Энергия окружает нас повсюду. Чешешь ухо - расходуешь энергию, гладишь рубашку или просто думаешь - опять расход! Энергия движет автомобилями, согревает дома и заряжает телефон, на котором вы сейчас смотрите этот ролик. Для человеческого организма источник энергии - пища, для утюга или автомобиля - нефть, газ, уголь.
Сегодня человечество стоит перед выбором: продолжать выжимать из планеты ресурсы и тонуть в дыму заводов, либо искать принципиально новые способы добывать энергию — чистую, безопасную и неисчерпаемую.
В этом ролике мы расскажем, как скоро термоядерная энергия из фантастики превратится в реальность, почему зелёный водород может заменить бензин, какие секреты скрываются глубоко под землёй и можно ли обуздать энергию морских волн, чтобы осветить города.
Готовы? Тогда поехали!
1. Термоядерная энергия (Ядерный синтез)
Вы когда-нибудь задумывались над тем, почему звезды светятся? Нет? А ведь в причине кроется один из возможных способов добычи энергии.
На самом деле, звезды излучают тепло и свет, потому что в них происходит термоядерный синтез, который ученые планируют использовать для получения “чистой” электроэнергии.
Но разве термоядерный синтез не похож на выработку атомной энергии? После такого вопроса почти все физики покинули бы чат. А самые терпеливые ответили бы, что эти процессы противоположны. Привычная нам атомная энергия выделяется при распаде тяжелых атомов. Звезды же используют энергию соединения. Они не разрушают атомы, а создают! Внутри Солнца происходит слияние легких атомных ядер в более тяжелые с высвобождением огромного количества энергии.
Но не все ли равно, как там вырабатывается эта энергия? Лампочка горит, метро едет, что еще надо? Ну с таким подходом можно и уголь жечь. Только вот планету жалко.
Атомная электростанция, конечно, отвечает требованиям современных экоактивистов - СО2 не вырабатывает. А вот радиоактивные отходы - запросто. Да еще и взорваться может, заразив все вокруг.
Термоядерный реактор считается более безопасным, так как число радиоактивных элементов в нем значительно ниже. Кроме того, энергоэффективность реакции синтеза значительно выше, чем реакция распада.
Если термоядерный синтез такой безопасный и эффективный, почему же для создания энергии все еще используют нефть, газ и расщепление атомов?
Дело в том, что добыть энергию путем термоядерного синтеза все равно, что закатать солнце в банку. Чтобы атомы начали соединяться, нужны экстремально высокие температуры и давление, недостижимое в земных условиях.
Термоядерный синтез для человечества - своего рода “Золотой шар” из повести братьев Стругацких. Способен исполнить заветное желание и спасти Мир от экологической катастрофы, но завладеть им очень и очень сложно.
Несмотря на это, ученые предпринимают попытки создать “звездную” энергию. Речь идет о проекте ИТЭР - международном экспериментальном термоядерном реакторе, который строят во Франции.
Но как все это будет работать, если в земных условиях невозможно создать давление, как внутри звезд? Все довольно очевидно. Не для нас, конечно. Для физиков. Они компенсируют нехватку давления температурой. В термоядерном реакторе температура достигает 150 миллионов градусов, это в 10 раз больше, чем в центре Солнца!
Ни один объект не сможет выдержать соприкосновения с такой температурой, поэтому на ИТЭР используют устройство в форме тора. Не этого, конечно, а в форме геометрической фигуры.
В теории, плазма в устройстве со стенками не соприкоснется, а будет удерживаться в центре реактора при помощи магнитного поля, по мощности превосходящего земное в 200 раз. Для его создания магниты будут охлаждать до - 269 градусов.
Получается, что термоядерный реактор станет самым горячим и самым холодным местом в Мире одновременно.
Звучит оптимистично. Остается надеяться, что строительство рабочего термоядерного реактора не затянется на сотни лет и мы еще станем свидетелями нового энергетического прорыва.
А если сроки сдачи ИТЭР будут отодвигаться на год каждый год? На этот случай есть еще один источник “чистой” энергии!
2. Водородная энергетика (Зелёный водород)
Водород. Да-да, знакомый каждому химический элемент №1 в таблице Менделеева. В тепле - газ, в холоде - жидкость, на деле - топливо.
Но сам по себе водород не источник энергии, а носитель. Он не возникает «из ниоткуда»: его добывают из воды, природного газа или угля с помощью энергии извне. И в зависимости от способа производства водороду присваивают цветовые маркеры.
Серый, бурый, голубой и бирюзовый водород считается не экологичными, т.к. при их производстве выделяются вредные для экологии вещества.
Другое дело - зеленый и розовый водород. В нем борцы за спасение Планеты увидели лучик света в этом закопченном мире - И зеленый, и розовый водород экологичны, т.к. их получают из воды при помощи электролиза.
Производство “чистого” водорода делится на несколько этапов: сперва воду очищают от примесей, затем на электроды, погруженные в воду, подают постоянный ток. Дальше начинается чистая химия. Сначала вода распадается на кислород и положительные ионы водорода, после чего ионы водорода превращаются в молекулы Н2.
Половина работы сделана - воду разделили на кислород и водород! Первый выпускают в атмосферу или используют в промышленности, а вот второй сжимают и охлаждают до жидкого состояния для транспортировки и хранения. Экологически чистое топливо готово!
Но если зеленый и розовый водород производятся одинаково, зачем присваивать им разные цвета? Все дело в способе добычи электроэнергии для подачи постоянного тока. Розовый водород получается благодаря работе АЭС, зеленый - благодаря возобновляемым источникам энергии.
Гениально! Вода есть, ветер и солнце тоже. Давайте делать чистое топливо, спасать Планету и радовать экоактивистов! Не так быстро. Плюсы зеленого водорода очевидны для всех, а вот о минусах задумывается не каждый.
Препятствие на пути к экологической утопии №1 - возобновляемые источники энергии - крайне непостоянные. Сегодня ураган, завтра штиль, в понедельник солнечно, а во вторник - тучи. Конечно, энергией можно запастись впрок. Но! Для этого нужны аккумуляторы - невероятно вредные и токсичные. Об этом, кстати, мы рассказывали в нашем ролике про электромобили!
Препятствие №2 - у водорода низкая плотность, поэтому он без труда просачивается даже через высокопрочные стали. Хранение и транспортировку осложняет и скверный характер водорода. Если что-то не так, он сразу взрывается. Конечно, эти проблемы решаемы.
С транспортировкой все немного проще. Эксперты предлагают охлаждать водород до температуры - 253 и перевозить в жидком состоянии. Но это сложно и дорого. Еще можно нагнетать газ в баллоны. Такой метод прост, но требует много места и прочных сосудов.
Трудности есть. Но сколько преимуществ! Привлекает сама возможность производить экологически чистый вид топлива из воды, воздуха и солнца. Многие страны, в том числе и Россия, активно работают над запуском проектов по производству зеленого водорода. Будем надеяться, что совсем скоро мы услышим долгожданное “Мы строили, строили и наконец построили!”
3. Геотермальная энергия
Еще один способ получить чистую энергию - вращать турбину генератора потоком горячего пара. Метод знакомый, исправно работающий.
Угольная ТЭС, например, работает именно по такому принципу: уголь сжигается, вода подогревается, пар поднимается, турбина вращается. Экологичным этот способ добычи энергии назвать нельзя. Жители Красноярска подтверждают. Тогда почему мы заговорили о паре в ролике про энергию будущего?
Потому что для образования пара не всегда нужно что-то сжигать. Речь пойдет о Геотермальной энергетике, другими словами, об использовании тепла Земли для получения пара.
Изменение температуры на определенном участке земной толщи в среднем составляет 3 градуса на 100 метров. Т.е. в шахте на глубине 1 километр будет тридцатиградусная жара. Если у вас нет возможности слетать зимой в Эмираты, прилетайте в Норильск и спускайтесь к шахтерам. И погреетесь, и на солнышке не сгорите. А если и 30-ти градусов вам мало, отправляйтесь в Мурманск. В Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 километров была зафиксирована температура 220’.
Очевидно, что геотермальная энергетика лучше всего развита там, где температура под землей выше.
В настоящее время существует несколько видов геотермальных станций.
Самая простая - гидротермальная. Принцип ее работы мы уже описали. Из земли поднимается пар, который раскручивает турбину генератора. Все гениальное просто.
Если из-под земли вырывается не только пар, но и вода, используют станцию комбинированного цикла. Перед турбиной специальный прибор отделяет жидкое от газообразного. Вода сбрасывается обратно в скважину, а пар отправляется в турбину.
У геотермальной энергетики есть очевидные плюсы: возобновляемость, экологичность, стабильность, компактность. И не менее очевидны минусы. У вас в соседнем дворе из-под земли бьет фонтан кипятка? Нет? У нас тоже. Во всяком случае, пока коммунальные службы не начали проверять целостность системы водоснабжения. Как они это делают? Смотрите в нашем ролике “Все, что вы стеснялись спросить про отключение горячей воды!”. На самом деле, географическая ограниченность - самая большая проблема. Кроме того, строительство такой электростанции достаточно дорогое: не так-то просто пробурить скважину глубиной 5-10 километров. Хотя прогресс не стоит на месте.
И совсем неочевидный минус - подземная жидкость может быть ядовитой. Пароводяная смесь насыщена газами и тяжелыми металлами. На поверхность могут вырываться свинец, мышьяк, аммиак, фенол. В некоторых случаях из недр Земли течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.
Получается, что любой “чистый” способ добычи энергии не идеален? В Мире вообще нет ничего совершенного. Или все-таки есть? Как насчет энергии волн?
4. Энергия волн (Волновая энергетика)
Волновые электростанции являются одними из самых чистых, безотходных и безопасных источников электроэнергии. Их преимущество перед другими возобновляемыми источниками энергии заключается в эффективности, предсказуемости, независимости от времени года и относительной компактности.
В настоящее время существует три основных принципа генерации электроэнергии из работы волн:
1) Первый - принцип «осциллирующего водяного столба». Самый очевидный и простой. Волновая электроустановка располагается, как правило, вдоль береговой линии. Она представляет собой камеру, нижняя часть которой погружена на максимальную глубину. При подъеме волна выталкивает воздух, расположенный в верхней части. Он проходит сквозь воздушную турбину, приводя ее в движение. При снижении уровня волны происходит разрежение и изменение направления движения воздуха. Воздушная турбина начинает вращаться в обратную сторону.
2) Второй - принцип «колеблющегося тела». Яркий пример электростанции - “Морской змей”, расположенный у берегов Португалии. “Морской змей” представляет собой конструкцию из четырех частей, соединенных между собой шарнирами. Элементы движутся друг относительно друга за счет волнового колебания. А дальше начинается история Маршака про “Дом, который построил Джек”. Помните? “Вот кот, который пугает и ловит синицу, которая часто ворует пшеницу, которая в тёмном чулане хранится …”
Почему? Потому что движение элементов запускает работу поршней, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели, приводящие в движение генераторы.
Фух. А теперь представьте, что все это в масштабах электропоезда, ведь длина “Морского змея” - 120 метров, его диаметр - 3,5 метра, а вес - 750 тонн. Внушительно, хотя с берега так и не скажешь.
3) И наконец третий вид волновой электростанции - установка с «искусственным атоллом». Это бетонное сооружение в форме незамкнутого кольца, один край которого расположен выше другого. В центре установки образуется бассейн, уровень воды в котором всегда выше, из-за наката волн. В средней части резервуара имеется отверстие, через которое вода поступает на гидротурбину. Уровень воды в бассейне и в водоеме все время стремится к выравниванию. Это движение воды приводит в работу турбину и способствует выработке электроэнергии. Интересно, что за счет наклона низкой части незамкнутого кольца можно регулировать объем воды, поступающей в резервуар.
Для районов, расположенных вблизи побережий, волновые электростанции - настоящая находка. Многие страны, в том числе Португалия, САШ, Австралия и Испания, активно используют силу морей и океанов для выработки “чистой” энергии.
О преимуществах волновой энергетики мы уже рассказали. А как насчет недостатков? Минусы, конечно, имеются, но их куда меньше, чем у других видов “идеальной” энергии.
К недостаткам энергии волн относят влияние морской воды на электростанции и дороговизну ее установки. Кроме того, экоактивисты переживают, что подобные сооружения в естественной среде могут негативно повлиять на миграцию рыб.
Заключение
Конечно, каждый из нас хочет снять с планеты покрывало из парниковых газов, мусора и техногенного загрязнения. Но что может сделать маленький человек для большой планеты? На самом деле, многое. Мы можем заменить одноразовые пакеты на многоразовые сумки, можем отдавать вторсырье на переработку в специальные центры, можем сократить передвижение на собственном автомобиле, отдав предпочтение велосипеду или общественному транспорту. Мы можем многое! А ученые постараются сделать нашу планету чище в мировом масштабе.