В данном разделе посетители сайта сами генерируют контент. Редакция «Обозревателя» не несет ответственности за этот контент.

Об энергии и энергетике

367

<p>Все современное мировоззрение человечества носит, главным образом, экономическую направленность, где развитие экономики напрямую зависит от объема доступной энергии. С одной стороны, выдвигается идея о необходимости открытия все новых и новых источников энергии, способных покрывать все возрастающие потребности мировой экономики. С другой, – современная капиталистическая экономика заинтересована в росте своих финансовых показателей, для чего необходим постоянный рост цен на энергию, и, значит, она всегда должна быть в дефиците. А с третьей, – обретение человечеством на его данном мировоззренческом уровне развития неограниченного источника энергии лишь приведет к новому неудержимому росту потребления и накопительства, которые, если не напрямую, то косвенно, уж наверняка, приведут к гибели не только человечества вместе с его &quot;экономическими потребностями&quot;, но, и заодно, всего живого на планете.

В этой связи, видимо, до смены глобального мировоззрения целесообразно удерживать &quot;экономическое человечество&quot; в рамках действия закона сохранения энергии, приучая его к рациональному природопользованию. Однако и в этой части необходимо понимать пределы энергетических возможностей природы и целесообразность их использования.

В 1975 году советский академик Петр Капица, удостоенный тремя годами позже Нобелевской премии по физике, на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, сделал концептуальный доклад, в котором, исходя из базовых физических принципов, расставил все виды известной на тот момент науке и доступной энергии &quot;на свои места&quot;, одновременно фактически &quot;похоронив&quot; все виды столь модной сегодня так называемой &quot;альтернативной энергии&quot;, за исключением управляемого термоядерного синтеза.

Вкратце, соображения Капицы сводились к следующему – какой бы источник энергии ни рассматривался, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии (то есть, ее количеством в единице объема) и скоростью ее передачи/распространения. Произведение этих величин показывают максимальную мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.

Например, плотность солнечной энергии ничтожна, однако она распространяется с огромной скоростью – скоростью света. В результате поток солнечной энергии, поступающий на Землю и дающий всему жизнь, оказывается вовсе не мал – больше 1 кВт на 1 кв.м. И хотя этот поток достаточен для обеспечения жизни на планете, однако как основной источник энергии для человечества на том этапе его развития он представлялся крайне низким и неэффективным.

Так, поскольку КПД устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, до сегодня составляет не более 15%, то даже на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, реально можно использовать поток лишь в 100-200 Вт на 1 кв.м. Ввиду этого, только чтобы покрыть бытовые потребности всего лишь одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40-50 кв.м. А чтобы заменить солнечной энергией добываемое сегодня ископаемое топливо, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50-60 км, что практически едва ли реализуемо по многим причинам.

Тем не менее, лишь за последнее десятилетие стоимость 1 МВт-часа солнечной энергии (в промышленных масштабах) снизилась почти на 80% (на 2014 год составляет уже лишь около US$72). А ведь, не смотря на все успехи в солнечной энергетике, человечество пока перерабатывает всего около 0,001% от мощности светового потока, падающего на поверхность Земли, тогда как на каждого жителя планеты может приходиться порядка 25 МВт энергии Солнца. Также утверждают, что за счет долгосрочных вложений в нанотехнологии, теоретически, можно достичь КПД в гелиостанциях на уровне 90%; но это – пока лишь прогнозы. И нужно учитывать, что интенсивность падения солнечных лучей на поверхность Земли сильно разнится и зависит от множества факторов.

Противоположный пример – топливные элементы, где происходит прямое превращение химической энергии окисления водорода в электроэнергию. Здесь плотность энергии велика, и высока эффективность такого преобразования, достигающая 70% и более. В то же время, скорость ее передачи крайне мала и ограничена очень низкой скоростью диффузии ионов в электролитах. В результате плотность потока энергии оказывается примерно такой же, как и для солнечной энергии. Капица писал: &quot;На практике плотность потока энергии очень мала, и с квадратного метра электрода можно снимать только 200Вт. Для 100 мегаватт мощности рабочая площадь электродов достигает квадратного километра, и нет надежды, что капитальные затраты на построение такой электростанции оправдаются генерируемой ею энергией&quot;. Значит, топливные элементы можно использовать только там, где не нужны большие мощности; но для большой энергетики они бесперспективны, не смотря на успехи в разработке нано-технологий в последние годы.

Последовательно оценивая ветровую энергетику, геотермальную энергетику, волновую энергетику и гидроэнергетику, Капица доказывал, что все эти, на первый взгляд, вполне перспективные источники никогда не смогут составить серьезную конкуренцию ископаемому топливу. Плотность ветровой энергии и энергии морских волн низка, а масштабы геотермальных станций будут ограничены и скромны ввиду низкой теплопроводности пород. Гидроэнергетика всем хороша, однако для того, чтобы она была эффективной, нужны либо горные реки (когда уровень воды можно поднять на большую высоту и обеспечить, тем самым, высокую плотность гравитационной энергии воды), которых мало, либо же необходимо обеспечивать огромные площади водохранилищ и губить плодородные земли, которых человечеству и так не хватает.

Но современная наука пытается ставить под сомнение такие выводы, касающиеся альтернативных источников энергии. И развитие в этой сфере движется в нескольких направлениях. Прежде всего, это – создание и распространение всевозможных энергосберегающих технологий, сокращающие КПД использования имеющейся энергии. Однако рост населения планеты и продолжительности жизни людей, а также неограниченный по своей природе рост капиталистической экономики, что в совокупности ведет к повышению среднего уровня благосостояния и возникновению все новых потребностей, требующих все новой энергии в еще больших количествах, превращают процесс энергосбережения и повышения эффективности использования энергии в &quot;игру с нулевыми ставками&quot;. Но и не делать этого нельзя.

Именно ветроэнергетика, солнечные батареи и коллекторы, приливные электростанции, биомасса и &quot;зеленый&quot; газ, геотермальные источники, тепловые насосы, водородное топливо – вот основа, которая, по мнению современных ученых, должна теснить углеводороды в качестве источника энергии для человечества. Потому, в мире постоянно наращивается число источников альтернативной энергии, что обычно стимулируется правительствами стран. Впрочем, все это может быть лишь сознательным продвижением так называемой &quot;зеленой экономики&quot;, точнее, новой &quot;зеленой волны&quot;, призванной простимулировать какое-то время рост капиталистической экономики, пока не наступит ее очередной кризис.

Учеными решается вопрос и в части создания компактных накопителей электроэнергии без потерь, что крайне необходимо для дальнейшего наращивания объемов производства альтернативной энергии, в частности, энергии солнца и ветра. Так, заявляется, что уже в ближайшее время должны появиться аккумуляторы на углеродных нанотрубках и углекомпозитах с органическим накопителем. Это может радикально ускорить развитие, в том числе, электрического транспорта. Так, например, анонсированные &quot;двойные углеродные&quot; батареи должны выдерживать до 3 тысяч циклов перезарядки против 1 тысячи у большинства современных литий-ионных батарей (это, кстати, с учетом ограниченности количества соответствующих природных ресурсов, серьезное препятствие для проектов развития электромобилей и альтернативной энергетики вообще). Если достичь заявленных параметров подобных емкостных устройств, это будет означать революцию в накоплении и сохранении энергии для ветроустановок и гелиостанций, особенно периферийного типа.

Успехи в создании новых устройств, способных сохранять энергию без существенных потерь при ее извлечении в нужный период времени, существенно снизит зависимость от традиционных видов энергии, которые используются, в том числе и для поддержания суточных перепадов (неоднородностей), особенно ввиду присущей аритмии мощности альтернативных источников энергии.

Сегодня активно пропагандируются водородная энергетика и биотопливо. Капица же вообще не обращал на них внимания. Хотя биотопливо в виде дров человечество использует не одно тысячелетие, а водородная энергетика кажется настолько перспективной, что постоянно появляются сообщения о создании транспорта на водородном топливе, на самом деле, существует серьезный скепсис относительно возможностей существования какой-либо водородной и даже биоэнергетики в полном смысле слова.

Касательно водородной энергетики, можно сказать, что ввиду отсутствия на планете Земля природных месторождений водорода, ее сторонники всего лишь пытаются изобрести нереализуемый таким образом &quot;вечный двигатель&quot;. Вместе с тем, на сегодня существует только два способа получить водород в промышленных масштабах:

• путем электролиза разложив воду на водород и кислород; но это требует энергии, заведомо превосходящей ту, которая потом выделится при сжигании водорода и превращении его опять в воду. Значит, &quot;электролитический водород&quot; – это вообще не топливо, а всего лишь &quot;аккумулятор&quot; энергии, полученной из другого источника, которого, как раз, и нет на Земле в требуемых (безграничных) объемах;

• из природного газа с помощью катализаторов и, опять-таки, затрат энергии, которую нужно получить, опять же, сжигая природные горючие ископаемые. Правда, это не &quot;вечный двигатель&quot;; и хотя некоторая дополнительная энергия при сжигании полученного таким путем водорода, все же образуется, однако она будет гораздо меньше той, что была бы получена при непосредственном сжигании природного газа, минуя его конверсию в водород. Возможно, использование водорода, полученного из природного газа, сократит выбросы углекислого газа, поскольку эти выбросы будут связаны только с генерацией необходимой для получения водорода энергии, однако в результате такого процесса общее потребление невозобновляемых горючих ископаемых только возрастет.

Тем не менее сегодня звучат сообщения о разработке технологий получения дешевого водородного топлива из атмосферы.

Не лучше обстоят дела и с так называемой биоэнергетикой. Здесь речь идет либо о реанимации старой идеи использования растительных и животных жиров в двигателях внутреннего сгорания (первый &quot;дизель&quot; Рудольфа Дизеля работал на арахисовом масле), либо об использовании этилового спирта, полученного путем брожения натуральных (зерна, кукурузы, риса, тростника и т.д.) или подвергнутых гидролизу (разложению клетчатки на сахара) сельхозпродуктов.

Касательно производства масел, это – крайне низкоэффективное, по критериям Капицы, производство. Так, урожайность арахиса составляет, в лучшем случае, 50 центнеров с гектара; и даже при трех урожаях в год выход орехов едва ли превысит 2 кг в год с квадратного метра, из которых получится, в лучшем случае, 1 кг масла. В итоге, выход энергии получается чуть больше 1 ватта с 1 кв.м., то есть на два порядка меньше, чем дает солнечная энергия, доступная с той же площади. При этом не учитывается, что получение таких урожаев требует интенсивного применения энергоемких удобрений, затрат энергии на обработку почвы и полив; а чтобы покрыть сегодняшние потребности человечества, нужно полностью засеять арахисом несколько планет Земля.

Аналогичный расчет для &quot;спиртовой энергетики&quot; убедит, что ее эффективность еще ниже, чем у &quot;биодизельного агроцикла&quot;.

Вместе с тем, современные ученые видят весьма перспективным еще один альтернативный источник энергии, неучтенный Капицей. Так, в ноябре 2014 года в Нидерландах состоялся пуск первого небольшого завода компании REDstack BV по производству так называемой &quot;голубой энергии&quot; – электричества, генерируемого за счет разницы в содержании солей в морской и речной воде: два потока пропускают через специальную мембрану (произведенную компанией Fuji), генерирующую электричество за счет направленного движения ионов солей, растворенных в морской воде. При этом вода не проходит дополнительной химической обработки, а мембраны не нарушают экологический баланс микроорганизмов в реке и море, что делает технологию экологически чистой. А в отличие от солнечной и ветряной энергетики &quot;голубая энергия&quot; позволяет бесперебойно получать электричество.

Теоретически возможности генерации &quot;голубой энергии&quot; зависят от разницы в солености речной и морской воды и расхода воды в секунду, связанного с интенсивностью речного водотока. В частности, в Нидерландах за счет высокой солености Северного моря с 1 куб.м. воды в секунду, проходящего через мембрану, можно сгенерировать до 1 МВт/с электричества, чего достаточно для обслуживания примерно 200 000 домохозяйств. При этом себестоимость 1 кВт/ч &quot;голубой энергии&quot; за счет совершенствования технологии планируется снизить до уровня себестоимости, получаемого в угольной и газо-угольной генерации.

Таким образом, в случае оптимизации технологий и при реализации предположения, что КПД мембран составит 70% (что хотя и существенно выше сегодняшних технологических возможностей, но ниже теоретически ожидаемого), технология получения &quot;голубой энергии&quot; не только способна дать бесперебойные поставки электричества, но и будет обходиться дешевле большинства распространенных сегодня видов электроэнергии из возобновляемых и традиционных источников. И если, скажем, в Европе задействовать три крупнейшие по водотоку реки – Дунай, Рейн и Вислу – всего на 10% от потенциала, общий объем производства электроэнергии из этого источника примерно в 3 раза превысит энергопотребление в странах ЕС в 2012 году.

По мнению ученых, занимающихся совершенствованием способности указанных мембран генерировать электричество, если использовать все глобальные возможности для генерации &quot;голубой энергии&quot;, можно произвести больше электричества, чем сейчас потребляется во всем мире. Но учитывается ли в таких расчетах глобальный баланс водо- и энергообмена в природе в размерах всей планеты? И не получим ли мы проблему &quot;на другом конце&quot; – в системе глобальной циркуляции воды и тепла на Земле?

В своем докладе Капица особо коснулся атомной энергетики и отметил три главные проблемы на пути ее становления в качестве главного источника энергии для человечества:

• проблему захоронения радиоактивных отходов;

• критическую опасность катастроф на атомных станциях;

• проблему неконтролируемого распространения плутония и ядерных технологий.

Сюда же можно добавить относительную ограниченность запасов сырья для атомных реакторов.

Наибольшие надежды академик Капица связывал с термоядерной энергетикой. Однако за прошедшие почти четыре десятилетия, несмотря на гигантские усилия ученых разных стран, проблема управляемого термоядерного синтеза не только не была решена, но со временем понимание сложности проблемы, скорее, только выросло.

Термоядерная реакция – разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые за счет кинетической энергии их теплового движения. Чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый &quot;кулоновский барьер&quot; – силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь значительную кинетическую энергию. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин &quot;термоядерная реакция&quot;.

С появлением первых промышленных атомных реакторов, а также взрывов первых термоядерных (водородных) бомб, люди были уверены, что термоядерный синтез вскоре заменит атомные реакторы. Большинство футурологов, фантастов и физиков в конце 1960-х годов предсказывали, что к концу XX столетия проблема будет окончательно решена. Пик интереса к этой теме пришелся на 1989 год после появления публикаций об электрохимическом индуцированном ядерном синтезе. Однако повторить описанный процесс другим исследователям не удалось, тогда как число фальсификаторов лишь возросло, что привело к восприятию идеи холодного ядерного синтеза как лженауки.

Тем не менее, в ноябре 2006 года Россия, Евросоюз, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и США достигли соглашения начать строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, основанного на принципе магнитного удержания высокотемпературной плазмы, который должен обеспечить 500 МВт тепловой мощности в течение 400 секунд.

Чтобы оценить темпы развития этой идеи, нужно отметить, что еще в 1977-1978 годах велись эксперименты по возможности &quot;подпитки&quot; ИТЭР с помощью выстрела в плазму &quot;твердоводородной таблетки&quot;, так и не давшие ожидаемого результата. Не в лучшем состоянии находится и идея лазерного термоядерного синтеза, основанного на быстром сжатии водородной мишени с помощью лазерного излучения.

Однако в 2008 и 2011 годах после публикации сообщений из Осакского и Болонского университетов холодный ядерный синтез опять стал темой номер один.

Вслед за этим на конференции Solve for X, которую устраивает компания Google для сотрудничества в решении глобальных задач, было сделано сенсационное заявление, что в компании Lockheed Martin Corp., у крупнейшего поставщика Пентагона, разработана технология достижения устойчивой термоядерной реакции, позволяющая в течении 5 следующих лет создать прототип компактной термоядерной электростанции, а уже через 10 лет построить промышленный образец. И осенью 2014 года, по сообщению Reuters, компания Lockheed заявила о готовности представить к испытанию в 2015 году первый компактный термоядерный реактор.

Еще более сенсационным стало сообщение о независимом тестировании в октябре 2014 года с подтверждающими результатами &quot;катализаторов энергии Росси&quot; по превращению никеля в медь при участии водорода. Здесь речь идет уже о готовых промышленных установках по 1 МВт.

Если это действительно так, то к 2050 такие технологии позволят покрыть всю потребность в энергетике человечества. Правда, об отсутствии &quot;побочных явлений&quot;, особенно в перспективе, ничего не говорится.

Стоит задать вопрос, не является ли общемировой проект по созданию управляемого термоядерного синтеза лишь &quot;дорогой игрушкой&quot;, призванной всего лишь стимулировать экономическое развитие отдельных стран и регионов, либо же и вовсе только осваивать выделяемые на это бюджетные средства и стимулировать финансовые рынки, безотносительно возможности достижения заявленного результата, уводя конструктивную человеческую мысль в ложном направлении? Может, есть иная альтернатива? Ведь, как известно, &quot;Безвыходных ситуаций не бывает!&quot;.

Вся история человечества связана с борьбой за пищу, воду, энергию. При этом можно четко проследить цепочку: энергия &gt; дешевая энергия &gt; вода &gt; продукты питания. Наступившая же несколько веков тому индустриальная эпоха способствовала быстрому росту населения планеты и, одновременно, резко взвинтила цену на ресурсы, особенно на энергоносители. При этом она и существенно расширила палитру их источников.

Обретение дешевой энергии в совокупности с новыми знаниями в материаловедении на уровне наномира, теоретически, позволит решить проблему опреснения и очистки морской воды. Именно так планируется решить вопрос дефицита воды – того компонента нашего бытия, который повсеместно незримо дорожает и без которого невозможно получить устойчивых урожаев на б&#243;льшей части способных к возделыванию сельскохозяйственных земель.

Однако дешевая энергия также может породить технологическую гонку за новыми материалами, которые, возможно, будут способны заменить широко используемые черные и цветные металлы. Перевод базальтовой массы в наноразмерные нити и последующее их сплетение в жгуты для использования в качестве исходного материала, в том числе для 3D-принтеров, позволит создавать изделия, которые будут прочнее металла, в разы их легче, и с лучшими качествами в противодействии любой агрессивной среде. Правда, пока неизвестно их возможное влияние на окружающую природную среду.</p>

Присоединяйтесь к группе "УкрОбоз" на Facebook, читайте свежие новости!

Наши блоги

Последние новости