Про возобновляемые источники энергии (ВИЭ) знают практически все. Но только лишь внедрением ветряков и солнечных батарей революционные изменения в энергетике не ограничиваются. На подходе новые типы ВИЭ и… новые проблемы, связанные с передачей и накоплением энергии. Сергей Алексеенко, лауреат премии «Глобальная энергия» — 2018, академик РАН, заведующий лабораторией «Проблем тепломассопереноса» Института теплофизики СО РАН, в беседе с нашим корреспондентом рассказал о своем видении развития альтернативной энергетики.
— В сфере Ваших научных интересов сейчас находятся петротермальные источники энергии. Получение энергии от таких источников связано с технологией гидроразрыва пластов. Это то самое, за что экологи критикуют так называемую «сланцевую нефть», так как гидроразрыв наносит ущерб природе. Разрабатываются ли меры по снижению такого ущерба применительно к петротермальным источникам?
— Под петротермальной энергией подразумевается тепло сухих пород Земли на глубинах от 3 до 10 км (технически доступные глубины) с температурой до 350°C. Чтобы добыть такое тепло, необходимо пробурить две скважины с расстоянием между ними в несколько сотен метров. По одной подается холодная вода, по другой извлекается горячий пар. Но здесь возникает проблема — должен быть проницаемый резервуар между скважинами. Поскольку на таких глубинах залегают обычно сплошные базальтовые породы, то проницаемость необходимо создать искусственно, что очень непросто. Действительно, впервые для энергетических целей в 1970 г. в Лос-Аламосской национальной лаборатории США было предложено создавать искусственные коллекторы из вертикальных трещин путем гидроразрыва в монолите. Подобный проект был реализован в 1974–2000 гг. в Fenton Hill (США) с максимальной глубиной скважины до 4390 м и был назван методом HDR (Hot Dry Rock — «горячая сухая порода»). Однако этот подход не получил развития, поскольку формируются трещины непредсказуемой формы и протяженности либо вообще только одна трещина, что не подходит для энергетических задач из-за низкой эффективности теплообмена. В нефтегазовой индустрии совсем другие условия и породы. В итоге пошли по иному пути, который заключается в создании обширных резервуаров с множеством трещин, возникающих путем стимулирования естественных дефектов. Эти системы получили название Enhanced Geothermal Systems (EGS — «улучшенная геотермальная система»). Всего было реализовано около двадцати опытных систем типа HDR или EGS, которые подтвердили техническую возможность извлечения глубинного тепла с глубин до 5,1 км.
По моему мнению, петротермальные источники находятся в числе наиболее перспективных видов ВИЭ. Во-первых, отсутствуют выбросы СО2 и других вредных веществ, во-вторых, не требуется хранения энергии в отличие от всех других ВИЭ, в-третьих, такая энергия самая дешевая в перспективе, и, наконец, это практически неограниченный источник энергии (например, в США технически доступной петротермальной энергии по оценкам хватит на 50 000 лет).
— Слои земной коры, которые можно задействовать для петротермальных источников, наиболее близко к поверхности находятся именно в Сибири. Но как раз здесь электроэнергия стоит дешевле, чем в Центральной России. Передавать электроэнергию на расстояние больше 2500 км люди пока не умеют. Что, по Вашему мнению, нужно сделать, чтобы петротермальная энергетика стала в Сибири рентабельной — вложиться в разработку технологий передачи электроэнергии на большие расстояния, искусственно повысить тариф на электроэнергию в регионе (как делают в ряде стран для стимулирования развития альтернативной энергетики) или же разместить в Сибири энергоемкие производства в связи с возможностью выработки экологически чистой электроэнергии в неограниченных количествах?
— Если взглянуть на геотермическую карту России, то наиболее «горячие» зоны находятся по всей территории Западной Сибири, а также на Камчатке и в районе Байкала. В действительности, здесь не только дешевая электроэнергия, но и очень малая плотность населения. Оба эти фактора препятствуют развитию мощной энергетики в силу отсутствия потребности в больших количествах энергии. Данный вывод касается и других видов ВИЭ, особенно ветра. Наиболее перспективные области для развития ветроэнергетики расположены в шельфовой части России, преимущественно в Арктике. Конечно же, искусственное повышение тарифов в Заполярье, где и так тяжелые условия для жизни, выглядит неуместным. А вот развитие энергоемких производств в Сибири, и вообще производство продукции с высокой добавленной стоимостью (вместо поставок дешевого сырья из Сибири), является самым перспективным подходом общегосударственного значения. Такие меры приведут к созданию новых рабочих мест, росту населения, повышению уровня привлекательности и комфортности проживания в Сибири.
Александром Новаком
на вручении премии «Глобальная энергия»
Но если говорить непосредственно о ВИЭ, то здесь своя специфика, связанная с необходимостью хранения энергии. С этой спецификой появляется и возможность транспортировки энергии, выработанной на ВИЭ, но не через электросети, а иными способами. Основными типами накопителей энергии являются ГАЭС (гидроаккумулирующая электростанция); ТАЭС (твердотельная аккумулирующая электростанция); электрохимические аккумуляторы; топливные элементы; маховики; суперконденсаторы. Ясно, что большинство из них предназначено для местного хранения энергии. Думаю, одним из наиболее перспективных способов передачи энергии является производство водорода из воды путем электролиза с последующей его транспортировкой. Это экономически оправдано, поскольку водород является наиболее энергоемким химическим веществом. Он составляет основу водородной экономики, развиваемой в настоящее время, и может эффективно ис-пользоваться в топливных элементах, самых совершенных преобразователях энергии. То же касается алюминия, который также представляет собой одно из наиболее энергоемких веществ и также применяется в топливных элементах, к тому же он абсолютно безопасен в сравнении с водородом.
— Вы разделили премию с ученым из Австралии, который занимается солнечными батареями. В то же время альтернативой солнечным батареям является технология Solar Thermo, разработанная в свое время советскими учеными. Множество зеркал, управляемых компьютером, наводятся на резервуар с раствором солей, который нагревается. Ночью он сохраняет тепло, что решает вопрос генерации в это время суток. И никаких токсичных веществ при производстве и утилизации элементов электростанции. Электростанции на таком принципе работают в разных частях мира. Есть ли у такой технологии будущее?
— Данная технология относится к разновидности накопителей энергии, точнее, это накопитель тепла в резервуаре с высокой теплоемкостью. Накопленное тепло используется либо для теплоснабжения, либо для производства электроэнергии в составе солнечной тепловой электростанции (СТЭС), работающей в термодинамическом цикле. Солнечные тепловые электростанции известны довольно давно, но не получили широкого распространения. Единичная мощность СТЭС не выше 400 МВт, температура в цикле достигает 700°C, а КПД термодинамического цикла не превышает 20% из-за относительно низких температур.
Никаких особых преимуществ у СТЭС на сегодняшний день уже нет. В фотовольтаике КПД достигает 23%, себестоимость стремительно падает, единичная мощность превысила 500 МВт. Поэтому для СТЭС просматривается только небольшая ниша в энергетике, с расположением станций в основном в горячих пустынях. В то время как фотовольтаика находит себе место практически во всех климатических зонах, в самых разных применениях и на разных уровнях мощности — от долей ватт до сотен мегаватт. В отдельных случаях предлагается использовать комбинированные схемы, сочетающие фотовольтаику и тепловые циклы.
— В России рассматривается вопрос, чтобы дать электростанциям на торфе почти те же льготы, что для солнечной энергетики и ветряков. Как Вы думаете, чем это может быть продиктовано, ведь от торфа как топлива у нас отказались много лет тому назад? Действительно ли современная наука может найти способы сжигать торф с минимальными выбросами в атмосферу?
— Сегодня одна из главных проблем России связана с высокой удельной энергоемкостью ВВП, которая в 2–3 раза превышает соответствующее значение для развитых стран, в том числе находящихся в сходных с нами климатических условиях. Поэтому руководством страны поставлена задача существенного повышения энергоэффективности во всех отраслях экономики и решения задач энергосбережения, потенциал которого в России достигает внушительной цифры — 40%. В числе эффективных мероприятий — вовлечение в энергобаланс местных топливных ресурсов, к которым относится и торф.
Надо сказать, что торф рассматривался (и использовался) в качестве основного вида топлива еще в 20-х годах прошлого столетия при успешном выполнении знаменитой программы ГОЭЛРО. Но потом от него отказались вследствие бурного развития сначала угольной промышленности, а затем добычи природного газа, который и сейчас безраздельно господствует в энергетике России. Я не сомневаюсь в возможности развития экологически чистых технологий переработки торфа при наличии таких потребностей. Но, скорее всего, в масштабах малой энергетики. В России запасы торфа и угля по массе примерно одинаковы — по 150 млрд тонн, но тепло-та сгорания торфа вдвое ниже по сравнению с углем. Сжигание торфа можно проводить даже с большей экологической чистотой, чем уголь, в частности, из-за отсутствия серы в торфе. Главное препятствие по использованию торфа — необходимость осушать болота, что может нарушить экологическое равновесие в природе.
— Сейчас очень много говорится о проблеме переработки мусора. Вы предлагаете сжигать мусор плазменным методом, а вырабатываемое тепло использовать для выработки электроэнергии. Расскажите, пожалуйста, об этой технологии и чем она лучше обычного сжигания с точки зрения состава выбрасываемых в атмосферу газов?
— Подчеркну, что не существует единой универсальной технологии утилизации отходов. Только лишь сортировка мусора не решает проблему. Более приемлемый подход — создание комплексной системы обращения с отходами, которая включает в себя ряд мер: от сокращения потенциальных отходов на стадии производства и до захоронения полностью обезвреженных остатков от переработки отходов. Мировая тенденция — получение энергии из отходов. Это хорошо для экономики — появляется доход-ная статья при утилизации отходов. Поэтому термическое обезвреживание — обязательный элемент любой системы обращения с отходами, вследствие чего осуществляется окончательное обезвреживание опасных составляющих и производится тепловая и электрическая энергия. Методы термической переработки весьма разнообразны.
перспективной выработку электроэнергии
из бытовых отходов
В настоящее время в мире эксплуатируются более 2,5 тыс. установок, сжигающих твердые коммунальные отходы (ТКО) на механических колосниковых решетках, около 200 топок для термической переработки отходов в кипящем слое, примерно 20 барабанных печей, где сжигают ТКО, а также единичные установки пиролиза и газификации, в том числе с использованием плазмы. Мы рассматриваем две альтернативные, самые современные технологии термического обезвреживания — сжигание в барабанной вращающейся печи (проект КРТС — комплексная районная тепловая станция) и плазменную газификацию. Проект КРТС отработан давно для производственных отходов, а сейчас предлагается для утилизации ТКО. Плазменная газификация редко используется для переработки ТКО. Но главное преимущество применения плазмы состоит в том, что высокие температуры плазменной газификации полностью гарантируют экологическую чистоту процесса переработки отходов без образования фуранов и диоксинов, которых больше всего опасаются при использовании технологий сжигания.
В разработанной технологии при плазменной газификации (неполное сжигание при недостатке кислорода) образуется горючий синтез-газ (смесь моноокиси углерода и водорода), который сжигается в газовой турбине 16 МВт производства АО «ОДК-Авиадвигатель» (Пермь). Продукты сгорания поступают в котел-утилизатор с паровой турбиной, то есть реализуется парогазовый цикл. Электричество, генерируемое в газовой и паровой турбинных установках, подается на питание плазмотронов мощностью по 2 МВт, а также во внешнюю сеть.
Важное преимущество плазменной обработки — помимо электричества, на выходе получается полностью нейтральный шлак, пригодный для дорожного строительства. Главным препятствием для применения плазменных методов является дороговизна оборудования и эксплуатационных затрат. Но при определенных схемах включения и для определенных тарифов на утилизацию ТКО достигается экономическая окупаемость. Дополнительно с технологиями сжигания мусора предполагается использовать систему автоматизированной сортировки отходов на основе искусственных нейронных сетей, которая уже разрабатывается в рамках федеральной целевой программы.
— Под Вашим руководством некоторое время назад были разработаны топливные элементы с уникальными свойствами. Начато ли их серийное производство? Возможен ли такой вариант развития событий, что их применят в транспорте будущего?
— Топливные элементы (ТЭ) представляют собой электрохимический элемент с картриджем, содержащим топливо, то есть расходный материал. Они являются самыми совершенными на сегодня преобразователями химической энергии в электричество и отличаются огромным разнообразием по конструкции, топливу, мощности, емкости и т.д. Основным видом топлива является водород, как самый химически энергоемкий элемент. Близки к нему по данному параметру также алюминий, боргидриды, метанол, аммиак.
Топливный элемент на боргидридах разрабатывался в израильской компании More Energy при непосредственном участии нашего института. В итоге впервые в мире компанией Medis Technologies Ltd. было запущено в Ирландии промышленное производство топливных элементов мощностью 1,5 Вт в количестве 1,5 млн штук в месяц. Такой источник тока годится, к примеру, для подзарядки мобильных теле-фонов и может непрерывно работать в течение суток.
У нас в Институте теплофизики также разрабатываются несколько других типов ТЭ. Рассмотрим одну из таких разработок — ТЭ на алюминии. Его особенность в том, что алюминий является одновременно анодом и топливом, участвующим в электрохимической реакции. Он обладает высокой удельной энергией (до 300 Вт·ч/кг), которая соответствует лучшим достигнутым параметрам. Подготовлены к выпуску образцы мощностью до 100 Вт, в том числе в арктическом исполнении.
Еще один пример относится к израильской компании GenCell, преемнику упомянутой компании More Energy. В партнерстве с Институтом разработаны и серийно выпускаются два типа топливных элементов. Топливный элемент на водороде: одного стандартного баллона водорода хватает на 3 часа работы при мощности нагрузки 4 кВт. То есть этот источник энергии уже пригоден для самых разнообразных применений.
Перспективными считаются ТЭ на аммиаке. Из аммиака сначала производится водород, а непосредственно в ТЭ поступает смесь 75% H2 + 25% N2, но не чистый водород. Трех килограммов аммиака достаточно для выработки 5 кВтч электроэнергии. Компания GenCell уже предлагает на выгодных условиях организовать производство этих топлив-ных элементов в России.
Что касается применения топливных элементов на транспорте, у меня нет сомнений в такой перспективе. Вопрос только, какие из накопителей энергии окажутся наиболее подходящими с точки зрения автомобильной промышленности. Кстати, опытный образец автомобиля на алюминиевых топливных элементах уже создан нашими коллегами из Объединенного института высоких температур РАН.
