Спецможливості
Новини

енергетика МАЙБУТНЬОГО

26.09.2008
1166
енергетика МАЙБУТНЬОГО фото, ілюстрація

Мабуть, усі добре розуміють, що сонячна енергія — це джерело життя на Землі. Якби не енергія Сонця, планета Земля була б такою самою мертвою брилою з каміння та льоду, як планета Плутон, температура на поверхні якої становить -240°С. Сонячна енергія формує клімат та погоду на Землі і, разом із похідними формами енергії — вітровою, хвильовою та біомасою, — є основним джерелом відновлюваної енергії.

Мабуть, усі добре розуміють, що сонячна енергія — це джерело життя на Землі. Якби не енергія Сонця, планета Земля була б такою самою мертвою брилою з каміння та льоду, як планета Плутон, температура на поверхні якої становить -240°С. Сонячна енергія формує клімат та погоду на Землі і, разом із похідними формами енергії — вітровою, хвильовою та біомасою, — є основним джерелом відновлюваної енергії.

Потенціал сонячної енергії більше ніж у 200 разів перевищує потенціал вітрової енергії та в 6 тисяч разів — нинішній рівень споживання енергії людством.
Термін “сонячна енергетика” говорить про трансформацію сонячного світла в електроенергію. ІЄ — дві відповідні технології: фотоелементи та генерація пари для живлення електрогенератора. З допомогою фотогальванічних елементів у 2006 році одержали 0,04% світового виробництва енергії.

Технології сонячної  енергетики
Це видасться дивним, але існує чимало технологій використання сонячної енергії практично в усіх секторах економіки: будівництво, промисловість, сільське господарство, транспорт.
За допомогою волоконно-оптичних світловодів сонячне світло може подаватися всередину будівель. У промисловості для отримання технологічного тепла можна використовувати “сонячні ставки”, де, завдяки градієнту солоності (низька солоність на поверхні та велика на дні), температура води на дні може досягати 90°С. В південних країнах широко використовують “сонячні пічки”, де з допомогою дзеркал на робочому контейнері фокусується сонячне світло. В багатьох країнах сонячну енергію використовують для опріснення та дезінфекції води.

Геліоенергетика
Сьогодні існує кілька методів генерування електроенергії із сонячної енергії. Для живлення електроенергією невеликих приладів застосовують фотоелементи. Для виробництва великих обсягів електроенергії використовують геліоенергетичні електростанції, хоча останнім часом було збудовано фотогальванічні електростанції потужністю в декілька мегаватт.
Сонячний елемент конвертує світло в електричний струм за допомогою фотоелектричного ефекту. Перший сонячний елемент було створено в 1883 році на базі селену, і його к.к.д. досягав 1%. У 40-х роках минулого століття було створено фотоелемент на основі кремнію.
У 1958 році фотогальванічні модулі було успішно застосовано як джерело енергії для супутника “Вангард-1”. Починаючи з кінця 60-х років ХХ століття, фотоелементи стали звичним джерелом енергії для багатьох американських і радянських супутників.
На землі обмежувальним фактором була вартість фотогальванічних елементів (ФГЕ). Протягом 60-х років вартість ФГЕ становила понад 100 дол./Вт. На початку 70-х її вдалося зменшити до 20 дол./Вт, що зробило їх конкурентоспроможними в низці застосувань, особливо у віддалених місцях, де не було електромереж. Сюди ж належали катодний захист трубопроводів, електроенергія для нафтодобувних веж у морі та маяки.
Нафтова криза 1973 року та енергетична криза 1979 року привернули увагу до досліджень геліоенергетики. Було засновано наукові установи, такі як Інститут дослідження сонячної енергії (США), Організація з розвитку нових видів енергії та промислових технологій (Японія) та Інститут геліосистем ім. Фраунхофера в Німеччині.
Протягом 80–90-х років потужність ФГЕ щороку зростала на 10–20%. У 1999 році загальна потужність ФГЕ становила 1 ГВт. Наприкінці 2006 року загалом у світі було встановлено ФГЕ потужністю приблизно 6 ГВт, у 2007 — 9 ГВт.
У багатьох країнах діють податкові пільги для геліосистем, через що вони можуть окуповуватися протягом п’яти-десяти років.
Концентрування сонячної енергії
В системах концентрування сонячної енергії (КСЕ) сонячне світло з великої площі фокусується з допомогою лінз або дзеркал у тонкий промінь для нагрівання води чи отримання пари. Проте такі технології потребують наявності прямого сонячного світла й не працюють у місцях із великою хмарністю. Основними методами фокусування променя є сонячне корито, сонячна башта та параболічна тарілка.
Параболічні корита економічніші за параболічні тарілки для фокусування сонячних променів. Сонячне корито складається з лінійного параболічного відбивача, який фокусує світло на приймачі, розміщеному уздовж лінії фокуса. Відбивач може обертатися за сонцем уздовж однієї осі. Робоча рідина (олія або вода) тече через приймач і нагрівається до 500°C, після чого надходить у систему опріснення води або в систему генерації електроенергії. Прикладами цієї технології є геліоелектричні станції в Каліфорнії та Іспанії.
Параболічна тарілка, або тарілка/двигун, складається з окремого параболічного дзеркала, яке фокусує світло на приймачі. Дзеркало рухається за сонцем у двох площинах. Робоча рідина (водень, гелій або вода) нагрівається в приймачі до 1000°C, після чого спрацьовується у двигуні Стирлінга (к.к.д. — 80% к.к.д. ідеального циклу Карно) для генерування електроенергії. Ці системи мають найбільший коефіцієнт конверсії “світло/електроенергія”.
 Сонячна башта складається з масиву пласких дзеркал (геліостатів), які концентрують світло на центральному приймачі на верхівці башти. Дзеркала відслідковують рух сонця, обертаючись довкола двох осей. Робоча рідина (повітря, вода, розплавлена сіль) у приймачі нагрівається до 1500°C.
З цих трьох технологій найбільший енергетичний к.к.д. має система “параболічна тарілка/двигун Стирлінга”. Така система в Національній лабораторії Сандія має потужність 25 кВт і коефіцієнт конверсії — 40,7%. Сонячні параболічні корита мають к.к.д. приблизно у 20 відсотків.
Нині в Іспанії будують геліоелектростанцію “Андасол” потужністю 50 МВт, яка займатиме площу 1,95 кв. км і матиме загальний коефіцієнт конверсії 2,6 відсотка.

Одержання бензину з допомогою сонячного світла
У цій технології (її називають S2P — Solar To Petrol) тепло від сонця використовують для каталізу хімічної реакції розщеплення двоокису вуглецю з повітря на кисень та монооксид вуглецю. Потім СО можна використати для одержання штучного бензину.

Атомна енергетика
У 2004 році атомна енергетика забезпечувала 6,5% світової енергії та 15,7% — світової електроенергії. На США, Францію та Японію припадає 57% електроенергії, виробленої на АЕС. У 2007 році, згідно з даними МАГАТЕ, працювало 439 атомних реакторів у 31 країні світу.
Найбільше атомної енергії виробляють у США — 20% загальної електроенергії, тоді як у Франції (16 АЕС) на атомну енергію припадає найбільша частка усієї вироблюваної електроенергії — 80%. У ЄС загалом на атомну енергію припадає 30% усієї вироблюваної електроенергії. В Україні на АЕС виробляють приблизно половину всієї електроенергії.
Атомні двигуни використовують на багатьох військових та цивільних (наприклад, криголами) кораблях.
Атомна енергетика швидко розвивається в багатьох країнах. В Японії, Китаї та Індії активно розробляють технології на швидких і теплових нейтронах; у США та Південній Кореї — тільки на теплових нейтронах, а в ПАР і Китаї розробляють варіанти модульних реакторів з кульковою засипкою активної зони (Pebble Bed Modular Reactor, PBMR). Кілька європейських країн мають активні атомні програми, хоча деякі країни ввели заборону на використання атомної енергії. У Фінляндії будують новий Європейський реактор під тиском. Наприкінці 2002 року болгарський уряд проголосував за поновлення будівництва АЕС у Белене. Перший реактор має запрацювати в 2013, а другий — у 2014 році.
Японія активно будує нові блоки, останній було введено в дію в 2005 році. Міністерство енергетики США в 2005 році виділило кошти на будівництво шести нових реакторів і будує реактор четвертого покоління — надвисокотемпературний атомний реактор. Для енергозабезпечення своїх економік, що швидко розвиваються, Китай та Індія розробляють реактори на швидких нейтронах. В енергетичній політиці Великої Британії визнано, що в майбутньому може виникнути великий дефіцит електроенергії, який потрібно покрити або будівництвом нових атомних електростанцій, або подовжити термін експлуатації нинішніх. Уряд планує, що перша нова станція запрацює в 2020 році.
У Росії розпочалося будівництво плавучих АЕС. У 2010 році має бути завершено будівництво — першого в серії із семи — корабля “Ломоносов” вартістю 205 млн дол., який забезпечуватиме енергією віддалені регіони країни. Він може забезпечити електроенергією місто з населенням 200 тис. осіб. Російське агентство з атомної енергії стверджує, що в придбанні таких кораблів зацікавлені ще 12 країн.
Проте в будівництві нових атомних реакторів може виникнути затримка через обмежені потужності компанії “Джепен стіл воркс” — єдиної компанії в світі, спроможної виробити центральну частину реактора єдиним цілим, що зменшує ризик витоку радіації. Компанія спроможна виробляти протягом року лише чотири сталеві відливки. До 2010 року компанія збільшить потужність удвічі, але все ще не зможе задовольнити нинішній попит. Електростанції з усього світу розміщують замовлення на кілька років наперед.

Класифікація атомних реакторів
Атомні реактори класифікують за кількома категоріями: тип атомної реакції, гальмуюча речовина, охолоджувач та покоління.
Розглянемо реактори саме з останньої позиції.

Реактори IV покоління
У реакторі з надвисокою температурою буде графітовий сердечник і одноразовий урановий паливний цикл. Температура теплоносія на виході з реактора буде 1000°C. Висока температура уможливить такі застосування, як виробництво пари або водню в термохімічному йодно-сірковому процесі.
У надкритичному водяному реакторі передбачають використовувати як робочу рідину воду в надкритичному стані, чим він і різниться із звичайними реакторами на легкій воді. За оцінками, реактори цього типу матимуть термічний к.к.д. приблизно в 45% (33% — у традиційних водяних реакторів). Крім того, такі реактори суттєво спростять конструкцію самої АЕС. Основна мета надкритичних водневих реакторів — генерування дешевої електроенергії.
Реактори з розплавленою сіллю використовуватимуть як охолоджувачі. Ідея полягає в тому, що ядерне паливо розчиняється в розплавленій солі фтору як тетрафлорид урану (UF4), а рідина досягає критичності у графітних сердечниках, які теж виконуватимуть функцію гальмування нейтронів.
Нарешті, до реакторів IV покоління належать реактори на швидких нейтронах із замкненим циклом з газовим (гелій) або металевим охолоджувачем (натрій або свинець).
У країнах, де використовують атомну енергію, на радіоактивні відходи припадає менше 1% загальних токсичних промислових викидів, які залишаються небезпечними, якщо тільки не розкладуться або не будуть перероблені так, що стануть менш токсичними. Загалом АЕС продукують набагато менше викидів, ніж теплові електростанції. Вугільні станції виробляють великі обсяги токсичної і помірно радіоактивної золи, в якій концентруються метали та радіоактивні матеріали, що містяться в природному вугіллі. Всупереч загальній думці, вугільні електростанції дають набагато більше радіоактивних відходів, ніж АЕС. Доза опромінення населення від вугільних станцій у 100 разів перевищує опромінення від АЕС.
Всесвітня ядерна асоціація заявляє: “Сонцем, вітром, приливами та морськими хвилями не можна управляти для забезпечення безперервної базової або пікової потужності. З практичного боку ці види енергії обмежуються 10–20% ємності електричної мережі і не можуть бути безпосередньою альтернативою вугільній або ядерній енергетиці, хоч би якими важливими вони стали в окремих районах за сприятливих умов”.
І наскільки ж вистачить ядерного палива людству? За нинішніх темпів використання урану, без повторного використання або технології розмноження його наявних запасів у копальнях, вистачить на 20 років. З урахуванням наявних запасів урану його вистачить на 80 років. З урахуванням ще не відкритих покладів урану його запасів вистачить на 300 років. А за оцінками Міністерства енергетики США, загальних запасів урану в земній корі в концентраціях, які можуть мати комерційний інтерес за нинішніх цін (130 дол./кг) і технологій видобутку, вистачить на 1500 років. Якщо ж використовувати незбагачений уран U-238 у реакторах-розмножувачах, то запасів урану вистачить на мільярди років.
Тут не можна не згадати аварію на Чорнобильській АЕС 26 квітня 1986 року, яка вкрай негативно вплинула на глобальний розвиток атомної енергетики. На сьогодні загально визнаною причиною аварії називають поєднання людського чинника та конструкційних недоліків реактора типу РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), призначеного, насамперед, для виробництва збройного плутонію.
Отже, операторів АЕС не поінформували про проблеми з реактором: конструктори знали, що реактор за певних умов є небезпечним, але умисно приховали цю інформацію. Крім того, керували станцією здебільшого люди, які не були обізнані з реактором РБМК, бо на Чорнобильську АЕС вони прийшли з досвідом роботи на вугільних електростанціях. Оператори порушили робочий регламент, одночасно не розуміючи вимог щодо безпеки реакторів РБМК. До виникнення аварії призвели також неузгодженості в самому регламенті роботи, а саме: поганий зв’язок між службою безпеки роботи реактора та черговими операторами, які проводили експеримент. Нарешті, оператори відімкнули всі системи захисту реактора.
Висновок: як не може кухарка керувати державою, так не можна довіряти управління складними технологічними процесами нефахівцям, тим більше, коли технологічне обладнання має небезпечні вади.
Еволюційним розвитком ядерних реакторів мають стати термоядерні реактори, які унеможливлять аварії з викидами радіації і ще більше знизять ризики аварій на АЕС.

Термоядерна енергетика
Аби зрозуміти, що саме з термоядерною енергетикою найрозвиненіші країни світу пов’язують своє майбутнє, досить подивитися на фінансування проектів термоядерної енергетики. В ЄС ще до початку ХХІ сторіччя на дослідження в галузі термоядерної фізики було витрачено майже 10 млрд євро. Бюджет для створення нового термоядерного реактора ITER становить теж 10 млрд євро. За оцінками, до комерційного впровадження термоядерної енергетики загальна сума витрат може досягти 60–80 млрд євро протягом наступних 50 років (20–30 млрд євро в ЄС). У чинній європейській науковій програмі (FP6) на дослідження в галузі термоядерної фізики виділено 750 млн євро (за винятком проекту ITER), тоді як на дослідження інших видів енергії (разом узятих) — 810 млн євро.
Важливий аспект термоядерної енергетики, порівняно з іншими видами, той, що собівартість виробництва енергії є нееластичною. Вартість вітрової, сонячної, біоенергетики тощо зростає із розробкою передусім оптимальних територій, тоді як інші генератори (рілля в разі енергетичних рослин) мають розміщуватися в менш сприятливих місцях. За термоядерної енергетики собівартість електроенергії не зростатиме навіть якщо будувати дуже потужні електростанції. За оцінками, потенціал термоядерної енергетики в 100 разів перевищує нинішнє споживання всієї енергії в світі.
21 листопада 2006 року сім учасників проекту ITER (скорочення від Міжнародний Термоядерний Експериментальний Реактор) формально погодилися його фінансувати. Це: ЄС, Індія, Японія, Китай, Росія, Південна Корея і США (Португалія як член ЄС хоче залучити до проекту свою колишню колонію — Бразилію; сьогодні члени проекту розглядають можливість приєднання до проекту Казахстану). Програма розрахована на 30 років: 10 — на будівництво і 20 — на експлуатацію. Термоядерний реактор збудують у Кадараші (Франція). Запустити реактор передбачають у 2016 році.
Потужність реактора ITER становитиме 500 МВт протягом 400 секунд за рахунок реакції синтезу приблизно 0,5 г суміші дейтерію та тритію в камері реактора об’ємом 840 м кубічних.
Реактор ITER ще тільки будують, а вже розроблено проект DEMO (Демонстраційна термоядерна електростанція), який базуватиметься на досягненнях проекту ITER. Якщо реактор ITER вироблятиме 500 МВт термоядерної енергії протягом 400 секунд, реактор DEMO матиме принаймні вчетверо більшу потужність на безперервній основі. Якщо в реактора ITER співвідношення енергії, потрібної для запуску термоядерної реакції, до отриманої енергії становитиме 1:10, то у реактора DEMO — 1:25.

Загальний висновок
В Україні майже не залишилося професіоналів, спроможних мислити масштабно. Українська наука (навіть академічна) деградує шаленими темпами, вчені розбігаються по західних компаніях і університетах. І якщо деградують фундаментальна наука та військово-промисловий комплекс, де завжди працювали найсвітліші голови нації, то що вже казати про наш АПК. Звідси й уявлення про розвиток АПК, про забезпечення енергонезалежності країни через розвиток самогоноваріння та маслобійні.
І коли економіка найрозвиненіших країн світу базуватиметься на термоядерній енергетиці, Україна вирощуватиме ріпак і буряк, з яких вироблятимуть біопалива, якими заправлятимуть трактори, комбайни та вантажівки для того, щоб забезпечити вирощування ріпаку та буряку, з яких вироблятимуть біопалива, якими…

Юрій Михайлов

Інтерв'ю
Володимир Шульмейстер. Народився в Миколаєві. Закінчив Миколаївський кораблебудівний інститут ім. адмірала С. О. Макарова за спеціальністю «турбінобудування», інженер-механік. Захистив докторську дисертацію з матеріалознавства. З 24 грудня 2014 року по 30 грудня 2015 року обіймав посаду першого заступника міністра інфраструктури України
Український інститут майбутнього - незалежний аналітичний центр, який прогнозує зміни і моделює різноманітні сценарії розвитку подій в Україні, пропонує альтернативні рішення. Основні напрямки
Роберто Хавельяна
Американське видання Future Farming взяло інтерв’ю у Роберто Хавельяни — співробітника відділу компанії John Deere, який займається перспективними розробками потужних тракторів (серій 7R, 8R та 9R) на найближчі 20 років. Представляємо його... Подробнее

1
0