Когда не станет нефти
Как известно, потребление энергии в мире растет огромными темпами. Что же будет делать человечество, когда в наших недрах не останется топлива, а для жизни будет требоваться несравнимо больше энергии, чем сейчас?
При этом сейчас основным источником энергии для человечества, как и сто лет назад, является ископаемое топливо. Несмотря на то, что атомная энергия подвластна людям уже более полувека, доля ее в мировой энергосистеме на сегодняшний день едва ли дотянет до одной десятой. А ведь после того, как люди освоили контролируемое ядерное деление, считалось, что атомная энергия вскоре вытеснит ископаемое топливо. Последнего, как известно, становится все меньше и меньше: все прогнозы сходятся на том, что при сохранении современных темпов добычи нефти и газа нам хватит на несколько десятилетий, а угля - на столетие-другое.
Термоядерный синтез
В середине прошлого века, уже вскоре после появления первых атомных и водородных бомб, идеи управляемого термоядерного синтеза стали распространяться сначала в Советском Союзе, а позже и в других странах. В 1956-м году академик Игорь Курчатов выступил с предложением о международном сотрудничестве в этой области.
Несмотря на то, что человечеству известно более десятка различных реакций слияния атомов, на практике сейчас рассматриваются лишь две из них. Наиболее простая и достижимая: «дейтерий + тритий». Именно эта реакция проходит в термоядерных бомбах. Ее применение обусловлено тем, что в качестве топлива можно использовать два твердых вещества - дейтерид лития-6 (источник дейтерия) и металлический литий-6, который под действием нейтронов от распада ядерного запала способен на деление с образованием трития и гелия-3 и выделением энергии.
Результатом реакции синтеза «дейтерий + тритий» является образование гелия-4, нейтрона и выделение энергии. Мощный поток нейтронов и температура - миллион градусов вносят определенные сложности для ее контроля: такую опасную и горячую плазму надо как-то удерживать. Одно из первых и наиболее отработанных решений- магнитная ловушка, получившая название токамак. Принцип действия заключается в удержании комка высокотемпературной плазмы в воздухе с помощью нескольких мощных магнитов. При этом магнит имеет форму кольца.
Наибольшего успеха ученые добились в проекте ITER, осуществляющемся на юге Франции усилиями нескольких государств. Он представляет собой экспериментальный термоядерный реактор, который сможет получать электричество и станет первой коммерческой электростанцией, основанной на термоядерном синтезе. Строительство комплекса началось в 2010-м году, а запуск для проведения первых экспериментов намечен на 2020-й год.
Еще одна перспективная для управляемого синтеза реакция - «дейтерий + гелий-3». В отличие от предыдущей, реакция влечет во много раз меньший поток опасных нейтронов, вместо которых выделяются протоны, а их легко уловить и даже использовать для получения энергии. Кроме того, исходное топливо для синтеза малоактивно, а его хранение не представляет особого труда. Вместе с тем, при аварии такой реактор практически не загрязнит окружающую среду.
Тем не менее, гелий-3 рассматривается в качестве топлива лишь на дальнюю перспективу. Этот элемент является побочным продуктом реакций, происходящих на Солнце. На Земле с ее плотной атмосферой его распространенность весьма мала, так что весь используемый для научных и промышленных нужд изотоп получается искусственно как продукт распада трития. Но на Луне, где нет атмосферы, запасы гелия-3 оцениваются в 10 млн. тонн, так что в будущем рассматривается возможность промышленной добычи этого минерала на Луне и доставки на Землю. Это может быть весьма выгодно: при вступлении в реакцию всего 1 кг гелия-3 и 670 г дейтерия выделяется энергия, которая образовалась бы при сгорании 15 тыс. тонн нефти. К сожалению, на сегодняшний день запуск такой реакции невозможен технически, так как для этого необходима куда более высокая температура, чем для осуществления синтеза «дейтерий + тритий».
За все то время, что нам известен термоядерный синтез, мир не раз облетали сенсации относительно нового прорыва в этой области. Все они касались холодного термоядерного синтеза - гипотетической возможности осуществлять синтез, не разогревая рабочее тело до миллионов градусов. До сих пор все эти сообщения не подтверждались экспериментами. Конечно, то, что холодный термоядерный синтез все же возможен, допустимо, но каких-либо значительных подвижек в этом направлении пока нет.
Солнце
На расстоянии около 150 млн. километров от нас находится самый важный в жизни нашей планеты источник энергии - наше Солнце. Здесь проходят все те же термоядерные реакции. Именно их энергия породила жизнь на нашей планете, высвободила кислород, она лежит в основе химической энергии нефти и газа, а также запасов гелия-3 на Луне.
Энергии, посылаемой Солнцем на Землю в виде светового излучения, хватило бы человечеству с лихвой на любые потребности. В районе экватора наша планета получает порядка 2,5 кВт энергии на каждый квадратный метр поверхности. Так почему же не использовать эту бесплатную, безопасную и столь доступную энергию вместо того, чтобы сжигать тонны нефти?
Электростанция Gemasolar в испанской Андалусии, работающая от солнечной энергии
Прямые методы преобразования солнечной энергии в электрическую пока еще слишком примитивны. Стоит признать, что наука, так далеко шагнувшая во многих направлениях, пока еще не позволяет использовать солнечную энергию достаточно эффективно. Наиболее отработанные в технологическом плане солнечные панели основаны на кремниевых фотодиодах, полупроводниках, внутри которых под воздействием света без дополнительных преобразований вырабатывается электричество. Такие панели встраивают в калькуляторы, электронные часы и другие небольшие приборы. Тем не менее, до недавнего времени батареи были столь дорогими и неэффективными, что и за несколько десятилетий работы не могли окупить затраты на свое производство. Но времена меняются, появляются новые материалы, а методы производства совершенствуются каждый год. Не так давно стали появляться органические полупроводники, производство которых обычно стоит намного меньше, чем кремниевых. Последний рекорд эффективности солнечных батарей выглядит уже вполне убедительно - 37,8%.
Есть и другие способы улавливания солнечной энергии и превращения ее в электричество. Один из них - нагрев рабочего тела, например, воды или соли, которое в свою очередь вращает турбины, вырабатывающие электричество. Crescent Dunes Solar Energy Project, неподалеку от Лас-Вегаса, уже позволяет вырабатывать до 110 МВт электричества в среднем по десять часов в сутки. Сооружение представляет собой башню высотой 165 м. Внутри башни находится резервуар с рабочим телом - расплавленной солью с температурой около 1000°С, а также теплообменник и необходимая для выработки электричества инфраструктура. Необходимым солнечным светом башню будут обеспечивать 10 тыс. зеркал, которые расположатся вокруг нее на расстоянии до трех километров. Площадь каждого зеркала составит несколько квадратных метров, а фокусироваться весь свет будет на теплообменнике размером всего 30 м.
Ветер
Еще в далекие времена ветер двигал корабли и заставлял работать мельницы. С тех пор потребности человечества возросли на несколько порядков, но ветер как дул, так и продолжает дуть. Многие страны уже успешно используют ветер для получения электричества: в Дании он приносит почти треть, в Португалии - одну пятую всей электроэнергии.
У ветряных электростанций множество плюсов. Они не загрязняют окружающую среду, оказывая лишь небольшое влияние на локальный климат. Площадь, которую занимает турбина, обычно не превышает 1% всей фермы, так что землю можно без проблем использовать для нужд сельского хозяйства. В густонаселенных странах так и делают: земля под мачту арендуется у фермеров, которые ведут вокруг свою сельскохозяйственную деятельность.
Разумеется, ветряки можно устанавливать там, где есть ветер. Если среднегодовая скорость ветра ниже 5 м/с, то использовать генераторы с горизонтальной осью вращения нецелесообразно. Но не так давно появились роторные генераторы с вертикальной осью вращения, способные хорошо работать и при скорости ветра всего 1 м/с. С ростом средней скорости ветра себестоимость каждого киловатта произведенного электричества существенно снижается.
Ветряная электростанция Thanet - ветровая станция в 11 км от побережья округа Танет (Thanet) в графстве Кент в Англии. Это самая большая ветряная электростанция, находящаяся в открытом море. Ее мощность достигает 300 МВт, а стоимость - 1,2 - 1,4 миллиарда долларов.
Мировым лидером в области ветроэнергетики является Китай. В 2006-м году здесь был принят закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагалось, что к 2020-му году суммарная мощность всех ветряков достигнет 30 ГВт. Однако бурный рост отрасли позволил перешагнуть этот порог уже в 2010-м году, а к концу прошлого года этот показатель был равен уже 75 ГВт, что составило 26,8% от общемирового производства. Самая большая в мире ветряная ферма находится в Индии и называется Jaisalmer Wind Park. Основанная в 2001-м году, она постоянно растет: по состоянию на февраль этого года ее суммарная мощность составляет чуть больше 1000 МВт.
Водород
Конечно, новые способы получения электроэнергии - это огромный прорыв вперед. Тем не менее достаточно компактные, мощные и недорогие аккумуляторы мы пока не изобрели, так что наш транспорт по-прежнему нуждается в топливе. Водород - практически идеальное топливо: он имеет очень высокую удельную теплоту сгорания, а в результате горения получается лишь водяной пар.
Получение водорода также предельно просто - с помощью электролиза вода разлагается на водород и кислород. Еще один несомненный плюс: водород позволяет довольно легко и компактно получать электричество каталитическим способом.
В будущем, когда человечество научится получать дешевую электроэнергию от Солнца, именно водород станет основным топливом, используемым для заправки транспорта. При этом есть все основания полагать, что сегодняшние нефтяные экспортеры вроде Саудовской Аравии, ОАЭ и других арабских стран, могут стать крупнейшими производителями водорода. Для этого у них есть все: огромные незанятые территории, очень жаркое солнце, постоянно ясная погода и достаточные для реализации дерзкого проекта средства. Отсутствие пресной воды некритично, водород можно получать и из морской.
Антиматерия
Стоит упомянуть и еще об одном потенциальном источнике колоссальной энергии - антиматерии. О ней нам известно очень мало. Она представляет собой полную противоположность материи, из которой состоим мы с вами и все остальное во Вселенной. При встрече материи и антиматерии происходит аннигиляция, в результате которой и одна, и другая исчезают, а в окружающее пространство высвобождается энергия. По расчетным данным, аннигиляция 1 кг материи и такого же количества антиматерии высвобождает энергию, эквивалентную взрыву почти 43 мегатонн тротила.
Пока что люди не научились ни получать в достаточных количествах, ни использовать антиматерию. Но это не значит, что в будущем мы никогда не сможем «пустить в дело» эту загадочную и интересную субстанцию.
При этом сейчас основным источником энергии для человечества, как и сто лет назад, является ископаемое топливо. Несмотря на то, что атомная энергия подвластна людям уже более полувека, доля ее в мировой энергосистеме на сегодняшний день едва ли дотянет до одной десятой. А ведь после того, как люди освоили контролируемое ядерное деление, считалось, что атомная энергия вскоре вытеснит ископаемое топливо. Последнего, как известно, становится все меньше и меньше: все прогнозы сходятся на том, что при сохранении современных темпов добычи нефти и газа нам хватит на несколько десятилетий, а угля - на столетие-другое.
Термоядерный синтез
В середине прошлого века, уже вскоре после появления первых атомных и водородных бомб, идеи управляемого термоядерного синтеза стали распространяться сначала в Советском Союзе, а позже и в других странах. В 1956-м году академик Игорь Курчатов выступил с предложением о международном сотрудничестве в этой области.
Несмотря на то, что человечеству известно более десятка различных реакций слияния атомов, на практике сейчас рассматриваются лишь две из них. Наиболее простая и достижимая: «дейтерий + тритий». Именно эта реакция проходит в термоядерных бомбах. Ее применение обусловлено тем, что в качестве топлива можно использовать два твердых вещества - дейтерид лития-6 (источник дейтерия) и металлический литий-6, который под действием нейтронов от распада ядерного запала способен на деление с образованием трития и гелия-3 и выделением энергии.
Результатом реакции синтеза «дейтерий + тритий» является образование гелия-4, нейтрона и выделение энергии. Мощный поток нейтронов и температура - миллион градусов вносят определенные сложности для ее контроля: такую опасную и горячую плазму надо как-то удерживать. Одно из первых и наиболее отработанных решений- магнитная ловушка, получившая название токамак. Принцип действия заключается в удержании комка высокотемпературной плазмы в воздухе с помощью нескольких мощных магнитов. При этом магнит имеет форму кольца.
Наибольшего успеха ученые добились в проекте ITER, осуществляющемся на юге Франции усилиями нескольких государств. Он представляет собой экспериментальный термоядерный реактор, который сможет получать электричество и станет первой коммерческой электростанцией, основанной на термоядерном синтезе. Строительство комплекса началось в 2010-м году, а запуск для проведения первых экспериментов намечен на 2020-й год.
Еще одна перспективная для управляемого синтеза реакция - «дейтерий + гелий-3». В отличие от предыдущей, реакция влечет во много раз меньший поток опасных нейтронов, вместо которых выделяются протоны, а их легко уловить и даже использовать для получения энергии. Кроме того, исходное топливо для синтеза малоактивно, а его хранение не представляет особого труда. Вместе с тем, при аварии такой реактор практически не загрязнит окружающую среду.
Тем не менее, гелий-3 рассматривается в качестве топлива лишь на дальнюю перспективу. Этот элемент является побочным продуктом реакций, происходящих на Солнце. На Земле с ее плотной атмосферой его распространенность весьма мала, так что весь используемый для научных и промышленных нужд изотоп получается искусственно как продукт распада трития. Но на Луне, где нет атмосферы, запасы гелия-3 оцениваются в 10 млн. тонн, так что в будущем рассматривается возможность промышленной добычи этого минерала на Луне и доставки на Землю. Это может быть весьма выгодно: при вступлении в реакцию всего 1 кг гелия-3 и 670 г дейтерия выделяется энергия, которая образовалась бы при сгорании 15 тыс. тонн нефти. К сожалению, на сегодняшний день запуск такой реакции невозможен технически, так как для этого необходима куда более высокая температура, чем для осуществления синтеза «дейтерий + тритий».
За все то время, что нам известен термоядерный синтез, мир не раз облетали сенсации относительно нового прорыва в этой области. Все они касались холодного термоядерного синтеза - гипотетической возможности осуществлять синтез, не разогревая рабочее тело до миллионов градусов. До сих пор все эти сообщения не подтверждались экспериментами. Конечно, то, что холодный термоядерный синтез все же возможен, допустимо, но каких-либо значительных подвижек в этом направлении пока нет.
Солнце
На расстоянии около 150 млн. километров от нас находится самый важный в жизни нашей планеты источник энергии - наше Солнце. Здесь проходят все те же термоядерные реакции. Именно их энергия породила жизнь на нашей планете, высвободила кислород, она лежит в основе химической энергии нефти и газа, а также запасов гелия-3 на Луне.
Энергии, посылаемой Солнцем на Землю в виде светового излучения, хватило бы человечеству с лихвой на любые потребности. В районе экватора наша планета получает порядка 2,5 кВт энергии на каждый квадратный метр поверхности. Так почему же не использовать эту бесплатную, безопасную и столь доступную энергию вместо того, чтобы сжигать тонны нефти?
Электростанция Gemasolar в испанской Андалусии, работающая от солнечной энергии
Прямые методы преобразования солнечной энергии в электрическую пока еще слишком примитивны. Стоит признать, что наука, так далеко шагнувшая во многих направлениях, пока еще не позволяет использовать солнечную энергию достаточно эффективно. Наиболее отработанные в технологическом плане солнечные панели основаны на кремниевых фотодиодах, полупроводниках, внутри которых под воздействием света без дополнительных преобразований вырабатывается электричество. Такие панели встраивают в калькуляторы, электронные часы и другие небольшие приборы. Тем не менее, до недавнего времени батареи были столь дорогими и неэффективными, что и за несколько десятилетий работы не могли окупить затраты на свое производство. Но времена меняются, появляются новые материалы, а методы производства совершенствуются каждый год. Не так давно стали появляться органические полупроводники, производство которых обычно стоит намного меньше, чем кремниевых. Последний рекорд эффективности солнечных батарей выглядит уже вполне убедительно - 37,8%.
Есть и другие способы улавливания солнечной энергии и превращения ее в электричество. Один из них - нагрев рабочего тела, например, воды или соли, которое в свою очередь вращает турбины, вырабатывающие электричество. Crescent Dunes Solar Energy Project, неподалеку от Лас-Вегаса, уже позволяет вырабатывать до 110 МВт электричества в среднем по десять часов в сутки. Сооружение представляет собой башню высотой 165 м. Внутри башни находится резервуар с рабочим телом - расплавленной солью с температурой около 1000°С, а также теплообменник и необходимая для выработки электричества инфраструктура. Необходимым солнечным светом башню будут обеспечивать 10 тыс. зеркал, которые расположатся вокруг нее на расстоянии до трех километров. Площадь каждого зеркала составит несколько квадратных метров, а фокусироваться весь свет будет на теплообменнике размером всего 30 м.
Ветер
Еще в далекие времена ветер двигал корабли и заставлял работать мельницы. С тех пор потребности человечества возросли на несколько порядков, но ветер как дул, так и продолжает дуть. Многие страны уже успешно используют ветер для получения электричества: в Дании он приносит почти треть, в Португалии - одну пятую всей электроэнергии.
У ветряных электростанций множество плюсов. Они не загрязняют окружающую среду, оказывая лишь небольшое влияние на локальный климат. Площадь, которую занимает турбина, обычно не превышает 1% всей фермы, так что землю можно без проблем использовать для нужд сельского хозяйства. В густонаселенных странах так и делают: земля под мачту арендуется у фермеров, которые ведут вокруг свою сельскохозяйственную деятельность.
Разумеется, ветряки можно устанавливать там, где есть ветер. Если среднегодовая скорость ветра ниже 5 м/с, то использовать генераторы с горизонтальной осью вращения нецелесообразно. Но не так давно появились роторные генераторы с вертикальной осью вращения, способные хорошо работать и при скорости ветра всего 1 м/с. С ростом средней скорости ветра себестоимость каждого киловатта произведенного электричества существенно снижается.
Ветряная электростанция Thanet - ветровая станция в 11 км от побережья округа Танет (Thanet) в графстве Кент в Англии. Это самая большая ветряная электростанция, находящаяся в открытом море. Ее мощность достигает 300 МВт, а стоимость - 1,2 - 1,4 миллиарда долларов.
Мировым лидером в области ветроэнергетики является Китай. В 2006-м году здесь был принят закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагалось, что к 2020-му году суммарная мощность всех ветряков достигнет 30 ГВт. Однако бурный рост отрасли позволил перешагнуть этот порог уже в 2010-м году, а к концу прошлого года этот показатель был равен уже 75 ГВт, что составило 26,8% от общемирового производства. Самая большая в мире ветряная ферма находится в Индии и называется Jaisalmer Wind Park. Основанная в 2001-м году, она постоянно растет: по состоянию на февраль этого года ее суммарная мощность составляет чуть больше 1000 МВт.
Водород
Конечно, новые способы получения электроэнергии - это огромный прорыв вперед. Тем не менее достаточно компактные, мощные и недорогие аккумуляторы мы пока не изобрели, так что наш транспорт по-прежнему нуждается в топливе. Водород - практически идеальное топливо: он имеет очень высокую удельную теплоту сгорания, а в результате горения получается лишь водяной пар.
Получение водорода также предельно просто - с помощью электролиза вода разлагается на водород и кислород. Еще один несомненный плюс: водород позволяет довольно легко и компактно получать электричество каталитическим способом.
В будущем, когда человечество научится получать дешевую электроэнергию от Солнца, именно водород станет основным топливом, используемым для заправки транспорта. При этом есть все основания полагать, что сегодняшние нефтяные экспортеры вроде Саудовской Аравии, ОАЭ и других арабских стран, могут стать крупнейшими производителями водорода. Для этого у них есть все: огромные незанятые территории, очень жаркое солнце, постоянно ясная погода и достаточные для реализации дерзкого проекта средства. Отсутствие пресной воды некритично, водород можно получать и из морской.
Антиматерия
Стоит упомянуть и еще об одном потенциальном источнике колоссальной энергии - антиматерии. О ней нам известно очень мало. Она представляет собой полную противоположность материи, из которой состоим мы с вами и все остальное во Вселенной. При встрече материи и антиматерии происходит аннигиляция, в результате которой и одна, и другая исчезают, а в окружающее пространство высвобождается энергия. По расчетным данным, аннигиляция 1 кг материи и такого же количества антиматерии высвобождает энергию, эквивалентную взрыву почти 43 мегатонн тротила.
Пока что люди не научились ни получать в достаточных количествах, ни использовать антиматерию. Но это не значит, что в будущем мы никогда не сможем «пустить в дело» эту загадочную и интересную субстанцию.