CC BY
8
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
2009.03.045. ПАПОН П. МОГУТ ЛИ НАУКА И ТЕХНИКА ОБЕСПЕЧИТЬ ЗАЩИТУ ОТ ДЕФИЦИТА ЭНЕРГИИ? PAPON P. Enérgie: science et technique, ramparts contre la pénurie? // Futuribles. - P., 2008. - N 346. - P. 39-54.
Почетный профессор Парижской школы физики и химии рассматривает перспективы новых технологий производства энергии из различных источников.
Уже в течение нескольких десятилетий эксперты предлагают сценарии развития мирового потребления энергии, учитывающие демографические тенденции, экономический рост, экономическую эффективность энергетики. Большинство сценариев основывается на высоких темпах роста потребления первичной энергии до 20302050 гг.: оно составит 17 млрд. т эквивалента нефти в 2030 г. (10 млрд. т эквивалента нефти в 2000 г.) и 16-22 млрд. т эквивалента нефти в 2050 г. При этом будет расти потребление ископаемого топлива, доля которого составит 82% первичной энергии (80% в 2005 г.) (с. 40). Поскольку использование угля и углеводородов, усиливающее парниковый эффект, является одной из причин глобального потепления, все сценарии исходят из необходимости сокращения потребления энергии, особенно углеводородов, из-за ограниченности их запасов.
Исчерпание невозобновляемых запасов угля и углеводородов является ключевой проблемой энергетики. Можно экономить топливо, повышая производительность двигателей за счет повышения температуры сгорания топлива. Так, строительство так называемых «сверхкритических» ТЭЦ, работающих при температуре около 5500°С и повышенном давлении, позволяет повысить их производительность на 55%; тот же эффект дает использование высокотемпературных газовых турбин (с. 41). Прогресс в этой области
связан с применением керамики или металлических сплавов, выдерживающих высокие температуры.
Другой путь состоит в увеличении резервов за счет усовершенствования методов разведки нефти, в частности сейсмического и подводного робототехнического, при исследовании месторождений глубокого залегания и арктических месторождений. Кроме того, существует такой ресурс, как метановый гидрат (молекулы метана, встроенные в полости кристаллической решетки воды под большим давлением), запасы которого в океанах и районах вечной мерзлоты эквивалентны запасам нефти и газа вместе взятым. В настоящее время метановый гидрат не используется из-за отсутствия технологии его добычи. Но несмотря на то что за счет технического прогресса можно продлить «жизнь» углеводородных ресурсов на одно-два десятилетия, необходимо готовиться к жизни без нефти.
Одним из заменителей нефти может служить биотопливо на основе этанола (производится из биомассы) или на основе сложных эфиров (производится из растительных масел). Биотопливо, во-первых, является возобновляемым источником энергии, во-вторых, смягчает климатические проблемы, поскольку считается, что в целом его использование не приводит к дополнительным выбросам газов, имеющих парниковый эффект (ГИПЭ).
Однако начиная с 2007 г. во многих научных публикациях подчеркивается относительность «полезности» для климата существующих технологий производства биотоплива: хотя выбросы ГИПЭ большинства видов биотоплива на 30% меньше, чем у бензина, глобальное воздействие цикла производства биотоплива на окружающую среду (ОС) превышает воздействие ископаемого топлива (с. 42). Многое зависит от состава почв, на которых выращивается биомасса, и выбросов углекислого газа при выращивании и сборе урожая. Подвергается сомнению и энергетическая эффективность всего цикла производства биотоплива. Кроме того, учитывая рост населения планеты, возникает необходимость выбора между использованием биомассы для производства продуктов питания или биотоплива. Предпочтительнее использовать биотопливо «второго поколения», т.е. целлюлозы биомассы, но для этого необходим прорыв в области процессов ферментации и в микробиологии. В целом до 2030 г. биотопливо может лишь частично решить проблему жизни без нефти.
Другим заменителем нефти может стать водород. Поскольку «месторождений» водорода не существует, возникает проблема его производства и хранения. Уже довольно давно рассматривается вопрос производства электроэнергии с помощью топливного элемента, горючим для которого служил бы водород. Подобные топливные элементы уже существуют, но в качестве катализатора в них используется платина. Это дорогой металл, а альтернативы ему пока нет. И если даже проблема хранения водорода под очень высоким давлением будет решена, останется проблема его производства, поскольку в последние годы никакого существенного прогресса в этой области не произошло.
Еще одним вариантом в случае дефицита горючего может стать производство синтетического бензина из угля. Эта технология была изобретена в Германии в 1920-е годы и может быть усовершенствована. Можно также газифицировать уголь непосредственно в месторождении.
В 2004 г. на долю электроэнергии приходилось 16,5% конечного потребления энергии в мире, и, по оценкам, к 2030 г. ее производство удвоится. Сегодня почти вся электроэнергия производится ГЭС (16%), АЭС (16%) и «классическими» ТЭЦ (65%), работающими в основном на угле и природном газе (с. 44). Использование возобновляемых источников энергии, в частности ветра и солнца, является альтернативой ТЭЦ и АЭС. Технические проблемы использования ветряной энергии практически решены, поэтому высока вероятность того, что к 2030 г. доля производства электроэнергии с помощью ветряных двигателей достигнет 5% (с. 45).
Больше проблем возникает при использовании солнечной энергии. Производство электроэнергии в этом случае осуществляется с помощью либо солнечных батарей, либо зеркальных концентраторов. Последняя технология еще до конца не разработана и может найти практическое применение лишь после 2030 г. В то же время производительность солнечных батарей ограничена, а издержки производства остаются высокими. Прорыв в этой области возможен только при увеличении производительности солнечных батарей в два-три раза и снижении издержек производства. Если это удастся сделать до 2030 г., производство электроэнергии с помощью солнечных батарей к 2050 г. будет эквивалентно производству электроэнергии с помощью ветря-
ных двигателей. В странах с большим количеством солнечных дней и большими пустынями оно может быть значительно выше.
Использование тепловой энергии морей, энергии приливов и отливов связано с решением множества технических проблем. Эти источники могут иметь лишь местное значение.
Производство электроэнергии на АЭС, как и использование ветровой, солнечной и гидроэнергии, не приводит к выбросам ГИПЭ. Современные АЭС, работающие на уране-238 и 235, вполне конкурентоспособны и надежны в плане безопасности, хотя совершенно исключить аварийные ситуации невозможно. В то же время серьезнейшей проблемой атомного цикла является хранение отходов ядерного горючего, срок жизни некоторых элементов которого достигает нескольких миллионов лет. Сегодня некоторые элементы ядерного горючего перерабатываются для повторного использования, другие складируются на специальных промышленных площадках или под землей. Возможно, отходы можно хранить в виде стекол или керамики, однако пока нет уверенности в том, что они не разрушатся под действием радиоактивного излучения.
Будущее атомной энергетики зависит от таких факторов, как решение проблемы отходов, повышение безопасности функционирования АЭС, повышение эффективности использования ядерного горючего, поскольку при действующих технологиях запасы урана истощатся к концу века. Альтернативой урану является плутоний, получаемый в реакторах-размножителях четвертого поколения из урана-238. В этом случае появляется возможность «растянуть» запасы урана на несколько веков.
Как показывает обзор основных направлений НИОКР в энергетике, углеводородные ресурсы ограничены, рост их потребления может привести лишь к потеплению климата, императивы развития формирующихся экономик способствуют росту потребления энергии в мировых масштабах. При этом технические аспекты развития энергетики до 2030 г. уже определены. Из этого следует, что пока нет осуществимых научно-технических решений замены ископаемого топлива как в качестве горючего, так и для производства электроэнергии.
Тем не менее нельзя исключать, что в результате научно-технических открытий ситуация кардинальным образом изменится после 2050 г. Изменение существующих представлений о массе и энергии
могло бы спровоцировать прорыв, открывающий другие возможности использования атомной энергии. Возможны также радикальные изменения в области технологии удаления ядерных отходов с длительным периодом полураспада с помощью трансмутаций и переход к промышленному использованию термоядерного синтеза.
Активную роль в открытии новых возможностей для производства биотоплива могут сыграть биологические науки в частности, модификация генома растений для ускорения их роста за счет повышения эффективности процесса фотосинтеза; изменение молекулярного равновесия в растениях (например, повышение содержания целлюлозы и снижение содержания лигнина); производство генетически модифицированных энзимов, способных разрушать целлюлозу и лигнин. Альтернативный путь - производство высших спиртов в обход этанола, используя энзимы, производимые генетически модифицированными бактериями. Их также можно использовать для производства эфиров, получения метана и водорода из тяжелой нефти в естественной среде. Таким образом, развитие производства биотоплива возможно только в случае снятия относительного табу на использование генетически модифицированных организмов.
Хотя решение энергетической проблемы, отмечает автор в заключение, предполагает политический выбор, именно с помощью научных исследований можно выявить возможные пути развития энергетики после 2050 г. Однако государственные расходы на НИОКР в области энергетики в 1980-2005 гг. сокращались практически во всех странах за исключением Японии: в этот период они упали в США наполовину, стагнировали во Франции, составив в 2005 г. около 2 млрд. евро (с. 52).
Хотя ЕС уделяет значительное внимание энергетическим проблемам и финансирует ряд энергетических исследований, в предложенном ЕК в 2008 г. амбициозном плане развития энергетики до 2020 г. места для НИОКР не нашлось, в отличие от США, активно развивающих исследования в этой области. По мнению автора, энергетика должна стать в будущем одним из приоритетных направлений НИ-ОКР в ЕС, реализацию которых следовало бы передать европейскому агентству в рамках программы, финансируемой за счет продажи прав на выбросы углекислого газа.
И.Ю. Жилина
