Document fara titlu

Cu toate acestea, acest dar, care s-a dezvoltat de-a lungul a milioane de ani, este folosit de omenire într-un ritm mereu accelerat. Utilizarea pe scară largă a petrolului și a gazelor naturale este utilizată pentru producerea de energie, precum și pentru producerea de diverse materiale și produse (materiale plastice, medicamente, vopsele etc.) ca materii prime.

Consumul de energie din Statele Unite se bazează în mare parte pe combustibili fosili, iar energia nucleară și alte surse reprezintă doar 10-12%. Alte țări industrializate, pe de altă parte, acoperă 25-85 la sută din necesarul lor de energie din surse non-fosile. În Franța, de exemplu, energia necesară pentru a genera electricitate este de 75-80% din energia nucleară. Din păcate, însă, în multe țări, inclusiv în Ungaria, moștenirea „bombei atomice” și a reținerii „Cernobilului” a încetinit sau chiar a oprit construcția de noi centrale nucleare.

Utilizarea țițeiului a atins un punct în care consumul mondial se apropie de 80 de milioane de barili pe zi (un baril este de aproximativ 140 de litri), sau de 10 milioane de tone. După cum am menționat deja, utilizarea (arderea) țițeiului și a gazelor naturale este un proces ireversibil, adică acestea (măsurate în perioada Ernber) nu pot fi regenerate. Din fericire, în ceea ce privește dimensiunea mondială, avem întotdeauna stocuri semnificative atunci când luăm în considerare uleiurile grele, șisturile și gudronul. Avem în continuare stocuri mai mari de carbon (care este un amestec de compuși de carbon mult mai săraci în hidrogen), care este încă mai scump, dar și utilizabil. Nu spun că stocurile noastre se vor epuiza în viitorul apropiat, dar este clar că acestea se înrăutățesc și se înrăutățesc și, desigur, nu sunt considerate învechite. Având în vedere capacitatea mondială în creștere rapidă de 6 miliarde și peste, cererea de petrol și gaze naturale nu poate decât să crească. Rezervele noastre funciare pot fi puțin mai mari, dar sunt în esență similare. Datorită stocurilor mondiale, acestea sunt încă suficiente pentru 200-300 de ani, dar extravaganța lor este dificilă și puțini tineri își văd viitorul ca pe un spectacol.

Cererea de energie a lumii în XXI. secol

Capacitatea în creștere rapidă a lumii, care în XX. era doar 1,6 miliarde la începutul secolului; acum a ajuns la 6 miliarde. Resursele din lumea tehnologică din ce în ce mai avansată de astăzi au din ce în ce mai greu să țină pasul cu cerințele tot mai mari. Trebuie să satisfacem nevoile crescânde ale societății într-un mod care protejează mediul și, astfel, permite Pământului să rămână un loc de trăit pentru generațiile viitoare. Una dintre cele mai dificile sarcini ale societății actuale este de a găsi un echilibru între nevoile crescânde ale umanității și păstrarea și îmbunătățirea mediului. Pe lângă hrană, apă, case, îmbrăcăminte și multe alte nevoi de bază, energia joacă în mod natural un rol cheie.

Energia așteptată

În cifre absolute, bine-cunoscutele rezerve mondiale de carbon, petrol și gaze naturale au crescut întotdeauna în ultima jumătate de secol, datorită unei combinații de creștere a consumului și creșterea numărului de competențe. Acest lucru arată clar că stocurile cunoscute sunt suficiente doar pentru o jumătate de secol. Chiar dacă luăm în considerare alți factori (descoperirea de noi site-uri, utilizarea economică, accesul la alte resurse etc.), XXI. ne vom confrunta cu o problemă foarte gravă la mijlocul secolului. Deși țițeiul și gazul natural nu se vor epuiza într-o altă zi, în conformitate cu condițiile de cerere și ofertă de pe piață, este inevitabil ca prețurile să crească la niveluri la care nu îndrăznim să ne gândim astăzi. Chiar și luând în considerare acest lucru, dacă nu găsim soluții noi, ar putea apărea o situație reală în a doua jumătate a secolului.

Fiecare locuitor al lumii vrea să se bucure de toate beneficiile pe care le aduce cetățenilor săi o societate industrială avansată. În viața noastră, care se bazează fundamental pe energie, amploarea consumului variază foarte mult în diferite părți ale lumii - în țările industrializate și în curs de dezvoltare. La Kna, de exemplu, consumul anual de petrol pe cap de locuitor este încă de doar 5-6 barili, în timp ce în Statele Unite este de peste zece ori mai mare. În general, totuși, consumul anual de petrol al Kna și al Statelor Unite este același. Se preconizează că utilizarea kna se va dubla în deceniile următoare. Această tendință arată clar că ne confruntăm cu o problemă serioasă.

Energia nucleară și surse alternative de energie

Producția de energie bazată pe utilizarea combustibililor fosili neregenerabili (petrol, gaze naturale, cărbune) este doar o soluție pe termen scurt și, de asemenea, pune serioase probleme de mediu. Apariția erei nucleare a creat noi oportunități, dar a reprezentat și pericole. Mi se pare tragic faptul că, din cauza acesteia din urmă, dezvoltarea ulterioară a energiei nucleare, cel puțin în lumea occidentală, sa oprit practic. Văd că pe termen lung nu avem de ales decât să ne bazăm pe energia nucleară la o scară din ce în ce mai mare. Evident, putem face acest lucru rezolvând problemele de siguranță și problemele legate de eliminarea și eliminarea deșeurilor radioactive. Desigur, este important să subliniem dificultățile și pericolele și să introducem o reglementare rezonabilă. Cu toate acestea, este esențial să găsim soluții la aceste probleme.

Pe lângă energia nucleară, trebuie, desigur, să folosim toate sursele alternative de energie (apă, vânt, soare etc.). Astfel, în locuri adecvate, cum ar fi zonele deșertice, ar putea fi posibilă utilizarea energiei solare. Vânt, valuri, maree etc. energia sa poate fi de asemenea utilizată, dar aceste resurse sunt încă departe de a fi economice sau fezabile. Ca să nu mai vorbim că toate sursele alternative de energie din lume reprezintă doar o mică parte din necesarul de energie.

Dificultăți de stocare a energiei și constrângeri ale economiei energetice propuse de hidrogen

Centralele electrice care funcționează în prezent, deși funcționează cu combustibili fosili, încă folosesc energie nucleară, au o capacitate de rezervă semnificativă în afara orelor de vârf. Întrucât nu suntem încă capabili să stocăm electricitate în mod eficient, această capacitate în exces ar putea fi exploatată, după unii, pentru a produce hidrogen pentru stocarea energiei. Se pot dezvolta alte posibilități, cum ar fi descompunerea apei în alte moduri, de exemplu prin mijloace enzimatice sau utilizarea luminii solare pentru a furniza energia necesară.

Hidrogenul este un gaz extrem de volatil, exploziv, care este greu, periculos și costisitor de depozitat și livrat consumatorilor. În opinia mea, este, prin urmare, nerealist să se ia în considerare utilizarea mai largă a combustibilului cu hidrogen. În schimb, recomand utilizarea alcoolului metilic, care poate fi produs din hidrogen și dioxid de carbon.

Potențialul alcoolului metilic în lume

Inversarea procesului legal al hidrocarburilor, adică conversia dioxidului de carbon și a apei în hidrocarburi în timpul procesului, este o transformare eficientă și economică. Fotosinteza naturii, desigur, efectuează acest proces în sine (folosind energia solară și coloranții clorofilici ca catalizatori), dar sursele de energie care conțin hidrocarburi pot fi folosite pentru a produce mulți, mulți milioane de ani de viață a plantelor noi.

La prima vedere, această propunere poate părea completă, dar chiar nu este. Noi, chimiștii, suntem, în principiu, conștienți de posibilitatea transformării dioxidului de carbon în hidrogen alcool folosind hidrogen. Procesele catalitice care utilizează metale sau catalizatori cu proprietăți acide foarte puternice pot fi utilizate în acest scop. Limitarea procesului constă în faptul că producerea hidrogenului necesar, de exemplu prin descompunerea apei, este un proces foarte consumator de energie. Pe termen lung, această energie va fi disponibilă printr-o energie nucleară mai avansată și mai sigură, dar pot fi luate în considerare și toate celelalte surse alternative de energie.

Alcoolul metilic ca combustibil de stocare a energiei și materie primă chimică

Alcoolul metilic este o materie primă lichidă care se amestecă bine cu benzina și, prin urmare, poate fi utilizată direct. O altă utilizare foarte promițătoare este în pilele de combustibil care utilizează alcool metilic direct. O celulă de combustibil este un dispozitiv care transformă energia chimică a unui combustibil direct în energie electrică.

Deși cunoscuți pentru această posibilitate, cercetătorii scoțieni Grove au recunoscut pentru prima dată în 1830 că hidrogenul și oxigenul dintr-o celulă electrolitică dau catalizatorilor apă suprimată și curent electric. Cu toate acestea, implementarea practică a pilelor de combustibil la scară largă este încă în faza de dezvoltare.

În laboratorul nostru, am dezvoltat o celulă de combustibil cu oxidare directă pentru alcoolul metilic lichid în colaborare cu laboratorul de propulsie Caltech-Jet, care a dezvoltat, de asemenea, pilele de combustibil utilizate în programul spațial din Statele Unite. În această celulă de combustibil, alcoolul metilic și oxigenul (sau aerul) reacționează pe un catalizator metalic adecvat pentru a produce electricitate în timp ce se formează dioxid de carbon și apă. Dezvoltarea industrială a acestor celule de combustibil cu alcool metilic este deja în curs. Cu toate acestea, inițial, se folosesc aparate electrice mai puțin consumatoare de energie, telefoane mobile, computere etc. Sunt utilizate în unele cazuri, dar sistemul poate fi extins la orice dimensiune. Eficiența celulelor de combustibil împotriva motoarelor cu ardere internă nu este limitată de efectele termice Carnot, deci multe alte beneficii pot duce la o conversie a energiei mult mai eficientă, dar trebuie subliniat faptul că alcoolul metilic (cum ar fi doar hidrogenul). Spre deosebire de hidrogen, alcoolul metilic este lichid și la temperatura camerei, iar crearea infrastructurii necesare pentru utilizarea acestuia nu va fi o sarcină majoră.

Producția de hidrocarburi pe bază de alcool metilic

Sinteza alcoolului metilic (dimetil eter) din dioxidul de carbon poate fi realizată și prin conversie catalitică în etilenă și propilenă. Etilena face posibilă producerea de hidrocarburi sau substanțe aromatice din fracțiuni de benzină, precum și alte scări de hidrocarburi și derivații lor, care sunt importante în viața de zi cu zi.

Alcoolul metilic produs din dioxidul de carbon atmosferic cu investiții în apă și energie (energie nucleară sau altă energie alternativă) va fi capabil să asigure stocarea de energie universală viitoare. Alcoolul metilic poate fi folosit și ca materie primă pentru producerea de hidrocarburi și a derivaților acestora. Spre deosebire de sinteza de hidrocarburi Fischer-Tropsch pe bază de gaze naturale, sinteza de hidrocarburi pe bază de alcool metilic folosește dioxid de carbon ca materie primă.

Extragerea dioxidului de carbon din atmosferă și reglarea permeabilității sticlei

Conversia chimică a dioxidului de carbon în alcool metilic va implica eliberarea dioxidului de carbon din surse industriale pentru producerea de combustibili hidrocarburi noi, utilizabili. Conținutul mediu de dioxid de carbon din atmosferă este foarte scăzut (0,035 la sută) și, ca rezultat, eliminarea dioxidului de carbon din aer este o parte importantă a realității noii economii cu alcool metilic. Drept urmare, institutul nostru efectuează cercetări intensive pentru a dezvolta noi procese eficiente de adsorbție.

Cantitatea mare de dioxid de carbon eliberată în atmosferă de la centralele electrice și procesele industriale contribuie semnificativ la efectul de seră, adică la încălzirea generală a planetei noastre, care este o problemă serioasă pentru mediu. Arrhenius a apărut pentru prima dată în 1898. Încălzirea globală poate fi controlată cu precizie doar pe o perioadă lungă de timp, dar există o legătură fără legătură între conținutul de dioxid de carbon al atmosferei și temperatura. Astfel, reciclarea dioxidului de carbon, dacă este transformat într-un produs util, nu numai că poate atenua problema surselor de energie rare, ci poate contribui și la atenuarea încălzirii globale.

Concluzii

1. Capacitatea Pământului a crescut la 6 miliarde de-a lungul celor două secole de la Revoluția Industrială. Va ajunge la 10 miliarde în câteva decenii. Acest lucru pune o presiune enormă asupra resurselor limitate ale lumii și asupra mediului.

2. Din punct de vedere al vieții umane, al alimentației, al locuințelor etc. În plus, energia este o nevoie de bază. Rezervele noastre de combustibili fosili (petrol, gaze, cărbune) nu pot fi afectate de XXI. vor scădea semnificativ pe parcursul sec. Pe lângă sursele alternative de energie - creșterea adecvată a siguranței și soluționarea problemei eliminării deșeurilor radioactive - va exista în cele din urmă o utilizare pe scară largă a energiei nucleare.

3. Încălzirea combustibililor fosili din hidrocarburi va crește foarte mult formarea de dioxid de carbon, ceea ce va contribui la încălzirea globală (efect de seră). În același timp, din cauza scăderii ofertei, este necesar să se obțină hidrocarburi folosind surse sintetice de carbon regenerabile, care pot fi apoi utilizate ca combustibil sau alte produse. În natură, dioxidul de carbon este parțial reciclat de plante.

4. Alcoolul metilic, care poate fi obținut prin recircularea dioxidului de carbon atmosferic, poate fi combustibilul lichid inepuizabil al viitorului, dar în același timp poate fi folosit și ca materie primă pentru producerea hidrocarburilor și a derivaților acestora. Va fi disponibil tuturor națiunilor și va elibera omenirea de consecințele inevitabilei crize a petrolului (și gazului).

Acest articol se bazează pe articolul meu „Economia metanolului” din American Chemical and Engineering News. (C&E News, Volumul 81, Numărul 38, pagina 5, ISSN 0009-2347). Mulțumesc dr. Ajutor indispensabil pentru Gabriella Fogassy pentru versiunea maghiară a articolului.

LITERATURĂ
1. Olah, G. A. (1999), Uleiuri și hidrocarburi în secolul 21, Jurnalul chimic maghiar. 105,5, 161-167.
2. Olah G., Aniszfeld R. (2002) Celule de combustibil de nouă generație, economia maghiară, 12 (2002) 1564
3. G. A. Olah, (1998), Chemical Research 2000 and Beyond, P. Barkan, ed., American Chem. Soc., Washington, DC și Oxford University Press, New York, p. 40-54.
4. G. A. Olah, Б. Molnbr (1995) Chimia hidrocarburilor, Wiley-Interscience, New York.
5. G. A. Olah (1987), Acc. Chem. Res., 2.441 și referințele citate.
6. Grove, W R. (1839), Phil. Mag. 14, 127.
7. Olah, Prakash și colab. (1997) Celulă de combustibil organic cu alimentare lichidă apoasă utilizând membrană electrolitică din polimer solid. Brevetul SUA 5.599,63.
8. Surampudi, S., Narayanan, SR, Vamos, E., Frank, H., Halpert, G., LaConti, A., Kosek, J., Prakash, GKS și Olah, GA (1994), Advances in Direct Oxidation Metanol Fuel 'ells, J. Power Sources, 47, 377.
9. Olah, G. A. și Prakash, G. K. S. (1998) Reciclarea dioxidului de carbon în alcool metilic și oxigenate aferente pentru hidrocarburi, brevet SUA 5.928.806.
10. Olah, G. A. (2003) The Methanol Economy, C&E News Volume 81, Number 38, page 5, ISSN 0009-2347

Chimie. Cântecul special al lumii naturii, 2005.