Когда речь заходит о серьезных проблемах, обычно полезно помнить о некоторых основных принципах. Один из них заключается в том, что бесплатных обедов не бывает. Это клише, потому что это правда. Иначе говоря, нет решений, только компромиссы. Иногда происходит подлинный прогресс, который действительно улучшает расчеты, и, безусловно, существуют более или менее эффективные способы решения задач. Но при принятии решений, которые влияют на технологическую инфраструктуру цивилизации, охватывающей весь мир и насчитывающей миллиарды людей, все имеет последствия.
Как я часто писал, возможно, самые важные решения, с которыми мы сталкиваемся, связаны с тем, где мы получаем энергию для поддержания нашей цивилизации. С одной стороны, у нас есть технологии, позволяющие сделать все возможное. С другой стороны, у нас есть экономика, которая склоняется в пользу самого дешевого варианта, независимо от других проблем. Но у нас есть и другие проблемы. Как правило, именно здесь на помощь приходят правительства и нормативные акты, которые позволяют общественности отстаивать свои общие интересы, а не принимать индивидуальные решения о покупке. Силы свободного рынка способны генерировать информацию и гомеостатические системы, но, как правило, слепы к долгосрочному или стратегическому планированию. На мой взгляд, нам необходимо оптимальное сочетание того и другого.
Но на заднем плане наука и технологии развиваются медленно, постепенно. Мы больше не можем позволить себе роскошь просто ждать, пока технологии решат наши проблемы, но мы хотим продолжать двигаться вперед и обязательно учитывать научный прогресс в нашем стратегическом планировании, а также эффективно внедрять новые технологии, когда они становятся доступны. Отчасти поэтому мне нравится заглядывать немного вперед, рассматривая потенциальные технологии, которые могут оказаться на пике популярности.
В этом ключе, вот еще один шаг вперед, который находится на стадии проверки концепции – использование солнечной энергии для производства жидкого топлива непосредственно из CO2 и H2O. Такую технологию иногда называют технологией “искусственных листьев”, поскольку она позволяет получать высокоэнергетические соединения, работающие на солнечном свете. Такие системы включают механизм улавливания фотонов и катализатор, который запускает определенную химическую реакцию. В этом случае:
Здесь мы собрали устройства с искусственными листьями, объединив электрокатализатор Cu94Pd6, полученный из оксида, с тандемными светопоглотителями из перовскита и BiVO4, которые сочетают восстановление CO2 с окислением воды.
Катализатор изготовлен из меди и палладия. В качестве поглотителя света используется перовскит, который активно разрабатывается как, возможно, следующий тип солнечных панелей, который заменит кремний. В результате этого процесса получаются многоуглеродистые спирты этанол и н-пропанол. Это шаг вперед по сравнению с современными технологиями, которые позволяют получать либо водород, либо синтез-газ, после чего требуется еще один этап для получения жидкого топлива. Переход непосредственно на жидкое топливо за один этап значительно повышает эффективность.
Этанол уже является топливной добавкой, составляющей около 10% топлива в американских автомобилях. Проблема с этанолом заключается в том, что в настоящее время его получают в основном из кукурузы, занимающей значительное количество сельскохозяйственных угодий. Кроме того, энергетическое преимущество довольно незначительно – у него положительный энергетический баланс примерно на треть. N-пропанол на самом деле лучше этанола. Он обладает высоким октановым числом и энергетической ценностью и является наиболее предпочтительным спиртом для использования в бензиновых двигателях, но в настоящее время слишком дорог для широкого применения. Доступны смеси, содержащие до 50% n-пропанола. Автомобили на гибком топливе предназначены для использования спиртовых смесей и могут сжигать до 83% спирта, смешанного с бензином. Существуют также автомобили на гибком топливе с небольшими аккумуляторами, которые могут работать на 100% этаноле. Зимой с чистым этанолом возникают проблемы, но это можно исправить с помощью гибридов.
Преимущество спиртового топлива в том, что его можно сразу же использовать в нашей транспортной инфраструктуре, а существующие автомобили сжигают 10-20% этанола или 30-50% н-пропанола. Автомобили на гибком топливе и гибриды могут сжигать 80-100% спиртосодержащего топлива. Другими словами, от производства бензина можно постепенно отказаться без особых проблем с инфраструктурой. Биотопливо не подходит для этого применения из-за того, что его производство требует больших затрат земли и энергии. Но мы могли бы заменить нефтяные месторождения солнечными электростанциями, производящими этанол и н-пропанол.
В настоящее время технология еще не готова к запуску в производство. И снова, мы находимся на стадии проверки концепции. Одна из проблем заключается в том, что фарадеевский КПД составляет всего 7,5%. Это тот процент энергии, который теоретически может быть преобразован в топливо, который фактически преобразуется. Эту эффективность необходимо повышать. И, во-вторых, технологию необходимо расширять в лабораторных условиях. Если мы не сможем производить миллионы галлонов бензина в день, это никак не повлияет на наш углеродный след (только в США сжигается 369 миллионов галлонов бензина в день).
Наконец, для любой новой технологии мы должны учитывать компромиссы и альтернативы. Является ли использование солнечных панелей для производства жидкого топлива более эффективным, чем просто производство электроэнергии для электромобилей на батарейках? Я не знаю ответа, но это был бы наглядный расчет. Я подозреваю, что это будет зависеть от эффективности всего процесса, и при 7,5% она, вероятно, не сможет конкурировать с фотоэлектрической. Но использование солнечного света для производства жидкого топлива может быть полезной частью всей системы. Это может быть способом накопления энергии при наличии избытка электроэнергии. Автомобили, работающие на жидком топливе с нулевым выбросом углекислого газа, также могут найти применение в ситуациях, когда BEV не являются оптимальными, например, в сельской местности или для дальнемагистральных перевозок.
Также стоит отметить, что мы предлагаем расширять использование наших технологий, а не полагаться на какое-то одно решение. Во-первых, это может ускорить освоение ископаемого топлива. А во-вторых, это может снизить спрос на сырье для автомобильных аккумуляторов.
Как насчет использования подобной технологии для производства водорода вместо жидкого топлива? У нас уже есть работающие автомобили на водородных топливных элементах. Все мои ранее высказанные опасения по поводу водорода остаются в силе. Для использования водорода потребуется новая инфраструктура, а сжатие газа сопряжено с определенными проблемами. Жидкое топливо лучше, и его гораздо проще использовать в нашей существующей инфраструктуре.
Как всегда, дьявол кроется в деталях. Если технология такого рода станет достаточно совершенной, чтобы обеспечить разумную эффективность и экономичное масштабирование для широкого промышленного использования, я могу представить себе ее роль. По крайней мере, в течение следующих 20-30 лет, пока технология производства аккумуляторов продолжает совершенствоваться, это может стать способом более быстрого достижения нулевого уровня выбросов при минимальном количестве CO2. Кроме того, у нее может быть долгосрочная ниша для определенных применений – грузовиков, крупногабаритного оборудования, самолетов, в отдаленных районах. У жидкого топлива с высокой энергетической ценностью есть определенные преимущества, которые, вероятно, обеспечат длительную полезность такой технологии.
И, конечно, эта технология может оказаться неэффективной, если ее не удастся эффективно масштабировать. Или же это может занять так много времени, что другие технологии затмят его.
