Возможные перспективы развития энергетики - обсудим еще раз!

Электричество пока вырабатывается либо дёшево, либо без вреда для природы. Поэтому природы становится всё меньше, а по мере её исчерпания неизбежно дорожает и электричество. Что делает наука для ликвидации этого порочного круга?

Есть много причин для недовольства сегодняшней энергетикой: и углекислый газ от ТЭС, разогревающий весь мир, и атомные реакторы, «разбрызгивающие» радиоактивность при выключении активного охлаждения (Фукусима), и капризность альтернативной ветряной энергетики при дороговизне солнечной. Все «выходы» из сложившегося цугцванга, которые нам обещали в последние десятилетия, оказывались входами в очередную ситуацию выбора между дешёвым и экологичным или устойчивым и неподъёмно дорогим. Что же делать?

Как бы отталкивающе это ни звучало, для среднего человека эпохи потребления единственным значимым вопросом в отношении энергетики является «сколько?». А вот «как?» часто никого не волнует.

Взгляните на карту мира: мощнейшая промышленная держава основывает свою энергетику на угле. Мощнейшая экономическая держава… тоже строит экономику на угле. Уголь этот часто добывают из открытых карьеров, уродуя землю, из которой его вырубают, оставляя в ней значительные биопроплешины, где нормальный биогеоценоз восстановится бог весть когда — по крайней мере не при жизни того поколения, которое добытый из неё уголь сожжёт, чтобы заработать себе на очередной «айфончег» и «фордфокусик». А всё почему? Потому что всё от жадности ква-кв…

уголь из открытых карьеров дёшев: 4 цента за киловатт-час в Китае и 6–8 — в США. И плевать на планету: жалких 100–150 лет, и нынешним социоединицам потребобщества будет абсолютно всё равно, что они оставили своим детям коммерчески успешную геопомойку.

Рис. 1. Конечно, уголь дал развивающимся странам возможность почивать под зонтиком сравнительного экономического благополучия. Вот только их прилично одетые дети ходят в школы по угольной грязи. (Фото D. Berehulak / Getty Images.).

В 2012-м появилось несколько довольно смелых концепций снижения вредности угольных ТЭС при помощи криогенизации выбрасываемых парниковых и серосодержащих газов. Правда, такой «экоуголь» будет давать энергию дороже обычной, если только сжижаемый углекислый газ не использовать для нужд химической, нефтедобывающей и пищевой промышленности.

Как паллиатив мера неплоха, да только все вместе взятые упомянутые нужды намного меньше выбросов угольных электростанций по всему миру. Поэтому можно смело предположить, что подобные меры оправдают себя только рядом с крупными нефтяными месторождениями. Впрочем, там новые криогенные установки для продуктов сгорания угля и так предполагается строить.

Газ. Да, новые технологии его сжигания позволяют получать из метана энергию даже дешевле угля. А мешает вселенскому счастью лишь нехватка газа для удовлетворения всех потребностей в нём. Даже в США, где развёрнута пока единственная в мире добыча природного газ из сланцев, есть проблемы: крупнейшей в мире (благодаря этому самому сланцевому газу) газодобывающей державе… его всё равно не хватает.

Ветер. По цене новые крупные ветряки в регионах со среднегодовой скоростью ветра 8 м/с и более наконец-то достигли уровня угольной энергетики (как минимум в США). Но если та может работать до +8 000 часов в год (кроме профилактики и ремонта) и останавливаться при низкой нагрузке, запускаясь при высокой, то ветряки — нет.

Словом, часто ветряки работают вхолостую, ибо единая энергосистема просто не в состоянии потребить энергию, вырабатываемую ими при сильном ветре (wind spillage). В зимний вечер, когда ветер слаб, а энергопотребности зашкаливают, для компенсации бездействия ветряков приходится включать те же угольные и газовые мощности.

Так что же, рост ветроэнергетики будет сопровождаться паразитным развитием грязной тепловой генерации? Тут вдобавок ещё и выяснилось, что каждый ветряк убивает от 300 до 1 000 птиц и летучих мышей в год. В одной только Испании с десяток миллионов жертв, а вы ещё смеялись над Дон-Кихотом. Что со всем этим делать?

Рис. 2. Согласно опубликованному в этом году исследованию, выше всего процент смертности от ветряков у крупных хищных птиц: там, где есть ВЭС, они исчезнут, утверждают учёные. (Фото Espen Lie Dahl).

В первую очередь нужны запасающие мощности. ГАЭС у морского побережья, пронизанного заливами со скалистыми берегами, можно соорудить весьма дёшево, используя при этом бесплатную морскую воду вместо ценной пресной. Причём это не только теоретические расчёты, но и реальность японской энергетики, хотя такая ГАЭС пока построена только одна. А вот все остальные районы мира дёшево и эффективно строить ГАЭС пока не могут: нет большого перепада высот, да и лишних водных ресурсов тоже, а в таких условиях гидроаккумулирующие мощности влетят в копеечку.

Есть и альтернативные методы хранения энергии: в виде тепла, холода и даже жидкого воздуха , а также в виде воздуха, сжимаемого в резиновых баллонетах в море, на глубине до 600 м.

У «тепла-холода» КПД в районе 70% (у ГАЭС — 85%), то есть они затратны энергетически. У второй методики проблема скорее географическая: сжимать воздух надо близко к городам или электростанциям. Разработчики рассчитывают на окрестности Оркнейских островов, но не всем так повезло: офшорные ветряки редко граничат с глубоководными бассейнами, а города располагают таким соседом ещё реже.

Ещё более оригинальный вариант разработан в Швеции. Это плавучие морские ветряки без фундамента, которые «помешивают» моря своими осями и запасают энергию в образующемся водовороте. КПД, по оценкам конструкторов, близок к ГАЭС — а самих ГАЭС при этом строить не надо, равно как и фундаментов для офшорных ветряков. Прототип установки уже испытан, ждём «полноразмерника». Это важно, потому что сейчас киловатт-час, получаемый от офшорного ветряка в США, к примеру, стоит 24 цента против 9 для наземного ветрогенератора.

Рис. 3. Морские ветряки без фундамента ещё и быстрее устанавливать. (Иллюстрация Randy Montoya).

Другим важным преимуществом такого плавающего ветряка с вертикальным ротором является повышенная устойчивость. При вращении опоры вокруг оси она сама стабилизирует себя, словно волчок, продолжая работать при скоростях до 19 м/с (обычные ветряки стопорятся при 16 м/с). И чем сильнее дует ветер, тем мощнее стабилизирующее вращение вертикальной турбины. Наконец, не требуя фундамента, такие системы смогут уйти дальше в море.

Но и на суше ветроэнергетике есть куда расти. Ввысь могут потянуться не только ветряки, «рост» которых в этом году приблизился к четверти километра (!), но и привязные аэростаты с ветряками: их производство может быть дешевле строительства 200–300-метровых башен новых крупных традиционных ветряков.

Можно пощадить и птиц: разработана конструкция, абсолютно безопасная для летунов, причём не одна.

Рис. 4. Кстати, эти ветряки с конусообразными сужениями, закрытыми тканью, ещё и дешевле обычных: их турбины меньше, при той же площади ометания.

Увы, солнечная энергетика пока не так зрела, как ветряная. Да, за последние пять лет её мощности удесятерялись, в то время как у ветряков такой рывок занял последнее десятилетие. Но это просто эффект низкой базы: гелиоэнергетика по-прежнему очень мало вырабатывает, нигде не приблизившись и к 20% энергобаланса, в то время как ветер давно прошёл эту отметку, и не только в Дании или Испании.

Причина всё та же: фотоэлементы дороги, значительно дороже ветряков на вырабатываемый киловатт, да и КПД их при нагреве падает, а ведь солнечная постоянная в жаркой Сахаре во много раз выше, чем в Нью-Йорке или Берлине…

Правда, новые фотоэлементы на аморфном кремнии жаростойки и по КПД приблизились к кристаллическому кремнию, однако их широкое внедрение остаётся пока вопросом будущего. Здесь, помимо технологических, есть и политическая проблема: сотая часть Сахары, где земля ничего не стоит, может обеспечить весь Старый Свет электричеством, но африканские государства не готовы отдавать даже не очень нужные площади под гелиоЭС, не выторговав сначала грабительские «предварительные условия» — вроде получения налогов и бесплатной электроэнергии при неготовности инвестировать в проект ни доллара.

Рис. 5. Всю Европу можно было бы обеспечить электричеством из этого маленького красного квадратика Сахары в левом углу. Вот только договориться об этом сложно… (Иллюстрация EEA).

Кстати, в США разработали чрезвычайно эффективную гелиотермальную технологию получения пара из воды при любой температуре. Кроме энергетических целей, такие установки можно использовать и для опреснения морской воды, благо для паровых турбин пресную воду в жарких пустынных районах всё равно взять негде.

Кроме альтернатив такого рода, есть ещё продвинутые геотермальные технологии (ПГТ), упорно развиваемые в США и уже успевшие вызвать землетрясение в Швейцарии. Закачивать воду в горючие горные породы с её последующим извлечением (путь, описанный Азимовым в транторианской эпопее, то есть за полвека с лишним до ПГТ) много эффективнее нынешней «геотермальной», а по сути, гидротермальной энергетики, эксплуатирующей уже готовые, но менее горячие подземные воды, которые ещё и мало где имеются. Правда, закачка воды под землю может спровоцировать как минимум слабые землетрясения — как и добыча сланцевого газа, напомним.

Но американцам на фоне добычи метана из сланцев, результирующей не только в землетрясения, но и в горючесть «метановой» воды из-под крана, к «мелочам» вроде небольшой сейсмоактивности не привыкать (из крана же метан не идёт!). Посмотрим на их смелые опыты со стороны: может быть, не так и страшна продвинутая геотермальная энергетика? А Азимов, возможно, всё-таки был прав…

Ну а что Международное энергетическое агентство? О, оно по старинке делает ставку на крупные ГЭС, мощность которых, по его прогнозам, за 38 лет удвоится — в первую очередь за счёт Африки и Азии. Именно Африка (точнее, Конго) может в ближайшие десятилетия дать миру самую мощную ГЭС. А может и не дать: европейцы, готовые инвестировать в неё в обмен на поставки сверхдешёвой (2–3 цента) энергии в Европу, никак не могут договориться с африканцами, которые считают, что энергию логичнее полностью оставить им.

«А нам тогда это зачем?» — удивляются наивные европейцы, до некоторой степени шокированные конголезской неготовностью вкладываться в строительство и одновременно делиться его плодами с потенциальными инвесторами.

В общем, вы поняли: больше всего гидроресурсов там, где сложно не то что ГЭС построить, но даже и сельское хозяйство на плодороднейших почвах наладить. Так что перспективы циклопических ГЭС пока нельзя назвать железобетонными. До мысли «Земля наша велика и обильна, а наряда в ней нет…» африканцы дошли, как видим, несколько раньше, чем до второй части этой фразы.

Рис. 6.Пока на месте проектируемой 40-гигаваттной ГЭС «Гранд-Инга» лишь джунгли и речные волны. (Фото MagEnergy).

Есть, правда, ещё приливные электростанции, и здесь неожиданно порадовала Южная Корея, в 2011-м ставшая по ним мировым лидером (Сихвинская ПЭС, 254 МВт). А в этом году был принят план сооружения к 2015-му ещё трёх ПЭС общей мощностью 2,2 ГВт. И строительство уже идёт!

Увы, богатейшая по мощности приливов страна мира — это Россия (возможная годовая генерация примерно равна трети нашего энергопотребления), то есть надежд на их активную эксплуатацию у нас не больше, чем на строительство суперГЭС в Конго. Хотя в США, например, кое-что сдвинулось. Задумывается над проблемой и Япония, собирающаяся в ближайшие десятилетия полностью отказаться от АЭС. Напомним: нынешняя приостановка их эксплуатации уже прибавила 15% к стоимости электроэнергии для промышленности, и так почти задавленной курсом иены.

Рис. 7. Япония против атома, но, в отличие от Южной Кореи, её руководство вовремя не побеспокоилось о строительстве ПЭС. Может, корейцам семинары организовать? (Фото Yuriko Nakao / Reuters).

Наконец, атомная энергетика и её термоядерный кузен.

После Фукусимы у атомщиков «всё плохо»: Германия в ближайшее время полностью избавится от АЭС, то же сделает и Япония. Между тем ториевые АЭС, проекты которых в 2012 году стали почти общим местом, могут вырабатывать электричество за деньги, сравнимые с крупными ГЭС, при этом не требуя активного охлаждения и принципиально исключая цепную реакцию. А значит, даже при глобальной аварии или перегрузке охладительной системы (та же Фукусима, Чернобыль) такие АЭС вполне безопасны. Увы, пока понимание этого не покинуло ряды энергетиков, а до политиков оно, скорее всего, дойдёт последним. Надежда разве что на Китай и Индию.

Рис. 8. Cтроящийся в Калпаккаме (Индия) реактор будет вводиться в 2013 году. (Фото LETHALFORCE).

С термоядерной энергетикой, с одной стороны, всё хорошо: бурно строится международный супертокамак ITER, и на нём обещают добиться экономически выгодной реакции термоядерного синтеза. Однако эта ситуация длится со времён Очакова и покоренья Крыма, и на очередном «супертокамаке» коммерчески успешной реакции получить почему-то никак не удаётся. В 2012 году стало понятно, почему: мы неправильно представляли себе теплопередачу в плазме. Есть фундаментальные ограничения на скорость её нагрева при росте давления, и нынешние токамаки этого не учитывают. Впрочем, есть ещё новый гибридный метод термоядерного синтеза, сочетающий удерживание плазмы в магнитном поле (как у токамаков) с её лазерным обстрелом (как у инерциальных систем термоядерного синтеза). Может быть, это и есть панацея…

Рис. 9. Магнитно-инерциальный термоядерный синтез: надежды ещё есть? (Фото NLS / Randy Montoya).

Увы, резюме может быть только таким: революций не будет. В ближайшее десятилетие — точно.

Да, ветроэнергетика шагает по планете, и к 2022 году только ленивый не пообещал десятикратного роста мощностей ветротурбин по всему миру (по сравнению с 2012-м). Всё более новые и совершенные ветряки в этом, несомненно, помогут. Одна беда: и тогда общая мощность ветряков планеты будет всего лишь ~ 2 500 ГВт. То есть меньше 10% мировой энергетики! Самое же главное вот в чём: при превышении доли в 20–30% мировой выработки (в 2030–2040-х это вполне возможно) дальнейший рост серьёзно замедлится (надо строить накопительные мощности). Либо цивилизованному миру придётся примириться с частой работой ветряков вхолостую и (или) ростом стоимости их энергии за счёт строительства накапливающих её ГАЭС.

Так что становым хребтом мировой энергетики ещё очень долго будут ТЭС, а науке — причём не только прикладной, но и фундаментальной (термояд) — придётся долго и упорно буквально пахать, чтобы дешёвая энергия была чистой, а дорогая — историей, пишет nanonewsnet.he.