Энергия будущего: что заменит нефть и газ, когда они закончатся?
Примерно 86% всей производимой в мире энергии генерируется за счёт ископаемого топлива. Такая зависимость вызывает опасения из-за того, что эти ресурсы исчерпаемые. Кроме того, сжигание ископаемого топлива ежегодно выбрасывает в атмосферу 21,3 миллиарда тонн углекислого газа и способствует изменению климата. Но есть ли у человечества альтернативы? Разобрались, что может заменить нефть и газ в качестве топлива и источника энергии и как скоро могут произойти эти изменения.
Геотермальная энергия
Геотермальная энергия — это тепловая энергия внутренних слоёв Земли. Она выходит наружу в виде вулканов, гейзеров и горячих источников. Этот источник энергии постоянно пополняется и является практически неисчерпаемым. Чтобы извлечь это тепло, обычно нужен пар или горячая вода, которые бы выносили тепловую энергию на поверхность. Впоследствии такое тепло можно использовать для обогрева зданий, в тепловых насосах или для производства электроэнергии на электростанциях.
ГеоЭС Palinpinon на Филиппинах
Ключевое преимущество геотермальной энергии заключается в её чистоте и надёжности. Она не производит прямых выбросов парниковых газов и доступна 24 часа в сутки, 365 дней в году, независимо от погодных условий, что делает её идеальным источником базовой нагрузки для энергосистемы. Геотермальные станции компактны, а из сопутствующих вод можно извлекать ценные минералы, например литий. Однако у этой технологии есть и существенные недостатки. Её главный минус — строгая географическая привязка: высокотемпературные ресурсы, необходимые для электростанций, есть только в определённых геологических зонах. Кроме того, разведка и бурение требуют очень высоких начальных вложений и сопряжены с рисками, а небрежное управление может привести к истощению локального ресурса.
Сейсмическая разведка: как учёные делают «УЗИ» планеты для поиска нефти и газа
Водород
Водород — это в первую очередь носитель энергии, а не её источник. То есть для его производства нужна энергия извне. Его можно сжигать для получения тепла или использовать в топливных элементах, где единственным побочным продуктом будет чистая вода. Это делает водород одним из самых перспективных кандидатов на замену «грязному» ископаемому топливу, сжигание которого приводит к выбросам большого количества CO2.
Водород играет ключевую роль в снижении выбросов углекислого газа в секторах, где прямая электрификация неэффективна, например, тяжёлой промышленности, водном и воздушном транспорте. Для его классификации используют «цветовой спектр»: «зелёный» водород производят с помощью возобновляемой энергии, он абсолютно чист, но дорог; «серый» получают из природного газа с выбросами CO₂, это самый распространённый сегодня тип.
Главные достоинства водорода — его универсальность и нулевые выбросы при использовании в топливных элементах. Он может служить как для хранения избыточной возобновляемой энергии, так и сырьём для химической промышленности. Однако широкому распространению мешает ряд серьёзных проблем:
- Производство чистого, «зелёного» водорода пока остаётся дорогим и энергетически неэффективным.
- Водород требует создания новой инфраструктуры, его сложно хранить и транспортировать из-за чрезвычайно низкой температуры сжижения и способности вызывать хрупкость металлов.
- Он взрывоопасен, а его пламя почти невидимо, что создаёт дополнительные риски.
Атомная энергия
Атомные электростанции (АЭС) вырабатывают электричество за счёт контролируемого расщепления радиоактивных атомов — преимущественно урана. При этом выделяется огромное количество тепла. Это тепло нагревает воду, превращая её в пар, который вращает турбину, соединённую с электрогенератором. Основным топливом для АЭС служит уран-235. Это относительно редкий природный изотоп, встречающийся в природе в смеси с ураном-238. Из-за преобладающей доли последнего руду приходится обогащать, чтобы повысить содержание в ней урана-235.
Реакторный зал АЭС
Атомные станции не производят парниковых газов, но создают проблему с утилизацией радиоактивных отходов.
Атомная энергетика обладает весомыми преимуществами: в процессе эксплуатации АЭС не производит выбросов парниковых газов и обеспечивает стабильное производство большого количества энергии. Но вместе с тем существуют и огромные риски. Главная нерешённая проблема — утилизация высокорадиоактивных отходов, которые остаются опасными тысячи лет. Несмотря на высокие стандарты безопасности, риски тяжёлых аварий, таких как в Чернобыле или Фукусиме, вызывают серьёзные опасения в обществе. Кроме того, строительство АЭС — это чрезвычайно дорогостоящий процесс, а мировые запасы урана-235 ограничены.
Энергия волн
Эта технология использует кинетическую энергию движущихся океанических и морских волн. Специальные устройства — преобразователи энергии волн (ПЭВ) — улавливают эту энергию. Существует множество их конструкций: одни качаются на поверхности, как поплавки, другие изгибаются на волнах или имеют турбины, которые вращаются и вырабатывают энергию.
Этот возобновляемый источник энергии привлекателен своей предсказуемостью, которая выше, чем у ветра или солнца, и огромным энергетическим потенциалом. Установки размещаются в океане, не занимая ценные участки суши, и не производят выбросов. Однако технология пока находится на очень ранней стадии развития. Строительство и обслуживание установок в суровых морских условиях обходится чрезвычайно дорого. Подходящих для развёртывания мест не так много, а сами конструкции могут нарушать морские экосистемы и мешать судоходству. Отсутствие единого технологического стандарта затрудняет масштабирование и коммерциализацию энергии волн.
Почему невозможно точно предсказать погоду больше чем на 2 недели
Энергия приливов и отливов
Приливная энергетика использует энергию подъёма и спада уровня воды, вызванных гравитационным притяжением Луны и Солнца. Основные технологии — это подводные турбины, похожие на ветряные мельницы, и приливные плотины, перегораживающие заливы и пропускающие воду через турбины.
Главное достоинство приливной энергии — её предсказуемость: время приливов и отливов можно рассчитать на десятилетия вперёд, что делает её самым надёжным возобновляемым источником энергии. Плотность воды в сотни раз выше плотности воздуха, поэтому приливные установки значительно мощнее ветряных.
Тем не менее потенциал этой технологии остаётся в значительной степени неиспользованным из-за существующих недостатков. Первоначальные затраты на строительство настолько высоки, что большинство крупных проектов откладываются. В мире мало мест с достаточной разницей уровней прилива и отлива, которые при этом находились бы близко к береговой инфраструктуре. К тому же крупные плотины могут нанести непоправимый вред прибрежным экосистемам.
Концентрированная солнечная энергия (CSP)
В отличие от привычных солнечных панелей, CSP-станции или гелиоконцентраторы используют зеркала или линзы, чтобы концентрировать солнечный свет на небольшой площади и создавать очень высокую температуру. Огромные поля зеркал фокусируют лучи на приёмнике, где нагревается жидкость, — например, расплавленная соль. Эта жидкость используется для производства пара, который вращает турбину.
Гелиоконцентратор PS10 в Андалусии, Испания
Уникальная особенность и главное преимущество CSP — способность накапливать тепловую энергию и вырабатывать электричество даже ночью или в пасмурную погоду. Это делает её управляемым, или диспетчеризуемым, источником солнечной энергии, способным стабилизировать энергосистему. Технология также может обеспечивать высокотемпературное тепло для промышленных нужд. Тем не менее её развитие идёт медленно. Основная причина — более высокая стоимость по сравнению с ветром и обычными солнечными панелями. CSP-станции рентабельны только в крупных, коммунальных масштабах и, по расчётам экспертов, пока не вносят достаточного вклада в достижение глобальных целей по снижению выбросов.
В итоге
Переход от ископаемого топлива — это сложная задача, у которой нет универсального решения. Будущее энергетики — в комбинации разных технологий, которые будут дополнять друг друга. Например, геотермальная и атомная энергия могут обеспечить надёжную базовую мощность, водород станет топливом для промышленности и транспорта, энергия океана станет альтернативой ветрякам, а CSP — солнечным электростанциям.