Discovery - Читать Статьи

Альтер энерго

Рассказать друзьям

Проделав путь от первобытного костра до современных атомных электростанций, человечество не прекратило поиски новых источников энергии. Три кита, на которых базировалась экономика XX в., - органическое топливо, ГЭС и АЭС - не справляются с растущей энергопотребностью. Фактически люди оказались на краю гибели, и, возможно, уже перед нашими внуками будет стоять вопрос: жить или не жить? А виной тому - не глобальное потепление или столкновение с крупным небесным телом, но катастрофическое истощение энергетических ресурсов.

Алёна КУПЦОВА

Во времена нефтяного кризиса 1970-х гг., заставившего мировое сообщество всерьез задуматься об альтернативных источниках энергии, зазвучали пугающие прогнозы о том, насколько еще человечеству хватит черного золота и других видов органического топлива. По некоторым из них, Саудовская Аравия к настоящему времени уже должна была бы остаться совсем без нефти, а Россия - выкачивать последние кубометры газа. Этого не произошло, однако проблему ограниченных запасов углеводородного топлива никто не отменял. Более того, расчеты ученых показывают, что к 2050 г. уже совершенно точно население планеты не будет обладать тем количеством энергии, которое необходимо для жизнеобеспечения.
Впрочем, есть одно но: это произойдет, если мы не сумеем преодолеть собственную инертность и всерьез не задумаемся над тем, какие меры надо предпринять для выживания. Тот факт, что многие страны все активнее начинают использовать энергию альтернативных источников, внушает сдержанный оптимизм. Мир меняется, и весь вопрос в том, насколько радикальны будут эти перемены. Потому что человечество выживет лишь в том случае, если основой жизни не только грядущих, но уже и нынешнего поколения станет совсем другая энергия.
Кроме того, не стоит забывать, что энергетическая проблема напрямую связана с экологической. Сжигание угля, нефти, природного газа ежегодно «обогащает» атмосферу сотнями миллионов тонн углекислого и сернистого газов, окислов азота и других вредных продуктов сгорания. А если вспомнить экологическую катастрофу на нефтяной платформе в Мексиканском заливе или аварию на шахте «Распадская», картина становится совсем безрадостной. С момента ввода первых АЭС в десяти странах произошло около 50 серьезных аварий. Тем не менее сегодня на долю АЭС, по разным подсчетам, приходится 14-16 % всей вырабатываемой электроэнергии.
Третий вид традиционной энергетики - гидравлическая - на фоне топливной и атомной выглядит вполне невинно. Однако для строительства ГЭС затапливаются большие площади плодородных земель. К тому же работающие на неисчерпаемом сырье ГЭС производят всего 19 % электроэнергии.
Вывод напрашивается сам собой - нужно осваивать новые неисчерпаемые и экологически безвредные источники, на долю которых сейчас приходится лишь 2 %. При этом Европа, например, провозгласила своей задачей к 2050 г. полностью перейти на альтернативные источники энергии. Такой переход, возможно, вызовет у людей столько же счастливых эмоций, как электрические светильники, пришедшие на смену кострам и факелам, или «лампочка Ильича», осветившая Советский Союз.

«Говорят, говорят, скоро будет термояд»
Первым делом сторонники новых источников энергии обратили свой взгляд на главное и неисчерпаемое богатство Земли - воду. Правда, чтобы сделать воду энергоресурсом, из нее необходимо выделить чистый водород. Его теплота сгорания в пять раз больше, чем у углеводородного топлива, причем в результате образуются не вредные газы, а вода, точнее водяной пар. Правда, производство Н2 очень дорого, но в перспективе его планируют удешевить, применяя для электролиза воды экологичную энергию солнца и ветра. Сейчас водород используют в качестве ракетного, экспериментального авиационного и автомобильного топлива. Транспортные средства, работающие на водороде, создаются с 1960-х гг. и становятся все более совершенными (подробнее об этом читайте на стр. 114).
Но и у водородного топлива есть свои недостатки: это взрывчатое при соединении с кислородом вещество непросто хранить. Сейчас водород содержат в сжатом (например, в баках водородных моделей Mazda), охлажденном сжиженном (BMW) и адсорбированном виде с использованием металлогидридов. Последний способ, в отличие от первых двух, чреватых взрывами либо утечкой, наиболее надежен. Однако говорить о массовом его использовании не приходится. Если только в жизнь не претворится выдвинутая российскими учеными идея добычи мантийного молекулярного водорода (для чего придется бурить скважины глубиной 5-10 км) или оправдают себя атомные реакторы четвертого поколения, способные вырабатывать водород из воды.
Между тем водород используется не только в качестве экологически чистого горючего, его изотопы - главные компоненты еще в одном процессе получения альтернативной энергии - термоядерном синтезе...
Когда в 1957 г. британского физика, нобелевского лауреата Джона Кокрофта на конференции по управляемому термояду спросили о начале промышленного использования, Кокрофт ответил: «Через 20 лет». Спустя семь лет ему вновь задали этот вопрос, и он снова ответил: «Через 20 лет». Ему припомнили, что он уже озвучивал эту цифру, на что ученый заявил: «Вот видите, я не меняю свою точку зрения!» Кокрофт скончался в 1967 г., но если бы его об этом спросили сегодня, он наверняка ответил бы так же.
Покорить термоядерную энергию, возникающую в результате слияния ядер изотопов водорода, дейтерия и трития, физики мечтали еще в середине прошлого века. Впервые предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза в промышленных целях было выдвинуто летом 1950 г. 24-летним физиком-самоучкой Олегом Лаврентьевым, служившим на Сахалине радиотелеграфистом. Эту идею оценил Андрей Сахаров, работавший тогда над водородной бомбой, то есть процессом неуправляемого термоядерного синтеза, но предложил другой способ изоляции плазмы в реакторе - за счет удержания магнитным полем.
Первый токамак был построен в СССР уже в 1955 г. О термоядерной энергии тогда восторженно говорили как об энергии будущего. Действительно, запасы сырья, необходимого для синтеза, практически неисчерпаемы. Дейтерий можно добывать из воды, а тритий, например, получают, облучая нейтронами литий, которого и на суше много, и в морской воде. При этом килограмм дейтерия и трития может выделить столько же энергии, сколько дает 10 тыс. т органического топлива.

Досье DISCOVERY: Токамак - установка для удержания плазмы посредством генерируемого магнитного поля. Это устройство считается самым перспективным для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза. Сейчас во всем мире насчитывается около 300 установок, самая крупная из которых расположена в Великобритании. Ввиду дороговизны исследований большинство токамаков сегодня находятся в законсервированном виде.

Специалисты утверждают, что потенциал радиоактивного загрязнения у термоядерного реактора в миллион раз меньше, чем у атомного. А в случае нарушения герметичности реактора реакция просто погаснет за несколько миллисекунд. Сплошные плюсы. Однако непрерывной работы реактора после термоядерного зажигания, происходящего при температуре в 100 млн °С, на небольших токамаках получить не удалось.
Сегодня основные надежды возлагаются на первый международный экспериментальный термоядерный реактор ITER, который силами нескольких стран, включая Россию, строится сейчас в исследовательском центре близ французского города Кадараш. Проектная стоимость постоянно растет (на данный момент оценивается в 10 млрд евро), сроки завершения строительства, начатого в 2007 г., отодвигаются (этой весной их перенесли на 2019 г.). При этом ITER - лишь экспериментальная установка. И если все получится, то где-то в середине XXI в. начнется строительство рабочих термоядерных электростанций.

Обнаженные нервы Земли
Еще один неисчерпаемый источник энергии находится на границах тектонических плит, а также в местах, где земная кора достаточно тонка и магма нагревает залегающие породы и подземные воды, прорывающиеся на поверхность в виде горячих гейзеров из пара и воды. Даровая энергия - бери и превращай в электричество. Так в далеком 1904 г. и поступил итальянец Пьеро Джинори Конти, создавший в районе Лардерелло, богатом горячими серными источниками, генератор, зажегший целых пять лампочек. Спустя семь лет в Лардерелло уже работала первая в мире геотермальная электростанция. С годами комплекс набрал мощность 800 МВт и стал одним из крупнейших в мире.
Однако электростанций, работающих на сухом паре, не так много, наибольшее распространение получили ГеоТЭС так называемого непрямого типа, использующие горячие подземные воды, а также смешанного типа, в цикле которых помимо подземных вод применяются жидкости, чья точка кипения ниже, чем у воды.

Сегодня в геотермальной электроэнергетике лидируют США, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Мексика, Индонезия, Япония и Исландия, которая благодаря своему вулканическому происхождению за счет ГеоТЭС вырабатывает более четверти потребляемой ею электроэнергии.

Россия начала использовать геотермальные источники Камчатки еще в 1960-х гг. Кроме того, были построены ГеоТЭС на Курилах. Жалко только, что остальной России от этих горячих термальных вод и пара не холодно и не жарко. Однако решение, похоже, есть. Технология была разработана в Америке еще в 1970-х гг. и получила название Hot dry rock (англ., горячие сухие горные породы). Геофизики предложили пробурить две скважины глубиной 4-6 км (где температура достигает 150-200 °С); в одну заливать холодную воду, а через другую отводить разогретый пар. Сейчас экспериментальная HDR-электростанция, выстроенная силами нескольких стран в Эльзасе, работает в тестовом режиме.
Геотермальную энергетику, бесплатную и безопасную, считают одной из самых реальных альтернатив традиционной. «Прежде всего потому, что она не зависит от погодных и сезонных колебаний, - рассказывает заведующий лабораторией нетрадиционных возобновляемых источников энергии ЭНИН кандидат физико-математических наук Виктор Васильев. - По выработке электроэнергии геотермика лидирует среди альтернативных источников. В России ее давно используют на Дальнем Востоке и Северном Кавказе, в районах, богатых геотермальными рассолами. На уже разведанных площадях (выработанных нефтяных и газовых месторождениях с готовыми скважинами) можно построить несколько крупных ГеоТЭС суммарной мощностью около 1 млн кВт.
В то же время в некоторых странах широко распространена практика прямого использования геотермальной энергии, через тепло, а не путем ее преобразования в электричество. Такой метод применяется на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии.

Пусть всегда будет Солнце
Если энергию Солнца, поступающую на Землю за год, перевести в условное топливо, получится 100 трлн т. Человечеству с лихвой хватило бы величины, меньшей в 10 тыс. раз. Одному из первых «приручить» Солнце удалось американцу Чарльзу Фриттсу, который в 1883 г. изготовил фотоэлементы из селена, преобразующие видимый свет в электричество, со скромным КПД - 1 %. Спустя 70 лет сотрудники компании Bell Labs сконструировали кремниевый фотоэлемент, чей КПД был уже 6 %.
Кремний и по сей день - основной материал для создания солнечных батарей, вот только на их производство нужно затратить почти столько же энергии, сколько потом эти батареи смогут выработать, так что до рентабельности еще далеко. Изначально главным их потребителем была космонавтика, для земных же нужд солнечные батареи с улучшенным КПД стали использоваться сравнительно недавно. При этом солнечная энергетика, как и ветряная, имеет свои недостатки. Строить солнечные фермы имеет смысл лишь там, где в году много солнечных дней, и территории они занимают не маленькие - на некоторых может разместиться не один десяток футбольных полей. Кроме того, нужны аккумулирующие станции, сглаживающие погодные и суточные колебания. Кстати, не такие уж солнечные фермы и безвредные: в состав батарей входят свинец, кадмий, галлий, мышьяк, что чревато проблемами с утилизацией.
Впрочем, далеко не все солнечные электростанции работают на фотобатареях. Есть СЭС тарельчатого типа, использующие параболические концентраторы, и башенные, функционирующие с помощью гелиостатов, то есть зеркальных отражателей. Этот принцип опробовал еще Архимед, с той лишь разницей, что он с помощью системы зеркал поджигал паруса надвигающейся римской эскадры, а в СЭС вращающиеся вслед за солнцем зеркала накаляют вершину башни, где располагается резервуар с водой, которая, испаряясь, поступает на турбогенератор.
В Европе построено несколько десятков крупных СЭС мощностью 60 МВт. По суммарной мощности лидирует Испания, на втором месте - Германия, где, кстати, не так-то уж и много солнца.
Однако по-настоящему громко заявит о себе солнечная энергетика, на долю которой в мире сейчас приходится менее 1 %, если ЕС будет реализован мегаамбициозный проект в Сахаре мощностью 100 ГВт (у самой мощной в мире китайской ГЭС «Три ущелья», что на реке Янцзы, - 22,4 ГВт), площадью 130 км2 и стоимостью 400 млрд евро. Суть проекта состоит в размещении в пустыне солнечных термических систем, которые смогут генерировать электричество с помощью тепла, идущего от поверхностей нагревающихся панелей. За счет получаемого тепла будет нагреваться вода, в результате чего образуется пар, вращающий турбины, которые и будут создавать электричество. Таким образом, в Сахаре будет применен комплексный метод - производство электричества будет происходить не только при помощи фотоэлектрических реакций. Электроэнергия будет передаваться из пустыни по высоковольтным проводам, проложенным по дну Средиземного моря, и сможет покрыть 20 % потребности всей Европы.

В странах ЕС запущена программа «100 тыс.солнечных крыш», в рамках которой владелец дома может установить на крышу солнечную батарею, обеспечивать себя электроэнергией, а излишки переправлять в общую «копилку». В Америке действует аналогичная программа, только в ней крыш уже миллион.

Завтрашний день энергетики действительно может быть и другим, если станет явью мечта о термояде, если вовсю заработают геотермальные электростанции, если удастся собирать в космосе энергию Солнца или, как это ни фантастично звучит сейчас, мы научимся использовать энергию антивещества. Не стоит забывать и о таком необычном источнике энергии, как фотосинтез. Уже сегодня сконструированы осветительные приборы, работающие на электрическом токе, получаемом из водорослей в ходе этого процесса. Есть и менее экстравагантные пути - например, использование энергии приливов (крупные приливные электростанции уже действуют в России, Франции, Китае, а также в других районах земного шара). Наконец, определенные надежды возлагаются и на Большой адронный коллайдер. В случае успешных экспериментов он может превратиться в неисчерпаемый источник энергии...
Так насколько все-таки страшен грядущий энергетический кризис? Сегодня можно сказать лишь одно: человечество находится на перепутье. С одной стороны, традиционные источники энергии неумолимо исчерпывают свой ресурс, но навстречу опасности встают сотни международных организаций, научных институтов разных стран мира, да и талантливые одиночки пытаются найти все новые альтернативные способы добычи энергии. За 50 последних лет появились не только оригинальные идеи, но и множество реализованных проектов, и есть основания надеяться, что в следующие полвека человечество усовершенствует уже имеющиеся разработки, а также найдет новые возможности избежать энергетического коллапса.

Ключевых слов нет...

Рассказать друзьям