Альтернативная энергетика

Сегодня, пожалуй, никто уже не сомневается в необходимости развития новой, альтернативной энергетики. Правда, пока её доля весьма скромна, а гигантская часть энергетических потребностей человечества по-прежнему покрывается за счёт атомных и тепловых электростанций. Однако Чернобыльская катастрофа наглядно продемонстрировала, что атомные электростанции слишком опасны. Опасны и сами по себе, а тут ещё всё актуальнее становится угроза терроризма... К тому же, помимо электроэнергии, атомные электростанции производят и горы радиоактивных отходов, проблема захоронения которых пока не решена. Что до ископаемых энергоресурсов, расходуемых тепловыми электростанциями, то, во-первых, их запасы отнюдь не безграничны, а во-вторых, сжигание угля, торфа, природного газа и нефтепродуктов наносит ущерб окружающей среде, способствуя парниковому эффекту. Короче говоря, человечеству не обойтись без освоения новых, возобновляемых источников энергии, и оно понимает это всё отчётливее. Доктор Герд Айзенбайс (Gerd Eisenbeiß), научный сотрудник Центра перспективных исследований имени Гельмгольца в Юлихе и один из ветеранов движения за альтернативную энергетику, говорит:

Многих из нас 30 лет назад высмеивали, называли мечтателями. Потом, в 80-х годах, наступил период показательных объектов, призванных продемонстрировать, что всё это вполне серьёзно. А в 90-х годах уже начали осуществляться крупномасштабные программы финансовой поддержки, цель которых состояла в совершенствовании альтернативных энерготехнологий и доведения их до рыночной зрелости. Это наполняет нас чувством гордости: да, кое-чего мы всё же добились.

Однако вот что странно: в сознании большинства людей возобновляемые энергоресурсы ассоциируются почему-то лишь с солнечной энергией да с энергией ветра. Более того, достаточно широко распространено мнение, будто ветряные и гелиоэлектростанции смогут со временем полностью заменить нынешние АЭС. Но для того, чтобы оправдать своё название и стать реальной альтернативой традиционным энергоресурсам, эти альтернативные источники энергии должны отвечать целому ряду критериев. Например, обеспечивать стабильное и управляемое энергопроизводство. Ведь цепную ядерную реакцию или процесс сжигания ископаемого топлива можно останавливать и снова запускать по мере надобности, а вот когда Солнце выглянет, а когда спрячется, когда ветер подует, а когда стихнет, – это прогнозированию не поддаётся. Для того, чтобы обеспечить постоянный уровень напряжения в таких энергосетях, приходится использовать различные буферные и аккумуляционные установки, что значительно снижает коэффициент полезного действия этих электростанций.

Между тем, существует ещё один исключительно перспективный энергоресурс, почему-то отошедший в сознании общественности на задний план: это так называемая геотермия, то есть тепловые процессы в недрах Земли. Это тепло имеется повсюду и доступно круглосуточно. Достаточно привести такие цифры: 99 процентов всего вещества, образующего нашу планету, имеют температуру выше 1000 градусов Цельсия, а доля вещества с температурой ниже ста градусов и вовсе составляет лишь 0,1 процента от массы Земли. И пусть даже реальному использованию поддаётся лишь очень незначительная часть этой энергии, но и она при таких масштабах практически неисчерпаема. Буркхард Заннер (Burkhard Sanner), геофизик Гисенского университета, говорит:

Геологический потенциал тут значительно превосходит всё, что мы в принципе способны потребить. Если иметь в виду только близповерхностную геотермию, то за её счёт можно уже в ближайшее время начать покрывать 20-25 процентов всей потребности Германии в тепле – и это, не считая производства электроэнергии.

Уже разведанные запасы геотермальной энергии более чем в тридцать раз превосходят энергозапасы всех ископаемых ресурсов вместе взятых. Более того, на сегодняшний день из всей энергии, вырабатываемой в разных странах мира за счёт геотермии, ветра, солнца, приливов и отливов, 86 процентов приходятся именно на геотермальные электростанции. Правда, сама доля альтернативной энергетики невелика: даже в Германии, где использованию возобновляемых энергоресурсов уделяется повышенное внимание, она составляет всего лишь 7 процентов. А уж геотермия до самого недавнего времени и вовсе находилась в Германии, можно сказать, в зачаточном состоянии. Отчасти это объясняется тем, что в стране мало горячих источников, – подчёркивает Буркхард Заннер:

Горячие источники, которые мы имеем, лишь подтверждают наличие значительных запасов геотермальной энергии в недрах, однако сами по себе ввиду своей незначительности они практически бесполезны. Мы предпочитаем поэтому бурить скважины, чтобы добраться до горячих гидрогеотермальных пластов. Количество таких скважин неуклонно растёт.

Используемые при этом энергетические установки рассчитаны на самые разные потребности, – поясняет Буркхард Заннер:

Некоторые из установок, работающих за счёт гидрогеотермии, могут быть причислены к крупному промышленному оборудованию. Они обеспечивают централизованное теплоснабжение целых районов. Таких установок сейчас в Германии 6 или 7 – и мощность каждой из них исчисляется мегаваттами. Кроме того, существуют системы на основе так называемых геотермических тепловых насосов. Они обеспечивают отопление – или охлаждение – отдельных строений – от частного жилого дома на одну семью до офисных или административных зданий. А теперь ещё появились системы, позволяющие использовать геотермию для производства электроэнергии.

Более того, если до недавних пор такие проекты осуществлялись, в основном, в регионах, где имеются горячие геотермальные воды, то сегодня всё чаще встаёт вопрос о таких технологиях, которые позволили бы использовать заключённое в недрах Земли тепло повсеместно. Идея одной из таких технологий была впервые выдвинута американскими учёными ещё в начале 70-х годов. Эта технология получила название «hot dry rock», то есть «горячие сухие горные породы». В её основу положено давно известное явление: по мере углубления в недра Земли температура растёт – примерно на 3 градуса каждые 100 метров. Американские геофизики предложили пробурить на глубину в 4-6 километров 2 скважины с таким расчётом, чтобы через одну закачивать внутрь холодную воду, а через другую отводить разогретый пар – ведь температура на такой глубине достигает 150-200 градусов Цельсия. Пар может быть использован как для производства электроэнергии, так и для отопления. Буркхард Заннер поясняет:

Технология «горячих сухих горных пород» как раз и создавалась для того, чтобы геотермальную энергию можно было использовать вне этих особых зон – зон вулканической активности, горячих источников, гейзеров и так далее. Сегодня эта технология испытывается в рамках экспериментального проекта, реализуемого совместно немецкими, французскими и британскими учёными в Эльзасе, в районе Сульца, среди садов и виноградников. Испытания идут вполне успешно: там уже удалось получить геотермальный пар, и мы рассчитываем, что через два-три года построенная на этом принципе электростанция даст первый ток.

Причём стоить этот ток будет гораздо дешевле, чем тот, что производится, например, солнечными батареями. Проектная мощность электростанции в Эльзасе – 25 мегаватт. Свою главную задачу учёные видят в том, чтобы заложить основы серийного строительства таких объектов. Буркхард Заннер оценивает перспективы так:

Что касается производства электроэнергии, то наша цель – к 2050-му году довести долю геотермальных технологий до 25-ти процентов.

Но если в Германии развитие геотермальной энергетики ещё только набирает обороты, то некоторые другие государства – Италия, Мексика, Индонезия, Новая Зеландия, Япония, Коста-Рика, Сальвадор, а прежде всего, Филиппины и США, – успели продвинуться гораздо дальше. Однако, пожалуй, самый интересный в технологическом отношении проект реализуется сегодня в Исландии – стране, и без того почти полностью покрывающей свою потребность в электрической и тепловой энергии за счёт геотермии.

Исландцы в этом деле – признанные мастера,

– говорит с нескрываемой завистью Маршалл Ралф (Marshall Ralph), сотрудник американской энергетической фирмы «Power Engineers». Правда, пока многие рекорды в области геотермальной энергетики всё ещё принадлежат США, – добавляет Ралф:

Самый крупный в мире геотермальный проект реализуется в Калифорнии, в Долине больших гейзеров.

И всё-таки пусть и не самый крупный, зато безусловно наиболее интересный и перспективный проект осуществляется в Исландии. Около двух лет назад там завершился монтаж геотермальной электростанции нового образца, способной придать использованию тепла из земных недр совершенно новые масштабы. По коэффициенту полезного действия эта электростанция значительно превосходит все прочие объекты того же назначения, возведённые в штатах Юта, Невада и Калифорния. Маршалл Ралф поясняет:

Эта электростанция минувшей зимой прошли ожидавшиеся с большим нетерпением испытания на мощность. И смогла произвести даже несколько больше энергии, чем ожидалось. Для нас это была, конечно, прекрасная новость. Хотя бы уже потому, что теперь, когда мы наглядно продемонстрировали, что эта конструкция надёжно функционирует и производит электроэнергию, перед нами открылись двери банков. А это, в свою очередь, облегчает поиск иных источников финансирования этой технологии.

Фирма «Power Engineers» со штаб-квартирой в Хейли, штат Айдахо, является одним из участников исландского проекта. Другим его участником является фирма «Exergy», расположенная в Хейворде, штат Калифорния. Эту фирму основал Александр Калина – бывший советский инженер, выходец из Одессы, закончивший там Холодильный институт. Талантливейший изобретатель, не найдя признания на родине и изрядно намыкавшийся в борьбе с министерскими чиновниками и начальниками-плагиаторами, эмигрировал в 70-х годах в США. Здесь поначалу тоже не всё складывалось гладко. Не найдя людей, готовых вкладывать большие деньги в практическую реализацию его идей, Александр Калина был вынужден основать собственную фирму и пробивать себе дорогу в джунглях совершенно неведомого ему капиталистического бизнеса. Но всё хорошо, что хорошо кончается: в 1993-м году новаторскую разработку Калины купил американский концерн «General Electric». Сумма сделки обнародована не была, но, по оценке корреспондента влиятельного и хорошо информированного американского журнала «Forbes», даже если Калина получит лишь 1 процент от тех прибылей, что принесёт концерну его разработка, то гонорар изобретателя составит около ста миллионов долларов. Новаторская идея, реализованная с тех пор сперва в экспериментальной установке в США, затем в двух установках в Японии, а теперь и в установке мощностью в 1,8 мегаватта в Исландии, носит название «цикл Калины». В чём эта идея состоит, поясняет Маршалл Ралф:

Помимо традиционных, теперь появились геотермальные электростанции с «циклом Калины». Они имеют две особенности: во-первых, извлечённая из недр Земли горячая вода используется не непосредственно, а передаёт свою энергию другой жидкости. Эту схему называют двухконтурной, или бинарной. Вторая особенность заключается в том, что в качестве этой второй жидкости, то есть рабочего тела, используется двухкомпонентная водно-аммиачная смесь. Эти компоненты имеют разные критические температуры, то есть равновесное состояние между жидкой и газообразной фазами у каждого из них наступает при различных параметрах. В ходе процесса состояние водно-аммиачной смеси и, соответственно, концентрация в ней компонентов непрерывно меняется. Это позволяет оптимировать перенос тепла при испарении и конденсации рабочего тела. В результате «цикл Калины» оказался значительно эффективнее всех прочих бинарных схем.

Итак, первая в Европе установка с «циклом Калины» появилась на северо-восточном побережье Исландии в Хусавике – городке, насчитывающем 2,5 тысячи жителей. Их потребности в электроэнергии на 80 процентов покрывает эта установка. По словам местных инженеров-эксплуатационников, выигрыш в коэффициенте её полезного действия составляет по сравнению с традиционными геотермальными электростанциями от 20-ти до 25-ти процентов. Вряд ли стоит объяснять, что это гигантский прогресс.

Сегодня и в Германии обсуждаются планы строительства установки с «циклом Калины». Электростанция будет возведена в баварском городе Унтерхахинге. Пробное бурение геотермальных скважин уже началось. Полным ходом идут геологоразведочные работы. Ведь до сих пор считалось, что для эффективного производства электроэнергии термальные воды должны иметь температуру не менее 150-ти градусов Цельсия. По словам Маршалла Ралфа, «цикл Калины» позволяет использовать и более холодную воду. Мало того, новая технология даёт возможность обратиться к таким источникам тепла, на которые прежде вообще никто внимания не обращал. Маршалл Ралф поясняет:

«Цикл Калины» – идеальное средство для решения таких задач как регенерации энергии. Например, для эффективного использования горячих газов, образующихся при работе компрессоров. Или, скажем, другая ситуация: огромное количество тепла выделяется в процессе производства цемента – так вот, ничто не мешает нам, применив технологию Калины, использовать это тепло, сэкономив массу энергоресурсов.

Таким образом, перспективы развития альтернативной энергетики выглядят вовсе не так уж мрачно и безнадёжно, как это порой пытаются изобразить поборники ядерных технологий и лоббисты нефтяных корпораций. Профессор Петер Хеннике (Peter Hennicke), директор Вуппертальского института по изучению проблем климата, окружающей среды и энергетики, говорит:

Как это ни удивительно, применение широкого спектра самых разных технологий позволит нам снизить энергопотребление на 40-60 процентов – и при этом обеспечить реальный экономический рост. А оставшуюся потребность в электроэнергии можно покрыть за счёт более эффективного её производства, за счёт регенерации, за счёт объединения выработки тепловой и электрической энергий и за счёт использования возобновляемых ресурсов, что даст нам возможность не только отказаться от атомных электростанций, но и на 80 процентов снизить эмиссию углекислого газа.