7.6. Альтернативные источники энергии
Вторая стратегия решения проблемы энергетических ресурсов, как уже говорилось, – это поиск и освоение альтернативных источников энергии, способных в значительной мере или, хотя бы частично, заменить существующие. Рассмотрим некоторые из таких альтернатив.
Использование энергии Мирового океана.В мировом океане в различных формах аккумулировано огромное количество энергии. Задача – найти рентабельные способы извлечения и преобразования этой энергии.
Энергия приливов и отливов.Дважды в сутки у побережий под действием гравитационных сил со стороны Луны и Солнца на водную оболочку Земли наблюдаются колебания уровня океана или моря – приливы и отливы. Наиболее сильны лунные приливы, солнечные из-за большей удаленности Солнца от Земли – примерно в два раза слабее.
На высоту приливов большое влияние оказывают местные условия – очертания берегов и рельеф дна. Если приливная волна попадает в постепенно суживающийся залив, ее высота соответственно увеличивается и может достигать значительных размеров. Наиболее высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Атлантический океан) в канадской провинции Новая Шотландия – до 18 м. Если же приливная волна сначала проходит узкий и мелкий пролив, а затем разливается по большой площади, высота ее резко снижается. Например, прежде чем атлантическая приливная волна попадет в Черное море, она должна пройти через узкий пролив Гибралтар, Средиземное море, узкие проливы Дарданеллы и Босфор. Поэтому в Черном море приливно-отливные явления почти незаметны, а в Азовском море их нет совсем. Точно так же, чтобы попасть в Балтийское море и Финский залив, приливная волна должна пройти через проливы Скагеррак, Каттегат, мелкие и узкие проливы Зунд, Большой и Малый Бельт, что и объясняет практическое отсутствие приливно-отливных явлений в Балтийском море (14 – 21 см) и Финском заливе (не более 1 см). Напротив, в Мезенской губе в Белом море условия иные, и приливные волны там достигают высоты до 10 м. Наиболее высокие приливы в России отмечены в Пенжинском заливе в Охотском море – до 13 м.
В приливах и отливах заключена огромная энергия, это объясняет большое число различных проектов использования этого неиссякаемого и экологически чистого источника. В основе большинства проектов лежит использование энергии движения воды для вращения лопастей турбин, вырабатывающих электрический ток. В настоящее время в мире построено две приливно-отливные электростанции – во Франции (в устье реки Ранс в Бретани) и в России (на побережье Баренцева моря), разработан проект строительства такой электростанции в упоминавшемся заливе Фанди. Использование энергии приливов и отливов имеет ряд преимуществ: источник энергии бесплатен, вечен, стоимость эксплуатации приливной электростанции невелика, коэффициент полезного действия достаточно высок, не происходит выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, минимальны нарушения почвы. Но у этого вида энергии есть и существенные недостатки. Прежде всего, выработка электроэнергии на приливно-отливных электростанциях рентабельна при амплитуде колебаний уровня воды не менее 6 м, на Земле есть только около 15 районов, где это условие выполняется. Стоимость строительства приливно-отливных электростанций достаточно велика, количество энергии, вырабатываемой ими, значительно колеблется в течение суток в зависимости от фазы прилива. Плотины, перегораживающие заливы, могут вызвать значительную деградацию окружающей среды или даже разрушение уникальных экосистем заливов и эстуариев: они станут задерживать наносы, мешать миграции морских организмов, нарушать сложившиеся механизмы циркуляции и перемешивания морских и пресных вод, уменьшат эстетическую и рекреационную ценность заливов. Плотины и электростанции могут быть повреждены штормами, а металлические конструкции легко разъедаются морской водой. В целом, аналитики считают, что энергия приливов и отливов в мировом производстве электричества не сыграет существенной роли.
Энергия морских волн.Кинетическая энергия морских волн, создаваемых ветром, является еще одним потенциальным источником энергии. Например, мощность прибоя в акватории Баренцева моря достигает 29 кВт на 1 м, а суммарная мощность морской стихии у морских берегов России достигает почти 275 миллионов киловатт. Небольшие экспериментальные электростанции, использующие эту энергию, созданы в Японии, Норвегии, Великобритании, Ирландии, Швеции, США и СССР. При скорости ветра 7 м/с и высоте волн 2 м такие установки могут развивать мощность до 1,5 МВт. Хотя некоторые проекты кажутся перспективными, ни одна из экспериментальных станций еще не вырабатывает электроэнергию по конкурентоспособной цене. Электростанциям подобного типа, в основном, присущи те же достоинства и недостатки, что и приливно-отливным электростанциям. Большинство аналитиков уверено, что этот источник энергии не повлияет существенно на производство электроэнергии, хотя и может оказаться рентабельным для небольшого числа прибрежных районов с подходящими условиями.
Энергия океанических течений.Потенциальный источник энергии – кинетическая энергия огромных масс воды, переносимых океаническими течениями. Предварительная проработка проекта создания электростанции, использующей течение Гольфстрим близ берегов Флориды (США), показала техническую осуществимость его уже при современном развитии техники.
Тепловая энергия океана.В океанах аккумулировано огромное количество солнечного тепла, однако, как уже говорилось это тепло – энергия весьма низкого качества. Тем не менее, существуют проекты (Япония, США) по преобразованию тепловой энергии океана в электрическую. Предполагается прокачивать теплую поверхностную воду через огромный теплообменник и использовать полученное тепло для испарения и сжатия какой-либо кипящей при низкой температуре жидкости (аммиак, жидкий пропан и др.). Сжатый газ будет вращать турбины, вырабатывающие электричество. Отработанный газ охлаждается и конденсируется для возобновления цикла с использованием холодной воды из глубинных слоев (до 1000 м), которая подается к поверхности с помощью насосов по трубам большого диаметра (более 30 м). Полученная электроэнергия может передаваться по кабелю на берег или использоваться непосредственно на месте, например, для опреснения морской воды, извлечения из нее различных веществ или разложения воды с целью получения водорода.
Рассматриваемый источник энергии имеет ряд весьма привлекательных качеств, в том числе и экологических. Это источник неисчерпаемый и не загрязняющий окружающую среду. Однако низкий коэффициент полезного действия, ограниченность благоприятных для создания таких электростанций мест (в основном в тропических районах), высокая стоимость строительства и эксплуатации электростанций делают оценки экспертов в отношении подобных станций весьма скептическими. Кроме того, перекачка больших объемов воды из глубины на поверхность может нарушить водные биоценозы и привести к выбросам больших количеств углекислого газа в атмосферу.
Использование повышенной солености морской воды.Существуют проекты (пока только на стадии предварительной проработки) использования разности в содержании солей в морской и пресной воде для создания электрических батарей в прибрежных районах. Оценки показывают принципиальную возможность такого способа получения энергии.
Прямое использование солнечной энергии.Экосистема Земли существует благодаря солнечной энергии (I принцип функционирования экосистем,см. раздел 3.3.1), однако вся биосфера в целом использует менее 1 % солнечной энергии, достигающей поверхности земли. Естественно использовать более полно этот экологически чистый, практически вечный и неисчерпаемый источник энергии для удовлетворения энергетических потребностей человечества. Дополнительное использование только лишь 0,0125 % попадающей на Землю солнечной энергии полностью бы обеспечило все сегодняшние потребности энергетики. В настоящее время уже существуют энергетические установки, основанные на прямом использовании солнечной энергии, а также многочисленные проекты такого использования. Основная трудность в использовании солнечной энергии заключается в том, что эта энергия рассеяна по большой площади, и для промышленных, бытовых и транспортных нужд ее необходимо уловить на большой площади, сконцентрировать и превратить в нужную форму. Кроме того, необходимо уметь запасать солнечную энергию или иметь резервные источники энергии, чтобы поддерживать энергоснабжение ночью или в пасмурные дни. В зависимости от способа преобразования солнечной энергии различаютпассивные(без концентрирования солнечной энергии) иактивные(с концентрированием солнечной энергии) системы улавливания солнечной энергии.
Отопление и горячее водоснабжение.Пассивные и активные системы широко применяются уже сейчас для отопления помещений и горячего водоснабжения. Солнечные водонагреватели установлены в 90 % всех домов на Кипре, 37 % домов в Австралии и 12 % домов в Японии, обеспечивают 65 % горячей воды, используемой в быту, в Израиле (для сравнения: в США на долю подобных систем приходится всего около 0,5 % общего горячего водоснабжения).
В пассивных системах солнечная энергия улавливается прямо внутри здания и превращается в низкотемпературное тепло, подача воздуха или воды в нагревательную систему осуществляется за счет естественных конвекционных потоков. Существуют различные варианты таких схем: аккумулирование тепла теплоемкими массами стен и пола, специальными заполненными водой стеклянными или пластиковыми колонками, окрашенными в темный цвет баллонами и емкостями, содержащими теплоемкие химикаты и т.д. Пассивные системы предполагают обязательную хорошую теплоизоляцию помещений. Кроме того, пассивно отапливаемые здания должны быть спроектированы так, чтобы сохранять прохладу в жаркую погоду (экономия энергии, расходуемой на работу кондиционеров). Пассивное охлаждение может быть обеспечено с помощью тентов, навесов, лиственных деревьев и т.п. Для охлаждения могут использоваться и геотермальные охладительные системы, т.к. на глубине от 33 до 66 м температура земли постоянна круглый год – от 13 до 19 C в зависимости от географической широты. Воздух охлаждается в трубах, проложенных на указанной глубине, и подается в помещения.
В активных системах специально сконструированные коллекторы концентрируют солнечную энергию и накапливают ее в виде тепла. Контролируемые термостатом насосы или вентиляторы перегоняют нагретые воду или воздух от коллектора к обогреваемому помещению.
Достоинства и тех, и других систем очевидны: источник энергии практически вечен и бесплатен, обладает достаточно высоким коэффициентом полезного действия, отсутствуют какие-либо загрязнения, почти не нарушается почвенный покров. Недостатки рассматриваемых систем – это общие недостатки всех энергосистем, непосредственно использующих солнечную энергию, указанные выше. Кроме того, у этих систем достаточно высока первоначальная стоимость (особенно у активных), что иногда обескураживает потенциальных потребителей, хотя по суммарным затратам на установку и последующую длительную эксплуатацию эти системы вполне рентабельны.
Энергобашни.Солнечную энергию можно использовать и для получения высококачественной энергии, т.е. высокотемпературного тепла. Для этого используются громадные управляемые компьютером зеркала, установленные на площади в несколько гектаров и сфокусированные на центральном коллекторе, обычно установленном наверху высокой башни (откуда и название). Эта сконцентрированная солнечная энергия позволяет получать достаточно высокие температуры, необходимые для производственных процессов или для производства пара под высоким давлением для вращения турбин и выработки электроэнергии. Самая большая "солнечная печь" в мире – печь Одейло – работает с 1970 года во Франции высоко в Пиренейских горах и используется для получения чистых металлов и выработки электроэнергии (максимальная температура, создаваемая системой, – 2670C). Печи меньших размеров и электростанции построены также в США, Италии, Испании, Японии, Израиле, бывшем СССР. Достоинства и недостатки энергобашен типичны для систем, использующих прямую солнечную энергию. Достоинством энергобашен является вполне приемлемая стоимость 1 кВт электроэнергии, сравнимая с его стоимостью на АЭС. К недостаткам энергобашен можно также отнести довольно низкий коэффициент полезного действия (хотя это не очень существенно, учитывая изобилие солнечной энергии), большие затраты на строительство, необходимость отчуждения значительных площадей.
Солнечные пруды.Солнечные пруды – достаточно дешевый способ улавливать и запасать солнечную энергию. Они представляют собой искусственный водоем, частично заполненный очень соленой водой (рассолом), поверх которой находится пресная вода. Благодаря большому различию в плотности заметного перемешивания соленого и пресного слоев не происходит. Солнечные лучи практически без помех проходят через пресную воду и поглощаются рассолом, нагревая последний. При нагревании придонные слои воды не поднимаются к поверхности, т.к. имеют большую плотность. Верхний пресный слой воды действует как изоляция. Горячий рассол может затем использоваться для отопления помещений или для испарения жидкости с низкой температурой кипения, пар которой приводит в движение турбогенератор низкого давления, вырабатывающий электричество. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный аккумулятор тепла, с его помощью можно получать энергию непрерывно.
Первые солнечные пруды были созданы в Израиле на побережье Мертвого моря и использовались для выработки электричества, более 12 солнечных прудов создано в США в штатах Калифорния и Юта, мощность электростанции на базе солнечного пруда в Калифорнии составляет 45 МВт. Солнечные пруды обладают достаточно высокой рентабельностью, стоимость их строительства и эксплуатации относительно невелика. К уже упоминавшимся выше при эксплуатации солнечных прудов добавляются такие проблемы, как поддержание достаточно высокой прозрачности воды и защита трубопроводов и теплообменников от коррозии.
Фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы, солнечные батареи).Фотоэлементы непосредственно превращают энергию солнечного света в электрическую. Они представляют собой тонкие двухслойные пленки из очищенного кремния с добавлением ничтожных количеств других веществ (таких, как арсенид галлия или сульфид кадмия). При воздействии на пленку света между слоями образуется разность потенциалов, благодаря которой и возникает электрический ток. При полном освещении мощность фотоэлемента диаметром, например, 5 см невелика, сравнима с мощностью батарейки для карманного фонарика, но, соединяя большое число фотоэлементов друг с другом, можно получить весьма большое количество энергии.
В настоящее время солнечные батареи снабжают электроэнергией, по крайней мере, 15000 домов по всему миру (из них 6000 – в США и 6000 – в Индии), используются для переключения железнодорожных стрелок, для электрификации колодцев, при работе ирригационных насосов, для зарядки батарей, в переносных компьютерах, океанических буях, маяках, на искусственных спутниках Земли, космических кораблях и станциях. Испытаны единичные экземпляры автомобилей, использующих фотоэлементы в качестве источника энергии, и даже организовано ралли для таких автомобилей, хотя составить конкуренцию традиционным моделям они еще не в состоянии. Фирма "Pacific Gas and Electric Company"совместно с"ARCO Solar"уже построила опытную солнечную электростанцию около Бейкерсфилда в Калифорнии, США, с пиковой мощностью 6,5 МВт. Стоимость электроэнергии, полученной с помощью фотоэлементов, уже сравнима со стоимостью электроэнергии АЭС и имеет стойкую тенденцию к снижению. Чтобы быть конкурентоспособными, фотоэлементы должны иметь коэффициент полезного действия около 15 %, и, если в конце 1980-х годов этот показатель составлял от 7 до 12 %, то сейчас разработаны фотоэлементы с коэффициентом полезного действия, равным 31 %. Существуют проекты установки большого количества фотоэлементов на искусственных спутниках Земли и передачи энергии на Землю в виде микроволн, однако в настоящее время такие устройства еще слишком дороги. По некоторым современным прогнозам к 2050 году фотоэлементы смогут обеспечить от 20 до 30 % мировой выработки электроэнергии.
Фотоэлементы имеют много преимуществ в дополнение к тем, что уже перечислены выше. Поскольку в фотоэлементах нет движущихся частей, они практически не изнашиваются, и срок их службы определяется долговечностью материалов, из которых они изготовлены (от 20 до 30 лет). Фотоэлементы бесшумны, легко устанавливаются, не требуют большого ухода. При их эксплуатации не загрязняется окружающая среда и практически не нарушается почвенный покров. Основным материалом для производства фотоэлементов служит кремний – второй по распространенности элемент в земной коре. К недостаткам фотоэлементов можно отнести все еще довольно высокую стоимость, необходимость их защиты от атмосферных осадков. Использование фотоэлементов может лимитироваться недостатком галлия или кадмия. При отсутствии должного контроля производство фотоэлементов может вызвать умеренное загрязнение окружающей среды химическими отходами. Определенные трудности вызывает то, что фотоэлементы вырабатывают постоянный ток, в то время как для многих нынешних приборов, оборудования, двигателей и т.п. требуется переменный ток, преобразование же постоянного тока в переменный неизбежно связано с потерями энергии.
Энергетическое использование биомассы.Биомасса – это любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза и аккумулировавшая, тем самым, солнечную энергию. Возможно несколько путей использования этой энергии. Все виды биологического топлива имеют ряд общих преимуществ: они могут быть использованы в твердом, жидком или газообразном состояниях для самых разных целей (отопление помещений, нагревание воды, приготовление пищи, выработка электроэнергии, приведение в движение транспортных средств и т.д.); биомасса является в принципе возобновимым энергетическим ресурсом; уровень содержания углекислого газа в атмосфере не повышается, если скорость уничтожения и сжигания деревьев не превышает скорости их воспроизводства; сжигание биомассы не приводит к существенным выбросам в атмосферу оксидов азота и серы. К общим недостаткам этого способа получения энергии относится, прежде всего, то, что сведение лесов ради получения топлива часто не компенсируется новыми посадками, отрицательные последствия чего мы уже обсуждали (см. раздел 6.2.2) и еще будем обсуждать (раздел 8.7.4). Ресурсы биомассы имеют высокое содержание воды (от 15 до 95 %), что снижает выход полезной энергии и увеличивает вес топлива.
Прямое сжигание.Это один из самых первых источников энергии, освоенных человеком, сохранивший свое значение до настоящего времени. Однако без эффективного контроля над землепользованием и восстановлением растительного покрова уничтожение деревьев и других растений может вызвать серьезные экологические проблемы. В то же время, сжигание – эффективный способ утилизации отходов многих производств (деревообрабатывающего, пищевого, например, производства сахара, и др.), а также бытового мусора и сельскохозяйственных отходов, при этом решается задача и избавления от отходов, и получения энергии.
Энергетические плантации.Один из способов производства биотоплива – посадка на специальных плантациях большого числа быстрорастущих деревьев (например, масличных пальм), которые накапливают энергию в углеводородных соединениях, подобных тем, что содержатся в нефти. После сбора урожая эти соединения извлекаются из растений и либо очищаются для производства бензина, либо непосредственно сжигаются в дизельных двигателях. Недостатками такого способа получения энергии являются необходимость отчуждения больших площадей под монокультуру, что снижает видовое разнообразие экосистем, необходимость использования большого количества удобрений и пестицидов для защиты от вредителей, что может привести к загрязнению окружающей среды и нанести вред диким животным (см. раздел 8.2). Энергоэффективность энергетических плантаций невысока.
Получение метана.Питание бактерий органикой в анаэробных условиях (при недостатке или отсутствии кислорода) сопровождается выделением так называемого биогаза (60 % метана и 40 % углекислого газа). В качестве сырья могут быть использованы отходы животноводства (навоз и пр.), органический мусор на свалках и т.п. Так, например, на одной из молочных ферм в Пенсильвании, США, насчитывающей 2000 коров, за счет биогаза не только удовлетворяются все потребности хозяйства, но и часть энергии остается на продажу. В Китае около 7 миллионов биогазовых метатенков превращают растительные и животные отходы в метан, который используется для отопления и приготовления пищи, в Индии насчитывается около 750000 метатенков. В 1988 году в США работало 50 утилизирующих биогаз крупных мусорных свалок и еще 35 таких систем строилось. По оценкам специалистов за счет биогаза возможна экономия до 5 % природного газа. Кроме того, утилизация биогаза предотвращает его поступление в атмосферу, что помогает решить проблему парникового эффекта (см. раздел 8.7.4).
Получение спирта.В анаэробных условиях возможен и еще один процесс – спиртовое брожение, в результате которого выделяется этиловый спирт (этанол). Этот процесс издавна использовался человеком для производства алкогольных напитков. Однако спирт – это еще и хорошее топливо, притом довольно чистое с экологической точки зрения. Чистый этанол можно сжигать в современных автомобилях практически без их усовершенствования (существует, правда, опасность его использования не по назначению). Возможно также добавление этанола в бензин (от 10 до 23 %) для получения газохола, или бензоспирта. Однако использование этанола в качестве топлива создает две достаточно серьезные проблемы. Первая – опасения, что выращивание зерновых культур для нужд энергетики может конкурировать с выращиванием зерна для удовлетворения потребностей в продовольствии, например, для получения лишь 10 % необходимого в США автомобильного топлива потребуется 40 % годового урожая кукурузы в стране. Вторая – возможное значительное загрязнение окружающей среды в процессе перегонки при получении этанола.
Другой спирт – метиловый, или метанол – может быть получен из древесины, древесных и сельскохозяйственных отходов, гниющего мусора, угля и природного газа. В должным образом переоборудованных автомобилях метанол сгорает без каких-либо проблем (в обычных автомобилях высокие концентрации метанола приводят к коррозии). Топливо, состоящее на 85 % из метанола и на 15 % из очищенного от свинца бензина, позволяет на 20 – 50 % уменьшить эмиссию углеводородов. Двигатели, работающие на чистом метаноле, выбрасывают на 85 – 95 % меньше углеводородов и на 30 – 90 % меньше углекислого газа, однако выброс формальдегида (предполагаемого канцерогена) увеличивается в 2 – 5 раз. Опробован также дизохол – смесь дизельного топлива с 15 – 20 % метанола, что позволило существенно снизить выбросы оксидов азота. Отметим, что в отличие от "безвредного" этанола метанол весьма ядовит.
Морские энергетические фермы.Еще один путь – использование биомассы морских растений. В середине 1970-х годов у тихоокеанского побережья США вблизи города Сан-Клемент на глубине 12 м была создана ферма по выращиванию гигантских бурых водорослейmacrocystis pyriefa, достигающих в длину 60 – 90 м. По оценкам специалистов, до 50 % аккумулированной этими водорослями солнечной энергии может быть преобразовано в энергию получаемого из них метана.
Геотермальная энергия.Геотермальная энергия обязана своим происхождением расплавленным недрам Земли и поэтому, в целом, может считаться практически вечной и неисчерпаемой. В различных местах земной коры геотермальная энергия аккумулировалась на протяжении миллионов лет в невозобновимые или крайне медленно возобновимые месторождения сухого пара (пар без водяных капель), водяного пара (смесь пара и капель воды) и горячей воды. Практически неисчерпаемы такие источники, как расплавленные горные породы (магма), расположенные вблизи земной поверхности, зоны сухих горячих пород, нагретые до высоких температур и месторождения теплых горных пород с низкой и средней температурой.
В настоящее время около 20 стран (США, Россия, Италия, Япония, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Мексика, Сальвадор, Никарагуа и др.) в той или иной степени используют геотермальную энергию для различных нужд. Геотермальная энергия используется для выработки электричества (общая мощность геотермальных электростанций в мире составляла 5000 МВт), для отопления помещений, горячего водоснабжения. Например, в столице Исландии Рейкьявике с населением 85000 человек почти все дома, здания и овощные теплицы отапливаются за счет геотермальной энергии.
К достоинствам геотермальной энергии относится ее относительные экологическая чистота и легкодоступность многих месторождений, достаточно большие запасы (невозобновимых источников должно хватить на 100 – 200 лет), низкая стоимость энергии. Недостатками является то, что количество районов с легкодоступной геотермальной энергией невелико, и часто они расположены далеко от мест потребления. Одна из основных трудностей – необходимость закачки отработанной воды обратно в подземный горизонт. Есть опасность загрязнения окружающей среды сероводородом, аммиаком, радиоактивными газами, а также токсичными металлами (свинцом, цинком, кадмием, мышьяком и др.), содержащимися в подземных водах. Определенную трудность вызывает также насыщенность многих термальных вод солями, что вызывает преждевременное разрушение многих конструкционных материалов. Кроме того, при бурении глубоких скважин возникает ряд технических трудностей.
Водород в качестве топлива.Водород представляет собой практически идеальное, экологически чистое топливо. При сжигании водорода в кислороде образуется только вода:
При сжигании на воздухе выделяется небольшое количество оксидов азота (в 200 раз меньше, чем при сжигании бензина). Водород может использоваться в быту вместо природного газа, необходимо лишь немного изменить распределительные сети и горелки, после небольшой модификации карбюратора водород можно использовать и как автомобильное топливо. Водород может быть аккумулирован в пористых гранулах или в соединениях с различными металлами, образуя твердые вещества, которые высвобождают его при нагревании. В отличие от газообразного водорода такие вещества не взрывоопасны.
В мире уже существует более 20 экспериментальных автомобилей, работающих на водородном топливе. В 1997 году концерн "Даймлер-Бенц АГ" представил автобус, использующий водородное топливо. Отметим, что один из первых опытов использования водорода в качестве горючего был произведен в годы Великой Отечественной войны в блокадном Ленинграде, когда проблема нехватки горючего была не менее острой, чем проблема нехватки продовольствия (в блокадном городе был разработан также метод изготовления синтетического бензина из пихтового масла – сырья, сохранившегося на парфюмерных фабриках с довоенных времен). В настоящее время в Новороссийском порту успешно применяются автопогрузчики на водороде. Сделаны успешные попытки использовать водородные двигатели на самолетах: в конструкторском бюро им.А.Н.Туполева (Россия) и в США.
Главная проблема на пути использования водорода в качестве топлива – это то, что на Земле он практически не встречается в свободном виде. Наиболее распространенный способ искусственного получения водорода – электролиз воды: при пропускании через воду электрического тока она разлагается на кислород и водород. Однако в соответствии со вторым началом термодинамики при электролизе будет расходоваться больше энергии, чем затем можно получить при сжигании водорода. Действительно, коэффициент полезного действия такого процесса не превышает 20 %. Кроме того, для получения энергии, затраченной на электролиз, необходимы какие-либо другие источники энергии, которые могут загрязнять окружающую среду, снижая экологическую ценность водорода как топлива. Следовательно, необходимо найти неисчерпаемый, достаточно дешевый и экологически чистый источник энергии для производства водорода. Таким источником является солнечная энергия.
В природе диссоциация воды на кислород и водород под действием солнечного света является одной из первых стадий процесса фотосинтеза, именно на этой стадии происходит выделение зелеными растениями кислорода. Удалось воспроизвести эту реакцию в лабораторных условиях. Основная задача – повышение коэффициента полезного действия подобных установок и их рентабельности. Перспективы на этом пути достаточно обнадеживающие. В 1988 году в Баварии (Западная Германия) началось строительство солнечно-водородной фабрики, в 1989 году в США предложена модель камеры, в которой с использованием солнечного света производится водород из морской воды.
Управляемый термоядерный синтез.Если для тяжелых ядер энергетически выгодна реакция деления на два более легких ядра, то для самых легких ядер энергетически выгодна реакция слияния (синтеза) с образованием одного более тяжелого ядра. При этом выделяется большое количество энергии. Именно реакция синтеза атомов гелия из атомов водорода является источником энергии Солнца и других звезд. В настоящее время на Земле удалось воспроизвести эту реакцию в неуправляемой (в виде взрыва) форме для создания термоядерного, или водородного оружия. Задача – научиться контролировать реакцию ядерного синтеза и использовать ее для получения высококачественной энергии.
Как источник энергии ядерный синтез представляется весьма перспективным: водород – один из самых распространенных элементов на Земле, в результате реакции выделяется наибольшее по сравнению с другими видами топлива количество энергии из расчета на единицу топлива, конечным продуктом является гелий – инертный не загрязняющий атмосферу газ.
Основная проблема заключается в том, что для осуществления реакции ядерного синтеза необходимы очень высокие температура (от 100 миллионов до 1 миллиарда градусов) и давление для преодоления электрических сил отталкивания между положительно заряженными ядрами (именно поэтому реакцию ядерного синтеза обычно называют термоядерной реакцией). Ни одно вещество не способно выдержать такие температуру и давление. Существует два основных технологических подхода к решению этой задачи. Первый – удержание ионизированного водорода, разогретого до нужной температуры магнитным полем – реализован в установках ТОКАМАК (тороидальная камера со стабилизирующим магнитным полем), разработанных в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова в Москве. Второй – ядерный синтез с помощью лазерных лучей или мощных пучков сверхбыстрых электронов, когда образец замороженного водорода помещается в точку пересечения лазерных лучей или электронных пучков, за миллиардные доли секунды доводящих его до температуры и давления, близких к существующим в недрах Солнца. Говорить о практических успехах пока еще преждевременно, хотя признаки ядерного синтеза в таких установках уже зарегистрированы. Однако затраты энергии на реализацию термоядерной реакции пока значительно превышают выход энергии.
В качестве ядерного топлива в современных исследованиях используется не обычный водород (водород-1), для слияния ядер которого требуются более высокие температура и давление, а изотопы водорода дейтерий (водород-2) и тритий (водород-3). Основные усилия были сосредоточены на осуществлении дейтерий-тритиевой ядерной реакции, возможен и дейтерий-дейтериевый ядерный синтез. Дейтерий – это природный изотоп, в достаточно больших количествах содержащийся в морской воде. Тритий – нестабильный радиоактивный изотоп, получаемый искусственно (период полураспада – 12,26 года). Сейчас для этого используют бомбардировку ядер лития нейтронами. Литий – довольно редкий элемент и легко может стать лимитирующим фактором при широкомасштабном использовании термоядерных реакторов. Еще одна потенциальная проблема – возможные утечки радиоактивного трития, весьма опасного для здоровья. Как и для существующих АЭС, для будущих термоядерных электростанций будет существовать проблема охрупчивания конструкционных материалов из-за постоянной нейтронной бомбардировки и, следовательно, их замены и захоронения. Наконец, термоядерные реакторы, скорее всего, станут источником беспрецедентного теплового загрязнения: коэффициент полезного действия турбогенераторов составляет 30 – 40 %, половину выработанной электроэнергии придется возвращать обратно для поддержания реакции синтеза, т.е. общий коэффициент полезного действия такой электростанции не будет превышать 15 – 20 %. Все это явилось причиной достаточно скептического отношения части экспертов к перспективам термоядерной энергетики, а некоторые из них считают управляемый термоядерный синтез вообще иллюзией.
Периодически появляются сообщения о холодном ядерном синтезе, например, большой шум вызвало сообщение в 1989 году о том, что удалось осуществить дейтерий-дейтериевую реакцию при комнатной температуре. Однако при повторных экспериментах подтверждения таким сообщениям получено не было. Холодный ядерный синтез, если он возможен, может оказаться решением многих энергетических проблем.
Проведенный обзор показывает, что в настоящее время нет источника энергии, способного полностью или в значительной степени заменить традиционные. Всем рассмотренным альтернативным источникам энергии присущи те или иные недостатки (один или несколько), которые можно разделить на следующие группы:
все источники в той или иной степени оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, которое может быть существенно меньшим, а может быть и сравнимым с воздействием от традиционных источников;
многие источники имеют ограниченную мощность или в силу своей природы не могут широко использоваться;
рентабельность многих источников весьма низка, расходы на производство единицы энергии существенно превосходят расходы при эксплуатации традиционных источников;
ряд альтернативных источников использует исчерпаемые или трудновосстановимые ресурсы, не решая тем самым проблемы энергоресурсов, а лишь откладывая ее на будущее;
технология использования ряда источников находится еще на стадии предварительной разработки, и говорить об их реальной промышленной эксплуатации еще рано.
Тем не менее, возможно более широкое использование уже существующих альтернативных источников энергии и разработка новых позволит значительно снизить в ряде случаев нагрузку на окружающую среду, сберечь традиционные энергоносители для будущих поколений, решить проблему энергоснабжения в тех районах, где использование традиционных источников энергии по тем или иным причинам затруднено, и создать хорошие перспективы для решения энергетических проблем будущего. Поэтому поиск и разработка альтернативных источников энергии – одно из актуальных и активно разрабатываемых сегодня научно-технических направлений.
|
Ключевые слова и понятия:экзогенная, эндогенная, трансформированная энергия, ископаемое топливо, энергия воды и ветра, атомная энергия, безопасность АЭС, энергоэффективность, уровни качества энергии, коэффициент рентабельности, альтернативные источники энергии |
ПРОБЛЕМА
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
