Энергетика будущего

Содержание

 

Введение
К солнечной эре энергетики
Термоядерный синтез
Высотный ветер
Волны и приливы
Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современная энергетика, как  зарубежных стран, так и нашей  страны, основана преимущественно на потреблении углеводородных энергоресурсов. Электростанции сжигают природный газ, мазут и уголь. Двигатели автомобилей, самолетов и других массово применяемых машин используют также топливо на основе невозобновляемых углеводородных природных ресурсов. В общем балансе потребляемой энергии только атомная и гидроэнергия составляют крупную долю — где-то около одной четверти в нашей стране.

Доля солнечной, геотермальной  энергии, энергии ветра, морских  волн увеличивается значительными  темпами, но продолжает составлять очень  небольшую величину. Рассчитывать на существенные прорывы в этой области пока не приходится, хотя в целом ряде стран наметился большой прогресс. Так, Франция около 80% электроэнергии получает на АЭС, Исландия и Дания значительную долю электричества вырабатывают с помощью ветра и т. д. Но в последние годы наметился инновационный поворот к использованию более эффективного энергоресурса — водорода.

Современные авиационные, ракетные и автомобильные двигатели, топливные элементы все чаще начинают возвращаться к частичному или полному использованию водорода. Водород обладает целым набором качеств, делающих сегодня его употребление выгодным: он имеет большую энергоэффективность и химическую активность, в результате его сгорания образуется вода, не обладающая токсичностью и не наносящая ущерба окружающей среде. Правда, есть и недостатки; главные из них — дороговизна производства и пожароопасность.

Учитывая существенный рост цен на энергоресурсы и серьезные  экологические проблемы, некоторые страны уже приняли законы и государственные программы по изучению водородных технологий и широкому их применению. В их числе Исландия, США, Япония, ЕЭС.

России водородная проблематика давно и активно изучалась, правда, в основном для военного применения, достаточно вспомнить, что топливные элементы летали в космос на "Буране".

Атомно-водородная энергетика разрабатывается в нашей стране еще с начала 70-х годов прошлого столетия. В последнее время водородная тематика активно обсуждается. Уже проведены крупные международные научные конференции. ГМК "Норильский никель", крупнейшая в России и одна из крупнейших в мире компаний по производству драгоценных и цветных металлов, произвел значительные инвестиции в отечественную академическую науку, купил крупный пакет акций американской инновационной компании, ориентированной на разработку топливных элементов. Интерес "Норникеля" понятен: он — крупнейший производитель палладия и всех других платиноидов, без которых невозможно производство топливных элементов, существенно увеличивающих КПД производства энергии без нанесения вреда окружающей среде.

Концепция водородной энергетики, можно считать, сформировалась. Это  — производство водорода, транспортировка  его и хранение, эффективное использование, надежность и безопасность.

За годы пристального внимания науки к водороду и его практического  использования накопился опыт, на основе которого можно сформулировать несколько стратегических задач  для отечественного нефтегазового  комплекса.

Первая — энергетическая безопасность, провозглашенная нашим  президентом как стратегическая программа, для реализации которой у России есть неоспоримые преимущества, она может получить серьезное усиление за счет принятия программных долгосрочных документов по водородной энергетике, конкретизирующих инновационность сформулированной задачи, но при обязательном регулировании этих процессов государством.

Вторая задача связана  с тем, что существенный прогресс водородной энергетики, особенно в  больших мегаполисах, возможен только за счет реального получения больших объемов водорода. Производство его методом электролиза воды в больших масштабах пока не получается, но есть метод риформинга — каталитического разделения природного и попутного нефтяного газа, который на начальном этапе поможет получить промышленные потоки водорода и практически отработать остальные элементы водородной концепции. Но эти вопросы нельзя решить без заинтересованности нефтяников и газовиков. Нужна активная позиция менеджмента нефтегазовой отрасли. Водородные автозаправки уже работают в Японии и США, пора открывать их и в Москве.

Третья задача определяется тем, что новые коммерческие продукты переработки углеводородов с получением промышленных объемов водорода очень важны для инновационного развития нашей страны. Как в свое время план ГОЭЛРО, массовое использование водорода вызовет синергетический эффект во всех сферах жизнедеятельности России, и поэтому инициаторы вправе рассчитывать на льготы в форме государственной поддержки, налоговых каникул и других преференций. Прибыльность отрасли и ее общественная значимость возрастет.

И наконец, четвертая задача: комплексный подход к использованию  минерально-сырьевых и особенно энергетических ресурсов не может мириться с современными параметрами эффективности использования отечественных возможностей. Государственные компании могут и должны активнее демонстрировать динамику опережающего развития, выступать фирмами-операторами, объединяющими корпоративные возможности совершенствования всего воспроизводственного энергетического цикла с выдачей инновационных продуктов, создающих основу для устойчивого развития России. "Роснефть" имеет лидирующие позиции для инициатив в этом направлении.

 

К солнечной эре  энергетики

 

Создание атомной техники  по праву признано революцией в энергетике, и ее творцы не без оснований утверждают, что сердцевиной энергетики будущего должна стать и станет атомная  энергия. Так можно ли в этих условиях вести речь о каком-то «солнечном веке» энергетики? Да, еще совсем недавно такие разговоры были бы безосновательны. Но сегодня при  быстром сокращении легкодоступных запасов нефти и газа и постоянном ужесточении требований к химической, радиационной и тепловой чистоте  энергопроизводства уже очевидно, что  скоро развитие земной энергетики будет  сдерживаться не техническими, а экологическими барьерами, и мощные термоядерные электростанции скорее всего придется располагать  вне Земли. В то же время идет быстрое  совершенствование процессов улавливания  и преобразования абсолютно чистой во всех отношениях солнечной энергии.

Еще более замечательные  перспективы открываются перед  солнечной энергетикой в космосе. Не случайно о развитии этого направления  очень заботился, будучи руководителем  советской космической программы, академик М. В. Келдыш. «На совещаниях у него, вспоминает академик В. С. Авдуевский, не раз рассматривались различные  варианты конструкций орбитальных  солнечных электростанций, способы  выведения и сборки в космосе, вопросы создания пленок для солнечных  батарей, проблемы преобразования энергии  и передачи ее на Землю с учетом охраны окружающей среды и экономического эффекта».

Основное преимущество солнечной  энергии состоит не только в том, что ее источник практически неисчерпаем, но и в том, что в экологическом  отношении она совершенно чиста, то есть не загрязняет окружающую среду  вредными для всего живого продуктами и гибельной радиацией. Энергия  Солнца огромна по своим масштабам.

В ограниченных масштабах  солнечная энергия уже используется, например, для нагревания воды и  обогревания жилищ. В удаленных  районах нашей страны работают сотни  небольших солнечных электростанций. Они питают береговые маяки и  бакены, дают энергию метеостанциям  и водоподъемникам, помогающим осваивать  пустыни. Правда, вырабатываемое ими  электричество в 500 и более раз  дороже, чем на тепло— и гидроэлектростанциях. Это существенно сдерживает развитие наземной солнечной энергетики. Однако специалисты видят возможность  снижения стоимости вырабатываемой наземными солнечными электростанциями энергии на один-два порядка, если сюда будут приложены значительные усилия и материальные затраты. Но наземная солнечная энергетика, очевидно, в  любом случае сможет играть только вспомогательную роль. Другое дело, если солнечные электростанции становятся космическими.

Сбор лучистой энергии  Солнца в космосе, преобразование ее в электрическую и передача на Землю для использования в  народном хозяйстве имеют принципиальные преимущества по сравнению с ее улавливанием наземными установками. Среди них  повышенный уровень солнечной радиации, непрерывность процесса производства энергии, возможность развертывания  в космосе сооружений грандиозных  размеров, уменьшение расхода конструкционных  материалов, минимальное влияние  на окружающую среду в процессе эксплуатации системы. Вслед за К. Э. Циолковским, первым указавшим, на эти преимущества, большое внимание проблемам освоения энергии Солнца в космическом  пространстве уделяли Н. А. Рынин  и М. К. Тихонравов.

В настоящее время солнечная  энергия в космосе используется на космических аппаратах для  обеспечения жизнедеятельности  экипажа и энергоснабжения аппаратуры. Ведутся работы по использованию  солнечной энергии для питания  маршевых электрореактивных двигателей (ЭРД) космических аппаратов, предназначенных  для полета в труднодоступные  области межпланетного пространства.

 

В наши дни проблема овладения  солнечной энергией космоса становится одним из основных стимулов развития внеземного производства, подобно тому как в конце прошлого века она  послужила основой самого рождения научной космонавтики. Тогда К. Э. Циолковский поразился общеизвестному факту, что почти вся энергия  Солнца пропадает бесполезно для  людей, и целеустремленно стал искать способ овладения всей этой энергией. В результате им была создана теория реактивного движения и изобретена ракета на жидком топливе как реальное средство осуществления космических  полетов. Мечта о полете к звездам  превратилась в науку теоретическую космонавтику. Опубликованную в 1912 году вторую часть своей основополагающей работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Циолковский завершил словами: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле.

Национальные программы  по развитию данной отрасли приняты  сегодня в странах Евросоюза, в России, США, Японии, Индии и  др. Стратегия разработана до 2050 г., однако масштабные сдвиги в энергетике требуют большой подготовительной работы, частью которой и стала  данная конференция. Она собрала  ученых, промышленников, предпринимателей, которые не только обсудили планы  развития отрасли, но и затронули  ее экологические и социально-экономические  аспекты, а также представили  научные разработки, готовые проекты  и образцы оборудования. Собравшиеся  отмечали, что отечественная программа  по водородной энергетике отражает имеющийся  в стране научный и энергетический потенциал, но требует тщательно  продуманного финансирования.

 

 

 

Термоядерный  синтез

 

В современном мире ядерное  оружие играет самую важную роль в  сохранении мира на земле, и как это  не парадоксально, одновременно являясь  способом его погубить. В то время  как управляемый термоядерный синтез, поможет человечеству выжить в будущем, оставшись в обозримом будущем  одним из немногих источников энергии  на Земле.

Согласно общей теории если частицы, обладающие собственной  энергией, приблизить друг к другу  до расстояний, при которых начинают действовать ядерные силы, то образуется целостная система, энергетически  более выгодная (с меньшей внутренней энергией), чем исходная система  разрозненных частиц. При этом излишек  исходной энергии частиц высвобождается в форме энергии связи, которая  может придать определенную скорость образовавшемуся ядру, то есть разогреть  получившееся в итоге вещество.

Условия, необходимые для  реакции ядерного синтеза, возникают, например, в недрах звезд, где гравитационное сжатие вещества приводит к его разогреву  до таких температур, при которых  отдельные ядра могут преодолевать силы кулоновского отталкивания и сближаться друг с другом до критических расстояний. Аналогичные условия могут возникать  при взрыве атомной бомбы. При  этом реакция расщепления урана  создает условия, аналогичные условиям в недрах звезд, после чего начинается реакция синтеза, например, ядер гелия  из ядер водорода. На этом принципе основано действие термоядерной бомбы.

Термоядерная реакция  — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые. Для  того чтобы произошла реакция  синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь  большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия  ядер определяется их тепловым движением  то можно сказать, что для реакции  синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Этот термин может использоваться даже в тех случаях, когда реакция ядерного синтеза происходит при низкой температуре, например в том случае, когда кинетическая энергия ядер связана с их направленным движением, а не тепловым.

Атомные ядра имеют положительный  электрический заряд. На больших  расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для  того, чтобы произошло слияние  ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное  взаимодействие. Это расстояние —  порядка размера самих ядер и  во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные  оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное  электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна  квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера  ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.