Енергетика майбутньогореальність і фантазії. Альтернативні джерела енергії

Ні для кого не секрет, що використовуються сьогодні людством ресурси скінченні, більш того, їх подальша видобуток і використання може привести не тільки до енергетичної, а й до екологічної катастрофи. Традиційно використовуються людством ресурси – вугілля, газ і нафта – закінчаться вже через кілька десятиліть, і заходи потрібно приймати вже зараз, в наш час. Звичайно, можна сподіватися, що ми знову знайдемо якесь багате родовище, так само як було в першій половині минулого століття, проте вчені впевнені, що таких великих покладів вже немає. Але в будь-якому випадку навіть відкриття нових родовищ лише відстрочить неминуче, необхідно знайти способи виробництва альтернативної енергії, і переходити на поновлювані ресурси, такі як вітер, сонце, геотермальна енергія, енергія водних потоків і інші, а поряд з цим слід продовжувати розробки енергозберігаючих технологій.

У цій статті ми розглянемо декілька найбільш перспективних, на думку сучасних вчених, ідей, на яких буде будуватися енергетика майбутнього.

Сонячні станції

Люди здавна задумувалися над тим, чи можливо використання енергії сонця на землі. Під сонячними променями нагрівали воду, сушили одяг і глиняний посуд перед її відправкою в піч, проте ці способи не можна назвати ефективними. Перші технічні засоби, що перетворюють сонячну енергію, з\’явилися ще в 18 столітті. Французький вчений Ж. Бюффон показав досвід, в якому йому вдалося з допомогою великого увігнутого дзеркала в ясну погоду запалити сухе дерево з відстані близько 70 метрів. Його співвітчизник, відомий вчений А. Лавуазьє, застосовував лінзи, щоб концентрувати енергію сонця, а в Англії створили двояковыпуклое скло, яке, фокусуючи сонячне проміння, расплавляло чавун всього за кілька хвилин.

Дослідники проводили безліч дослідів, які доводили, що використання енергії сонця на землі можливо. Однак сонячна батарея, яка перетворювала б сонячну енергію в механічну, з\’явилася порівняно недавно, в 1953 році. Її створили вчені з Національного аерокосмічного агентства США. Вже в 1959 році сонячну батарею вперше застосували для оснащення космічного супутника.

Можливо вже тоді, усвідомивши, що в космосі такі батареї набагато ефективніше, вченим прийшла ідея про створення космічних сонячних станцій, адже за годину сонце виробляти стільки енергії, скільки усе людство не споживає за рік, так чому ж не використовувати це? Якою буде сонячна енергетика майбутнього?

З одного боку здається, що використання сонячної енергії ідеальний варіант. Однак собівартість величезної космічної сонячної станції дуже висока, та й до того ж вона буде дорога в експлуатації. З часом, коли будуть введені нові технології доставки вантажів у космос, а також нові матеріали, реалізація такого проекту стане можливою, але поки ми можемо користуватися тільки відносно невеликими батареями на поверхні планети. Багато скажуть, що це теж непогано. Так, можливо в умовах приватного будинку, але для енергозабезпечення великих міст, відповідно, необхідно або безліч сонячних батарей, або технологія, яка зробить їх ефективніше.

Економічна сторона питання тут теж присутня: будь бюджет сильно постраждає, якщо на нього буде покладено завдання перевести ціле місто (або всю країну) на сонячні батареї. Здавалося б, можна зобов\’язати жителів міст виплачувати певні суми на переоснащення, але у такому разі незадоволені будуть вони, адже якби люди готові були б піти на такі витрати, вони вже давно зробили б це самі: можливість придбати сонячну батарею є у кожного.

Щодо сонячної енергії є і ще один парадокс: витрати на виробництво. Переклад енергії сонця в електрику – не найефективніша річ. Досі ще не знайдено способу краще, ніж використовувати сонячні промені для нагрівання води, яка, перетворюючись на пару, у свою чергу обертає динамо-машину. У такому разі энергопотеря мінімальна. Людство хоче використовувати “екологічні” сонячні панелі і сонячні станції, щоб зберегти ресурси на землі, проте для подібного проекту буде потрібно величезна кількість тих же ресурсів, і “неекологічної” енергії. Наприклад, у Франції нещодавно була побудована сонячна електростанція, площею близько двох квадратних кілометрів. Вартість споруди склала близько 110 мільйонів євро, не рахуючи витрат на експлуатацію. При всьому цьому слід враховувати, що термін служби подібних механізмів становить близько 25 років.

Вітер

Енергія вітру – також використовувалася людьми ще з давніх-давен, найпростішим прикладом можна назвати ходіння під вітрилом і вітряні млини. Вітряки використовуються і зараз, особливо вони ефективні в областях з постійними вітрами, наприклад на узбережжі. Вчені постійно висувають ідеї, як модернізувати вже наявні пристосування для перетворення вітряної енергії, одна з них – вітряки у вигляді ширяють турбін. За рахунок постійного обертання вони могли б “висіти” в повітрі на відстані декількох сотень метрів від землі, де вітер сильний і постійний. Це допомогло б в електрифікації сільської місцевості, де неможливе використання стандартних вітряків. До того ж такі повітряні турбіни могли б бути оснащені інтернет-модулями, з допомогою яких здійснювалося б забезпечення людей доступом в світову павутину.

Припливи і хвилі

Бум на сонячну і вітроенергетику поступово проходить, і інтерес дослідників привернула інша природна енергія. Більш перспективним вважається використання припливів і відливів. Вже зараз цим питанням займається близько ста компаній по всьому світу, існує і кілька проектів, які довели ефективність даного способу видобутку електрики. Перевага перед сонячною енергетикою в тому, що втрати при перекладі однієї енергії в іншу мінімальні: приливна хвиля обертає величезну турбіну, яка і виробляє електрику.

Проект “Устриця” – це ідея встановити на дні океану шарнірний клапан, який буде подавати воду на берег, тим самим обертаючи просту гидроэлектрическую турбіну. Всього одна така установка могла б забезпечити електрикою невеликий мікрорайон.

Вже зараз в Австралії успішно застосовують приливні хвилі: у місті Перті встановлені опріснювачі, що працюють на цьому типі енергії. Їх робота дозволяє забезпечити прісною водою близько півмільйона осіб. Природна енергетика і промисловість також можуть поєднуватися в цій галузі виробництва енергії.

Використання енергії припливів і відливів дещо відрізняється від технологій, які ми звикли бачити в річкових гідроелектростанціях. Часто ГЕС завдають шкоди навколишньому середовищу: затопляются прилеглі території, руйнується екосистема, а ось станції, що працюють на приливних хвилях, в цьому плані набагато безпечніше.

Енергія людини

Одним з найфантастичніших проектів у нашому списку можна назвати використання енергії живих людей. Звучить приголомшливо і навіть кілька жахливо, але не все так страшно. Вчені плекають думку про те, як використовувати механічну енергію руху. Мова в цих проектах йде про мікроелектроніці та нанотехнологіях з низьким енергоспоживанням. Поки звучить як утопія, реальних розробок немає, але ідея дуже цікава і не залишає уми вчених. Погодьтеся, дуже зручні будуть пристрої, які подібно годиннику з автоматичною подзаводкой, будуть заряджатися від того, що по сенсору проводять пальцем, або від того, що планшет або телефон просто бовтається в сумці при ходьбі. Не кажучи вже про одяг, яка, наповнена різними микроустройствами, могла б перетворювати в електрику енергію руху людини.

В Берклі, в лабораторії Лоуренса, наприклад, вчені спробували втілити в життя ідею про те, щоб використовувати віруси для перетворення енергії тиску в електрику. Невеликі механізми, що працюють від руху, так само є, однак поки що на потік подібна технологія не поставлена. Так, з глобальною енергетичною кризою подібним чином не впоратися: скільком людям доведеться “крутити педалі”, щоб змусити працювати цілий завод? Але як один із заходів, які застосовуються в комплексі, теорія цілком життєздатна.

Особливо подібні технології будуть ефективні у важкодоступних місцях, на полярних станціях, в горах, тайзі, серед мандрівників і туристів, у яких не завжди є можливість зарядити свій гаджет, а ось залишатися на зв\’язку важливо, особливо якщо група потрапила в критичну ситуацію. Як багато всього можна було б запобігти, якщо б у людей завжди було надійне пристрій зв\’язку, не залежне “від розетки”.

Паливні комірки водню

Мабуть, у кожного власника авто, глядящего на індикатор кількості бензину, що наближається до нуля, виникала думка про те, як чудово було б, якщо б машина працювала на воді. Але зараз її атоми потрапили в поле зору вчених як справжні об\’єкти енергетики. Справа в тому, що в частинках водню – найпоширенішого газу у всесвіті – міститься величезна кількість енергії. Більш того, двигун спалює цей газ практично без побічних продуктів, тобто, ми отримуємо дуже екологічне паливо.

Воднем заправляють деякі модулі МКС і шатли, але на Землі він існує в основному у вигляді сполук, таких як вода. У вісімдесятих роках у Росії були розробки літаків, що використовують в якості палива водень, ці технології навіть застосовували на практиці, і експериментальні моделі довели свою ефективність. Коли водень відділяється, він переміщається в спеціальну паливний елемент, після чого можлива генерація електрики безпосередньо. Це не енергетика майбутнього, це вже реальність. Подібні автомобілі вже виробляються і досить великими партіями. Компанія Honda, щоб підкреслити універсальність джерела енергії і авто в цілому, провела експеримент, в результаті якого машина була підключена до електричної домашньої мережі, однак не для того, щоб отримати підзарядку. Автомобіль може забезпечувати енергією приватний будинок протягом декількох днів, або проїхати без дозаправки майже п\’ятсот кілометрів.

Єдиний недолік такого джерела енергії на даний момент – це відносно висока вартість таких екологічних машин, і, звичайно, досить невелика кількість водневих заправок, однак у багатьох країнах вже планується їх будова. Наприклад, у Німеччині вже стоїть план про встановлення ста заправних станцій до 2017 року.

Тепло землі

Перетворення теплової енергії в електрику – це і є сутність геотермальної енергетики. В деяких країнах, де ускладнене використання інших галузей, вона використовується досить широко. Наприклад, на Філіппінах 27 % всього електрики припадає саме на геотермальні станції, а в Ісландії цей показник становить близько 30 %. Сутність цього способу добування енергії досить проста, механізм схожий з простої парової машиною. До передбачуваного “озера” магми необхідно пробурити свердловину, через яку подається вода. При контакті з розпеченою магмою вода миттєво перетворюється в пар. Він піднімається, де крутить механічну турбіну, тим самим виробляючи електрику.

Майбутнє геотермальної енергетики полягає в тому, щоб знайти великі “сховища” магми. Наприклад, у вищезгаданій Ісландії це вдалося: розпечена магма за частку секунди перетворила всю закачанную воду в пару температурою близько 450 градусів за Цельсієм, що є абсолютним рекордом. Подібний пар високого тиску здатний підвищити ефективність геотермальної станції в кілька разів, це може стати поштовхом до розвитку геотермальної енергетики в усьому світі, особливо в областях, насичених вулканами і термальними джерелами.

Використання ядерних відходів

Атомна енергетика, свого часу, викликала справжній фурор. Так було до тих пір, поки люди не усвідомили всю небезпеку цієї галузі енергетики. Аварії можливі, від таких випадків ніхто не застрахований, але вони досить рідкісні, а ось радіоактивні відходи з\’являються стабільно і до недавнього часу вчені не могли вирішити цю проблему. Справа в тому, що стрижні урану – традиційне “паливо” АЕС може бути використано тільки на 5 %. Після вироблення цієї невеликої частини, весь стрижень відправляється на “смітник”.

Раніше застосовувалася технологія, при якій стрижні занурювалися у воду, яка уповільнює нейтрони, підтримуючи стійку реакцію. Зараз замість води стали використовувати рідкий натрій. Ця заміна дозволяє не тільки використовувати весь обсяг урану, але і переробити десятки тисяч тонн радіоактивних відходів.

Позбавити планету від відходів атомної енергетики важливо, але в самій технології є одне “але”. Уран відноситься до ресурсів, і його запаси на Землі конечни. У разі якщо всю планету перевести виключно на енергію, одержувану від АЕС (наприклад, у США АЕС виробляють лише 20% всього споживаного струму), запаси урану будуть виснажені досить швидко, і це знову приведе людство на порозі енергетичної кризи, так що атомна енергетика, нехай і модернізована, лише тимчасова міра.

Рослинне паливо

Ще Генрі Форд, створивши свою “Модель Т”, розраховував, що вона вже працюватиме на біопаливі. Однак у той час були відкриті нові нафтові родовища, і потреба в альтернативних джерелах енергії відпала ще на кілька десятків років, але тепер знову повертається.

За останні п\’ятнадцять років використання рослинних видів палива, таких як етанол і біодизель, зросла в кілька разів. Їх використовують як самостійні джерела енергії, так і в якості добавок до бензину. Деякий час тому надії покладалися на особливу просяну культуру, що отримала назву “канола”. Вона абсолютно непридатна в їжу ні для людей, ні для худоби, проте володіє високими показниками олійності. З цього масла і стали виробляти “біодизель”. Але ця культура займе занадто багато місця, якщо спробувати виростити її стільки, щоб забезпечити паливом хоча б частину планети.

Тепер вчені заговорили про використання водоростей. Їх олійність близько 50 %, що дозволить так само легко витягувати масло, а відходи можна перетворювати на добрива, на основі яких будуть вирощуватися нові водорості. Ідея вважається цікавою, але свою життєздатність поки що не довела: публікація про успішні експерименти в цій області поки не опубліковано.

Термоядерний синтез

Майбутня енергетика світу, на думку сучасних науковців, неможлива без технологій термоядерного синтезу. Це, на даний момент, найбільш перспективна розробка, в яку вже вкладають мільярди доларів.

На атомних електростанціях використовується енергія ділення. Вона небезпечна тим, що є загроза виникнення некерованої реакції, яка знищить реактор, і призведе до викиду великої кількості радіоактивних речовин: мабуть, всі пам\’ятають аварію на Чорнобильській АЕС.

В реакції термоядерного синтезу, що випливає з назви, використовується енергія, що виділяється при злитті атомів. В результаті, на відміну від атомного розподілу, не утворюється ніяких радіоактивних відходів.

Головною проблемою є те, що в результаті термоядерного синтезу утворюється речовина, що має настільки високу температуру, що може знищити весь реактор.

Ця енергетика майбутнього – реальність. І тут недоречні фантазії, на даний момент на території Франції вже почалося спорудження реактора. Кілька мільярдів доларів вкладено в експериментальний проект, який профінансований багатьма країнами, в число яких, крім ЄС, входять Китай і Японія, США, Росія та інші. Спочатку перші експерименти планувалося запустити вже в 2016 році, проте розрахунки показали, що бюджет дуже малий (замість 5 мільярдів знадобилося 19), і запуск перенесли ще на 9 років. Можливо, через кілька років ми побачимо, на що здатна термоядерна енергетика.

Проблеми сьогодення і можливості майбутнього

Не тільки вчені, але й письменники-фантасти, дають безліч ідей для втілення технології майбутнього в енергетиці, проте всі сходяться на тому, що поки що жоден із запропонованих варіантів не може провести повне забезпечення всіх потреб нашої цивілізації. Приміром, якщо всі автомобілі в США будуть їздити на біопаливі, полями каноли доведеться засадити територію, що дорівнює половині всієї країни, без урахування того, що земель, придатних для землеробства в Штатах не так вже й багато.
Більше того, поки що всі способи виробництва альтернативної енергії – дороги. Мабуть, кожен з простих міських жителів, згоден, що важливо використовувати екологічно чисті, поновлювані ресурси, проте не у випадку, коли їм озвучують вартість такого переходу на даний момент. Ученим треба ще багато працювати в цій сфері. Нові відкриття, нові матеріали, нові ідеї – все це допоможе людству успішно впоратися з назріваючим ресурсним кризою.

Вирішити енергетичну проблему планети можна лише комплексними заходами. У деяких областях зручніше застосовувати видобуток енергії з допомогою вітру, десь- сонячні батареї, і так далі. Але, можливо, головним чинником стане зниження енергоспоживання в цілому і створення енергозберігаючих технологій. Кожна людина повинна розуміти, що несе відповідальність за планету, і кожен повинен задати собі питання: “Яку енергетику я вибираю для майбутнього?”
Перш ніж перейти на інші ресурси, кожен повинен усвідомити, що це дійсно необхідно. Тільки при комплексному підході вдасться вирішити проблему енергоспоживання.