Будь зеленее: знаете ли вы, как получили электричество для розетки у вас дома? Тест

ТАЙНА

ЗЕЛЕНОГО КВАДРАТА

КАК ЭНЕРГЕТИКИ УЧИЛИСЬ У МИКРОБОВ

Если вы что-то слышали о глобальном потеплении и эмиссии парниковых газов, об уничтожении лесов и вымирании видов, то должны понимать сложность ситуации: человечество стремительно портит планету, и на свете нет никого, кто мог бы ему это запретить. В утешение можно вспомнить о том, что подобные ситуации бывали и раньше. Гегемония одного вида — то есть одного образа жизни, одного способа питания и одного представления о счастье — никогда не доводила до добра.
Вероятно, уже самая первая микробная жизнь на планете столкнулась с этой проблемой. Сейчас считается, что основным источником ее благосостояния (то есть энергии) была реакция восстановления углекислого газа водородом. В результате образуется метан и вода. И куда, спрашивается, девать столько метана? Между прочим, этот метан и сейчас хранится в огромном количестве на океанском дне (в виде гидрата). Говорят, что если температура океана повысится, он может высвободиться в атмосферу и вызвать такое глобальное потепление, какое нам со всеми нашими эмиссиями CO2 и не снилось.
Проблема в том, что нам, биологическим существам, не предписано природой думать о других. Нам свойственно пользоваться самым доступным из ресурсов ради собственного неограниченного роста, а потом долго, целые века и геологические эпохи, расхлебывать последствия. Любая жизнь на Земле занимается тем, что выбирает какую-нибудь химическую реакцию, которая и без нее так или иначе идет на планете, и слегка подправляет, чтобы извлекать из нее пользу (то есть энергию, а заодно и вещества, из которых можно построить саму себя). Но химическая реакция не идет вечно: в ходе ее какое-то вещество расходуется, а другое накапливается. Вот и рецепт катастрофы.
Если вы, к примеру, решили окислять водород с помощью сульфата и на это жить, от вас скоро начнет плохо пахнуть — накопится сероводород. Или, возможно, все вокруг окрасится в бледно-желтый оттенок восстановленной серы, что тоже довольно гадко. Если вы, очертя голову, вздумали получать высокоэнергичные электроны, расщепляя солнечным светом молекулы воды, вокруг вас начнет катастрофически накапливаться кислород. Нам-то сейчас кажется, что это прекрасно, а 2 млрд лет назад цианобактерии довели таким образом планету до экологической катастрофы, полностью изменив состав ее атмосферы. В общем, у живых созданий плохо получается перспективное планирование: они делают то, что полезно в эту секунду, а потом только разводят ложноножками и тихо вымирают.
Это примерно то же самое, что в ХIХ–ХХ веке произошло у нас с нашим углем, нефтью, газом и эмиссией углерода. Но мы-то в разгаре катастрофы, а у многих микробов самое страшное позади. Как они этого добились?

ИТРОСТЬ МИКРОБОВ

Х

У микробов все получилось само собой: просто разные твари выбрали себе разные способы самообеспечения, а потом скооперировались друг с другом, так что получилось нечто вроде замкнутого цикла.
Вот, например, бактериальный мат — древнейшее экологическое сообщество планеты. Сверху его покрывают бактерии-фотосинтетики: они используют солнечный свет и с его помощью, к примеру, добывают энергичные электроны из сероводорода, превращая его в сульфат или в серу (в наше время, впрочем, они предпочитают использовать воду и выделять кислород). Куда девать сульфат? Его употребляют сульфат-редукторы из более глубокого слоя, которые могут, например, использовать его для восстановления водорода. При этом образуется сероводород, нужный фотосинтетикам. Где сульфат-редукторам взять водород? Этот газ раньше сочился из недр земли (да и сейчас сочится), однако восполнить его запасы помогают микробы-бродильщики: они используют органику — остатки мертвых бактерий, — а водород при этом выделяют наружу. Метаногены этим водородом могут восстанавливать метан из углекислого газа, как описано выше, а метанотрофы — окислять этот метан кислородом, который выделяют оксигенные фотосинтетики. Все довольны, всем хватает на жизнь.
Это, конечно, не вечный двигатель: использованная энергия, будь то солнечная или заключенная в земных недрах, все равно переходит в тепло и излучается планетой в космос. Но если высвобождать эту энергию разумным образом, спускаясь по энергетической лестнице не самым очевидным, тщательно просчитанным маршрутом, возникает нечто подобное равновесию, которого хватает на сотни миллионов, если не на миллиарды лет.
Кстати, бактериальные маты, энергетику которых мы описали выше, существуют на планете как раз больше двух миллиардов лет. Цивилизацию они не создали, но чувствуют себя неплохо. Вот нам бы так, а?

АК

К

Мораль, которую следует извлечь из этого примера, такова: если делаешь упор на один способ получения энергии, непременно загонишь самого себя — и всю планету — в безнадежный тупик. Если умело совмещаешь разные способы — может получиться какая-то гармония.

Примерно это и пытаются сделать люди, придумывающие энергетику будущего. Уже более или менее ясно, что сжиганию угля или газа в этой схеме не место: избыток образующегося при этом углекислого газа очень непросто пристроить к полезному делу. Но проблемы есть и с такими, казалось бы, совершенно «зелеными» технологиями, как ветровая, солнечная или гидроэнергетика.

Гидроэнергетика хороша всем, но ради нее надо перекрыть реку плотиной. Река, возможно, в результате станет только лучше — о вкусах не спорят, — но она точно станет не такой, как была, а в слове «зеленый» есть очень внятный подтекст «оставить природу такой, какой она была бы без нас». С солнцем своя засада: в странах с умеренным климатом пик потребления электроэнергии приходится на зимние месяцы, когда солнце светит не слишком ярко. Хуже того: зимой наступает еще и пик потребности в тепле, причем он вчетверо выше, чем пик потребления электроэнергии, и именно получение тепла дает сегодня 40% всех выбросов углерода. Это значит, что солнечных батарей — а кстати, и ветряных генераторов — потребуется во много раз больше, чем надо для среднего энергопотребления, и большую часть времени они будут простаивать, лишь повышая тем самым себестоимость киловатта. Опять же вспомним об идее «оставить Землю такой, какой она была раньше»: если вы упертый гринписовец, вам могут нравиться ландшафты с торчащими над лесом рядами ветряков или поля, вымощенные фотоэлементами, но такой мир нам непривычен и, по правде сказать, не так уж красив.
Вот тут и появляется концепция «зеленого квадрата»: надо лишь объединить вместе разные способы получения энергии. На улице ясно? Солнечная электростанция берет на себя выработку энергии. Ветрено? В дело вступают ветряки. Избыток энергии идет на то, чтобы закачать воду в резервуары гидроаккумулирующих станций: в пиковое время вода польется вниз через турбины и удовлетворит возросшие нужды.

ОТВЕТ: В ФОРМЕ КВАДРАТА

СДЕЛАТЬ ЗЕЛЕНОЕ ЕЩЕ ЗЕЛЕНЕЕ?

Это, собственно, три стороны квадрата. Четвертая сторона — атомная энергетика, которую тоже можно в первом приближении считать «зеленой» (с оговорками, которые мы обсудим чуть ниже). Вам может показаться, что она тут притянута за уши, однако не случайно в России инициатором и главным пропагандистом «зеленого квадрата» стала госкорпорация «Росатом»: все же на сегодняшний день в стране атомные станции дают в 129 раз больше энергии, чем солнце и ветер, вместе взятые.

Наконец, самое фундаментальное новшество. Если помните, в примере с бактериальными матами микробы-бродильщики в нижних слоях мата перерабатывали избыток энергии, аккумулированный в мертвой биомассе, в водород, который поставляли обитателям других слоев. Мы тоже это можем. Если говорить о транспортировке энергоносителей, то водород — прекрасная замена природному газу. Хотя он и обладает втрое меньшей энергоемкостью, при сгорании (а лучше — при реакции в топливном элементе) образуется лишь вода. Заметьте, что здесь мы наконец-то вырываемся вперед в гонке с микробами: получать энергию из окисления водорода кислородом они, кажется, не умеют, а мы — умеем. Ну и трубопроводная система у нас явно получше.
Вот как описывает эту конфигурацию профессор Евгений Теруков из НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике:

Речь идет о получении водорода с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это солнце, ветер, гидроэнергетика и атомная энергетика — атомщики тоже причисляют себя к источникам чистой, ”зеленой” энергетики. Водород, который планируется использовать в энергетике будущего в качестве энергоносителя, сейчас разделяют на “серый”, “голубой” и “зеленый”. Наши газовые компании — “Новатэк”, “Газпром” — работают над технологиями получения водорода из природного газа. Однако при этом выделяется углекислый газ, и это так называемый “серый” водород. “Голубой” водород отличается от “серого” тем, что выделяемый углекислый газ утилизируется. А “зеленый” получают путем электролиза (то есть полностью без выбросов CO2), для чего используют электроэнергию из возобновляемых источников. По прогнозам уже к 2030 году “зеленый” водород по стоимости производства сможет конкурировать с преобладающим сейчас методом его получения из природного газа, говорится в исследовании IHS Markit.
По оценкам Bloomberg NEF, водородная энергетика могла бы обеспечить 24% мировых потребностей в энергии к 2050 году. Это потребует $11 трлн инвестиций в инфраструктуру для производства, хранения и транспортировки водорода. К 2050 году объем производства водорода достигнет 700 млн т (сейчас производится в 10 раз меньше), что сравнимо с нашими объемами производства газа.

В России инициаторами программы “зеленого” водорода являются атомщики, и это неслучайно, так как именно эта отрасль имеет максимальные возможности наращивать мощности и использовать избыток энергии для получения водорода путем электролиза. Ресурсы гидроэнергетики у нас ограничены, а солнечная и ветровая находятся в начале своего развития. В планах Минэнерго Россия должна занять 16% мирового рынка водорода, который к 2050 году составит порядка 700 млн тонн

«

»

Вот как описывает эту конфигурацию профессор Евгений Теруков из НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике:

Т

В качестве одной из сторон «зеленого квадрата» у нас как-то затесалась ядерная энергетика. Некоторые любители экологии относятся к ней излишне эмоционально: ну в самом деле, никто не хочет нового Чернобыля. Но, даже если отбросить эмоциональное восприятие рисков, придется признать, что атомная энергетика так или иначе производит ядерные отходы.

Это, кажется, неизбежно: мы используем легкодоступную энергию радиоактивного изотопа, и в конце концов он распадется на другой изотоп — скорее всего, тоже радиоактивный, но энергию которого использовать гораздо сложнее. Бесполезная радиоактивная мерзость остается таковой много тысяч лет, и избавиться от нее, не ставя под угрозу будущее планеты и наших потомков, совсем не легко.
А это значит, что все, сказанное выше про живых существ, которые загоняли себя в экологический тупик, выбирая из всех способов получения энергии самый доступный и эффективный, в полной мере относится и к ядерной энергетике. Как решать эту проблему?

Например, можно попробовать решать ее все тем же способом: умно комбинировать разные реакции — теперь уже не химические, а ядерные, — чтобы замкнуть, или «почти замкнуть», энергетический цикл. Вместо того чтобы прыгать вниз по энергетической лестнице большими и якобы эффективными прыжками, можно выбрать более изысканный маршрут, иногда даже подняться на пару ступенек выше — но так, чтобы в конце маршрута оказалось что-то по-настоящему мирное и безопасное, а энергия ядра была использована безотходно. С точки зрения физики, энергетические уровни атомных ядер точно так же описываются квантовой механикой, как и уровни электронных облаков в молекулах (то есть химия, в том числе и живая). И хотя в ядерной физике расчеты неизмеримо сложнее, физики уже достаточно знают, чтобы взяться за подобное предприятие.
Это называется трансмутацией ядерных отходов. Комментирует Вячеслав Першуков из Росатома, где он занимается международными научно-техническими проектами:

НО С АТОМНЫМИ ЯДРАМИ

О ЖЕ САМОЕ

В природе сегодня есть два радиоактивных элемента, пригодных для атомной энергетики, — торий и уран. Но в ядерном реакторе образуется мощный поток нейтронов, под действием которого образуются ядра элементов, которых нет в природе, в первую очередь плутоний. Образуются и так называемые минорные актиниды: кюрий, нептуний, америций. При этом кюрий и нептуний за относительно короткое время (70 лет максимум) переходят в плутоний, однако америций имеет период полураспада сотни тысяч лет. Поместить такой радиоактивный материал с высокой активностью непосредственно в землю (в виде захоронения отходов) — это значит всерьез и надолго нарушить природный баланс.

При этом плутоний можно эффективно использовать: при его делении также выделяется огромное количество энергии. Вопрос в том, чтобы научиться использовать плутоний в качестве топлива для ядерной энергетики. Эту задачу мы пытаемся решить в рамках развития технологий замыкания топливного цикла.

В первую очередь проблема в том, чтобы использовать плутоний как энергетическое сырье. Другой вопрос — что делать с другими «минорами». Наша цель – перейти к «радиационно эквивалентному» захоронению, когда после атомной энергетики мы оставляем на планете ровно тот же объем радиоактивности в отходах, который был извлечен из земли.

Физики давно поняли, что для трансмутации (дожигания) минорных актинидов нужны реакторы на быстрых нейтронах (в классической ядерной энергетике используются медленные, или тепловые, нейтроны). Реакторы на быстрых нейтронах могут быть и хорошим инструментом для получения энергии.

Дальше есть два пути. Можно перейти к двухкомпонентной атомной энергетике с замкнутым топливным циклом, когда изначально в тепловых реакторах сжигается уран-235, в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) образуется плутоний, который вместе с ураном-238 и минорными актинидами мы дооблучаем в быстрых аппаратах.
Более далекое будущее — переход к однокомпонентной атомной энергетике с замкнутым топливным циклом. В такой схеме на входе к плутонию из отработанного топлива добавляется уран-238 и минорные актиниды, и реактор на быстрых нейтронах производит из них больше плутония, чем первоначально было загружено. На выходе мы получим ядерные “осколки” той же активности, что была извлечена из земли в виде урана.

«

»

Вот как описывает эту конфигурацию профессор Евгений Теруков из НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике:

Я не знаю, как такое читателям гуманитарного склада ума, но мне как биологу все это ужасно напоминает разделение труда в микробных экосистемах: у микробов ведь тоже есть и многокомпонентные схемы, вроде описанных бактериальных матов, и однокомпонентные — когда единственный организм так ловко комбинирует химические реакции, что больше ни в ком не нуждается и живет в гармонии с собой и Вселенной миллиарды лет, как микроб Desulforudis audaxviator, обнаруженный сравнительно недавно в недрах Африканского континента на глубине 3 км под землей.

Вячеслав Александрович раскритиковал это сравнение, сказав, что «биологическая аналогия не очень корректна по одной простой причине: в природе нет плутония, он может быть получен в условиях Земли только искусственным путем, в отличие от любых химических веществ, производимых бактериями. Поэтому речь о симбиозе не идет». Не станем с ним спорить, возбужденно крича, что на Земле точно так же не было бы и молекулярного кислорода, если бы древняя бактерия не вздумала производить его как отход своего фотосинтеза. Вячеслав Александрович прав в том, что если выделением парниковых газов мы никого особо в природе не удивим, то превращать ископаемый уран в ядерные отходы можем из всего живого только мы, люди. На нас тут ложится груз ответственности, разделить который уже не с кем. А значит, трансмутация и замыкание ядерного топливного цикла — наш единственный выход, если мы действительно хотим получить энергию «зеленым» способом, то есть оставив после себя на Земле все почти как было.

КОРО ЛИ СИЕ?

С

Европейская программа зеленого водорода рассчитана на 30 лет; российские попытки вписаться в энергетику будущего тоже распланированы до 2050 года. Кто-то доживет, а кто-то нет.

На сегодняшний день ситуация такая: доля солнечной и ветровой электроэнергии в России пренебрежимо мала, а атомной и гидроэнергетики — всего ⅓. При таких пропорциях ни о каком «зеленом квадрате», а тем более о переходе на «зеленый» водород пока и речи быть не может. Совсем недавно сопутствующие сложности обсуждались в НИУ ВШЭ на семинаре «Перспективы водородной энергетики — ожидания и вызовы». Одна из сложностей очевидна: цена «водородного» киловатта в 3 раза — а в случае «зеленого» водорода в 4–5 раз — выше, чем «углеводородного». Перевод всей мировой энергетики на водород, согласно оценкам, потребует дополнительных $3 трлн, а если водород будет «зеленым», более $6 трлн в год. Таких денег у человечества сейчас нет. В смысле их нет на баловство — на оборону друг от друга земляне тратят сегодня около $2 трлн в год и особо не переживают. Но если вдруг окажется, что нужда в экологически чистой энергии вовсе не баловство, придется пересмотреть приоритеты.

Кроме того, надо учесть, что уничтожать сразу всю традиционную энергетику и заменять ее водородом никто и не собирается — достаточно для начала отдать водороду хотя бы 20%, а это обойдется гораздо дешевле. Из этих денег кое-что уже собрано и потрачено: так, в одной лишь Германии суммарные вложения из бюджета и частные инвестиции в водородную энергетику уже составили 7 млрд евро. Пугаться сумм с длинными вереницами нулей вполне естественно, но у человечества сейчас есть много других поводов для страха. А лучше бы — для разумных действий.

Не жадничать — тоже важный урок живой природы. Жадные вымерли.

O=C=O

С=О=С

Текст: Алексей Алексенко, Александр Косован
Иллюстрации: Маша Млекопитаева
Выпускающий редактор: Анна Данилина, Татьяна Почуева
Корректор: Наталья Сафонова
Дизайнер: Снежанна Сухоцкая

© All Right Reserved.
Snob
[email protected]

ПРИ ПОДДЕРЖКЕ ГОСКОРПОРАЦИИ РОСАТОМ

Ещё больше об атомной промышленности на www.atom75.ru