Будущее энергетики

Энергетика – это «дрожжи» экономики. Она является фундаментальным фактором, определяющим уровень научного, технического и экономического развития общества, его культуры и благосостояния. С ростом уровня жизни людей потребность в энергии возрастает во всё увеличивающихся масштабах.

В связи с бурным ростом потребности в энергии увеличивается расход нефти, газа, каменного угля – основных энергетических ресурсов планеты. В течение года в топках электростанций сжигается такое количество нефти и газа, которые природа создавала более 1 млн. лет.

К середине ХХ века человечество вплотную столкнулось с проблемой исчерпаемости нефти и газа, являющимися наиболее энергоемкими и удобными в использовании природными энергетическими ресурсами. Из общего мирового потребления около 70-80 % приходится на нефть и природный газ, разведанные запасы которого могут быть исчерпаны уже в ближайшие несколько десятилетий. Кроме того, нельзя забывать, что нефть и газ - весьма ценное сырье для химической промышленности. Еще во второй половине XIX века Д.И.Менделеев говорил, что дешевле топить печи ассигнациями, чем сжигать в них нефть.

К началу XXI века человечество израсходовало примерно 50 % разведанных запасов нефти и газа. По некоторым оценкам, уже в первом десятилетии нашего века количество энергии, которую надо будет потратить для добычи 1 т нефти, сравняется с энергией, которая содержится в добытой тонне нефти. Иначе говоря, энергетическая эффективность затрат и пользы станет равной 1:1. После Второй мировой войны это соотношение составляло 1:50. В середине 80-х гг. прошлого века оно упало до1:5. Таким образом, вся «легкая» нефть практически исчерпана. Безусловно, количество разведанных запасов нефти ежегодно возрастает за счет открываемых месторождений. Но оно составляет 0,8 % от уже разведанных, а потребляем мы ежегодно 2 % мировых запасов. Природного газа в недрах земли осталось несколько больше, чем нефти, но и его запасы также будут исчерпаны в ближайшие десятилетия.

Что касается каменного угля, то на планете его достаточно много: еще несколько столетий в угле не будет недостатка. В настоящее время израсходовано не более 5% разведанных запасов. Из-за меньшей калорийности каменного угля, чем нефти и газа, а также ряда других причин, этот вид топлива не может конкурировать с нефтью и газом. Следует учитывать, что использование каменного угля связано со значительно более сильным загрязнением нашей планеты, чем при использовании нефти и газа. Поэтому наличие значительных запасов каменного угля не может служить основой для решения энергетической проблемы. Наше поколение не имеет права продолжать опустошать недра, не думая о будущих поколениях. Следовательно, овладение альтернативными источниками энергии - актуальнейшая задача современности.  Острота проблемы возрастает в связи с тем, что индустриальные страны не могут дальше мириться с существующей энергетической зависимостью от слаборазвитых стран, где сосредоточено большинство запасов нефти и газа, что приводит к политической напряженности в мире. Кроме того, к середине XXI века ожидается резкое увеличение народонаселения.

Помимо исчерпаемости энергоресурсов, жестким ограничителем роста нефтегазовой энергетики становятся экологические проблемы. Энергетические установки во всем мире ежегодно выбрасывают в атмосферу сотни миллионов тонн золы, десятки миллионов тонн сернистого ангидрида. Вредные вещества, содержащиеся в выбросах и разрушающие камень и сталь, поступают в организм человека, и ему нелегко выдержать такую атаку. В результате в промышленных центрах наблюдается рост заболеваний органов дыхания. Сжигание топлива ежегодно увеличивает концентрацию углекислого газа в атмосфере планеты на 0,03 %, что ведет к повышению среднегодовой температуры у поверхности Земли (парниковый эффект). А повышение температуры воздуха всего на 1°С приводит к уменьшению мирового запаса продуктов питания на 1-3 % вследствие таяния ледников и затопления плодородных территорий средней части Европы. Есть основания полагать, что наблюдаемое в последние годы потепление климата нашей планеты обусловлено парниковым эффектом.

Человек потребляет всего 3 кг воздуха в сутки, а, например, современный реактивный самолет за рейс из Парижа в Нью-Йорк – 35 т. За время поездки на автомобиле в течение 1 часа расходуется такое количество кислорода, которое необходимо для поддержания жизнедеятельности 10.000 человек. При современном топливном балансе расход кислорода на сжигание нефти и газа примерно в 5 раз превосходит его потребление всем населением Земли. Таким образом, проблема чистого воздуха стала проблемой века.

Исчерпаемость энергоресурсов и сложившаяся экологическая ситуация настоятельно требуют начать отход от нефтегазовой энергетики, которая на современном этапе полностью себя исчерпала. Выходом из создавшегося положения является использование новых источников энергии, которые не нарушали бы газового баланса атмосферы.

В процессе поиска путей решения энергетической проблемы было обращено внимание на уже известные восполняемые источники энергии с целью создания на их базе мощных энергетических комплексов. К ним относятся: энергия солнца и ветра, геотермальное тепло и гидроэнергетика. Анализ показал, что ни один из этих источников не может решить энергетическую проблему в глобальном масштабе. Это обусловлено тем, что невозможно создать энергетику больших мощностей путем прямого преобразования геотермального тепла, энергии солнца или ветра в электрическую, поскольку плотность потока энергии, снимаемая с единицы поверхности преобразователей, крайне мала. Применение восполнимых источников может покрыть 1-2 % потребностей в энергии.

Что касается гидроэнергии, то в общем энергетическом балансе планеты она составляет не более 5 %. Эти ресурсы уже задействованы. Дальнейшее увеличение использования гидроэнергетики связано с затоплением больших территорий, что не всегда является рентабельным. Еще неизвестно, насколько, с экологической точки зрения, было оправдано строительство в России Волжской и Братской гидроэлектростанций.

Наиболее достойной альтернативой нефтегазовой энергетики является водородная энергетика. Имеется в виду использование энергии, выделяемой при горении водорода. Энергоемкость водорода примерно в 2,5 раза выше, чем бензина. Водород также и экологически «чистое» топливо, поскольку при сгорании водорода образуется только водяной пар, который, попадая в атмосферу, начинает участвовать в круговороте воды, а значит, в дальнейшем опять станет источником получения водорода.

Водород как альтернатива нефти и газу в качестве источника энергии начал рассматриваться с шестидесятых годов ХХ века, т.е. в период первого энергетического кризиса. Эти работы активно ведутся во многих передовых странах. В настоящее время нет принципиальных трудностей на пути создания водородного двигателя. Технически решены и вопросы, связанные с транспортированием водорода на большие расстояния. Сложнее обстоит дело с получением водорода в больших масштабах.

Водород получают сейчас из природного газа методом конверсии. Но природный газ сам по себе прекрасное топливо, и его запасы исчерпаемы. Второй путь получения водорода – методом электролиза. Промышленность освоила выпуск сравнительно мощных электролизеров. Но вряд ли такой путь сможет обеспечить получение водорода в  количествах, способных заменить нефть и газ. Переход на водород потребует существенного роста его производства путем электролиза, что повлечет увеличение расхода нефти и газа, т.е. получается замкнутый круг.

При существующих методах получения водорода его практическое использование в ближайшие годы, видимо, произойдет в автомобильном транспорте. Это связано не только с дороговизной бензина, но и крайне неблагополучной экологической обстановкой в крупных городах, что обусловлено вредными выбросами автотранспорта. Водород в автомобилях может быть использован в виде топливной кассеты, представляющей собой гидридную металлическую губку, либо в сжиженном виде. Такой путь использования водорода решает в большей мере экологическую проблему (уменьшение загазованности крупных городов), чем энергетическую.

Глобальный перевод энергетики на водородное топливо может произойти лишь тогда, когда мы освоим процесс термохимического разложения воды на водород и кислород. Этот процесс происходит при температуре 800-900° C. Получать такую температуру, без использования традиционных источников энергии (нефть, газ), можно в высокотемпературных ядерных реакторах. Следовательно, смыкание атомной энергетики с водородной – единственный реальный путь решения энергетической проблемы на данном этапе развития общества.

Безусловно, энергетическая проблема будет полностью решена после того, что человечество овладеет термоядерной энергией. Но на этом пути, к сожалению, возникло ряд принципиальных трудностей. Можно полагать, что человечество сумеет овладеть термоядерным синтезом не ранее второй половины нашего века.

Отметим, что проблемой ядерно-водородной энергетики начали заниматься во второй половине прошлого века. К семидесятым годам в США, бывшем СССР, Германии были созданы и проходили испытания первые опытные высокотемпературные  ядерные реакторы. Теплоносителем в таких реакторах является гелий, который разогревается в активной зоне до температуры 750-950°C и подается в теплообменник, а оттуда по второму контуру к химическому реактору, металлургическим печам и т.д. Трудности возникли с созданием теплообменника, поскольку инертный газ гелий становится крайне агрессивным при указанных температурах.

Чернобыльская катастрофа приостановила работы в области атомной энергетики. Такие страны, как Дания, Бельгия, Австрия наложили «табу» на развитие АЭС. Еще дальше пошли Германия и Швеция, объявив о закрытии к 2010 году действующих атомных электростанций (АЭС). Германия даже успела закрыть в прошлом году одну из самых крупных АЭС – Нижне-Саксонскую.

К счастью, в последние два-три года наступил период пересмотра поспешных антиатомных позиций. В частности, Финляндия, население которой с особым трепетом относится к экологической чистоте страны, приняла в 2002 г. решение о строительстве третьего блока АЭС. В России пущен третий блок Калининской АЭС и в ближайшем году будет введен такой же блок на Волгодонской АЭС. Швеция намеревается снять запрет с атомной энергетики. Это свидетельствует о том, что человечество начинает преодолевать «чернобыльский синдром», который не позволял энергии атома занять достойное место в решении энергетической проблемы. Нам кажется, что будущие поколения нам не простят, что мы продолжали опустошать недра и загрязнять атмосферу, уже овладев ядерной энергией. Тем более, что атомная энергетика за свою полувековую историю убедительно доказала свою жизненность, экономические и экологические преимущества.

Атомные электростанции не потребляют кислород, в результате не образуется углекислый газ, который формирует парниковый эффект, отсутствуют выбросы токсичных веществ (сажа, сера, окислы азота). Доза излучения, создаваемая радиоактивными выбросами всех действующих АЭС, ничтожно мала и составляет 0,005 % от дозы, обусловленной естественным радиоактивным фоном.

Чернобыльская трагедия, а также наблюдавшийся рост числа крупных техногенных катастроф (столкновения самолетов и поездов, взрывы  химических заводов, нефте- и газохранилищ) потребовали пересмотреть принципиальные подходы к обеспечению безопасности мощных энергетических установок и, в первую очередь, атомных реакторов. Безопасность стала превалировать над любыми другими экономическими, техническими и технологическими показателями вводимых в строй ядерных установок.

Чтобы более четко представить себе роль и место водородной энергетики в будущем, рассмотрим существующую структуру расхода топливных ресурсов (нефть, газ, каменный уголь) в индустриально развитых странах. 35 % всех топливных ресурсов расходуется на отопление и технологические процессы, потребляющие низкотемпературное тепло (150-250°С). 20 % - на получение электроэнергии для бытовых нужд, 20 % - на обеспечение топливом всех видов транспорта, 25 % - в промышленности для получения высокотемпературного тепла (800 - 1000°С), необходимого в металлургической и химической промышленности (именно такое тепло, как указывалось выше, необходимо для термохимического разложения воды на водород и кислород). Отмечалось, что решить проблему получения водорода путем термохимического разложения воды можно осуществить на основе высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Наряду с этим ВТГР могут быть использованы также для получения синтетических углеводородов, газификации каменного угля и т.д.. В результате задачи, стоящие перед современной энергетикой, придут в соответствие с возможностями атомной энергетики и позволят человечеству отказаться от экологически неприемлемых и исчерпаемых в ближайшем будущем традиционных источников энергии – нефти и природного газа.

Исходя из изложенного, будущее энергетики нам представляется следующим. На базе ВТГР можно создать многоцелевые ядерно-энерготехнологические комплексы (ЯЭТК), где высокотемпературное тепло будет непосредственно использоваться для получения водорода термохимическим путем, а также частично на химических и металлургических производствах. Полученный водород по трубопроводам будет доставляться потребителям и использоваться как «горючее» в транспортных средствах, для получения электроэнергии и тепла и т.д., заменяя нефть и газ.

* * *

В одном из интервью, вскоре после Чернобыльской катастрофы, меня спросили: «Есть ли будущее у атомной энергетики?» Я ответил: «У человечества нет будущего без атомной энергии».

Будем надеяться, что человечество приблизит эру термояда, когда мы овладеем поистине неисчерпаемым и экологически абсолютно чистым источником энергии.

Проф. У. Маргулис (Бохум)