Учёные мечтают о технологиях, которые позволили бы удовлетворить все энергетические потребности планеты с учётом интересов экологов. «Ведомости. Экология» изучила три направления энергетики, которые могут изменить всё
Некарбонная энергетика интересует прогрессивный мир уже несколько десятилетий: идея получения электроэнергии из возобновляемых источников привлекает не только учёных и инженеров, но и инвестиции и политическую волю. Для некоторых стран это вопрос уменьшения энергозависимости, для других – прежде всего экологическая ответственность.
Эффективность усваивания энергии солнечного света, движения воздушных и водных масс растёт благодаря совершенствованию технологий. Но в мировом масштабе этот рост слишком мал для решения экологических и энергетических проблем планеты. Сегодня Европейский союз и США ставят своей целью получать 100% необходимой энергии из возобновляемых источников с минимальным карбоновым следом к 2050 г. (Германия – к 2045 г.), и для этого необходимо решить немало технических и экономических задач.
Учёные мечтают о технологиях, которые позволили бы удовлетворить все энергетические потребности планеты с учётом интересов экологов. Эти мечты штурмуются с разных сторон и могут стать более реальными.
Космическая энергетика
Идея космических солнечных электростанций существует несколько десятилетий. Потенциально солнечная энергия может удовлетворить все имеющиеся энергетические потребности человечества: достаточно захватить 1% из 173 000 трлн Вт солнечной энергии, попадающих на планету. Станции, размещённые в космосе, в отличие от наземных ферм смогут улавливать энергию Солнца до рассеивания в атмосфере планеты независимо от погоды, смены сезонов и времени суток.
Главная причина, по которой электроэнергия пока не падает землянам с неба, – её высокая стоимость. «Создание орбитальной солнечной электростанции – проект наивысшей технической сложности, – констатирует член-корреспондент российской Академии космонавтики им. Циолковского Андрей Ионин. – Поднять на орбиту части солнечной электростанции, смонтировать их, запустить, обеспечивать работоспособность, ремонт вышедших из строя частей и ещё поддерживать канал передачи на Землю. В этом проекте много хайпа, как и в других масштабных космических затеях, но пока мало просчитанных бизнес-моделей».
Чрезвычайно высокая стоимость создания космической электростанции до сих пор служила препятствием к реализации таких проектов (например, консорциум в составе Lockheed Martin, Boeing, трёх подразделений НАСА – Центра Маршалла, Центра Гленна и Лаборатории реактивного движения – планировал создать орбитальную электростанцию гигаваттного уровня к 2016 г.). Группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планировала создать космическую электростанцию к 2025 г. в рамках проекта Solarbird. Общая сумма инвестиций в проект оценивалась в $24 млрд.
В октябре прошлого года исследовательская лаборатория ВВС США объявила о программе разработки оборудования для спутника на солнечной энергии стоимостью $100 млн. Возможно, военные заинтересованы в технологиях круглосуточного питания беспосадочных беспилотников или удалённых военных баз. В свой шестой запуск космический самолёт X-37B взял на борт солнечную сэндвич-панель, разработанную физиками из Военно-морской исследовательской лаборатории, для проведения первого орбитального эксперимента с космической солнечной энергией.
В 2019 г. китайские государственные СМИ сообщили о намерении страны построить орбитальную солнечную электростанцию и начать передачу энергии из космоса на Землю уже к 2030 г. Китай рассматривает возможность использования 3D-печати для строительства станций в космосе, чтобы сэкономить на доставке готовых элементов на орбиту. Объект для проверки концепции проекта уже строится в Чунцине в Центральном Китае.
10 марта прошлого года Московский радиотехнический институт РАН получил патент на систему передачи энергии на Землю с орбитальной солнечной электростанции: учёные предлагают развернуть космическую солнечную электростанцию (КСЭС) на высоте от 300 до 1000 км и при пролёте над наземным приёмным пунктом передавать накопленную в аккумуляторах электростанции энергию с помощью микроволн.
В 2013 г. головное научное учреждение «Роскосмоса» ЦНИИмаш выступило с инициативой создания российских КСЭС мощностью 1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Идея состоит в том, чтобы разместить на геостационарной орбите отражатели, которые будут улавливать солнечную энергию, преобразовывать её и отправлять на Землю.
В 2015 г. «Роскосмос» сообщил об идее провести эксперимент по беспроводной передаче энергии в космосе: вместо провода планировалось использовать лазерный луч – по нему электричество с борта российского сегмента МКС передавалось бы на транспортный корабль «Прогресс», отведённый от станции на расстояние около 1,5 км. Подготовкой эксперимента занимались специалисты РКК «Энергия» – они осуществляли наземную отработку технологии передачи электроэнергии с одного объекта на другой посредством лазерного инфракрасного излучения.
В 2018 г. в РКК «Энергия» и «Роскосмосе» сменилось руководство, и с тех пор об эксперименте по передаче энергии ничего не сообщалось.
«Для меня не очевидны преимущества подзарядки в космосе с помощью лазерного луча от орбитальных солнечных электростанций, – говорит Ионин. – Более обоснованной и технически проработанной представляется идея выработки энергии в космосе с помощью ядерных реакторов. Соответствующий научный и технологический задел у нас есть со времён СССР, сейчас создаётся орбитальная установка мегаваттного класса».
Чистый водород
Энергетический потенциал самого распространённого элемента во Вселенной известен давно: уже в 1807 г. французский изобретатель Исаак де Риваз подал заявку на патент под названием «использование взрыва светильного газа или иных взрывающихся материалов как источника энергии в двигателе».
Теплота сгорания водорода в несколько раз больше, чем у природного газа, бензина или дизельного топлива той же массы, и в процессе образуется только водяной пар. Эти особенности вызывали периодические всплески интереса к водороду – например, в связи с нефтяными кризисами 70-х гг. Интерес стал более стабильным в 90-х из-за растущих экологических настроений: многие государства стремятся к углеродному нейтралитету, осознавая нынешнюю ограниченность возобновляемых источников энергии.
Проблема в том, что свободного водорода на нашей планете практически не существует и чистых способов его получения немного.
«С экологической точки зрения самым чистым способом получения водорода является электролиз. Но если говорить о климатической повестке, здесь важен не только способ, но и источник энергии для него: для получения действительно зелёного водорода она должна поступать из возобновляемых источников энергии (ВИЭ)», – рассказывает глава Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики РАН Юрий Добровольский.
При этом нужно учитывать выбросы СО2 на всех стадиях производства, в том числе при производстве электролизера. А такое производство, как и строительство самих ВИЭ-мощностей, сопровождается достаточно большим углеродным следом. «Кстати, метод пиролиза – разложения природного газа на углерод и водород – при определённых условиях может оказаться даже более чистым, так как СО2 будет выделяться уже в виде сажи, которая сама по себе является промышленным продуктом», – отмечает Добровольский.
Кроме того, пока ещё велики риски хранения водорода: он взрывоопасен, а его утечки сложно зафиксировать.
Если же говорить о взрыво- и пожаробезопасности, следует признать, что водород в этом плане опасен, как и другие горючие газы. Причём нижние пределы взрывоопасности водорода и природного газа очень близки, разница около 0,5%, хотя при этом тепловой эффект при взрыве водорода выше, отмечает Добровольский. Но это компенсируется тем, что, если не запирать водород в замкнутом помещении (достаточно создать элементарную вентиляцию), он, будучи самым лёгким газом в природе, улетучится очень быстро. Тот же природный газ удаляется из помещения в 8 раз медленнее, чем водород, а пары нефтепродуктов, например керосина, – в 20–30 раз медленнее. Причём такие пары скапливаются внизу, тогда как природный газ и водород идут наверх. Таким образом, правила безопасности при использовании водорода примерно такие же, как и при использовании природного газа.
«Ещё один спорный момент: в природный газ добавляют меркаптаны – как раз для того, чтобы человек мог уловить утечку на уровне обоняния. Однако взрывы газа происходят, как правило, тогда, когда человек не чувствует запаха или в помещении никого нет. Обычно проблему решают датчики пожароопасности – но они реагируют на температуру и дым, когда уже был взрыв и начался пожар. А для фиксирования утечек водорода есть простые и дешёвые (гораздо дешевле, чем датчики пожароопасности) устройства. И чтобы решить проблему, достаточно просто запустить вентиляцию», – говорит Добровольский.
Тем не менее из-за доступности и энергетического потенциала водорода все развитые страны делают подходы к снаряду водородной экономики. Утилизация CO2, получаемого в процессе паровой конверсии, оптимизируется с точки зрения воздействия на экологию, а энергозатраты, необходимые для производства водорода, переносятся на излишки чистых источников – солнечных и ветряных, а также атомных электростанций.
Сегодня – в основном для нужд нефтехимической промышленности – в мире производится около 65 млн т водорода (из них примерно 5 млн т – в России), примерно в 40 раз меньше, чем добывается природного газа. Но скоро это изменится: страны одна за другой планируют масштабные изменения своих энергетических систем в пользу использования водорода.
В апреле стало известно и о российской «Концепции развития водородной энергетики до 2024 г.», где говорится, что страна намерена занять 20% мирового рынка уже к 2030 г., поставляя 7,9–33,4 млн т экологически чистого водорода и зарабатывая на экспорте от $23,6 млрд до $100,2 млрд в год.
Для увеличения производства необходим и рост спроса, над этим ведётся работа по всему миру. Honda, Toyota, Hyundai и другие автопроизводители выпускают на рынок автомобили, работающие на водороде.
Пока водородомобили проигрывают в экономике пользования электрическим. Но если цена водорода снизится до $3–4 за 1 кг, что, по словам Добровольского, вполне реально, водородный транспорт станет выгоднее не только электромобилей, но и классических автомобилей. Однако для развития водородного транспорта нужны заправки, водородная инфраструктура на сегодняшний день гораздо дороже, чем электрическая, не говоря уже о бензиновой. «Здесь необходима поддержка государства хотя бы в варианте государственно-частного партнёрства. В России до 2020 г. водородных заправок не было вообще. В прошлом году появилась первая, у нас в Центре компетенций НТИ, и пока она остаётся единственной», – говорит Добровольский.
По данным Newatlas.com, к концу десятилетия автомобилей, работающих на водородных топливных элементах, в мире станет 4,5 млн, водородных заправочных станций – 10 500.
В 2018 г. в Германии пустили первый в мире водородный поезд. В сентябре 2019 г. подписано соглашение между «Росатомом», РЖД и «Трансмашхолдингом» об организации в России железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах . По сообщению РБК, первый опыт будет проведён на Сахалине: к 2024 г. «Трансмашхолдинг» произведёт для проекта семь поездов общей стоимостью более 3 млрд руб. Стоимость билета на такой поезд составит от 1,8 до 27,30 руб. за 1 км.
Американский стартап HyPoint объявил о разработке водородного топливного элемента, мощность которого втрое выше выпускаемых сегодня таких элементов, а пиковая мощность – 2 кВт/кг. Начать серийный выпуск новых элементов для коммерческой авиации – в первую очередь для среднемагистральных электрических самолётов – планируется не позднее 2023 г.
Растёт востребованность водорода и в энергетике – например, стационарные топливные элементы размером с холодильник позволяют обеспечивать теплом и электричеством отдельные домохозяйства. Японцы, одни из лидеров мировой водородной энергетики, планируют к 2030 г. установить более 5 млн таких элементов и построили свою олимпийскую деревню с отоплением, электроснабжением и транспортом, работающими на водороде.
Все эти изменения производят впечатление, но главной проблемой водородной экономики по-прежнему остаётся её неэкономичность. Сегодня многие коммерческие и научные центры в мире работают над повышением экологичности и сокращением стоимости производства, безопасного хранения, транспортировки и использования водорода.
Геотермальная энергетика
Ещё один условно неисчерпаемый источник чистой энергии находится буквально у нас под ногами. Запасы тепла Земли огромны – тепловой поток, ежегодно проникающий из недр через поверхность планеты, в 17 раз больше всей мировой выработки – и полностью независимы от изменчивых атмосферных условий. Коэффициент использования установленной мощности ГеоТЭС – главный параметр эффективности любой энергостанции – может достигать 80%, что невозможно для любой другой альтернативной энергетики.
Кроме того, геотермальные станции компактны – ГеоТЭС с выработкой 1 ГВт ч/год займёт площадь 400 кв. м (для сравнения: солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 кв. м), экологичны – всего 60 г CO2 на 1 кВт ч выработанной энергии (у угольных станций – примерно 1000 г CO2) и могут дать возможность параллельной добычи полезных ископаемых: на некоторых станциях пар из скважин содержит весомые доли ценных химических компонентов.
Но сегодня на геотермальную энергетику приходится не более 1% мировой выработки энергии. Проблема в том, что плотность теплового потока, выходящего на поверхность планеты, в десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения, а горячие воды подходят близко к поверхности только в местах вулканической активности, т. е. доступны далеко не везде. Даже для отопления требуется температура не ниже 50 °C, а чтобы ставить целью энергогенерацию, необходима температура теплоносителя от 150 °C.
Очевидный вывод – необходимо бурить глубокие скважины, чтобы пробиться к горячим горизонтам планеты там, где энергия необходима. Но температура Земли растёт с глубиной довольно медленно, обычно повышаясь всего на 25–30 °C на 1 км, т. е. для генерации электроэнергии порой нужны скважины в несколько километров. Глубокое бурение обходится дорого, и экономическая целесообразность заставляет выбирать сейсмоактивные регионы, а значит, всегда существует риск спровоцировать землетрясение, подобное произошедшему в южнокорейском Пхохане в ноябре 2017 г., когда от толчков магнитудой до 5,4 балла пострадало более 100 человек. Ущерб оценили в $75 млн.
Проблема индуцирования землетрясений в геотермальной энергетике похожа на возникающую при использовании в нефтедобыче технологии гидроразрыва пласта. При эксплуатации геотермальных электростанций важно, чтобы на «рабочей» глубине, куда под большим давлением закачивается вода и где она нагревается, в породах было много трещин. О том, что эта технология существенно повышает риск землетрясений, было известно, но до пхоханского землетрясения считалось, что контроль мощности толчков и уменьшение объёма и давления закачиваемой жидкости позволяют избежать проблем. Оказалось, что этого недостаточно – помимо мощности необходимо отслеживать положение и локализацию толчков относительно глубинных разломов.
Сегодня несколько компаний работают над усовершенствованием технологий геотермальной энергетики, но на этом рынке наблюдается явный дефицит инвестиций: энергетические приоритеты смещены в другие области.
Наталья Федосова Фёдор Сафронов Иван Чеберко
