4. Энергетика ЖКХ
4.1. Тепловое хозяйство
Всё тепловое коммунальное хозяйство будет полностью децентрализовано (давно пора перестать зарывать в землю миллионы "тонно-километров" металлических труб, из которых в ту же землю "уходит" 25-40% тепла!). Теплом и горячей водой каждый дом будет обеспечиваться автономно за счет электроэнергии (возможны варианты): ночью работают электронагреватели (аккумулируя тепло по низкому "ночному" тарифу), днём - солнечные коллекторы (летом) и/или тепловые насосы - особенно зимой, на низкопотенциальном "вторичном" тепле. (В «холодной» Швеции, например, уже эксплуатируется свыше 300 тысяч тепловых насосов). До 2010 г. будут оставаться газифицированные дома - но исключительно с применением автономных газовых мини-котельных с максимально возможной активной автоматической регулировкой для минимизации расхода газа и воды. При этом сгорание газа может осуществляться в "геометрически совершенных" керамических горельных устройствах с высокой полноты сгорания (99,99%) углеводородного топлива в интервале температур 900-2000 ºК (разработка К. Мягкова, "Инжпроект", Россия). Кроме того, все источники тепла должны быть оснащены термоэлектрическими элементами для утилизации "лишнего" тепла (например, обыкновенный комнатный радиатор отопления, оснащенный таким термоэлементом, даёт дополнительно до 150 ватт электроэнергии). Такие термоэлектроэлементы высокого качества разработаны в Институте термоэлектричества НАН Украины.
4.2. "Нулевые" дома
Американская компания "Zoka-Zola" возводит сейчас близ Чикаго средних размеров особняк на одну семью, который не будет требовать для своего функционирования ни джоуля энергии извне. Проект Glass & Bedolla House относится к растущей плеяде проектов "zero energy house" — домов, не требующих энергии из сети. Для этого авторы коттеджа применили едва ли не все известные ухищрения: солнечные электрические батареи и солнечные теплоколлекторы, ветрогенератор, теплонасос как источник тепла (зимой) и холода (летом), хорошие теплоизолирующие материалы и др.
В настоящее время Чикагская архитектурная компания "SOM" проектирует 300-метровую 70-этажную "Башню жемчужной реки" (Pearl River Tower) в городе Гуаньджоу (Китай) - рис. 6. Это будет уже не "домик", а небоскрёб с "нулевой энергией"! Т.е он не будет потреблять электричество из внешней сети, а также почти не будет потреблять воды. Здание будет использовать энергию ветра и солнца. Выгнутые фасады "Башни жемчужной реки" призваны направлять ветер в специальные "жерла", которые имеются на каждом из этажей, где установлены ветровые турбины, продуваемые насквозь. По фасаду имеются ряды солнечных батарей (фотоэлектрических панелей), поставляющих электричество в аккумуляторы здания. Кроме того, на здании смонтированы и солнечные тепловые коллекторы, нагревающие воду для обитателей небоскрёба. В проекте запланировали систему сбора дождевой воды, а также систему очистки и рециркуляции воды сточной, что должно сократить до минимума потребность здания во внешнем источнике воды.
Рис. 6 - "Нулевой небоскрёб"
(на правом торце здания видны "ветровые жерла")
(иллюстрация с сайта [archrecord.construction.com]).
Рис. 7 - Варианты "энерго-эко-эффективной" реконструкции жилого дома
по проекту М. Краснянского
("ГДН" - гидродинамический электронагреватель)
5. Атомная энергетика
5.1. АЭС будущего
Атомные электростанции (АЭС) в ХХІ веке всё ещё будут играть важную роль и будут производить 20-35% мировой электроэнергии. Уже сегодня в мире функционируют 440 ядерных реакторов, 104 из которых - в США. Нынешняя атомная энергетика активно повышает свою безопасность, переходя от опасных реакторов типа ВВЭР к более безопасным водо-водяным реакторам на лёгкой воде с так наз. пассивными системами безопасности.
АЭС ХХІ века перейдут на использование быстрых нейтронов вместо нынешних тепловых, а в качестве теплоносителя - глубоко охлаждённого гелия, который, забирая тепло от ядерного реактора, с помощью газовой турбины так наз. "замкнутого цикла Брайтона", будет превращать тепло в электроэнергию с кпд более 50% (против нынешних 30-35%). Такая
Рис. 8 - АЭС будущего: слева – турбина с электрогенератором и теплообменниками,
справа – реактор (иллюстрация с сайта [gt-mhr.ga.com])
система называется "Gas Turbine - Modular Helium Reactor" ("GT-MHR"). При этом возможно размещение турбогенератора и реактора в закрытых капсулах под землёй. Применение в качестве теплоносителя гелия сулит ряд преимуществ. Он химически инертен и не вызывает коррозию узлов, не меняет своего агрегатного состояния, не влияет на коэффициент размножения нейтронов; наконец, его удобно направлять в газовую турбину. Кроме того, достигается намного более полная выработка ядерного топлива (а значит – меньше высокоактивных отходов), а простота конструкции обеспечивает намного меньшие капзптраты. И, конечно, безопасность - авторы проекта (компания General Atomics, США и Агенство по атомной энергии России) пишут, что "GT-MHR"– будет единственной в мире АЭС, которая соответствует первому (низшему) уровню безопасности.
Рис. 9 - Плавучая атомная электростанция (ПАЭС)
"Росэнергоатом" приступает также к созданию серии плавучих атомных электростанций (ПАЭС) мощностью до 40 МВт для обслуживания северных территорий. Срок службы таких ПАЭС - 50 лет, перезагрузка ядерного топлива - раз в 10 лет.
5.2. Утилизация ОЯТ
Кроме того, все ранее построенные (а тем более новые) АЭС будут оснащены ядерными "реакторами-«утилизаторами" ("дожигателями") отработанного ядерного топлива - ОЯТ (очень хороши разработанные Россией БН-600 и БН-800, а также японские "дожигатели"). Суть технологии - облучение ОЯТ мощным пучком быстрых протонов в специальных промышленных ускорителях ("бридерная" технология - от слова "breeding"). При этом, во-первых, высокоактивные и долгоживущие изотопы в ОЯТ превращаются в короткоживущие и низкоактивные (так наз. "трансмутация"), что делает проблему захоронения такого «дожжённого ОЯТ» в тысячи раз безопаснее, проще и дешевле. Во-вторых, при этом процессе в ядерном утилизаторе» выделяется немалое количество дополнительной энергии (одна тонна ОЯТ даёт до 1 тыс. дополнительных кВт). Т.е. производительность ядерного топлива увеличивается на 15-25%, а ОЯТ из источника «головной боли» становятся источником энергии. Ещё одно достоинство "бридеров" состоит в потенциальной возможности сжигания опасного (в политическом смысле!) "оружейного" плутония. Иными словами – речь идёт о создании замкнутого цикла по ядерному топливу.
5.3. Проблемы АЭС
Однако не всё так "безоблачно" в ядерной энергетике. Во-первых, необходимо произвести более тщательные экологические и экономические оценки деятельности АЭС. Так, в цене электроэнергии "от АЭС" необходимо учитывать стоимость: а) безопасного захоронения отработанного ядерного топлива (ОЯТ) - ведь один блок-"миллионник" производит около 26 тонн/год ОЯТ; б) складирования радиоактивных отходов (РАО) от добычи и обогащения урановой руды, включая долгосрочный ущерб природной среде; в) закрытия блоков АЭС, отработавших свой ресурс (полное и безопасное закрытие одного блока-"миллионника" АЭС обходится минимум в полмиллиарда USD!); г) надёжного обеспечения безопасности АЭС от террористических актов. Не всё ясно с оценкой запасов урана - так, эксперт "Greenpeace" Томас Броер предупреждает: "Наши подсчеты свидетельствуют, что запасов уранового сырья хватит лишь на ближайшие 65 лет - тогда и настанет конец атомной энергетики. И это при условии, если в других странах не будут появляться многочисленные новые АЭС - в чем, однако, мы очень сомневаемся". (А ведь только 4 страны-"гиганта" - США, Китай, Индия, Россия - планируют построить в ближайшие 10-15 лет около 50-ти ядерных блоков-"миллионников"). Если всё это верно, тогда непонятно, на чем основан оптимизм представителей ядерной промышленности, по прогнозам которых урановой руды хватит ещё на 200-250 лет? Тогда непонятно и то - что будут делать с десятками "свежевыстроенных" блоков АЭС, которые через 60-70 лет остановятся из-за отсутствия ядерного топлива?....
Однако следует всё же признать, что АЭС (разумеется, безопасные АЭС!) являются реальной альтернативой в решении проблемы глобального потепления.
5.4. Торий-урановый цикл
Поэтому активно идёт работа над безопасными ядерными реакторами с "подкритичными" характеристиками, работающими не на опасном "уран-плутониевом" цикле (т.е. не на уране), а на значительно более безопасном "торий-урановом" цикле, т.е. на торие-232 (из тория-232 уже непосредственно в реакторе получают "вторичное" ядерное топливо - уран-233). Это так наз. "ядерная релятивистская ториевая энергетика" (ЯРТЭ). Как и всякий четно-четный изотоп (четное число протонов и нейтронов), торий-232 не способен выделять при делении быстрые нейтроны. Но под воздействием "извне" (т.е. при облучении его мощным пучком быстрых протонов с энергией 10-50 ГэВ - см. выше п. 5.3) с торием происходит трансформация: Th232+n→Th233→Pa233→ U233. А уран-233, как известно - хорошее ядерное горючее, поддерживающее цепное деление, т.к. при делении его ядра на один "затраченный" нейтрон выделяется 2,37 новых (тепловых) нейтронов. Возможность реализации ториевых топливных циклов изучается уже больше 30 лет. Например, американский реактор Fort St Vrain был коммерческим реактором, работавшим на ториевом топливе. Этот высокотемпературный реактор (1300°С) с графитовым замедлителем и гелиевым охлаждением имел мощность 842 МВт (330 МВт электрических) и проработал с 1976 по 1989 годы. В нем было использовано почти 25 тонн тория, глубина выгорания которого составила 170 тысяч МВт-суток на тонну топлива (на уран-плутониевых реакторах, в том числе на всех украинских, средняя глубина выгорания ядерного топлива в четыре раза меньше, что означает в четыре раза меньшую эффективность его использования). За время эксплуатации уран-ториевого реактора в нем нарабатывается в 10 тысяч раз меньшее количество изотопов трансурановых элементов, чем в аналогичном по мощности уран-плутониевом реакторе. Это о6стоятслъство очень существенно, оно переводит проблему обращения с радиоактивными отходами в относительно безопасную и экономически "неразорительную" область.
(Кстати, весь крупный пассажирский, грузовой и военный морской флот в будущем будет оснащён именно такими реакторами).
