Автор: Ярослав РЕНЬКАС

В конце 2005 г. на Общем собрании СО РАН обсуждали одну из важнейших проблем XXI в. - использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В ходе дискуссии выясняли, насколько они конкурентоспособны в реальной экономической ситуации, созданы ли условия для включения их в систему централизованного энергоснабжения.

Поначалу речь шла об установках, работающих на основе газификации древесной щепы или угля. В настоящее время, как подчеркнул член-корреспондент РАН Николай Воропай (Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН, Иркутск), есть реальные возможности их широкою внедрения. Они нужны прежде всего для работы небольших котельных в отдаленных районах страны. Достаточно большой потенциал использования мин и газотурбинных ТЭЦ сосредоточен и в таких развитых регионах, как Центр, Урал и Сибирь. Всего по России к 2020 г. подобные станции должны обеспечить более 10 ГВт, или около 5% суммарной установленной общей мощности.

Особенно остро эта проблема стоит на Севере. Ведь его прежде всего обеспечивают мелкие дизельные установки и котельные малой мощности. Они потребляют огромное количество горючего сырья, поставки которого обходятся чрезвычайно дорого: дизельное топливо доходит до 1 тыс. дол. за тонну, котельное - до 150 дол.

Исходя из имеющихся на Севере природных энергоресурсов, по мнению доктора технических наук Бориса Санеева (заместителя директора того же Института), там целесообразно применять возобновляемые источники энергии*. Для использования, например, силы ветра, наиболее перспективными территориями являются арктическое и восточное побережье России, солнечной энергии - южные районы Республики Саха (Якутия). Основные геотермальные ресурсы сосредоточены в Магаданской и Сахалинской областях, в Чукотском автономном округе. Предложены конкретные проекты сооружений для возобновляемых источников энергии в некоторых районах Иркутской области и Хабаровского края. Представлены также разработки по рациональному вводу малых ГЭС и ветростанций на севере Дальнего Востока до 2020 г.; предполагается, что экономия за счет сокращения традиционного топлива составит 25 - 40 млн. дол. в год.

На собрании говорилось и об угле, но используемом по нетрадиционным технологиям (докладчик - член-корреспондент РАН Геннадий Грицко, директор Института угля и углехимии СО РАН, Кемерово). Речь идет о метане из угольных шахт как самостоятельном полезном ископаемом**. Его запасы составляют порядка 260 трлн. м³ , и наиболее эффективным способом добычи свободного газа является извлечение последнего из мелких залежей, куполов, ловушек, что не связано с дорогостоящими горными работами. Именно по такому пути идут сейчас наши специалисты. Неисчерпаемый резерв сосредоточения метана - вентиляционные струи. Из них можно улавливать больше газа, чем при добыче из шахт.

Другой нетрадиционный подход к переработке угля - получение из него синтетического бензина и жидкого топлива для автотранспорта, водорода для топливных элементов. А мнение, будто такие производства обойдутся дорого, по мнению ученого, заблуждение. Ибо, во-первых, цены на нефть уже вряд ли будут понижаться, а во-вторых, появились новые технологии (мембранные, кислородные и др.), во много раз снижающие стоимость этих новых продуктов.

Много внимания участники собрания уделили водороду как идеальному экологически чистому горючему, рассматриваемому сейчас в качестве основы энергетики будущего***. Например, доктор физико-математических наук Владимир Кузнецов (Институт теплофизики им. С. С. Кутателидзе СО РАН. Новосибирск) рассказал о микро- и нанотехнологиях при производстве биомассы путем каталитического реформинга биогаза; из воды на атомных станциях; из природных источников - нефти, угля с использованием катализа и других методов. Он напомнил о видах техники, работающей на водороде****, в том числе об отечественном космическом аппарате "Буран" (1988 г.), на котором были установлены водородные топливные элементы. А широко известная ныне программа "Норильский никель" как раз и направлена на развитие должной технологии в масштабах

* См. статью А. Рубана. В. Забурляева "Шахтный метан" н этом номере журнала (прим. ред.).

** См.: П. П. Безруких. Перспективы возобновляемой энергетики. - Наука в России, 2003, N 4 (прим. ред.).

*** См.; В. Д. Русаков. Водород и водородная энергетика. - Наука в России, 2004, N 6; Дальний Восток - полигон энергетики будущего. - Наука в России, 2005. N 5 (прим. ред.).

**** См.: Б. А. Соколов. С. А. Худяков. Топливо будущего. - Наука в России, 2004, N 5 (прим. ред.).

стр. 34

страны*. Кроме того, ученый продемонстрировал разработки микрореакторов для конверсии водосодержащего сырья в чистый водород, предложенные сотрудниками упомянутого Института. Эти субмиллиметровые устройства имеют каналы, где и происходит само "таинство", размером от нескольких десятков до 500 мк и более.

А доктор химических наук Владимир Собянин (Институт катализа им. ПК. Борескова СО РАН, Новосибирск) высказал разные точки зрения на рассматриваемую область знаний, обозначив "главы" своего выступления так: "Водородная энергетика - бочка меда" и "Водородная энергетика - ложка дегтя". Согласно первой доля такой энергетики, которая сегодня еще в основном на бумаге, станет неуклонно расти, остальные виды топлива будут вытесняться. Однако ученый сомневается, смогут ли топливные водородные элементы противостоять традиционным энергоустановкам.

Касаясь темы возобновляемых энергоносителей, Собянин прежде всего охарактеризовал биоэтанол, производство которого в мировом масштабе заметно увеличивается. Это позволит заменить часть нефти. Ученый представил технологию выработки этанола, обосновал, почему именно из него целесообразно получать водород (паровая конверсия), уточнил, в чем состоят сложности осуществления реакции и какие способы их преодоления имеются, предложил двусторонний процесс конверсии этанола в реакторе с двумя неподвижными слоями катализатора, а также его медно-паллалиевый тип, нанесенный на уголь, для одностадийного рекомендовал радийсодержащий катализатор.

Наравне с другими докладчик советовал шире применять в качестве энергоносителя диметиловый эфир, хотя потребуется перевести его в водород. Полученный таким образом газ легко использовать для питания ряда топливных элементов, скажем, без соответствующей очистки от оксида углерода.

Член-корреспондент РАН Александр Асеев (директор Института полупроводников СО РАН, Новосибирск) посвятил выступление развитию солнечной энергетики. Дело в том, что полное ее количество, поступающее на поверхность нашей планеты за неделю, превышает энергию мировых запасов нефти, газа, угля и урана вместе взятых. Валовой потенциал солнечной энергии в России - свыше 2 трлн т условного топлива. И поскольку при среднем КПД это составляет 12%, то все потребности России в электроэнергии в данном случае удовлетворяются полностью. В целом же солнечными элементами можно покрыть территорию около 4 тыс. км² . Конечно, для этого надо решить проблему с добычей кремния, но его содержание в коре Земли в 100 тыс. раз больше, чем урана (хотя ныне стоимость первого достаточно высока - от 40 до 100 дол. за 1 кг). Правда, в России есть успешно работающие предприятия, выпускающие солнечные элементы на основе кремния (ОАО "Солнечный ветер", Краснодар; НПО "Квант" вместе с ООО "Совлакс", Москва и др.). Основное внимание ученый уделил успехам развития получения данных дешевых материалов - прежде всего массовому производству мультикремния (т.е. с блочными структурами и размерами, ориентированными от миллиметров до нескольких сантиметров), достигнутым в иркутском Институте геохимии СО РАН. А в Институте, где трудится ученый, развернуты работы по получению высокоэффективных солнечных элементов на основе эпитаксиальных слоев соединения арсени-

* См.: Я. В. Ренькас. По пути инноваций и инвестиций. - Наука в России, 2004, N 3 (прим. ред.).

стр. 35

Схема термоядерной реакции с выделением высокой энергии.

да галлия, получаемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии (хотя эта технология относительно дорога, ее применение оправдано при использовании концентратов солнечного излучения).

Академик Эдуард Кругляков (Институт ядерной физики им. ПК. Будкера СО РАН, Новосибирск) обрисовал панорамную картину становления и развития физики плазмы. Он напомнил, что только в последней может происходить процесс самоподдерживающихся термоядерных реакций, т.е. в ионизированном газе, состоящем из положительно заряженных ядер и электронов. Такое состояние характерно для подавляющей части видимого вещества Вселенной, включая звезды. На них, в том числе и на Солнце, плазму надежно удерживает гравитация. Поэтому при максимальной температуре "всего" в 16 млн. град, на нашем светиле термоядерные реакции идут с выделением гигантских мощностей.

В земных реакторах плазму придется прежде всего нагреть до 100 - 200 млн. град. Но как же удержать ее от разлетания? Это основная проблема управляемого термоядерного синтеза. В свое время определяющими для решения задачи стали труды отечественных академиков Игоря Тамма и Николая Боголюбова, связанные с анализом поведения плазмы в магнитном поле, Андрея Сахарова, развивавшею их взгляды и предложившего подходы к ее удержанию в замкнутой конфигурации. Его идея о создании тороидального магнитного поля (1950 г.), необходимости пропустить через него ток по плазме была реализована в СССР. Созданные установки назвали токамаками*.

Говоря о значительных результатах соответствующей современной мировой программы**, Кругляков выделил европейский токамак JET, на котором получена рекордная ионная температура - 400 млн. град. Там же в нейтронах реакции дейтерия с тритием выделена мощность, превышающая 16 МВт. А это уже серьезно, прокомментировал ученый.

Затем он привел еще несколько интересных фактов. Так, на единственном работающем сегодня крупномасштабном сверхпроводящем токамаке TORE SURA высокотемпературная плазма удерживалась в течение 4.5 мин. Этот эксперимент доказал, что стационарное поддержание сахаронского тороидального тока возможно.

Академик коротко остановился и на открытых магнитных ловушках. В качестве одной из них, причем естественной, выступает наша планета. Сегодня это направление развивают в России, Японии и Корее. Лидером здесь является Институт ядерной физики СО РАН, где предложены и реализуются современные концепции удержания плазмы в открытых системах. На многопробочной установке ГОЛ-3 с помощью уникального метода нагрева плазмы сильноточ-

* См.: В. А. Глухих и др. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3 (прим. ред.).

** См.: Л. Г. Голубчиков. Токамак - интернациональный проект. - Наука в России. 2004, N 1 (прим. ред.).

стр. 36

Схема будущего международного токамака ИТЭР.

ным релятивистским электронным пучком удалось получить электронную и ионную температуру в 23 млн. град. При этом плотность плазмы почти в 100 раз выше, чем в токамаках. И ограничений, запрещающих дальнейший рост ее параметров, нет. К тому же ГОЛ-3 позволяет получать огромные продольные потоки плотности энергии в электронно-горячей плазме (ло 50 МДжДг), что полезно для будущих исследований энергонапряженных критических режимов и рамках Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, проект которого разработан несколько лет назад. В нем участвуют Европейский Союз, Россия, США, Япония, Китай. В 2005 г. принято решение о присоединении к ним Индии, на очереди - Бразилия. Правда, от начала и до завершения этого проекта (в Кадараше, Франция) пройдет 20 лет. Следующий шаг - строительство экспериментальной термоядерной электростанции ДЕМО, на что понадобится 10 - 15 лет. Таким образом, подытожил Кругляков, термоядерная энергетика может серьезно заявить о себе лишь во второй половине XXI в.

Информация об Общем собрании СО РАН будет неполной, если не упомянуть о докладах академика Евгения Ваганова (Институт леса им. В. И. Сукачева СО РАН, Красноярск) - "Возобновляемые ресурсы растительного энергетического сырья Сибири", доктора технических наук Александра Носкова (Институт катализа им. Е. К. Борескова СО РАН) - "Каталитические технологии для расширения энергетической базы России за счет нетрадиционных источников" и др.

По выступлениям сибирских ученых можно утверждать: в настоящее время есть еще немало нераспаханных полей в науке о потенциальных возможностях расширения энергетической базы, имеется ряд факторов, стимулирующих развитие се нетрадиционных источников. Это наличие новых технологий, государственная поддержка, достаточно эффективные рыночные механизмы и некоторые другие.

"Наука в Сибири" N1, 2006

Иллюстрации из архива редакции журнала "Наука в России"

Материал подготовил Ярослав РЕНЬКАС

Permanent link to this publication: