Журнал "ЭПР - Энергетика, промышленность, регионы" (Москва), № 1, 2006 г.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В ХХІ  ВЕКЕ   "Мы вовсе не получили Землю в наследство от наших предков - мы всего лишь взяли её в долг у наших детей" (Антуан Сент-Экзюпери)

Преамбула 

        В балансе сегодняшней мировой энергетики 35% занимает нефть, 25% - уголь, 22% - газ, 10% - ядерная энергетика и лишь 8% - возобновляемые природные источники энергии (ВИЭ). По прогнозам  экспертов, ДОСТУПНОЙ  нефти на Земле хватит лишь до 2030 (мнение пессимистов) - 2050 (мнение оптимистов) года; во всяком случае,  запасы нефти на планете стремительно уменьшаются: из 1150 разведанных во всём мире гигабаррелей нефти на сегодня  «выкачаны» не менее 900, и в настоящее время ежедневно добывают по 80 мегабаррелей.  Прогнозы по природному   газу: его запасов хватит до 2080 г.  Кроме того,  уже к  2015 г. баррель нефти будет стоить более $150, а 1000 "кубов" газа - более $600)....

         Однако существует еще одна энергетическая угроза человечеству. На фоне громких (и обоснованных) заявлений ученых о грядущем глобальном потеплении, следует хотя бы прислушаться к альтернативным мнениям. Так, выдающийся сербский астроном и геофизик ХХ века Милутин Миланкович разработал  теорию периодичности ледниковых периодов  (так наз. "циклы Миланковича"). Согласно этой теории,  климат Земли, в том числе периоды формирования и таяния ледников, соответствуют глобальным углеродным циклам и циклам изменений орбиты Земли. На основании этого ряд крупных ученых Европы и США пришли к выводу о том, что примерно в 2015 году на нашей планете начнется медленное понижение температуры, а в 2055-2060 годах наступит глобальное похолодание, которое продлится примерно 50-60 лет. После этого наступит новый цикл - цикл потепления. К аналогичным выводам при  исследованиях изменений потока солнечного излучения пришел недавно зав. сектором космических исследований обсерватории РАН  Х. Абдусаматов.

      Поэтому в ближайшие 25-30 лет мировому сообществу остро необходимо  осуществить "энергетическую революцию".

1. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

           Необходимо завершить максимальное использование альтернативных экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ)  – солнца, ветра, малых и средних  рек, океанских приливов и др., что покроет до 20-25%  мировой потребности в энергии.   Миро­вым лидером в ветроэнергетике является Германия: общая установленная мощность её «ветряков» - около 5 тыс. МВт; в малой гидроэнергетике мировым лидером является Китай, где с 1950 по 2004 г. общая мощность малых ГЭС выросла с 6 до 35000 МВт).

Таблица 1 - Ресурсы возобновляемой энергии (млрд ТВт · год*)

*) 1 ТерраВт - 10¹²   Вт

       Обратите внимание: средний поток солнечной энергии на Землю составляет 200-250 Вт/кв.м, в то же время на хозяйственную деятельность человека необходимо всего 2 Вт/кв.м в неиндустриальных районах и не более 15-20 Вт/кв.м – в высокоиндустриальных. Т.е. достаточно использовать от 2 до 10% только солнечной энергии, чтобы полностью удовлетворить энергетические потребности человечества. В то же время запасы энергии в  недрах земли (газ, нефть, уголь и др.) - 170 млн МВт - составляют лишь 0,1% от энергии, поступающей на Землю от Солнца, которая равна примерно 170 млрд МВт. При этом  средний кпд солнечных "нагревательных" коллекторов – 50%, если же электроэнергию получать напрямую  через кремниевые солнечные батареи, то средний кпд – 25-35%. Поэтому сейчас осваивается серийное производство солнечных фотоэлектрических батарей на основе так наз. "наногетероэлектриков" (НГЭ) с кпд  85-90% (и способностью работать даже ночью!), для чего, прежде всего, будет освоено  производство сверхчистых (степень очистки 10^-7% и более) редкоземельных металлов.

Существует ещё один перспективный способ  преобразования солнечной энергии в электрическую - термодинамический. с использованием концентраторов солнечного излучения - рис. 1.  основные его элементы - центральный ресивер - это башня (Receiver) высотой 

Рис. 1 - Схема преобразования солнечной энергии

в несколько десятков метров и поле (343 шт.) гелиостатов (Heliostat field - 343 solar unit); теплоноситель - сжатый атмосферный воздух. В такой установке используется  парогазовый цикл c с газовой турбиной (steam cycle and gas turbine). Максимальный коэффициент концентрации - 45000; себестоимость электроэнергии - 0,15-0,20 евро/квт-ч.

Однако американская компания "Infinia" намерена вывести на рынок оригинальный солнечный генератор на основе двигателя Стирлинга, с концентратором солнечных лучей по размеру не больше средней спутниковой антенны.

         На  данный момент в США уже установлено более 20 млн кв.м тепловых солнечных коллекторов, а в ЕС - 12 млн кв.м. 

        Себастиан Браат (Sebastian Braat), из университета Западного Сиднея (University of Western Sydney), Австралия, разработал "Солнечную черепицу" (Solar roof tiles), сочетающую в себе сразу три функции.  "Солнечная черепица" — это плитки, состоящие из основы (прозрачный поликарбонат) и двух главных слоёв. Один — солнечные батареи, другой — тонкий резервуар с теплоносителем. Плитки используют солнечный свет для выработки электричества (на что идёт 12-18% падающей световой энергии), а также — для подогрева (через промежуточный теплообменник) горячей воды в домашнем водопроводе (что обеспечивается тепловыми лучами, не воспринятыми фотоэлектрической панелью).  Главное новшество этого изобретения - возможность делать из этих плиток крышу непосредственно, так же, как укладывают обычную черепицу.

Калифорнийская компания Nanosolar объявила строительстве крупнейшей в мире фабрики по производству солнечных элементов. Планируется, что ежегодно завод будет производить около 200 миллионов солнечных панелей общей мощностью в 430 мегаватт. Специалисты компании разработали новую технологию производства солнечных батарей. Она заключается в использовании особых чернил из наночастиц, которые наносятся на тонкую пластиковую пленку. Созданные таким способом солнечные элементы отличаются легкостью, гибкостью и дешевизной и будут окупаться за три месяца.

           Международное энергетическое агентство  (ІЕА), которое объединяет 27 стран, осуществляет грандиозный "энергопроект", согласно которому по всей площади огромной пустыни Гоби (Монголия-Китай) будут установлены солнечные электрические батареи. После завершения проекта "пустыня" будет производить столько электроэнергии, сколько сегодня её производится во всём мире! А правительство Австралии намерено выделить 57 млн долл. на постройку крупнейшей в мире солнечной электростанции, сообщает Associated Press. Решение принято в свете критики властей за отказ подписать Киотский протокол, подразумевающий уменьшение выбросов парниковых газов. Общая стоимость проекта размещения в штате Виктория (Австралия) зеркальных пластин, концентрирующих солнечные лучи, составляет 319 млн долл. Мощность станции составит 154 МВт.

         Российский лауреат Нобелевской премии по физике Жорес Алферов в недавнем интервью журналу "Мысль" отметил: "....по очень большому счету, нет будущего ни у атомной, ни у газовой, ни у нефтяной, ни у угольной энергетики. Будущее вообще, с точки зрения способа производства электроэнергии, есть только у одной области – это преобразование солнечной энергии".

2. Вторичные энергоресурсы

        2.1. Все органические отходы (муниципальные, древесно-целлюлозные, отходы животноводства и птицеводства, осадки (илы) городских канализационных коллекторов, "зелёные отходы" - ботва,  кочаны, картофельные очистки, садово-парковые, и др.)  будут перерабатывать (с помощью микроорганизмов) на биогаз и биоэтанол, что покроет до 10-15% потребности в энергоносителях. Биоэтанол - альтернатива бензину, точнее, используют смесь бензина с этанолом ("газохол"); Бразилия, например,  произвела из "зелёной" массы" в 2004 г. семь миллиардов  литров  биоэтанола, что обеспечило 20% её потребностей в моторном топливе. 

         2.2. Необходима утилизация всего "вторичного" (низкопотенциального) тепла и всей "лишней" кинетической и тепловой энергии  потоков газа и жидкости на предприятиях (так называемая "когенерация"). Все промпредприятия  (в первую очередь - трансгазы, метзаводы и ТЭС, но и средние предприятия тоже!) должны осуществить максимальную утилизацию  своего "вторичного" (низкопотенциального) тепла (тепло дымовых газов, тепло "бросового" пара, тепло  горячего конденсата  и т.п.), а также когенерацию всей "лишней" кинетической и тепловой энергии  потоков газа и жидкости, которые двигаются по трубам. Например, встраивание в схему работы  котла газотурбинной ли парогазовой установки,  которая будет отбирать у   газа или пара  "лишние" тепло и энергию, может повысить кпд котла на 10-15%!  Еще пример. При "доставке" природного газа к потребителю его   давление  снижается с 25 до12-ти, а потом - с 12 до 2-х атмосфер, а  огромная энергия, которая при этом выделяется,  не утилизируется. Если этот перепад снимать не на дросселях, а на встроенных в цикл детандер-генераторах, можно получать дополнительно  многие миллионы квт-часов электроэнергии.  Также должна быть полностью завершена в глобальном масштабе тотальная установка на промышленных предприятиях и в бытовом секторе счетчиков тепла, электроэнергии, газа, воды  - счетчиков нового поколения с высокой точностью и с надежной защитой от "несанкционированного вмешательства" - и с обязательным выводом  всего массива данных на компьютер.

          Особое внимание следует обратить на следующий факт. Наиболее важным устройством энергоресурсосбережения является тепловой насос (рис. 2). Особенность теплового насоса состоит в том, что произведенное тепло всегда больше подведенной энергии от энергоисточника высокого потенциала (примерно на 30-50%). Суть заключается в том, что это тепло производится не только за счет энергоносителя (газа, угля, электрической энергии или пара), но и за счет дополнительной тепловой энергии, отбираемой от низкопотенциального источника, то есть источника с более низкой температурой (геотермального источника, жидких промышленных или бытовых стоков, воздуха, грунта, реки). В промышленно выпускаемых установках экономия топлива составляет 20-70%. Возможный диапазон температур низкопотенциального источника очень широкий (от плюс 80 °С до минус 17 °С). Во многих развитых странах тепловые насосы являются основой энергосберегающей политики (США - 37%, Швеция - 50%).

Рис. 2 - Теплонасос (рис. из сайта www.ecoenergy.ru)

             В последние годы появилось новое  сверхперспективное  направление альтернативной энергетики - "бестопливная энергетика окружающей среды"  (БЭОС). Суть этого направления в следующем. Как описано выше, имеется множество разработок по утилизации вторичного низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов. Однако глобально мыслящие ученые с недавних пор задаются вопросом: а почему нельзя спомощью ГИГАНТСКИХ тепловых насосов преобразовывать в механическую работу низкопотенциальную  (но не вторичную, а "первичную" теплоту) -  Теплоту Окружающей Среды -земли, морей и океанов и т.д.). Симбиоз тепловой машины (например, двигателя  Стирлинга), теплообменника и теплового насоса приводит к тому, что преобразование тепла в полезную механическую работу происходит с кпд 80% и более! При этом: а) не сжигаются природные органические ресурсы; б) нет парникового эффекта; в) нет загрязнения природной среды токсичными газами сгорания; г) при работе такой "бестопливной ТЭС - БТЭС" происходит конденсация влаги из воздуха  (т.е. БТЭС мощностью 2000 МВт будет производить ещё и  ок. 40 тыс. тонн воды в сутки, что хватит для всех нужд города в пустыне с населением  100 тысяч человек. Т.е. с помощью сети территориально разнесённых станций построенных по предлагаемому решению, можно, помимо всего,  во-первых, управлять погодой, а во-вторых (что очень важно!) - бороться с глобальным потеплением, "откачивая  лишнее тепло"  из окружающей среды.

          2.3. В арктических районах США и Канады запущены экспериментальные установки по добыче гидрата метана. Речь идет о кристаллическом метане в окружении молекул воды ("метан-гидрат"). который можно встретить глубоко на морском дне или в вечной мерзлоте (арктические залежи расположены в вечной мерзлоте на глубине ниже 500 метров). В морских отложениях гидратосодержащие пласты могут иметь километровую толщину. Запасы метан-гидрата огромны (только вблизи Аляски они оцениваются в 1 триллион куб.м), однако разработка месторождений представляет собой технически очень сложную задачу. Один куб. метр газового гидрата при давлении в 1 атм высвобождает  до 160 м³ метана. Эксперты полагают. что залежи газовых гидратов на планете могут быть сопоставимы со  всеми мировыми запасами ископаемого топлива вместе взятыми. Кстати, в бассейне Черного моря вблизи Крыма, по оценкам Одесской Академии холода,  имеются газогидратные запасы метана мощностью одим миллиард куб.м/год!..