Тенденции развития мировой электроэнергетики. 
Новые источники энергии

Если общее мировое потребление всех видов энергии в XX в. удваивается каждые 20 лет, то еще быстрее растет мировое потребление электроэнергии, которая во всем мире рассматривается сейчас в качестве самого предпочтительного промежуточного вида энергии, универсального (легко преобразующегося в любых количествах в тепло, свет, механическую энергию и т. п.), передаваемого на значительные расстояния и вызывающего наименьшее загрязнение окружающей среды. В XX в. за каждые 20 лет выработка электроэнергии увеличивается примерно в 4 раза. Ожидается, что в 2020 г. около половины энергоресурсов будет потрачено на выработку 173 ЭДж электроэнергии. Если в 1972 г. в мире суммарная мощность установок по производству электрической энергии (установленная мощность) составляла 1400 ГВт, то в 2020 году ожидают достигнуть мощности 11 000 ГВт, т. е. за 50 лет производство энергии возрастет в 8 раз. Это соответствует средним темпам роста 4,4% в год в предстоящие 50 лет, в то время как темпы роста вырабатываемой энергии будут составлять 2,5% в год. Такое развитие электроэнергетики по сегодняшним представлениям является достаточно умеренным, поскольку темпы роста электроэнергетики развивающихся стран существенно выше. В целом темпы роста выработки электроэнергии в промышленно развитых странах будут составлять.

4…5% в год, а в развивающихся — до 7%.

В связи с ограниченными запасами нефти использование в качестве топлива для производства электроэнергии скоро станет экономически невыгодным. Более оправданным является использование угля, поскольку его запасов примерно хватит на 150 лет. По расчетам, 259 ЭДж энергии в 2020 г. будет получено с помощью угля. Перспективным представляется производство синтетического топлива из угля и его газификация — превращение угля, особенно низкосортного, в промежуточный энергоноситель-газ, удобный для транспортировки к промышленным центрам. Следует, однако, отметить, что в результате сжигания всех видов углеводородного топлива (угля, нефти, газа, торфа, сланцев и т. д.) содержание двуокиси углерода в атмосфере за последние 100 лет увеличилось на 13%, что способствует нарушению экологического равновесия и повышению температуры планеты из-за парникового эффекта. При сжигании органического топлива (угля, нефти, сланцев) появляются окиси серы и азота, что приводит к выпадению кислотных дождей.

Важным источником электроэнергии является атомная энергетика. В 1990 г. 423 действующих ядерных энергоблоков в 25 странах мира вырабатывали 17% общего количества электроэнергии, производимой в мире. Внимание к атомной энергии резко упало после чернобыльской катастрофы (1986 г.), а затем катастрофы на крупнейшей атомной электростанции мира «Фукусима» в Японии в 2010 г.

В АЭС долгое время использовались реакторы на тепловых нейтронах. Однако такие реакторы способны реализовать только 1 …2% энергии урана. В настоящее время наиболее перспективной представляется ветвь атомной энергетики, связанная с реакторами на быстрых нейтронах, в которых идет деление дешевого изотопа урана-238, запасы которого достаточно велики. Происходящие в таких реакторах процессы описываются следующими уравнениями:

Однако и здесь имеется ряд трудностей, главная из которых заключается в том, что реакторы на быстрых нейтронах работают в режиме расширенного производства плутония — основы ядерного оружия.

Развитая на такой основе мировая энергетика введет в международный оборот много сотен тонн плутония. Ясно, что возникающая при этом возможность его «утечки» находится в противоречии с интересами безопасности, предотвращения ядерной войны. Кроме того, наличие нескольких тысяч АЭС приведет к переработке, транспортировке и захоронению в шахтах или на дне моря больших количеств продуктов радиоактивного распада, способных уничтожить все человечество. Опасность представляют и аварии на АЭС, разрушение АЭС в результате военных действий или действий террористов, сопровождающиеся выбросом радиоактивных продуктов распада в атмосферу.

Аварии на АЭС привели к тому, что в ряде стран (Швеция, ФРГ, Австралия, республики СНГ) планы их дальнейшего строительства натолкнулись на яростный протест общественности.

В результате развитие атомной энергетики во многих странах остановилось, начатое строительство АЭС законсервировано, а машиностроительные фирмы свернули производство оборудования.

Однако усиливающийся парниковый эффект из-за сжигания углеродосодержащего топлива (каменного угля, нефти и газа) на топливных электростанциях, работы 1 млрд автомашин на углеродсодержащем топливе (бензин), который приводит к изменению климата, подъему уровня Мирового океана, опустыниванию ряда районов, таянию зоны вечной мерзлоты (в России 67% территории находится в зоне вечной мерзлоты), заставляет снова вернуться к использованию атомной энергетики, не создающей парниковый эффект, и альтернативной энергетики, в первую очередь солнечной и использующей энергию ветра.

Наиболее экологически чистым видом энергии является солнечная энергия, поэтому в последние годы заговорили о ее возможном широком промышленном использовании, хотя, конечно, с точки зрения экономики вариант ее использования пока проигрывает перед атомной.

В настоящее время исследования по использованию солнечной энергии ведутся на всех континентах. США к 2020 г. предполагают удовлетворить от 10 до 30% своих энергетических потребностей за счет солнечных установок. Национальные программы развития солнечной энергетики приняты в 68 странах. В Российской Академии наук создан Научный совет по комплексной проблеме «Изыскание новых путей использования солнечной энергии». Солнечная радиация, достигающая внешних границ земной атмосферы, несет энергию в 5,6×10⁶ ЭДж в год. Около 65% этой энергии расходуется на нагрев поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанских течений и ветра; 35% солнечной энергии отражается. Поток солнечной энергии, достигающей земной поверхности, в 10 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органического топлива и урана. Солнечная энергия обладает рядом преимуществ. Она имеется повсюду, практически неисчерпаема и доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени. Из недостатков солнечной энергии следует отметить низизменение ее интенсивно кую плотность потока (800−1000 ^/_м^г)>

сти в течение суток, зависимость от сезона и т. д.

Как прямая, так и рассеянная солнечная радиация относится к прямым видам солнечной энергии. Косвенными видами являются энергия ветра, волн, приливов, тепловые градиенты океана, гидроэнергия и энергия, полученная благодаря фотосинтезу.

Условно можно выделить четыре направления использования солнечной энергии: теплотехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое. Теплотехническое направление основано на нагревании теплоносителей, например воды, обычными или сконцентрированными солнечными лучами в специальных устройствах — коллекторах. Этот способ нашел практическое применение в США, Японии, в южных районах нашей страны для опреснения и получения горячей воды, обогрева зданий зимой и охлаждения летом, питания термопреобразователей и т. п. Разрабатываются экспериментальные тепловые электростанции. Уже при сегодняшней эффективности солнечные коллекторы могут оказаться экономически целесообразными вплоть до районов, лежащих на 56-й широте. Хотя коэффициент полезного действия преобразования световой энергии Солнца в тепло достаточно велик — даже в сравнительно простых коллекторах в полдень он достигает 50…70 процентов, — при последующем превращении энергии в электрическую или механическую он уменьшается порой в 20 раз. Поэтому актуальным остается поиск новых путей преобразования, способных конкурировать с теплотехническим методом.

К существенному прогрессу здесь привели открытия, сделанные за последние десятилетия в физике и химии полупроводников. На их основе были сделаны фотоэлектрические преобразователи — солнечные батареи, которые ныне широко используются на космических кораблях. КПД батарей составляет 12… 15%, а на лабораторных образцах достигнуты и значительно лучшие результаты —.

28…29%. Однако широкое использование полупроводниковых преобразователей в наземной энергетике сдерживается пока их еще слишком высокой стоимостью, в результате стоимость выработки электроэнергии солнечными батареями в 10 раз выше, чем при традиционных способах. Следовательно, одно из главных направлений — разработка более дешевых преобразователей, например с использованием пленочных и органических полупроводников и менее дорогих технологий их производства.

Наряду с этим намечаются и пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей. С точки зрения возможности относительно быстрой реализации наиболее заманчивым представляется следующий двухступенчатый метод: на первом этапе под действием солнечного света на культуру быстрорастущих микроводорослей или других растений накапливать органическую биомассу, а затем с помощью специальных бактерий перерабатывать ее в высококалорийное топливо, например метан.

Одним из наиболее перспективных в будущем представляется процесс разложения воды на водород и кислород под действием солнечной радиации. Запасы воды на Земле практически неограниченны, а водород — это ценный химический продукт, который можно использовать также в виде экологически чистого топлива, не дающего вредных отходов. Водород является лучшим топливом из известных видов: по энергоемкости на единицу веса он в 2,6 раза превосходит природный газ и в 3,3 раза — жидкие углеводороды нефти. Кроме того, по мнению ряда ученых, он может передаваться по трубам на большие расстояния с затратами, близкими к стоимости передачи электрической энергии. Заметим, что вследствие непостоянства потока солнечной энергии, падающей на Землю в течение дня или в разные времена года, приходится использовать аккумуляторы энергии. Таким хорошим аккумулятором может быть сам водород, получаемый при разложении воды. Извлечь водород из воды можно как электролитически, что довольно дорого, так и прямым химическим (или фотохимическим) путем. Однако видимая часть солнечного света воду практически не разлагает. Поэтому вся проблема сводится к тому, чтобы найти соответствующие катализаторы. Отдельные стадии процесса в той или иной степени разработаны. Ближайшая задача состоит в том, чтобы соединить эти каталитические системы в единый законченный фотохимический преобразователь. Можно предполагать, что со временем этот метод также станет экономически выгодным для широкого использования.

Остановимся на перспективах использования косвенных видов солнечной энергии: гидроэнергии, энергии ветра, приливов и тепловых градиентов океана.

В 1990 г. гидроэнергетика обеспечивала 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире. Ее роль будет и дальше возрастать, хотя, по прогнозам, доля выработки электроэнергии гидроэнергетическими установками снизится к 2020 г.

Гидроэнергия непрерывно возобновляется и относится к экологически чистым видам энергии, хотя строительство гидроэлектростанций может привести к нарушению экологического равновесия в данном районе (затоплению земель, изменению местных климатических условий, исчезновению рыб).

Экологически чистой является также энергия ветра и приливов. Эти источники в последнее время стали привлекать большее внимание.

В настоящее время считается перспективным также использование энергии моря, связанное с различиями температур водных слоев. Солнечная энергия нагревает верхние слои океана. Нижние слои остаются холодными. Разница температур, составляющая.

15…20 °С, может служить основой для производства электрической энергии.

Рассмотрим перспективы термоядерной энергетики. Суть реакции термоядерного синтеза заключается в слиянии ядер двух атомов (ионов) легких элементов (обычно ионов водорода). В результате образуются частицы с меньшей суммарной массой и высвобождается энергия, соответствующая разности масс. Синтез предполагает тесное сближение высоковозбужденных ионов, и если в процессе реакции должно быть высвобождено больше энергии, чем было затрачено на создание исходных условий, то необходимо достаточно длительное поддержание такого выгодного состояния, при котором реакция может продолжаться. Для устойчивого протекания реакции считают необходимыми следующие условия: плотность плазмы 100 ионов/мкм¹; температура плазмы 10* °С, длительность 1 с.

Для создания таких условий имеются два пути: магнитное удержание, при котором горячая плазма удерживается мощным статическим магнитным полем, и импульсное инерционное удержание, при котором топливо в виде крошечных шариков нагревается и сжимается концентрированными лучами лазера или мощными пучками разогнанных до релятивистских скоростей электронов. Для магнитного удержания испытывались поля различной конфигурации и использовалось разное оборудование, но лидером является установка «ТОКАМАК» (ток, катушка, магнит, камера), впервые появившаяся в нашей стране.

Создание мощных лазеров открыло возможность очень быстро (за одну миллиардную долю секунды) нагревать и сжимать малые порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за «естественное» время существования «свободной», т. е. ничем дополнительно не удерживаемой, плазмы. При этом (в отличие, например, от электронных пучков) не нужна материальная связь между источником энергии (лазер) и нагреваемым объектом (мишень). Иначе говоря, снимается проблема разрушительного воздействия взрыва мишени на источник.

Успехи этого направления поисков за последние годы определяются в первую очередь большим прогрессом лазерной техники — созданы более мощные типы квантовых генераторов, появились их многоблочные системы, освоена техника автоматического регулирования работы лазерных устройств с помощью ЭВМ. Чтобы представить себе трудность создания таких систем, укажем, что число точек контроля в существующих установках составляет несколько десятков тысяч. Работу такой системы можно представить следующим образом. На шарик диаметром от 10 мкм до нескольких миллиметров (в зависимости от энергии лазера), содержащий термоядерное горючее — смесь тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития (термоядерная мишень), равномерно со всех сторон воздействует кратковременный (порядка 10″ ⁹ с) импульс лазерного излучения мощностью 10¹³…)0¹⁴ Вт. Под его действием вещество мишени может сильно сжаться (до плотности порядка 100… 1000 г/см³) и нагреться до температур в сотни миллионов градусов. При таких условиях в дейтериево-тритиевой смеси начнутся реакции синтеза с выделением энергии. На первый взгляд картина представляется довольно простой, однако с момента возникновения идеи лазерного термоядерного синтеза (Н.Г.Басов, О. Н. Крохин, 1963 г.) понадобилось десять лет усилий теоретиков и экспериментаторов, для того чтобы осуществить реакции и получить термоядерные нейтроны указанным способом.

Предполагается ввод в строй промышленной лазерной термоядерной станции в 2025;2035 гг. Возможные виды «топлива» при термоядерном синтезе — дейтерий или литий:

ИЛИ.

Ресурсы дейтерия, который может быть выделен из воды, практически бесконечны. Воды Земли содержат приблизительно 46 тыс. Гт дейтерия. При полном использовании этих ресурсов можно получить из них 11×10¹² ЭДж энергии, т. е. они практически неисчерпаемы. Ресурсы лития в земле составляют около 10 млн.т. С помощью реакции термоядерного синтеза на базе только этих ресурсов можно получить энергию 3,6×10⁶ ЭДж. По расчетам, в морской воде содержится приблизительно 184 Гт лития. Добыча лития из морской воды может превратиться в практически неисчерпаемый источник снабжения этим элементом.