Потребность в энергии — определяющая черта нашего вида. Мы — огненные обезьяны, искусство управления процессами горения (от кухонной плиты до ядерного реактора) необыкновенно важно для развития всей нашей цивилизации. Однако сейчас наша любовь к огню, теплу и свету породила глобальную проблему: энергия стоит дорого, экология под угрозой, да и часть стран оказалась в энергетической зависимости от стран-поставщиков нефти и газа.
Счета за газ и электричество достигают огромных сумм (особенно если вы живете в частном доме). Даже страны с богатыми месторождениями углеводородов испытывают нервозность из-за колебаний рынка (да и насколько хватит наших месторождений?). К тому же сжигание ископаемого топлива провоцирует изменение климата. Ситуация непростая. Но, быть может, новое поколение технологий, обеспечивающих большую независимость от поставщиков, даст нам возможность вырваться на свободу?
Новые технологии, которые развиваются сейчас, предусматривают производство электроэнергии на дому. Это экологичнее и дешевле, чем получение энергии из централизованных сетей. Ряд устройств, дающих возможность вырабатывать энергию (например ветряные мини-электростанции или солнечные батареи), уже присутствует на рынке, хотя и требует значительных вложений. Но учтите: при «неправильной» погоде вы рискуете остаться без теплого душа. Поэтому нужно думать и о других технологиях. Многие специалисты убеждены, что действительно светлое энергетическое будущее нам обеспечат топливные элементы.
То, что делают топливные элементы, объяснить достаточно просто: они превращают топливо, обычно водород или углеводороды (например природный газ), в электричество, не сжигая их. Как они это делают — более сложный вопрос, однако ключевым показателем становится их коэффициент полезного действия.
На электростанциях сжигают газ или уголь, чтобы нагреть воду и получить пар. Пар вращает турбину, турбина — генератор (магнит, который вращается вокруг катушки, чтобы получить электричество). Энергия по линиям электропередач приходит в ваш дом, чтобы заставить работать телевизор и другую технику. На всех этапах этого процесса вы теряете в сумме около 70 % первоначальной энергии.
Использование топливных элементов позволяет сократить эти потери до 10–15 % — каждый раз, когда вы включаете чайник, чтобы выпить чашку чая, вы тратите меньше денег и выбрасываете меньше парниковых газов. У этих технологий еще есть ряд уязвимых мест, но ученые думают над решением.
История топливных элементов началась в 1839 году, когда живший в Уэльсе физик и юрист сэр Уильям Гроув (William Grove) проводил эксперименты с электрическими батареями. Он знал, что путем электролиза можно разложить воду на водород и кислород. Гроув попробовал обратить этот процесс вспять и доказал на практике, что соединение водорода и кислорода может генерировать электричество в созданном им «газовом гальваническом элементе». Однако это изобретение еще 100 лет оставалось невостребованным. В разработку этой технологии начали вкладывать серьезные деньги только через 100 лет, когда NASA использовало топливные элементы в бортовых электрических системах своих кораблей — для «Аполлонов», «Джемини» и шаттлов.
В 2001 году ученым из Лондонского имперского колледжа удалось путем сложного компромисса добиться, чтобы топливные элементы могли работать при температуре 500-600 °С. Она всё еще достаточно высока, но уже этот прорыв позволил использовать в топливных ячейках дешевую сталь, а не дорогую керамику.
В настоящее время авторы этого исследования являются сотрудниками частной компании Ceres, в которую инвестировала несколько миллионов фунтов стерлингов компания British Gas. Специалисты Ceres проводят испытания настенных топливных элементов, которые получают газ из газораспределительной сети и вырабатывают 1 кВт электроэнергии и горячую воду.
Конечно, 1 кВт не покроет пиковых потребностей дома, когда вы включаете электрический гриль или чайник. Но этого вполне достаточно для освещения, работы телевизора и холодильника. Конструкторы полагают, что топливные элементы могут взять на себя 80 % потребности в электроэнергии. Если проверка надежности и безопасности этих элементов пройдет успешно, то они поступят в продажу к 2014 году. При помощи небольшой субсидии со стороны британского правительства Ceres рассчитывает сделать топливные элементы достаточно дешевыми, чтобы экономия энергии позволила за 5 лет окупить затраты.
Учитывая, что в год в Европе заменяют более 6 млн домашних бойлеров в год, рынок для таких топливных элементов огромен — при приемлемой цене.
Однако некоммерческая организация Carbon Trust, которая занимается поддержкой низкоуглеродных бизнес-проектов, относится к этому проекту с осторожностью. Бен Грациано (Ben Graziano), менеджер ее подразделения по коммерциализации технологий, одобряет идею использования топливных элементов в быту, но предупреждает, что новую разработку ждет жесткая конкуренция с широко распространенными и заслужившими доверие технологиями, такими как обычные бойлеры. «Очевидно, что топливные элементы будут востребованы, но им нужна поддержка от энтузиастов, которые первыми обратятся к этой технологии, а кроме того, должна быть создана инфраструктура для обеспечения их работы», — говорит он.
Рассчитываем на большее
Если вы переедете в США, то ждать, когда топливные элементы захватят власть, вам не придется — туда они уже пришли. Компания Bloom Energy уже продает компаниям твердооксидные топливные элементы, генерирующие 100 кВт. Она уже поставила 120 комплектов таким известным фирмам, как eBay, Coca-Cola и Walmart. Google был в числе первых, кто принял новую технологию, — эти топливные элементы хорошо подходят в качестве аварийных источников питания для дата-центров компании.
Твердооксидные элементы принадлежат к числу наиболее эффективных средств превращения химической энергии (природного газа) в электричество. Элементы производства Bloom Energy работают при температуре 900 °С и изготавливаются в виде керамической пластины, помещенной между двумя электродами. Bloom Energy заявляет, что намерена снизить цену своих топливных элементов путем использования песка как ключевого ингредиента вместо традиционных и очень дорогих металлов, например платины. Но пока топливные элементы всё еще не дешевы: каждый комплект стоит около 700 тыс. долларов, и в большинстве случаев продажа облегчается государственными субсидиями на поддержку зеленых технологий. Несмотря на это, компания смогла привлечь более 400 млн долларов инвестиций от финансовых структур, которые рассчитывают, что Bloom Energy выиграет гонку в сфере распределенного производства энергии.
Вместе с тем Стив Миннихэн (Steve Minnihan), аналитик рынка энергии из компании Lux Research, сомневается, что эта сфера станет быстроразвивающимся бизнесом в США. «Высокие капиталовложения требуют долговременных субсидий, а экологические соображения сейчас не в почете в Северной Америке, поскольку у нас нет обязательств по сокращению выбросов углекислого газа», — говорит он.
Не все экологи убеждены в преимуществах топливных элементов, работающих на природном газе, поскольку они выделяют углекислый газ и не относятся к возобновляемым источникам энергии, таким как ветер и солнце. Однако политики осознают, что достижимая «низкоуглеродная» экономика лучше, чем «безуглеродная» далекого будущего. Многие считают ошибкой решение правительства США оказывать предпочтительную поддержку не топливным элементам, работающим на природном газе, а водородным с нулевыми выбросами углекислоты, топливо для которых остается дорогим, и нет никакой серьезной инфраструктуры для обеспечения их работы.
Метановые элементы не такие «чистые», зато практичные, и их выбросы углекислого газа могут быть снижены, если использовать биогаз, получаемый на свалках или на фермах при гниении отбросов.
«Мы замахнулись на решение самой сложной задачи и проиграли, — говорит Стив Миннихэн. — В идеальном мире мы должны были бы расщеплять воду и получать водород с помощью солнечной энергии. Однако пока нам до этого далеко, нельзя решать вполне разрешимую за короткий период задачу, одновременно гоняясь за несбыточной мечтой».
Еще одно экологическое преимущество топливных элементов состоит в том, что они позволяют не уродовать пейзаж. Трубы газораспределительной сети, как правило, скрыты под землей. А электросети «украшают» ландшафт опорами линий электропередач. Хотя есть и такие, кому нравятся опоры ЛЭП (загляните хотя бы на www.pylons.org!), большинство проектов их строительства встречает настоящий ураган просьб «только не рядом с моим домом» и предложений проложить кабель под землей (что невероятно дорого). Распределенное производство электроэнергии может стать хорошим ответом на эти стенания.
Домашний атом
Топливные элементы — не единственная технология, которая может потрясти основы энергетической инфраструктуры. Понравилось бы вам жить в квартире с собственным источником электричества, который не выбрасывает парниковых газов и требует заправки топливом только раз в 30 лет? Единственный недостаток — вы получите ядерный реактор в своем подвале. Японский машиностроительный гигант Toshiba разрабатывает установку 4S (Super-Safe, Small, Simple — «очень безопасный, маленький и простой»), которая обеспечит желающих так называемой «микроядерной» энергией.
В ее основе — ядерный реактор, который производит достаточно тепла, чтобы питать паром турбину, в свою очередь, вырабатывающую 10–15 МВт электроэнергии. Вся установка размещается в шахте глубиной 25 м.
Желание создать меньший по размеру и более удобный для использования источник ядерной энергии привлекает серьезных партнеров: основатель Microsoft Билл Гейтс ведет переговоры с Toshiba о развитии этой идеи в рамках своей программы инвестиций в низкоуглеродные источники энергии, а также с другими американскими компаниями, создающими ядерные силовые установки.
Компания Hyperion Power Generation обещает обеспечить такой энергией все 1,4 млрд обитателей Земли, которые живут без электричества. И еще тех, кто зависит от работы дизель-генераторов, грязных и дорогих в использовании. Для оторванных от мира общин, жителей удаленных островов хорошо бы подошли их модули мощностью 25 МВт.
Другой потенциально созревший рынок для таких установок — тундра на севере. Растущие там поселения и добыча полезных ископаемых требуют много энергии, которая в этих регионах недоступна или страшно дорога.
Прошлой осенью я был свидетелем того, как последний танкер, пришедший перед замерзанием моря, разгружался в нефтехранилище города Икалуит — эскимосской столицы канадской Арктики. Культуре и образу жизни этой общины напрямую угрожает изменение климата на Земле, и есть жестокая ирония в том, что здесь — один из наиболее высоких уровней выбросов углекислого газа на душу населения в мире. Теплоснабжение, освещение и транспорт тут практически целиком зависят от поставок нефти. Поэтому, к ужасу некоторых экологов, местные энергокомпании достаточно тепло относятся к ядерной энергетике.
Главная проблема с распределенной малой ядерной энергетикой состоит не столько в готовности технологий, сколько в нашем отношении к ним. Мы десятилетиями используем малые ядерные реакторы для подводных лодок и некоторых кораблей, но найдется мало людей, которые хотели бы видеть их у себя на заднем дворе. Победителем в соревновании домашних источников энергии станет в конце концов технология, которая будет достаточно дешевой, хорошо знакомой и достаточно эффективной, чтобы потеснить ископаемое топливо. Пока неясно, удастся ли какой-то из названных технологий удовлетворить эти требования. Однако из того, что десятки компаний тратят значительные средства на поиск решения, ясно, что гонка уже началась.
Том Хип (Tom Heap) — ведущий программы The Earth на BBC Radio 4, колумнист журнала Focus
Как работают топливные элементы
Разные компании используют различные материалы и несколько отличающиеся методы, но общая идея остается той же самой: топливо — природный газ или чистый водород — соединяется с кислородом, в результате чего на выходе мы получаем электричество, тепло и воду. Эта схема показывает, как работают топливные элементы компании Bloom Energy.
1. Сначала метан (CH4) смешивается с паром высокого давления. Это создает преобразованное топливо, где водород в составе метана становится более доступным.
2. Это преобразованное топливо подается на анод — положительно заряженную сторону ячейки.
3. Кислород, нагретый до 900 °С, подается на отрицательно заряженную сторону (катод).
4. По мере того как топливо движется рядом с анодом, отрицательно заряженные ионы кислорода притягиваются к положительно заряженным ионам водорода. Они двигаются через электролит (проводящий материал) в центре и соединяются с водородом, образуя воду. В ходе этого процесса высвобождаются электроны, поток которых (электрический ток) проходит через электролит и выходит во внешнюю сеть.
5. Вода выходит наружу в виде пара, в то время как атомы углерода, входящие в состав метана, также соединяются с кислородом, образуя углекислый газ.
6 Этот процесс также генерирует тепло, которое используется для нагрева воздуха в системе.
Почему распределённая энергетика экологически чище
Традиционные методы доставки электроэнергии основаны на передаче электричества на большие расстояния. В результате значительная часть энергии теряется. Кроме того, этот метод требует установки уродливых опор ЛЭП. Производство энергии на дому позволяет решить обе эти проблемы.
Малая атомная электростанция
Чем миниатюрный ядерный реактор 4S компании Toshiba отличается от своих больших собратьев
Выход
Этот малый реактор, который погружен на 30 м под землю, может выдавать мощность до 50 МВт — достаточно для снабжения 25 тыс. домохозяйств в США. Обычная атомная электростанция выдает 1–3 ГВт. При расположении рядом с поселениями тепло от реактора может быть использовано для отопления домов и предприятий.
Охлаждение
Расплавленный натрий прокачивается через реактор электромагнитным способом, чтобы охлаждать его. Этот метод позволяет уменьшить количество движущихся элементов, а значит, снижает объем необходимого ремонта и обслуживания. В обычных крупных реакторах для охлаждения используется в основном морская и речная вода. У воды температура кипения существенно ниже.
Активная зона
Реактор 4S — нейтронный реактор, предназначенный для работы с уран-циркониевым топливом. Загруженное топливо работает до перезарядки до 30 лет. Активная зона помещена в защитную оболочку, предохраняющую ее от сейсмической активности для более безопасного использования в жилых районах.
Строительство и разборка
Установка собирается на заводе и доставляется на место будущей дислокации. Через 30 лет работы ей дают охладиться в течение года, а затем вывозят для разборки или хранения. Обычные атомные электростанции требуют многих лет на постройку и десятилетия для вывода из эксплуатации.
Твердооксидные топливные элементы компании Bloom Energy используют Google, eBay и Coca-Cola
Топливные элементы для домашнего использования компании Ceres
Топливные элементы фирмы Bloom Energy собирают в энергетические сервера-кластеры, такие как эти, установленные в штаб-квартире eBay
Производство электроэнергии ближе к потребителям может замедлить наступление опор ЛЭП, которые многими воспринимаются как визуальное загрязнение.
Источник: Эхо Москвы. Блог: Наука в фокусе.