Наявні можливості зниження темпів глобальної зміни клімату

У другій половині ХХ століття стало зрозуміло, що діяльність людини почала помітно впливати на стан погоди й клімату. Згодом усі негативні зміни, які відбуваються в атмосфері та іоносфері Землі внаслідок антропогенного впливу, отримали загальну назву – «глобальна зміна клімату»

Одним з проявів глобальної зміни клімату є серія руйнівних ураганів над центральною Атлантикою у вересні 2017 року.

Негативний антропогенний вплив визнано більшістю країн світу. Тож 1992 року була прийнята Рамкова конвенція Організації Об’єднаних Націй про зміну клімату, яка дала старт організованої боротьби за екологічну безпеку планети Земля. Вироблені світовою спільнотою конкретні кроки щодо зниження шкідливих викидів в атмосферу лягли в основу Кіотського протоколу. Кіотським протоколом вводяться обмеження викидів СО₂ для більшості країн світу з урахуванням їх соціально-економічних показників. Проте темпи глобального потепління перевищують усі раніше зроблені прогнози. Стало зрозуміло, що міжнародних зусиль, які спрямовані на мінімізацію антропогенного впливу на глобальну зміну клімату, недостатньо. Для активізації дій, спрямованих на мінімізацію антропогенного впливу на клімат, а саме: зниження викидів СО₂, під час Конференції з питань клімату в Парижі замість Кіотського протоколу була прийнята Паризька хартія у межах Рамкової конвенції ООН про зміну клімату. Однак Паризька хартія 2015 останнім часом піддається численній критиці.

 

Умови змін

Для того, щоб комплексно розглянути цю проблему, необхідно відзначити три умови.

По-перше, звісно, все розумне людство виступає за екологічну безпеку планети. Оскільки ми говоримо про екологічно чисту енергетику, то для забезпечення прийнятних умов життєдіяльності у майбутньому необхідно якомога швидше відмовитися від використання вуглеводнів як енергоносіїв. Отримання енергії у результаті хімічної реакції горіння – це був перший революційний стрибок у способі отримання енергії, який здійснило людство ще сотні тисяч років тому. І попри розвиток генної інженерії, квантової фізики й набуті знання про Космос, досі основним джерелом енергії є спалювання газоподібних (природний газ), рідких (нафтопродукти) й твердих (вугілля, торф) вуглеводнів.

По-друге, розглядаючи екологічні проблеми, не можна обмежуватися окремим регіоном або державою. Наприкінці ХХ століття розвинені країни прийняли стратегію перенесення екологічно небезпечного виробництва в інші держави. Усім відомий приклад Китаю, де виробники з різних країн концентрують свою металургійну та хімічну промисловості. До цієї ж групи належать Індія і країни Південної Америки. Завдяки цьому зараз можна насолоджуватися чистим альпійським повітрям в економічно розвиненій Європі, користуючись благами, виробленими в іншій частині планети. Однак низка руйнівних ураганів у вересні 2017 року показала, що тривати так довго не може. Багато фахівців з кліматології пов’язують появи ураганів «Ірма», «Хосе» і «Марія» саме з погіршенням екологічної ситуації на планеті. Тому під час розгляду перспектив «зеленої» енергетики необхідний комплексний облік енергетичних показників по всій планеті Земля.

І по-третє – світове енергоспоживання залежить від чисельності населення на планеті та його добробуту. За всіма прогнозами соціологів, населення нашої планети надалі буде лише збільшуватися. Сподіваємося, і добробут теж. Тому енергоспоживання населення тільки зростатиме.

 

Споживання енергетичних ресурсів

Міжнародне енергетичне агентство (IEA) веде повну статистику енергетичних показників з усіх країн світу. Згідно з даними IEA, загальне річне споживання енергії у 2015 році склало 580 ЕДж = 580·10¹⁸Дж ≈ 160 10¹⁵ Вт∙год (рис. 1).

Ці види джерел енергії і є основою «зеленої» енергетики. Однак, попри всі зусилля, на сьогодні кожен з видів енергоджерел – сонячні батареї, вітрогенератори, приливні електростанції, геотермальні електростанції – становлять менш ніж 1% всього енергоспоживання населення планети. Природно, що вся корисна вироблена енергія такими джерелами йде на електрогенерацію, але навіть у цій індустрії дані джерела енергії не займають провідних позицій і поступаються таким досвідченим «старожилам» серед енергоносіїв, як вугілля і газ (рис. 2).

 

Причому якщо із загального енергоспоживання світу (рис. 2) на видобуток електроенергії йде 217 ЕДж, то в результаті генерації у вигляді електроенергії ми отримуємо тільки 101 ЕДж. Понад 50% енергії не перетворюється на корисну електроенергію за рахунок низького ККД електростанцій. У першу чергу це стосується саме теплоелектростанцій, що використовують енергію горіння вуглеводнів.

 

Виробництво альтернативної енергетики

Необхідно визначитися, скільки енергії мають виробляти альтернативні джерела? І хоча на сьогодні сировиною для значної частини біопалива є рослинні матеріали, будемо сподіватися на швидкий розвиток технологій перероблення відходів. Таким чином, з урахуванням уже функціонуючих гідроелектростанцій (14 ЕДж) та виробництва біопалива (56 ЕДж), необхідно генерувати 475 ЕДж енергії. З урахуванням низького ККД перетворення енергії горіння вуглеводнів в електроенергію, за найоптимістичнішими прогнозами, електрогенерація повинна становити не менше 300–350 ЕДж (~10¹⁷ Вт/год).

Оцінимо можливості наявних альтернативних джерел електроенергії. Спочатку коротко про геотермальні електростанції (рис 3).

Їхня ефективність залежить від глибини залягання гарячих магматичних утворень і від площі теплообміну між гірською породою і водою. На жаль (чи на щастя – інакше ми б жили в оточенні активних вулканів), на нашій планеті дуже мало місць, придатних для будівництва геотермальної електростанції з високим виходом магматичних порід. Але основна проблема – це низький коефіцієнт тепловіддачі від стінок порід до теплоносія (води). Для збільшення тепловіддачі необхідно збільшувати площу теплообміну, тобто обсяг підземної камери, що на глибині до 10 км досить проблематично. Тому даний вид електрогенерації не може послужити заміною вуглеводнів.

 

Зелені енергоджерела

Перейдемо до розгляду трьох основних претендентів на роль головного «зеленого» енергоджерела – вітрогенераторів, сонячних батарей та атомних станцій.

На сьогодні середня потужність промислових вітрогенераторів коливається у межах 1–3 МВт. Найпотужнішим вітрогенератором є генератор Vestas V-164 потужністю 8 МВт, запущений у 2014 році (рис. 4).

Розмах лопатей такої станції становить 164 метри. Мінімальна швидкість вітру для роботи такого вітрогенератора – 4 м/с, номінальна, за якої він виходить на заявлені 8 МВт, – 7 м/с. Крім цього, Євросоюз створив міжнародну компанію UpWind для проектування станції потужністю 20 МВт.

Основним обмеженням у використанні вітрогенераторів є, природно, наявність вітру достатньої сили. Сила вітру залежить від багатьох факторів – у першу чергу, це регіон та пора року. Наприклад, для м. Харкова на рік для електрогенерації можна використовувати приблизно 30% вітрів.

У Європі найбільший середньорічний показник «вітропридатності» – серед скандинавських країн, у деяких регіонах досягає 70%.

Відповідно, навіть найпотужніші перспективні вітрогенератори у середньому зможуть видавати 9∙10¹⁰ Вт∙год. Для забезпечення світового споживання необхідно, як мінімум, 1 000 000 таких станцій. Щоб повністю використовувати потенціал вітру, станції необхідно розміщувати в один ряд. З огляду на габарити одного вітрогенератора і вимоги до його експлуатації, мінімальна площа, яку займатимуть вітрогенератори становить 80 000–100 000 км².

Перейдемо до розгляду сонячних батарей. На сьогодні потужність 1 м² сонячної панелі досягає 200 Вт. З урахуванням спрямованих величезних ресурсів на розвиток цих технологій та можливості збільшення ККД в вдвічі (хоча це малоймовірно, тому що ККД сучасних станцій вже перевищує 50%), у майбутньому можна отримати максимум 400 Вт/м². Однак, знову ж таки, тут визначальну роль відіграє добова освітленість. Для середніх широт північної півкулі номінальна освітленість у літній період складає 13% часу доби, у зимовий – 5 відсотків.

Істотно краща ситуація на екваторі, де взимку і влітку номінальна освітленість більш ніж 30% часу доби. Таким чином, при розміщенні сонячних панелей на екваторі на рік вони видаватимуть 1,2∙10⁶ (Вт∙год)/м². Для забезпечення світового споживання енергії необхідно 83 000 км² сонячних панелей.

Завершимо наш огляд розглядом можливостей атомної енергетики. На сьогодні успішно експлуатуються генератори потужністю 1200 МВт. Уже розроблені та ведеться будівництво станцій з генераторами потужністю 1300 МВт і активно проектуються генератори потужністю 1500 МВт. Згідно з технічними характеристиками сучасних паливних елементів (ТВЕЛів), 12‑місячний паливний цикл забезпечує 336 ефективних діб роботи.

За таких умов існуючі реактори ВВЕР-1200 на рік можуть забезпечити 9,7∙10¹² Вт∙год, а проектовані ВВЕР-1500 – понад 12∙10¹² Вт∙год. Відповідно, для повного енергозабезпечення всього населення Землі необхідно 7 000 реакторів. З огляду на те, що вже сьогодні експлуатується 449 реакторів і 60 перебувають на стадії спорудження, це цілком технічно реалізований проект.

Будівництво одного атомного реактора потужністю 1200 МВт дозволяє відмовитися від спалювання щороку до 1,7 млн тонн нафти або 1,6 млрд м³ газу або 2,8 млн тонн вугілля (з урахуванням середньої 50% ККД теплоелектростанцій і нижньої теплоти згорання відповідних палив). За весь проектний термін служби реактора (~ 50 років) це дозволяє запобігти до 5 млн тонн СО₂ викидів в атмосферу (згідно з 2006 IPCC Methodologies for Greenhouse Gas Inventories).

Після аварій у Чорнобилі та Фукусімі вимоги безпеки до розробки й експлуатації АЕС суттєво посилені. Експерти порівнюють ймовірність серйозної аварії на сучасних АЕС з падінням великого метеорита на Землю.

 

Переваги

Основною перевагою таких джерел енергії є відсутність прив’язки до регіону розміщення, часових та погодних умов. Це дає можливість розміщувати АЕС далеко від густонаселених районів. Запаси урану, в розвіданих родовищах дозволяють забезпечити роботу станцій у найближчі 800 років. Також вкрай важливою перевагою атомної енергетики є високий потенціал розвитку даної технології, на відміну від вітрової та сонячної, де чисто з фізичної точки зору істотного прориву реалізувати не вдасться. На сьогодні проводять розробки та удосконалення реакторів на швидких нейтронах. Завдяки своїй технології та принципу роботи такий тип реакторів є безпечнішим, у порівнянні з класичними реакторами на теплових нейтронах, а також внаслідок глибшого відпрацювання палива виробляє менше радіоактивних відходів, і запаси сировини для таких реакторів у доступному для огляду майбутньому будуть невичерпні. А ще на черзі – керований термоядерний синтез, який тільки чекає свого рішення, і вчені різних країн активно над цим працюють. Реалізація технології термоядерних електростанцій дозволить збільшити потужності реакторів у десятки разів.

Підбиваючи підсумки, необхідно зазначити, що розвиток усіх видів альтернативних джерел енергії вкрай важливо і дозволяє вирішити безліч технічних та побутових завдань. Але якщо людство вирішило серйозно боротися за екологічну безпеку свого місця існування і радикально змінити принципи енергоспоживання, то альтернативи атомній або ядерній енергетиці у найближчому майбутньому немає. Хоча технічний прогрес не стоїть на місці, і, хтозна, можливо, коли-небудь з’явиться нова революційна технологія енергогенерації.

 

Максим КУСТОВ, канд. техн. наук, Національний університет цивільного захисту України