Природа
Водоросли, приливы, тепло Земли, водород и другие: пять преимуществ и шесть недостатков альтернативных источников энергии
Изучение водорослей

Альтернативные источники энергии

Автор

Кирилл Дегтярев, кандидат географических наук, научный сотрудник в научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии, географический факультет МГУ

Опубликовано

9 ноября 2022

Опубликовано

09 ноября 2022

Топить печь можно даже рыбой. Когда-то так делали в российских регионах, где много водоемов, но мало леса — в тундре на севере Сибири, в низовьях Дона и Волги. В качестве топлива использовали щуку, чехонь и воблу, считая их малоценными пищевыми продуктами на фоне рыбного изобилия. Этот старинный способ получения энергии сегодня назвали бы альтернативным и даже возобновляемым, но вряд ли такой источник удовлетворит энергетические нужды хотя бы небольшого современного города. Какие еще альтернативные источники энергии есть у человечества и в чем их особенности — разбиралась «Энергия+».

Биотопливо

До сих пор почти 40% населения Земли используют дрова для обогрева жилья и приготовления пищи. Но если просто рубить дрова там, где их много, например на Севере и в Сибири, то для современных потребностей экономики леса может не хватить и в таких регионах. Кроме того, заготовка дров — трудно механизируемый процесс. Он требует большого количества рабочих рук, человеко-часов работы, что в современных условиях также не годится.

Есть и другие виды биотоплива. Например, торф: он используется с первобытных времен. Но сегодня сжигать его нерационально — из торфа можно извлекать множество полезных продуктов для медицины, косметологии, химической промышленности. Поэтому его можно считать значимым участником энергетики только в регионах, где его много.

Ненцы
Дрова до сих пор используются для приготовления пищи и обогрева жилья. Фото «Газпром нефть»

К биотопливу относятся и побочные продукты лесной и сельскохозяйственной промышленности: древесная щепа, опилки, ветки, пни, ботва, солома, навоз — все это можно измельчать и прессовать в древесные топливные брикеты и гранулы (пеллеты) или перегонять в жидкое топливо — биодизель, биоэтанол, газ. Для производства этих видов топлива также выращивают рапс, подсолнечник, масличную пальму, сахарный тростник. В регионах с обилием ресурсов сельского хозяйства, в том числе в России, эти источники могут закрыть до 20–30% местных потребностей в энергии. Но плодородных земель на планете и даже в нашей стране не так уж много, население растет, а потому площади охотнее отдают под пищевые культуры.

Автомобиль может ездить и на спирте, который тоже делается из растительного сырья. Именно на этом топливе работал один из первых автомобилей, разработанный Генри Фордом, пока спиртовые двигатели не были вытеснены более эффективными бензиновыми.

Перспективный вид биотоплива — микроводоросли, которые можно выращивать в естественных или искусственных водоемах. Микроводоросли — это одноклеточные организмы, которые очень быстро размножаются: клетки делятся каждые 20 минут, за это время происходит двукратное увеличение их общей массы, за час — восьмикратное. Если бы на Земле не было поедающих водоросли организмов, мороза и засухи, микрозелень покрыла бы «ковром» всю поверхность планеты за сутки-двое. В реальности с поверхности одного пруда площадью в один гектар можно снимать сотни тонн водорослей в год — это на порядки выше, чем у самой продуктивной сельхозкультуры на суше.

Но естественное ограничение масштабного развития водорослевой энергетики — климат. Далеко не везде их можно выращивать круглый год, и не везде они могут давать такие высокие урожаи даже летом. В открытых водоемах сырье для перспективного топлива поедают рыбы, насекомые и моллюски, а выращивать водоросли в закрытых бассейнах — с принудительной подачей воздуха, искусственным поддержанием температурного и светового режима, — слишком накладно.

Водоросли в пробирке
Экономически оправдано делать топливо из микроводорослей там, где их можно выращивать круглый год в естественных условиях

Дыхание Мирового океана

Почему на морских берегах возникают приливы? Это действие сил притяжения Луны и Солнца. В местах с высокими приливными волнами можно строить плотины, примерно такие же, как плотины гидроэлектростанций, с вращаемыми водой турбинами. Мощность такой станции прямо пропорциональна площади залива и квадрату средней высоты прилива. В России эта средняя высота максимальна в узких заливах Охотского и Белого морей и составляет около 6 метров.

Сейчас на Земле действует около десятка приливных станций и строится ряд новых, в том числе в России. Сложности развития приливной энергетики связаны с малым числом мест, где приливы высокие, большой стоимостью строительства и опасениями экологического характера: если перегораживать плотинами морские заливы, как это подействует на экосистемы?

Тепло глубин Земли и инерция лета

Специалисты по разведке и добыче нефти и газа знают, что недра на больших глубинах сильно разогреты — на 3–4 километрах температура жидкости и газа достигает ста градусов Цельсия и выше. Дальше еще горячее — это действие теплового потока из земных глубин. В зонах разломов земной коры, в горных и сейсмически активных районах на поверхность выходит горячая вода или перегретый пар, которые можно использовать для отопления и выработки электроэнергии.

Есть хорошие примеры развития геотермальной энергетики на Камчатке и на Кавказе — в этих регионах тепло из недр Земли выходит на поверхность. К сожалению, таких мест на планете не настолько много, чтобы геотермальная энергетика стала одним из лидеров в генерации энергии. Добывать же тепло с глубин в несколько километров можно, но это дороже и сложнее технологически, чем с поверхности.

Тепло из недр Земли выходит наружу
Превращать в электричество тепло из земных недр выгодно в регионах, где это тепло выходит на поверхность

Еще один источник энергии — тепло верхних слоев земной коры, которые прогреваются солнцем. Летом оно прогревает породу до некоторой глубины, а зимой на этой глубине тепло сохраняется — слои грунта выступают в роли аккумулятора. В средней полосе России зимой земля промерзает обычно на глубину 0,5–1 метра, ниже теплее: земля по инерции сохраняет летнее тепло, которое можно использовать для обогрева помещений. Сложность использования такого источника — в балансе, который возможен не везде: летом должно быть достаточно жарко, чтобы грунт хорошо прогрелся, а зимой не слишком холодно, чтобы он остался теплым.

Водородная энергетика

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной: 89% всех атомов — это атомы водорода. Много его и на Земле: крупнейший доступный нам «склад» водорода — морская вода, в ней «хранится» больше 1023 тонн водорода, или сто миллионов миллиардов тонн. При сгорании единицы массы водорода генерируется втрое больше тепла, чем при сгорании природного газа, и теоретически водорода только из Мирового океана хватит для удовлетворения всех наших потребностей в энергии в течение миллионов лет, поэтому сейчас о «водородной экономике» говорят много. Увы, пока только говорят.

Дело в том, что весь водород на Земле находится в связанном состоянии. Его надо «отцепить» от кислорода в молекуле воды или от углерода в молекуле природного газа, а этот процесс оставляет углеродный след и требует больших затрат энергии. В результате ценность и чистота водорода, полученного на выходе, меньше, чем энергетические вложения на его «освобождение».

Водородная энергетика будет оправдана при наличии дешевой и экологически чистой электроэнергии. Например, водород можно вырабатывать методом электролиза воды, используя энергию гидростанций, ветровых и солнечных станций. Это нестабильные источники, они дают слишком много энергии в определенные периоды — и тогда излишек можно направить на выработку водорода. С помощью электролиза сегодня получают лишь 5% водорода в мире, остальные 95% извлекают из угля или природного газа, что сопряжено с выбросами парниковых газов и загрязняющих веществ в атмосферу. Кроме того, и газ, и уголь — готовое топливо, и выгоднее использовать его непосредственно.

Сотрудники «Газпром нефти»
Главная и пока нерешенная задача водородной энергетики — извлекать из воды или природного газа достаточно водорода, не увеличивая углеродный след и не затрачивая больше энергии, чем при сжигании самого водорода

Другой путь — найти много свободного водорода в естественном состоянии, например, выходящего из глубин Земли. Такой водород раньше находили случайно: в 1987 году в Мали у села Буракебугу бурили скважины для поиска питьевой воды и обнаружили чистый водород, который сейчас используется для выработки энергии для села. В последние 10–15 лет чистый водород начали искать целенаправленно. Сложность в том, что у него нет ни цвета, ни запаха. Выходя на земную поверхность, он, будучи легче воздуха, быстро улетучивается. Поиски пока не дали ощутимых результатов.

С водородом связана и другая отрасль энергетики — атомная. Более полувека ученые всего мира бьются над созданием управляемого термоядерного синтеза (УТС). Это слияние двух атомов водорода с образованием атома гелия, которое дает колоссальный энергетический эффект: 10 граммов смеси изотопов водорода (дейтерия и трития) дают столько же энергии, сколько один килограмм урана в атомном реакторе. Главная сложность связана с тем, что реакция синтеза протекает при температуре в миллионы градусов. Вещество сначала нужно нагреть, потратив колоссальное количество энергии, а затем — удержать в вакууме, чтобы оно не соприкоснулось со стенками реактора для синтеза и не уничтожило их. Пока эти задачи решены лишь частично, в исследовательских установках.

Необычные углеводороды

Необычные углеводороды — это те же углеводороды, что составляют нефть и газ, но находятся в более сложных условиях залегания, например в мелко-трещиноватой породе, из которой их трудно и дорого извлекать. Плюс в том, что таких углеводородов, возможно, на порядок больше, чем «обычных» — осталось лишь разработать технологии, делающие их добычу рентабельной и экологичной.

Источники энергии, о которых мы рассказали, могут быть использованы в тех или иных пропорциях в разных регионах в зависимости от их конкретных условий. Нет ничего, что можно сбросить со счетов как бесполезное и бесперспективное. В то же время, ничто не может стать панацеей, решающей все энергетические задачи человечества без помощи других источников.

Нефтяное месторождение среди лесов
Основным источником энергии еще много лет будут ископаемые ресурсы: уголь, нефть и газ

Пока примерно 80% своих потребностей в энергии человечество обеспечивает за счет угля, нефти и газа. За последние 50–60 лет эта доля существенно не изменилась, и в обозримом будущем именно ископаемые углеводороды будут составлять основу нашего энергетического «рациона», а остальное будет добавляться к ним, как салаты, гарниры или десерты к основному блюду.

33
Haha
Haha
14
12
Love
Love
11
21
21