Плюс электрификация всей Земли… Экологический тотализатор: кто успеет раньше?
АрхивОтто Вайнбергер - в недавнем прошлом профессор факультета физики и геофизики Лейпцигского университета, большую часть жизни прожил в СССР, а в последние годы занимается - по его собственному шуточному выражению - "экологическим тотализатором": "Пытаюсь понять, кто "успеет" раньше - глобальный сырьевой кризис или мы со своими высокими технологиями".
Отто Вайнбергер - в недавнем прошлом профессор факультета физики и геофизики Лейпцигского университета, большую часть жизни прожил в СССР (его отец был одним из тех немецких ракетчиков, которые после войны некоторое время работали в институте, специально для них созданном по образу и подобию довоенных "шараг"), а в последние годы занимается - по его собственному шуточному выражению - "экологическим тотализатором": "Пытаюсь понять, кто "успеет" раньше - глобальный сырьевой кризис или мы со своими высокими технологиями". В прошлом году он провел несколько семинаров в России и на Украине, посвященных этой проблеме. В форме заочного интервью он ответил на несколько вопросов, касающихся его видения тех трудностей, с которыми столкнется человечество в связи с прогнозируемым дефицитом нефти и газа.
Насколько серьезна для нас сегодня угроза дефицита энергоносителей?
Сегодня тревогу вызывает само отношение к проблеме. Мы очень легкомысленны. И, в общем, понятно почему - нам с вами лично ничто не грозит. А вот нашим внукам уже придется жить совсем в ином мире. А их детям и внукам трудно будет даже представить нашу с вами сегодняшнюю жизнь, основанную на сжигании нефти и газа. Думаю, в их глазах именно поэтому мы будем выглядеть дикарями, первобытными людьми.
Серьезна ли угроза? Конечно. Мы же не умеем обходиться без углеводородного топлива. И мы очень вяло развиваем технологии, позволяющие нам обходиться без него.
Какие это технологии?
И что тут говорить о будущем? Это в Союзе только и разговоров было, что о будущем. А здесь живешь, и ладно...
Сергей Довлатов
Думаю, нас ожидает своего рода "ренессанс" электротехники. Электротранспорт - единственная альтернатива существующим ныне средствам передвижения. Он неизбежно потребует создания новых двигателей, эффективных и недорогих аккумуляторов или топливных элементов. Те, что у нас имеются сегодня, пока не очень хороши. Кстати, производство водорода для них придется сделать массовым, что потребует разработки целых комплексов промышленного оборудования, оборудования для транспортировки и хранения этого газа, заправочного оборудования - огромное поле для инвестирования.
А выработка электроэнергии? Электричества нам нужно будет очень много - если дефицит топлива вынудит нас отказаться от привычных систем отопления, бытового и промышленного нагрева… Системы доставки электроэнергии к потребителям придется совершенствовать или вообще менять - нынешние не рассчитаны на такие нагрузки, которые потребуются. Нужно будет усовершенствовать теплогенерирующие устройства, постараться сделать их хоть немного более эффективными, чем существующие сегодня. Освещение переводить на полупроводники… Придется закрывать обычные электростанции и котельные и, может быть, переводить их на синтетическое топливо, но в это мне не очень верится, так как запасы органики в городах хоть и велики, но рассеяны по большим площадям, так что их сбор и доставка к местам переработки может оказаться дорогостоящей затеей. Похоже, только ядерная энергетика сумеет нас выручить. Но при условии решения всех проблем с безопасностью.
Эти проблемы решаемы?
Конечно, решаемы. Как и вообще все технологические проблемы. Но важны сроки. Тут ведь действительно вопрос стоит - "кто успеет раньше". Если топливный кризис наступит, когда мы к нему окажемся не готовы - коллапс экономики. Мировой экономики! Огромные социальные потрясения и, как следствие, большие политические проблемы практически во всех странах… Здесь возможны очень неприятные сценарии. Не говоря уже о том, что в этих условиях нормально заниматься наукой и техникой вряд ли получится, а это откат назад, регресс.
Сроки - это очень важно. Очень много и быстро нужно сделать в части технологии. Срочно потребуется много научных исследований. На все это нужны большие - государственных масштабов - денежные затраты, следовательно - государственная политическая воля. Ни денег, ни политической воли, направленной хотя бы на постановку этих задач на должном - государственном - уровне, ни у кого пока нет. Ни на Западе, ни у вас. Это тревожит.
Важная проблема - качество инженерной подготовки специалистов-разработчиков и пользователей технологий, особенно - опасных технологий. Дело в том, что нынешняя энергетическая и транспортная техника, при всем своем кажущемся совершенстве, тем не менее довольно груба и примитивна в сравнении с той, какая должна быть создана. То есть от инженеров вскоре потребуются более глубокие знания и более тонкое понимание физических процессов, чем те, которыми они обладают сегодня. Если вообще обладают… Падение качества массовой инженерной подготовки и у вас, и в Европе - это большая проблема, на решение которой уйдет много времени. Но так или иначе, успех "электрификации всей Земли" [Подросток Отто Вайнбергер учился в советской школе, потом в советском институте и, конечно же, помнит чеканную Ленинскую формулировку: "Коммунизм - это Советская власть плюс электрификация всей страны"] зависит от практического умения инженеров находить эффективные технические решения.
Опыт разработки и внедрения заводов по производству синтетического газа, накопленный в ряде стран, показывает, что по цене порядка 10–12 млн. долларов можно запустить производство, способное выдавать до 17–20 млн. кубометров газа в год при удельной стоимости 15 долларов за тысячу кубов. Цена вполне приемлемая.
Сырьем для газового завода является смесь древесных опилок, соломы, торфа и угля. Возможно использование отходов сельскохозяйственного и ряда химических производств. В основе технологии лежат биохимические процессы, которые еще далеки от совершенства. В частности, использование тонких ферментативных технологий, по оценкам специалистов, может увеличить производительность подобных заводов в 5–6 раз.
Не так давно интерес к этой технологии проявило правительство Филиппин. Как известно, Филиппины занимают первое место в мире по площади кокосовых плантаций, которые, по замыслу, и обеспечат сырьевую базу газового производства. Из отходов кокосового хозяйства планируется вырабатывать порядка 90 млн. кубометров синтетического газа в год.
Говоря о технологиях получения газа для использования в качестве топлива, нельзя не упомянуть о водороде. Известно, что именно на водород возлагаются наибольшие надежды как на "горючее" для автомобильных топливных элементов, в которых электроэнергия получается за счет химической реакции кислорода и водорода. Усилия многих ученых в разных странах мира направлены сегодня на разработку процессов получения водорода, не требующих использования нефти и других природных углеводородов, а также электролиза, нуждающегося в большом количестве электроэнергии. Исследователи экспериментируют с биологическими катализаторами - ферментами и их синтетическими аналогами.
Применять ферменты ученые планируют и в самих топливных элементах. В прошлом году Фрэзер Армстронг (Fraser Armstrong) и его коллеги из Оксфордского университета сумели использовать фермент для катализа окисления водорода в безопасной невоспламеняющейся смеси, содержащей всего три объемных процента водорода. Подкласс ферментов оксидоредуктаз - гидрогеназы способствуют окислению водорода, причем эффективнее, чем катализаторы на основе платины. Реакции протекают в топливном элементе, состоящем из графитового анода, модифицированного устойчивой к кислороду гидрогеназой R. metallidurans CH34 и графитового катода, модифицированного лакказой грибкового происхождения [Источник: Chem. Commun., 2006, 5033].
Исследователи из Оксфорда изучали ферменты-гидрогеназы, выделенные из водородоокисляющих бактерий семейства knallgas. Эти оксидоредуктазы устойчивы к действию кислорода и других газов, способных выступать в роли каталитических ядов для традиционных платиновых катализаторов. Энтони Ведд (Anthony Wedd), эксперт в области биохимии из Университета Мельбурна, отметил, что работа английских коллег является очень важным достижением, приближающим эпоху широкого использования водородной энергетики.
Как вы оцениваете качество подготовки молодых российских инженеров?
Я понимаю вас… (Здесь можно предположить грустную улыбку.) Знаете, им не хватает, я бы так выразился, - инженерной культуры. Это следствие ухода из системы образования множества очень культурных людей и талантливых инженеров. Прервалась линия преемственности. Вы же знаете, как важна научная школа для начинающего ученого. Для инженера важна инженерная школа - возможность учиться и работать с опытным и - главное - культурным специалистом. В сегодняшней России таких возможностей, мне кажется, стало гораздо меньше. Кстати, инженерная подготовка во времена СССР была намного глубже западной - поверьте, я могу об этом судить.
Инженерная культура - это очень важно. Я бы даже сказал - жизненно важно. Думаю, в самом скором времени нам придется иметь дело с большим количеством потенциально очень опасных технических объектов. Атомные станции, хранилища отходов и заводы по их переработке. Объекты водородной энергетики. И, кстати сказать, химические предприятия тонкого органического синтеза, биотехнологические предприятия, которым предстоит осваивать какие-то новые технологии переработки сохранившихся остатков природного углеводородного сырья… И заводы по производству синтетического топлива для авиации и ракет, поскольку перевод самолетов на электропривод лично мне представляется маловероятным. А летать на дирижаблях через океан мы, я надеюсь, уже не захотим. Все это очень опасные технологии, требующие от инженерного персонала высокой культуры. Высочайшей культуры! Иначе грядущий век окажется веком экологических катастроф.
Я говорил о сроках… Проблему кадров не получится решить быстро. Здесь тоже требуется вмешательство государства и политическая воля. Отсутствие и того и другого свидетельствует о культурном кризисе вообще. О неразумности. О легкомысленности. О безответственности. Все это очень тревожно…
Как вы оцениваете перспективы так называемых альтернативных источников энергии - ветроэнергостанций, солнечных и геотермальных станций?
Запасы нефти России оцениваются примерно в 60 млрд. баррелей, что уступает запасам Канады (178,8 млрд. баррелей), Ирана (132,5 млрд. баррелей), Ирака (115 млрд. баррелей), Кувейта (104 млрд. баррелей), ОАЭ (97,8 млрд. баррелей) и Венесуэлы (79,7 млрд. баррелей), но выше доказанных нефтяных резервов США (21,4 млрд. баррелей).
Ветростанции - это несерьезно. И, кстати сказать, наземные гелиостанции - тоже. Это как у людей - есть основной источник дохода, и есть приработок. Ветростанции - это приработок.
Использование тепла недр Земли - куда более перспективная затея. Трудностей технического плана здесь множество, но принципиально неразрешимых нет. Правда, необходимы очень большие вложения в проектирование проходческой техники для глубин порядка 15–20 км и скважинного технологического оборудования, способного работать при температуре 250–350 градусов. По некоторым оценкам, при одинаковых затратах на строительство атомная станция оказывается примерно в триста раз мощнее, чем соответствующая геотермальная. Но не стоит забывать, что в первом случае имеет место большой экологический риск, а во втором - отпадает необходимость во всей промышленной инфраструктуре добычи и подготовки ядерного топлива, его переработки и захоронения, а также во всех сопутствующих транспортных затратах - а это не просто большие деньги, - колоссальные! Так что экономические показатели геотермальной энергетики могут оказаться весьма неплохими. Здесь требуются очень аккуратные расчеты, учитывающие множество факторов-от околоземные гелиостанции - это совсем другое дело. Главная трудность - доставка на землю выработанной энергии. Есть неплохие идеи использовать для этого микроволновые передатчики, но, во-первых, аппаратуры с подходящими параметрами в "космическом исполнении" пока никто не разработал, а во-вторых, здесь есть проблемы с надежностью и безопасностью эксплуатации канала передачи мощности. Никому же не хочется в один прекрасный момент из-за сбоя системы прицеливания оказаться как бы в "микроволновке". В общем, идея интересная, но в ее скорую реализацию не верю. Во всяком случае, не этой технологии "повезет" выводить человечество из энергетического кризиса.
Есть еще термоядерная технология…
Ну, я бы сказал, что пока ее нет… Посмотрите, что получается - решение этой задачи оказалось не под силу ни одной из самых экономически сильных стран. Хорошо, что объединились в международный проект [Имеется в виде проект ITER]. Работы ведутся, тратятся колоссальные деньги, а практический выход в виде одной-двух промышленно вырабатывающих электричество термоядерных станций нам обещают только через 60–70 лет. Но даже в эти обещания я не верю. В эксперименте стабильно и длительно работающий термоядерный реактор не запущен, тем не менее сомнений в его будущей работоспособности в рамках принятой технологии уже не принято высказывать - вероятно, настолько велики потраченные деньги, что даже мысль о неудаче не допускается. Впрочем, я стараюсь быть оптимистом. Термоядерная энергетика, как мне представляется, рано или поздно все же будет освоена и придет на смену атомной. Но подозреваю, что экономические показатели ее не будут столь радужными, как преподносится в сегодняшних публикациях. Очень высокая стоимость оборудования, огромные затраты на его разработку… Большая проблема с кадрами… Не все понятно с экономикой топливного цикла… Когда говорят, что в литре воды находится столько же энергии, как в 200 литрах бензина, не предполагается же, что в термоядерный реактор мы будем заливать воду… И главное, что не все проблемы ближайшего будущего связаны только лишь с нехваткой электроэнергии и топлива.
Многие специалисты в области гелиоэнергетики склоняются к тому, что солнечные электростанции и теплогенерирующие установки "в чистом виде" не приживутся на просторах России из-за недостаточного количества солнечного времени в году - климат у нас сами знаете какой…
Использование энергии Солнца опосредовано - через гидроэнергетику - наталкивается на серьезную трудность: ресурсы гидроэнергии России хоть и велики [Журнал обзоров мировой гидроэнергетики "Hydropower& DAMS" называет Таджикистан владельцем самых больших в мире удельных запасов гидроэнергоресурсов. По абсолютной величине это 300 млрд. кВт/час в год], но для дальнейшего наращивания мощностей потребуется решить множество непростых экологических задач, связанных с последствиями затопления территорий перед плотинами, и вложить значительные деньги в строительство дамб, обводных каналов, шлюзовых каскадов. Себестоимость отечественной гидроэнергии невелика (порядка 0,0022–0,003 доллара за киловатт - это значительно ниже мировых цен), что обеспечивает приемлемые сроки окупаемости, но первоначальные вложения в условиях равнинных ГЭС велики - в диапазоне от 0,8 до 4 млрд. долларов [На эти деньги можно построить два энергоблока АЭС. Еще пример: стоимость первой термоядерной станции по международному проекту ITER в разных источниках определяется в 10–12 млрд. долларов].
Другой способ опосредованного использования энергии Солнца - это ветроэнергетика. В области ее практического внедрения лидируют Германия и Испания. Ежегодно в этих странах вводятся в эксплуатацию ветростанций на 5–6 млн. кВт. Генераторы для таких станций серийно выпускают фирмы США, Бельгии, Голландии. На Украине, Южным машиностроительным заводом - всемирно известным производителем стратегических ракет - освоен выпуск модулей ветроэлектростанций, включающих в себя генератор мощностью 250 кВт., стеклопластиковый пропеллер и башню, изготовленные по той же технологии, что и стеклопластиковые корпуса твердотопливных двигателей ракет СС-24. Запуск одного (!) удельного киловатта мощности ветроэлектростанции (ВЭС) обходится более чем в тысячу долларов. Себестоимость вырабатываемого этими агрегатами электричества составляет 0,05–0,08 доллара за киловатт, что, конечно же, очень дорого. Реальная эксплуатация Новоазовской ВЭС в период с 1998 по 2000 год показала: коэффициент использования установленной мощности не превышает 5%, что не дает оснований надеяться на окупаемость вложений в обозримый отрезок времени.
Чего же нам еще не хватит в ближайшем будущем?
Уже не хватает. Нет достаточной компетентности, чтобы адекватно реагировать на второй приближающийся кризис, который тоже связан с дефицитом нефти и газа, - кризис сырья для химической промышленности. Мы же все сожжем за те годы, пока будем строить АЭС, термоядерные станции и бурить землю, чтобы добыть тепло из глубины. Этот кризис, как мне видится, значительно более труден для преодоления, чем энергетический. Энергии у нас, в общем-то, достаточно. Просто добыча ее теперь потребует чуть большего напряжения мозгов. А вот отсутствие природных углеводородов… Это очень серьезный вызов. Чтобы научиться вырабатывать нужные нам продукты без этого сырья, придется очень много думать, исследовать, конструировать. Может быть, конструировать на молекулярном уровне. Может быть, разрабатывать какие-то принципиально новые тонкие технологии синтеза. Это будут не просто сложные технологии - высочайшие! А кто сможет заниматься этими проектами? Кто сегодня в этих вопросах разбирается? Две-три сотни специалистов, рассеянных по разным странам мира? И что? Кто-то взволнован этим обстоятельством?
Классический вопрос: что же нам сегодня следует предпринимать?
Классический ответ: учиться, учиться и еще раз - учиться [Это - тоже ленинская фраза] (мне кажется, что герр Вайнбергер улыбается). Точнее - учить. Всех. И инженеров, и политиков. И как можно лучше. Мне кажется, это главное сейчас.
Под слоем земной коры толщиной всего в несколько десятков километров находится раскаленная мантия, простирающаяся до глубины 2900 км и переходящая в еще более горячее жидкое, а с глубины 5150 км - в твердое ядро планеты. Источник энергии, благодаря которому недра Земли так нагреты, до сих пор полностью не изучен. Не так давно американский геофизик М. Херндон высказал гипотезу о том, что в центре Земли находится естественный "ядерный реактор" из урана и плутония (или тория) диаметром всего 8 км. Так или иначе, но эта гипотеза, как утверждают, оказалась способной объяснить не только энергетику земного тепла, но и явления инверсии земного магнитного поля, происходящие каждые 200 тысяч лет.
Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин на сегодня - 12 км (Кольская скважина). Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом. В среднем геотермический градиент составляет 20–30 °С на 1 км глубины. Так, при заложении Кольской скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 °С на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 °С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться, и на 12 км температура достигла 220 °С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 °С.
Исследователи утверждают, что на глубине порядка 400 км температура составляет 1600 °С, а в ядре - 4500–5000 °С.
Выработка электроэнергии за счет тепла горячей воды впервые в мире была осуществлена в СССР [http://www.gosresurs.ru/jurnal/viewdoc/168.html] в 1967 г. на опытно-промышленной Паратунской ГеоТЭС, спроектированной учеными Института теплофизики Сибирского отделения РАН. Ныне проблемами использования тепла Земли в нашей стране занимаются почти полсотни научных организациях. Стоимость работ, уже выполненных в этой области, превышает 4 млрд. долларов.
Геотермальные электростанции в настоящее время эксплуатируются более чем в двадцати странах мира. Установленная мощность ГеоТЭС составляет около 8000 МВт, и общая выработка геотермального электричества превысила 50 ТВт. В ряде стран вклад геотермальной электроэнергии оказался весьма значительным в балансе национальной энергетики (Филиппины - 21,5%, Эль-Сальвадор - 20%, Никарагуа - 17,2%, Исландия - 14,3%, Коста-Рика - 10,2%). Промышленные геотермальные тепловые станции в 2000 году действовали по крайней мере в 55 странах. Общая установленная мощность рассматриваемых систем превысила 17 ГВт, а в течение одного 2000 года было выработано более 45 ТВт.ч энергии.
Россия располагает огромными ресурсами возобновляемых источников энергии, их потенциал, по некоторым оценкам, на три порядка превышает объем энергоресурсов всех видов ископаемого топлива. При этом геотермальные ресурсы занимают ведущее положение и составляют около 2000 млн. тонн условного топлива в год.
В последние десятилетия в США, а затем и в Западной Европе началось широкое внедрение геотермальных систем, использующих низкопотенциальное тепло верхних (первые десятки метров) горизонтов суш и водных бассейнов. Приблизительная оценка потенциала указанного вида ресурсов для территории России - еще 150 млн. тонн условного топлива в год. Таким образом, геотермальные ресурсы России отличаются от других невозобновляемых источников энергии неисчерпаемостью, повсеместным распространением, экологической чистотой [http://www.duma.gov.ru/cnature/publiks/torf/pevzner.htm].
Иными словами, учитывая колоссальную массу раскаленного вещества в недрах нашей планеты и возобновляемый характер процесса генерации тепла, мы имеем возможность десятки тысяч лет черпать эту энергию, не рискуя сколько-нибудь заметно охладить наш "шарик".
