Анализ новых источников энергии

Мировая экономика стоит перед необходимостью спешно преодолеть целый комплекс проблем в энергетике: от исчерпания запасов сырья до разрушения среды обитания в результате использования традиционных источников энергии. Коренной проблемой является недостаток и высокая стоимость почти всех традиционных видов сырья и энергии. Запасы полезных ископаемых стремительно сокращаются, а их добыча усложняется и становится все дороже.

По некоторым имеющимся оценкам, при сохранении нынешнего уровня потребления, который будет расти, разведанных запасов ископаемого органического топлива хватит всего лишь на 75−100 лет. Но, согласно заявлению главы Международного энергетического агентства (МАЭ) Мандила, угроза мирового экономического кризиса существенно снизилась по сравнению с тем, как это было 30 лет назад. Это связано с тем, что в последние годы принципиально улучшилась методика и качество переработки нефти, а это, в свою очередь, позволило существенно увеличить производство нефтяных энергоносителей. Единственным слабым сектором мировой экономики по-прежнему остается транспорт, который целиком зависит от нефти и является ее главным потребителем. Так, по оценкам экономистов, потребность в нефти транспортной отрасли до 2030 года составит порядка 70% от повышения спроса на нефть.

Урон же, наносимый окружающей среде современной энергетикой, столь велик, что угрожает прекратить существование человеческой цивилизации гораздо раньше, чем будут исчерпаны запасы ископаемого топлива. Не секрет, что изменение климата на нашей планете многие ученые связывают с выбросом в атмосферу огромного количества углекислого газа, создающего парниковый эффект, кроме того, из-за смога, окутавшего землю, значительно снизилась освещенность, потому что солнечные лучи часть своей «освещающей» энергии теряют в слоях парниковых газов.

В свете этих прогнозов вступивший в силу Киотский протокол представляется очень важной мировой инициативой. Основная цель стран-участников протокола — добиться в 2008 — 2012 гг. снижения загрязнения атмосферы Земли парниковыми газами на 5,2% по сравнению с уровнем 1990 г. прошлого века.

Этого можно добиться только путем использования возобновляемых источников энергии. Именно в этом направлении полным ходом идут исследовательские прикладные разработки качественно новых, нетрадиционных источников энергии.

Использование всего лишь 0.0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5% - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м². Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130 000км²! Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории — от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима.

Таким образом, потенциала солнечной радиации и ветровой энергии в принципе достаточно для нужд энергопотребления, как страны, так и регионов. К недостаткам этих видов энергии можно отнести нестабильность, цикличность и неравномерность распределения по территории; поэтому использование солнечной и ветровой энергии требует, как правило, аккумулирования тепловой, электрической или химической. Однако возможно создание комплекса электростанций, которые отдавали бы энергию непосредственно в единую энергетическую систему, что дало бы огромные резервы для непрерывного энергопотребления.

Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан. Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для полного обеспечения энергией каждого человека — потребителя достаточно одного гектара плантаций водорослей. Большое внимание приобрела «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК), т. е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний. И, тем не менее, несмотря на то, что извлечение энергии океана находятся на стадии экспериментов и процесс ограничен и дорогостоящ. В конечном итоге дело упирается не в возможность извлечения из океана энергии в различных формах, а в стоимость такого извлечения, которая определит, насколько быстро будет развиваться тот или иной способ добычи. Второе преимущество заключается в том, что использование энергии океана позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой планетой. А вот альтернативный вариант, предусматривающий увеличение использования органических и ядерных видов топлива, по мнению некоторых специалистов, может привести к катастрофе: в атмосферу станет выделяться слишком большое количество углекислого газа и теплоты, что грозит смертельной опасностью человечеству.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны — постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить огромное количество материалов.

Открытие излучения урана впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы. Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны — только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана. При получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля.

Наиболее стабильным источником может служить геотермальная энергия. Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн. т условного топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн. т условного топлива. Использование только около 0,2% этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии. Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип — это подземные бассейны естественных теплоносителей — горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип — это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30−40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низкои среднетемпературные (с температурой до 130 — 150°С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.

Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты:

Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов, до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.

В-третьих, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

Человек издавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них — станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).

Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т. п. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т. п.).

Состояние дел с поиском нетрадиционных источников энергии таково, что вопрос уже не в том, есть ли они, а в том, какие из них перспективнее. При этом уже понятно, что существенными особенностями этих источников будут автономность, безопасность, а главное, — способность производить энергию непосредственно в точке ее потребления и ровно столько, сколько необходимо.

Как показала практика, наиболее распространенные солнечные, ветряные и приливные электростанции недостаточно эффективны, а их эксплуатация таит в себе серьезные изменения климата, замедление вращения Земли, поэтому крупнейшие корпорации, такие как Daimler-Chrysler, Toshiba, Ford-Motors и другие, интенсивно ведут собственные разработки в области нетрадиционных энергий. Надо отметить, что усилия прилагаются огромные, несмотря на угрозу того, что внедрение принципиальных инноваций в тщательно обустроенную, имеющую сложную систему технологических связей западную экономику, повлечет за собой кардинальные изменения в самой ее жизнедеятельности.

Подтверждением тому являются изменения в западных центрах стратегического планирования, таких как Бильдербергский клуб и Трехсторонняя комиссия, где вместо финансистов ведущую роль начинают играть представители энергетического бизнеса. Уже одно это дает основание полагать, что в настоящее время предпринимается очередная попытка заменить финансы энергетикой в роли прямого управления экономикой. Например, экономисты уже не раз предлагали заменить деньги на какую-нибудь другую универсальную единицу, и большинство пришло к выводу, что неплохим вариантом в этом смысле будет единица энергии, например, кВт/час.

Таким образом, имеются устойчивые признаки того, что ситуация чревата возникновением в ближайшее время нового технологического уклада в экономике, основанного на источниках энергии, которые мы сейчас называем нетрадиционными. Становление энергетики с вышеизложенными свойствами в качестве базовой приведет к коренной перестройке хозяйственных связей и принципиально усилит независимость личности от различных социально-экономических обстоятельств и физических ограничений, потому что, с одной стороны, упраздняется целый класс посредников, от которых зависело энергообеспечение всякой деятельности, а с другой стороны, возникнут новые виды предпринимательства, которые ранее были просто невозможны.

Следует ожидать, что взаимодействие крупных политиков с финансовыми структурами или нефтегазовым комплексом будет ослабевать, но наиболее состоятельным и влиятельным окажется тот, кто первым поймет перспективы сначала всемерной поддержки, а потом и прочной связи с отраслью по производству и эксплуатации новых источников энергии.

Между тем, задел, имеющийся у российской науки и техники в сфере нетрадиционной энергетики и создания новых типов двигателей, значительно превосходит имеющиеся мировые разработки, причем сегодня уже нет нужды в масштабных инвестициях, поскольку в советское время в разработки, в ходе которых были получены требуемые физические эффекты, были вложены десятки миллиардов рублей, в то время как вышеназванные западные фирмы тратят миллиарды долларов на эти цели. В России промышленные прототипы установок можно получить в течение полуторадвух лет при финансировании в размере от нескольких тысяч до нескольких миллионов долларов США, что не выше затрат на один мусоросжигающий завод.

Неоспоримая роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать мускулы человека.

Потребление энергии — важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж; в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом — 100 МДж.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Сейчас, в начале 21-го века, начинается новый значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость: создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т. д. В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.

Однако этот потенциал Россия стремительно теряет — зарубежные страны, в первую очередь США, прилагают координируемые на государственном уровне масштабные усилия по выявлению и изъятию у нее передовых технологий, которые проявляются, в том числе, и как «утечка мозгов». Впрямую противостоять этому Россия не может. Средства, которые она выделяет на отечественные разработки, ничтожны по сравнению с тем, сколько уже вкладывают США в развитие «высоких технологий». В последних заявлениях американского руководства речь идет об увеличении государственного финансирования этой сферы на 2,8 миллиарда долларов США.