий, але досить брудний, спосіб отримання водню - з природного газу. Електроліз (розкладання води) чистіше, але дорожче. 
 
Начальник конструкторсько-технологічного бюро заводу електрохімічних перетворювачів УЕХК Михайло Баженов переконаний, що проблеми з часом будуть вирішені. Наприклад, воду можна розкладати за допомогою сонячних батарей, встановлених на дахах будинків та громадських будівель. Їхні потужності вистачить для поповнення запасів водню і кисню в установках аварійного електроживлення, які незамінні в лікарнях, обчислювальних центрах і так далі. Електролізом могли б також займатися ночами (в період падіння навантаження) великі електростанції. 
 
Заступник головного інженера свердловської філії ТГК-9 Леонід Соловйов допускає, що електроліз ночами на станціях робити можна - за умови створення великих ємностей для зберігання водню і кисню. Експерт підкреслює, що рано чи пізно їх будувати все одно доведеться, оскільки в доступній для огляду перспективі енергетикам доведеться переходити з мазуту, як резервного палива, на скраплений газ. Для цього знадобляться ємності, розраховані на десятки тисяч кубометрів. У рамках цього проекту можна було б збудувати й сховища для водню, оскільки, стверджує Микола Баталов, цей газ краще всього зберігати також у зрідженому стані. 
 
Михайло Баженов підкреслює, що економічні показники проекту рано чи пізно прийдуть в норму, якщо провести відповідні дослідні та дослідно-конструкторські роботи. Головне в тому, що на розробку вже є замовники: наприклад, американці хотіли купити на УЕХК джерела живлення потужністю 5 кіловат для підйомних і транспортних пристроїв, що працюють в закритих приміщеннях. Уральці підрахували, що рентабельним виробництво буде при випуску 1 тисячі апаратів, для чого буде потрібно відповідним чином оснастити виробництво. На це на комбінаті коштів немає, а американці були готові купувати тільки готові джерела. 
 
Розробники спробували отримати державне фінансування, подавши у 2008 році заявку на 1,2 мільярда рублів до корпорації "Роснано", оскільки у виробництві паливних елементів застосовуються нанокаталізатор. Експерти дали позитивний висновок на розробку УЕХК, а потім творці генератора дізналися з неофіційних каналів, що науково-технічна рада, створений при корпорації, дав негативний висновок, оскільки розробка "не відповідає світовому рівню". Іронія полягає в тому, що фахівці УЕХК зробили апарат з більш високими електричними характеристиками і ресурсом, але формально науково-технічна рада прав: світовому рівню він не відповідає. 
Не можуть винахідники отримати гроші і від уряду Москви, яке почало фінансувати роботи по створенню електрохімічного генератора в якості джерела живлення екологічно чистого транспорту. Михайло Баженов каже, що до розробників гроші не доходять, хоча московські підприємства-суміжники їх уже отримали. Все це змушує фахівця зробити висновок, що Росія не готова сприймати нові розробки, які обіцяють в перспективі більшу віддачу. Бюрократична тяганина може призвести до того, що країна втратить технологію, на відпрацювання якої пішли десятиліття. 
Завідувач кафедрою атомної енергетики Уральського державного технічного університету Сергій Щеклеін переконаний, що час дуже якісної розробки УЕХК поки ще не настав. Чиновники, можливо, оглянуться років через 20, коли органічне паливо стане дорогим. Але до того часу росіяни можуть безнадійно відстати: не представляють ж сьогодні виробничники, як слід випускати начинку для телевізора. "Я вважаю, - говорить учений, - що кидати розробки УЕХК не можна. Ми свого часу випереджали у водневій енергетиці всіх, але за останні 15 років серйозно пригальмували. Тут важливо не відстати від світових тенденцій, а то вийде як з телевізором і автомобілем, коли ми вже не знаємо, що там знаходиться всередині ". 
 
Михайло Баженов впевнений, що пробити знизу розробку не вдасться. Програма "Буран", для якої свого часу розроблявся генератор, була прийнята на самому верху, тому і була реалізована. Водневий генератор для промисловості і повсякденному житті - не менш масштабна програма, а тому повинна здійснюватися в рамках держави. Головна проблема - створення зрозумілого механізму інвестування перспективних розробок, який дозволив би в короткі терміни отримати практичну вигоду.

5) Біопаливний АВТОБУСИ І Електромобілі можуть СТАТИ УКРАЇНСЬКОЇ «Фішка» ЄВРО-2012  
09.02.10 12:02 Новини - Останні новини  
Україна може стати першою у Східній Європі країною, що реалізувала проект використання біопалива в громадському транспорті.  
 
Про це порталу Газеті «Україна молода» голова Асоціації учасників ринку альтернативних видів палива та енергії України (АТЕУ) Віталій Давій, коментуючи перспективи співробітництва спиртової галузі з нафтопереробними підприємствами.  
«Уже багато років поспіль окремі ініціативні групи намагаються« пропхнути »у Верховній Раді законопроект, що встановлює в обов'язковому порядку додавання в моторні палива за пару відсотків біодизеля і біоетанолу. Однак це не вирішує ні екологічних завдань, оскільки спочатку треба підняти якість нафтопродуктів, вироблених НПЗ, ні завдань з порятунку спиртових заводів. У Європі вже досягли якості моторних палив «Євро-5», тому додавання біокомпонентів - це додатковий штрих їх екологічності ».  
У той же час, на думку Віталія Давія, ефективний альянс спиртової та нафтопереробної галузей можливий при реалізації проекту виробництва і збуту альтернативного палива Е85 (складається на 85% з етанолу).  
«Збут Е85, який однозначно має бути значно дешевше традиційних бензинів, можна розвивати за аналогією зі скрапленим газом. Зокрема, через окремі заправні модулі на АЗС. Нафтові компанії зможуть таким чином розширити асортимент продукції і заявити про свою екологічності. Однак при цьому необхідно наявність станцій техобслуговування, які будуть займатися установкою на автомобілі паливних адаптерів. Їх вартість не перевищує 300 доларів. Адаптер дозволяє їздити як на етанолі, так і на звичайному паливі. Також в Україні можна налагодити складання автомобілів, обладнаних двигунами flex-fuel, при цьому автовиробники можуть претендувати на податкові пільги, так як ввезення устаткування, яке застосовується в біопаливних проектах, не обкладається з 1 січня ПДВ », - зазначив глава АТЕУ.  
За словами, В. Давія, першим біопаливним проектом може стати запуск, наприклад, до Євро-2012 у містах, що приймають чемпіонат, автобусів, що їздять на Е85. Такі транспортні засоби сьогодні випускає кілька європейських автоконцернів. Крім покращення іміджу та зниження екологічного навантаження з боку муніципального транспорту, біопаливний проект також дозволить Україні отримати гроші за скорочення викидів.  
Як раніше повідомлялося, у ВР зареєстровано черговий законопроект, який передбачає обов'язкове додавання з 2011 р. в моторні палива 2% етанолу та біодизеля. До 2014 р. цей показник має зрости до 5,75%.  
Проти цієї ініціативи виступають нафтопереробні заводи, які вважають цей проект економічно та екологічно недоцільним. Зокрема, НПЗ закликають уряд створити в Україні сприятливі умови для проведення модернізації заводів, що дозволить істотно підвищити якість палива і знизити його негативний вплив на навколишнє середовище.  
За аналогічним алгоритмом можна реалізувати проект таксі-електромобілів. Модулі зарядки автомобілів можна встановлювати як на АЗС так і в супермаркетах.

6) Висновок:

Біопаливні елементи –  майбутнє електроенергетики. Перспективні варіанти вирішення енергетичної кризи. Слід розглядати їх як альтернативні  джерела екологічно-чистої енергії.