1.6: Стала енергія - подалі від сонця і назад

Як більш детально обговорюється в главі 15, ключем до сталого розвитку є рясна, екологічно безпечна енергія. Еволюція використання енергії людством проілюстрована на рис\(\PageIndex{1}\). Ще зовсім недавно в історії людства ми залежали від сонця, щоб задовольнити наші енергетичні потреби. Сонце зберегло більшу частину сухопутної маси Землі при температурі, яка дозволяє людському життю існувати. Сонячна радіація забезпечила енергію для фотосинтезу для перетворення атмосферного вуглекислого газу на рослинну біомасу, що забезпечує людину їжею, волокном та деревиною, що використовуються для будівництва житла та палива. Тварини, що харчуються цією біомасою, забезпечували м'ясо для їжі, шкури та шерсть, яку люди використовували для одягу. Зрештою люди розробили засоби опосередкованого використання сонячної енергії. Особливо це стосувалося вітру, керованого сонячним нагріванням повітряних мас і використовуваного для руху вітрильних суден і, врешті-решт, для живлення вітряних млинів, використовуваних для живлення. Гідрологічний цикл на сонячних батареях забезпечував проточну воду, енергію якої запрягали водяні колеса. Практично всі життєві потреби прийшли від використання сонячної енергії.

Коротка ера викопного палива

Починаючи з 1800 року, людство почало експлуатувати викопне паливо для своїх енергетичних потреб. Спочатку вугілля спалювалося для опалення та живлення нових парових двигунів для механічної енергії, використовуваної у виробництві та паровозів. Приблизно після 1900 року нафта швидко розвивалася як джерело палива і, з розвитком двигуна внутрішнього згоряння, стала джерелом енергії вибору для транспортних потреб. Дещо пізніше природний газ розвивався як джерело енергії. Результатом став масовий перехід від джерел сонячної енергії та біомаси до викопного палива. Використання викопних вуглецевих матеріалів призвело до революції, яка вийшла далеко за рамки використання енергії. Одним з важливих прикладів був винахід Карла Боша та Фріца Хабера в Німеччині на початку 1900-х років процесу перетворення атмосферного елементарного азоту з повітря в аміак, NH ₃ шляхом реакції N ₂ з H ₂. Цей високотемпературний процес високого тиску вимагав великої кількості викопного палива для забезпечення енергією та реагування з парою для отримання елементарного водню. Відкриття синтетичної азотфіксації дозволило виробляти величезні кількості відносно недорогих азотних добрив, і внаслідок цього збільшення сільськогосподарського виробництва цілком могло врятувати Європу, з швидко розвивається населенням в той час, від широкого голоду. (Це також дозволило легко синтезувати велику кількість вибухових речовин на основі азоту, які вбили мільйони людей у Першій світовій війні та наступних конфліктах.) Викопне паливо, яке було описано як «скам'яніле сонячне світло» ⁷, призвело до епохи безпрецедентного матеріального процвітання та збільшення людського населення з приблизно 1 мільярда до понад 6 мільярдів.

Рисунок\(\PageIndex{1}\), Еволюція використання енергії від сонячних та біомасових джерел через коротку, але вражаючу епоху викопного палива та на відновлюваних джерелах сонячної енергії

До 2000 року стало очевидним, що епоха викопного палива не є стійкою. Однією з причин є те, що викопне паливо є виснажливим ресурсом, який не може тривати нескінченно довго як основне джерело енергії для індустріального суспільства, до якого воно призвело. Приблизно половина загального світового ресурсу нафти вже витрачена, так що нафта буде продовжувати ставати більш дефіцитною і дорогою і може прослужити ще кілька десятиліть як домінуюча сировина палива та органічних хімічних речовин. Вугілля набагато більш рясне, але його використання призводить до другої причини того, що ера викопного палива повинна закінчитися, оскільки воно є основним джерелом антропогенного атмосферного вуглекислого газу, значно підвищений рівень якого майже напевно призведе до глобального потепління та масових змін клімату. Природний газ (метан, CH ₄) є ідеальним, чистим горінням викопного палива, яке виробляє найменшу кількість вуглекислого газу на одиницю виробленої енергії. Швидко розширюються нові відкриття природного газу значною мірою з раніше недоступних щільних сланцевих утворень означає, що він може служити «мостовим паливом» протягом декількох десятиліть, поки не зможуть бути розроблені інші джерела. Атомна енергія, належним чином використовується при переробці ядерного палива, може взяти на себе більшу частку виробництва енергії, особливо для виробництва електроенергії з базовим навантаженням. Але явно повинні відбуватися кардинальні зрушення в способах отримання і використання енергії.

Назад до Сонця

З закриттям короткої, але вражаючої ери викопних вуглеводнів історія людства та його стосунків з планетою Земля стає однією з «від сонця до викопного палива і назад», коли людство повертається до сонця як домінуючого джерела енергії та фотосинтетичної енергії для перетворення атмосферної вуглекислий газ до сировини біомаси. Окрім прямого використання для сонячного опалення та для виробництва фотоелектричної енергії, існує величезний потенціал для використання сонця для виробництва енергії та матеріалів. Можливо, найбільш швидкозростаючим джерелом енергії у світі є електроенергія, що виробляється вітром. Вітер утворюється, коли сонце нагріває маси повітря, в результаті чого повітря розширюється. Після того, як домінуюче джерело енергії та матеріалів, біомаса, вироблена фотосинтезом на сонячних батареях, починає відповідати своєму потенціалу як джерела сировини для заміни нафти у виробництві нафтохімії та енергії в синтетичному паливі (див. Розділ 14, «Розділ 14 Годування антросфери: Використання Відновлювані та біологічні матеріали» та главу 15 «Стала енергетика: істотна основа сталих систем»). Біомаса все ще розвивається як практичне джерело рідкого палива. Двома основними з них є бродіння для виробництва етанолу та синтез біодизельного палива, виготовленого з рослинних ліпідних олій. На жаль, хоча етанол, виготовлений з цукру, отриманого з цукрової тростини, який плідно росте в деяких районах, таких як Бразилія, є економічним замінником бензину, чистий приріст енергії від етанолу, отриманого з кукурудзяного крохмалю, покладається на зерно, найцінніша частина рослини, яка інакше використовується для їжі та тварин. корм; чистий приріст енергії є граничним. Економіка виробництва синтетичного біодизельного палива з таких джерел, як соя, може бути дещо кращою. Однак виробництво цього палива з олійних пальм в таких країнах, як Малайзія, призводить до знищення дощових лісів і відведення пальмової олії з продовольства.

Існують практичні засоби використання біомаси для отримання енергії та матеріалів без серйозного порушення постачання продовольства. Можливо, найкращий спосіб зробити це - термохімічно перетворити біомасу в синтез-газ, суміш CO і H ₂, яку можна поєднувати хімічно за допомогою давно встановлених синтетичних шляхів для отримання метану, вуглеводнів з більшою молекулою, спиртів та інших продуктів (див. Розділ 15). Основним шляхом для цього є використання біомаси з поновлюваних непродовольчих біоджерел, які включають побічні продукти рослинництва (пшенична солома, рисова солома, кукурудзяні стебла, що утворюються в надлишку під час виробництва зерна) та спеціалізовані культури, серед яких високопродуктивні гібридні тополі та пиломатеріали. Мікроскопічні водорості особливо перспективні як джерело біомаси через їх набагато вищу продуктивність, ніж наземні рослини, їх здатність рости в солонуватій (дещо солоній) воді в стримуваннях в пустельних районах та їх здатності використовувати стічні води як джерело поживних речовин. Коли біомаса використовується для отримання синтез-газу, основні поживні речовини, особливо калій та фосфор, можуть бути рекультивовані із залишків біомаси та використані як добриво для сприяння зростанню додаткової біомаси.

Майбутні наукові відкриття та технологічний прогрес відіграватимуть ключову роль у досягненні енергетичної стійкості. Три сфери, в яких необхідні прориви на рівні Нобеля для досягнення енергетичної стійкості, були висловлені в лютому 2009 інтерв'ю доктора Стівена Чу, фізика, лауреата Нобелівської премії, який щойно був призначений міністром енергетики в новій адміністрації президента США Барака Обами. Перший з них - це сонячна енергія, в якій ефективність захоплення сонячної енергії та перетворення в електроенергію необхідно покращити в кілька разів. Другою сферою потреби є вдосконалені електричні батареї для зберігання електричної енергії, виробленої поновлюваними засобами, та забезпечення практичних пробігів у електромобілів. Третя область, яка потребує квантового стрибка, - це покращення сільськогосподарських культур, здатних перетворювати сонячну енергію в хімічну енергію в біомасі шляхом фотосинтезу з набагато більшою ефективністю, ніж нинішні рівні менше 1%, досягнуті багатьма культурами. У цьому випадку потенціал для поліпшення величезний, оскільки більшість рослин перетворюють менше 1% сонячної енергії, що падає на них, в хімічну енергію за допомогою фотосинтезу. Завдяки генній інженерії цілком ймовірно, що ця ефективність може бути покращена в кілька разів, що призведе до значно збільшення генерації біомаси. Зрозуміло, що досягнення стійкості з використанням наукових розробок високого рівня буде захоплюючим розвитком у найближчі десятиліття.