Всемирная энергетическая система - доклад

Владимир Школьник, Булат Канимов, Эльмира Канимова, ОПУБЛИКОВАНО 17.12.2019

С любезного согласия авторского коллектива мы публикуем текст доклада "Всемирная энергетическая система", представленного на международной конференции "Renewable Energy Summit 2019".

Авторы доклада - Владимир Школьник, Булат Канимов, Эльмира Канимова.

Проект создания "Всемирной энергетической системы" базируется на исследованиях в областях: прогноза развития человечества, производства и потреблении энергии, проблем глобального потепления и обеспечения питьевой водой.

Перспективы и возможные пути развития энергетики рассматриваются с точки зрения полного удовлетворения потребности человечества в энергии к 2100 году.

Согласно прогнозным оценкам к этому времени потребуется четырёхкратное увеличение производства энергии в условиях полного исчерпания углеводородного сырья, глобального потепления и нарастающего дефицита питьевой воды.

На сегодня неизвестны источники и способы производства энергии, способные заменить углеводородное топливо, тем более в таких объёмах.

Мировая энергетика: состояние и прогноз

Беспрецедентные темпы технологического развития мировой цивилизации в последние 150 лет, сопровождавшиеся таким же ростом населения Земли, были обеспечены углеводородным топливом и доступной электроэнергией: нефть - транспорт и новые химические продукты, уголь - тепло и производство электроэнергии, газ - тепло, транспорт и электроэнергию, электроэнергия обеспечила технологическую революцию.

Более 80% энергии, потребляемой человечеством, производится из углеводородного топлива, и эта тенденция сохранится ещё по крайней мере 15-20 лет. На остальные источники, включая гидро, атомные, ветровые, солнечные и др. приходится менее 20%. Баланс существенно не изменится до 2030-2035 годов (Рис.1).

Согласно прогнозам ведущих аналитических центров, при нынешних темпах добычи запасы углеводородного топлива закончатся: нефть - 50-55 лет, газ - 60-65 лет, уголь - 120-150 лет. По мере истощения запасов углеводородов цена будет расти, что приведёт к росту стоимости коммунальных услуг, транспорта, продуктов питания, нарастанию политической напряжённости.

Альтернативные и известные возобновляемые источники энергии по энергетическим, технологическим и экологическим показателям в кратко-среднесрочным периоде не способны заменить углеводороды и их доля в общей энергетике не сможет оказать существенного влияния на обеспечение энергией человечества.

Рис.1.
Основные источники энергии в период 1990-2035 гг.
Здесь и далее - для просмотра щёлкните левой клавишей мыши.

Энергетика и климат Земли

Глобальное потепление вызывает обеспокоенность мировой общественности, поиск причин и анализ возможных последствий вплоть до катастрофических сценариев.

Факт глобального потепления неоспорим (Рис.2). За последние 50 лет средняя температура увеличилась на 1 градус (National Climatic Data Center [US]). Температурная аномалия нарастает с видимым ускорением в период 1980-2015 годов. Принято считать, что основная доля вины лежит на деятельности человека и, в частности, связана с выбросами парниковых газов (углекислый газ, метан).

Рис.2.
Динамика изменения температуры Земли.

Однако прямой корреляции между выбросами углекислоты и увеличением температуры Земли не наблюдается. На Рис.3 приведена динамика изменения температуры океана и суши Земли (National Climatic Data Center [US]) и выбросы углекислоты от сжигания топлива (Enerdata).

Характер зависимости позволяет предположить о несоответствии углекислотной модели динамике глобального потепления: увеличение на 30% эмиссии углекислоты в период 1966-1977 годов не привело к увеличению температуры, увеличение эмиссии углерода на 20% в период 2004-2014 также не привело к росту температуры.

Кроме того, линейное увеличение по годам выбросов углекислоты не может быть причиной нарастающей по экспоненте температурной аномалии.

Рис.3.
Изменение температуры океана и поверхности Земли и эмиссия углекислоты.

Очевидно влияние других не менее значимых факторов.

Тепловые выбросы. Тепловые отходы человечества, в силу спектроскопических особенностей атмосферы Земли, не могут излучаться в космическое пространство, что может приводить к нарушению теплового баланса и росту температуры на Земле.

Динамика накопления тепла по этому механизму в период до 2035 года приведена на Рис.4 и может объяснить экспоненциальный рост температуры Земли и наблюдаемые климатические катаклизмы.

Рис.4.
Накопление тепла от деятельности человека за период 1990-2035 гг.
(расчёт по данным BP Energy Outlook 2015 г.).

Проблема усугубляется ещё и тем, что основная доля тепловых отходов приходится на Северное полушарие и территории трёх стран/объединений (США - 17,8%, Евросоюз - 12%, КНР - 23%, в сумме - 52,8%) с высокой плотностью населения и потребления энергии.

Предпочтительность этой модели температурной аномалии подтверждается на Рис.4а - аномалия растёт практически линейно (красный тренд и уравнение) с величиной накопленного тепла, и даже увеличение степени полинома до пятого порядка (синий тренд и уравнение) практически не меняет достоверность этой зависимости.

Это воздействие приведёт к увеличению температурной аномалии к 2050 году до 2,2-2,5°C, а к 2100 году до 5,5-6°C.

Рис.4а.
Зависимость температурной аномалии от накопления тепловых выбросов.

Увеличение производства энергии до уровней потребности растущего человечества в XXI веке приведёт к тому, что фактор, связанный с выбросами тепловых отходов, превзойдёт влияние потепления, связанное с аномалиями излучения Солнца.

Если предположение о влиянии техногенной деятельности на нарушение теплового баланса верно, то вывод очевиден - с ростом производства и потребления энергии проблема глобального потепления в будущем значительно обострится. Тепловые отходы станут основной причиной температурных аномалий независимо от видов используемых источников энергии.

Снизить мировое потребление энергии практически невозможно. Все страны прикладывают усилия по ограничению выбросов парниковых газов и в то же время стремятся к развитию экономик и повышению уровня жизни растущего населения, что невозможно без увеличения потребления энергии.

Главная задача - в условиях растущего производства и потребления энергии и невозможности быстрого закрытия существующих энергетических отраслей необходимы технологии контроля и управления климатом Земли.

Энергетика будущего

Полагая, что к 2100 году подавляющее большинство населения Земли должно быть обеспечено энергией на уровне, соответствующем сегодняшнему потреблению в развитых странах, полное удовлетворение потребности человечества в энергии в 2100 году при населении в 11,213 миллиардов составит 55,98 миллиардов т.н.э./год (2,34×10²¹ Дж/год).

При среднем КПД производства энергии 68% в 2100 году должно производится 81,68 миллиардов т.н.э./год (3,42×10²¹ Дж/год) или в 4,2 раза больше, чем в 2015 году.

Вся эта энергия в соответствии с физическими законами станет тепловыми отходами и их накопление неизбежно приведёт к катастрофическому глобальному потеплению, которое к 2100 году может достигнуть 5,5-7°C, подъёму уровня океана на 6-9 м, исчезновению ледников - источников питьевой воды для многих регионов.

На сегодня не существует источников, способных обеспечить даже часть объёмов производства энергии, требуемых к 2100 году, тем более при грядущем исчерпании углеводородов.

Единственный источник энергии, который в состоянии обеспечить будущее человечества - Солнце, которое за 1 час даёт на Землю энергию в объёме потребления всего человечества в 2015 году.

Однако проблема в том, что плотность солнечной энергии на экваторе не превышает 360 Вт/м² и для обеспечения человечества энергией потребуются солнечные батареи площадью около 10 миллионов км² с учётом площадей для обслуживания и 4-часовым рабочим циклом.

Для сравнения, суммарные площади стран Евросоюза - 4,3 миллионов км², Казахстан - 2,72 миллионов км², США - 9,5 миллионов км².

Кроме этого потребуется около 200 миллионов тонн самых совершенных на сегодня аккумуляторов, с ежегодной заменой 30 миллионов тонн.

Остальные источники энергии также не имеют долгосрочной глобальной перспективы: гидроэнергетика - потенциал практически исчерпан, ветровая - низкая плотность мощности, неконтролируемая периодичность.

Атомная и термоядерная энергетика, по моделям отдельных организаций, способны обеспечить мировые потребности человечества в энергии на многие столетия, но это неминуемо приведёт к экологическим проблемам и росту темпов глобального потепления.

Всемирная энергетическая система

Проблемы обеспечения энергией человечества, угроза глобального потепления и дефицита питьевой воды в силу масштабности задач должны решаться на уровне государств и требуют глобального подхода.

Предлагаемый проект "Всемирной энергетической системы" решает три главные проблемы будущего человечества:

      1. источник энергии;

      2. проблема глобального потепления;

      3. потребность в питьевой воде.

Солнце - единственный источник, способный практически в неограниченных количествах обеспечить человечество чистой энергией на протяжении ещё 5 миллиардов лет.

Известны проекты размещения на околоземной орбите различных спутников, передающих энергию Солнца на расположенные в определённых точках на Земле приёмники оптического, электромагнитного или теплового излучения.

Однако они остановились на этапе научных предложений. Основные причины - цикличность передачи энергии, необходимость непрерывного энергетически высокозатратного управления спутниками, развёртывания больших отражающих экранов в условиях нестабильных и мощных околоземных гравитационных полей.

В предлагаемой "Всемирной энергетической системе" источником энергии также является Солнце. Однако размещение спутников-отражателей и концентраторов, способы концентрирования, доставка энергии на Землю, её переработка и использования в корне и принципиально отличаются от известных решений.

Солнечное излучение с мощностью, достаточной для удовлетворения потребности населения Земли, концентрируется серией спутников-отражателей на приёмники энергии, находящиеся на Южном полюсе, где производится выработка электроэнергии, производство водорода и кислорода, их транспортировка потребителям на все континенты по газопроводом с последующим сжиганием на местных тепловых электростанциях.

В качестве побочного продукта получается высокочистая вода в объёмах, достаточных для удовлетворения физиологических потребностей всех жителей Земли.

Всемирная энергетическая система включает следующие компоненты.

1. Космическая компонента (Рис.5) - серия спутников-отражателей, в виде солнечных парусов, диаметром от 300 до 500 метров, изготовленных из особо лёгких материалов с отражающим покрытием, выводится на некеплеровскую гелиоцентрическую орбиту с постоянным положением над Южным полюсом Земли на высоты от 100 000 до 600 000 км в зависимости от размеров отражающих поверхностей.

Стабильность положения спутников-отражателей достигается балансом сил тяготения Солнца, Земли, давления солнечного излучения. Коррекция положений спутников-отражателей достигается специальной конструкцией варьирования силы давления солнечного излучения.

Единственное место на поверхности Земли, позволяющее обеспечить непрерывный приём сконцентрированного солнечного излучения - Южный полюс Земли. Высокая прозрачность атмосферы, отсутствие населения, практически неограниченные запасы воды и экстремально низкие температуры - дополнительные преимущества этого расположения.

На орбите Земли в области размещения спутников мощность солнечного излучения составляет 1367 Вт/м². Для повышения эффективности антарктических приёмников солнечное излучение концентрируется до мощности в 17-60 кВт/м² в зависимости от выбранного типа и конструкции приёмных устройств.

Выработка в 2100 году требуемых 81,68 миллиардов т.н.э./год (3,42×10²¹ Дж/год) энергии может вызвать катастрофическое глобальное потепление.

Вторая часть космической компоненты решает эту проблему путем размещения на гелиоцентрической орбите (Рис.5) спутников отражателей или рассеивателей, ограничивающих поток солнечного излучения, падающего на Землю и выравнивающего тепловой баланс Земли.

Комбинация двух систем (получения энергии и ограничение поступления на Землю солнечного излучения) даёт возможность практически неограниченного производства и потребления человечеством энергии без угрозы глобального потепления.

Появляется возможность управления климатом Земли. Человечество будет иметь возможность управлять тепловым балансом планеты.

Рис.5.
Космическая компонента:
а) общая схема активных потоков излучения;
б) нижний луч - формирование и концентрирование излучения;
верхний - экран для ограничение поступления на Землю избыточного солнечного излучения.

2. Наземная компонента приёмников солнечного излучения расположена на Южном полюсе в Антарктиде (Рис.6).

Антарктический преобразователь энергии включает:

      - приёмники концентрированного солнечного излучения в виде секций трубчатых теплообменников, по которым циркулирующая вода прогревается до температур 300-320°C под давлением до 100 атмосфер.

Ориентировочный диаметр приёмников составит 90 км (концентрирование солнечного излучения до 17 кВт/м²) и 48 км (концентрирование до 60 кВт/м²). В реальности, сферическая аберрации света, погрешности в расположении спутников-отражателей, несовершенства фокусировки, рассеяния света и т.п. увеличат размеры приёмника до 250-300 км в диаметре;

      - паровые электрогенераторы, преобразующие энергию высокотемпературного пара в электроэнергию, могут быть установлены на Южном полюсе или же на побережье Антарктиды.

В последнем варианте транспортировка пара под высоким давлением существенно снизит трудоёмкость строительства и монтажа станций по производству электроэнергии в центре континента.

Для удовлетворения потребности населения Земли в энергии потребуется установка 54000 штук имеющихся на сегодня паровых электрогенераторов установленной мощности 2 ГВт;

      - электроэнергия, вырабатываемая на паровых электрогенераторах, используется для получения водорода и кислорода и транспортируется далее потребителям.

Выбор водорода в качестве энергоносителя обусловлен невозможностью при существующих материалах транспортировки электроэнергии на дальние (десятки тысяч километров) расстояния. Транспортировка водорода, если не считать аварийных ситуаций, позволяет избежать потерь и возможна практически на любые расстояния.

Водородная технология транспортировки позволит также обеспечить питьевой водой население. При получении электроэнергии у потребителей на кислород-водородных электростанциях в качестве продукта сжигания образуется чистая вода - её объёмы будут достаточны для обеспечения всего населения Земли физиологической нормой (2,5 литра в сутки).

Преобразование энергии солнечного излучения в водород не потребуется в случае успешной разработки и получения в промышленных масштабах сверхпроводников, работоспособных при комнатных температурах (в пределе до 100°C). Транспортировка электроэнергии может быть осуществлена по силовыми кабелям.

Рис.6.
Антарктическая компонента (схема):
стрелки - транспортные магистрали водорода;
круг - приёмники солнечного излучения

3. Транспортная компонента, основанная на водородной технологии, включает сеть трубопроводных транспортных артерий от Антарктиды до Северного полушария с промежуточными перекачивающими станциями (Рис.7).

Основные направления транспортировки: Антарктида - Австралия, Антарктида - Южная Африка, Антарктида - Южная Америка.

Существующие газопроводы могут быть адаптированы для транспортировки водорода. Тепловые электростанции могут быть переведены на водородное топливо.

Основная часть энергии водорода будет перерабатываться в электроэнергию на водородных тепловых станциях с получением воды.

Кислород как ценный продукт антарктического электролиза также может транспортироваться потребителям, что существенно повысит эффективность тепловых водородных электростанций.

Рис.7.
Транспортная компонента:
линии - водородные и кислородные газопроводы;
квадраты - перекачивающие станции;
всполохи - тепловые водородные электростанции.

Масштабы проекта

Проект "Всемирная энергетическая система" беспрецедентен по масштабам и потребует объединения усилий многих стран и государств.

В связи с нарастанием темпов глобального потепления приступать к детальной проработке и последовательной реализации проекта необходимо уже сейчас, чтобы уже в этом десятилетии осуществить первые запуски спутников-экранов солнечного излучения для управления климатом Земли.

Ориентировочные сроки реализации проекта приведены на Рис.8. Графики, синтезированные по собственным расчётным данным и прогнозам экспертных организаций, предполагают полный запуск системы к 2100 году с постепенным наращиванием объёмов начиная с 2030 года и последовательной заменой углеводородного сырья экологически чистой солнечной энергией.

Основные параметры проекта:

       1. Объёмы производства и потребления энергии в 2100 году:
производство - 81,68 миллиардов т.н.э./год (3,42×10²¹ Дж/год);
потребление - 55,98 миллиардов т.н.э./год (2,34×10²¹ Дж/год);

      2. Население Земли в 2100 году - 11 млрд 213 млн человек;

      3. Общее количество спутников (диаметр зеркала 300 м) отражателей и концентраторов солнечной энергии - 1056;

      4. Температура спутников-отражателей при использовании алюминиевого зеркала составит около 170-200°C;

      5. Общее количество спутников регулирования теплового баланса (диаметр 500 м) - 715;

      6. Площадь антарктических теплоприёмников концентрированного солнечного излучения 1800-6300 км² диаметром 48-90 км (в зависимости от степени концентрации), с учётом погрешностей наведения и оптической аберрации - 250-300 км.

      7. Количество паровых электрогенераторов установленной мощности 2 ГВт - 54 000 штук;

      8. Протяжённость главных водородных газопроводов диаметром 1,8 м и давлением 100 атм - 42 000 км.

Рис.8.
Обеспечение энергией человечества:
верхняя линия - динамика роста народонаселения;
нижняя линия - объёмы выработки энергии;
спт - количество запущенных спутников-отражателей

Проект потребует значительных усилий в научно-технической сфере и в большой степени стимулирует её развитие:

      - разработка новых материалов для длительной эксплуатации в условиях космического пространства, обладающих минимальной массой;

      - способы запуска и развёртывания солнечных спутников отражателей размерами от 300 м в диаметре;

      - в области небесной механики по дополнительным исследованиям запуска и стабилизации спутников на некеплеровских орбитах;

      - системы управления и стабилизации спутников отражателей и рассеивателей;

      - в оптике - разработка и исследования систем сверхдлиннофокусных рефлекторов-концентраторов солнечного излучения;

      - в энергетике - новых типов паровых электрогенераторов высокой мощности;

       в газотранспортной сфере - разработка систем транспорта водорода и кислорода на сверхдальние расстояния;

       в охране окружающей среды - разработка космических систем управления климатом Земли.

Приведённое не охватывает весь перечень научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в различных областях. В процессе исследований будут находиться новые варианты и решения, способные оптимизировать временные, материальные и финансовые затраты.

Ещё более масштабные задачи предстоит решить в вопросах межгосударственной кооперации, решений на уровне ООН эксплуатации и строительства в Антарктиде, разграничения прав собственности на систему, материального и финансового обеспечения и т.д., и т.п.

Вместе с тем перед угрозами всемирного энергетического дефицита и последующей деградации человечества, глобализации энергетических конфликтов проект явится объединяющим началом интересов всех стран мира, и это будет первое за всю историю цивилизации объединение государств и стран для решения глобальной проблемы.

Заключение

Всесторонний анализ мировой энергетической ситуации, проблемы глобального потепления, состояния и перспектив обеспечения человечества водой, подтверждаемый данными и прогнозами многих организаций, показывает, что рано или поздно, возможно с некоторыми отличиями в деталях и уточнениями, проект "Всемирной энергетической системы" будет реализован.

Решение проблемы глобального потепления - первый этап, что позволит в период использования углеводородного топлива и до создания энергетической части системы обеспечить восстановление теплового баланса и управление климатом Земли.

Параллельно, в соответствии с растущими потребностями человечества и истощением запасов углеводородов, будет создаваться энергетическая часть, главные преимущества которой:

      1. Практически неисчерпаемый источник чистой энергии, не требующий добычи и переработки, исключающий возможности радиоактивного и промышленного загрязнения.

      2. Отсутствие отходов: водород, кислород, вода - целевые продукты и не требуют утилизации.

      3. Решение проблемы теплового и парникового загрязнения, появляется возможность управления климатом планеты.

      4. Главные компоненты системы (космическая и антарктическая) вынесены за территории отдельных государств и стран.

Реализация проекта "Всемирной энергетической системы" обеспечит человечество энергией на многие столетия и позволит забыть о дефиците энергии, о проблеме глобального потепления и недостатке высококачественной питьевой воды.

Проект "Всемирной энергетической системы" станет точкой отсчёта нового этапа развития человеческой цивилизации.

В.Школьник, Б. Канимов, Э.Канимова

Основные источники данных

Исходные данные получены из официальных публикаций авторитетных источников.

      - Прогноз народонаселения, экономики и социального развития: ООН Департамент по экономическим и социальным вопросам https://www.un.org/development/desa/en/.

      - Статистика производства, транспортировка, потребления энергии в общемировом масштабе: EnerData - независимая информационно- консалтинговая компания http://www.enerdata.net.

      - "Прогноз развития энергетики Мира и России до 2040 года" - Аналитический центр при Правительстве РФ, Институт энергетических исследований РАН http://ac.gov.ru/files/publication/a/2194.pdf.

      - Статистика и прогнозы производства, потребления, технологии в энергетике: BP Statistical Review 2015 http://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy/downloads.html.

      - Данные по климату, глобальному потеплению, выбросам парниковых газов: National Climatic Data Center [US] https://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/global/globe/land_ocean/1/10/1880-2015.csv.

      - Патенты: United States Patent and Trademark Office http://www.uspto.gov, Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) http://www1.fips.ru/.

      - Научные публикации - высокорейтинговые журналы соответствующих профилей.

Об авторах

Владимир Школьник

Булат Канимов

Эльмира Канимова

Владимир Сергеевич Школьник - доктор физико-математических наук, Президент Ядерного общества Казахстана, Председатель Пагуошского комитета Казахстана, физик и государственный деятель Казахстана, Автор более 200 научных публикаций.

В 1967 году поступил на физико-энергетический факультет Московского инженерно-физического института, который окончил в 1973 году по специальности "Физико-энергетические установки". После окончания института направляется на Мангышлакский энергокомбинат инженером-физиком, затем становится заместителем начальника лаборатории, главным инженером и, наконец, заместителем директора.

Занимал ряд руководящих постов в правительстве Казахстана, в том числе:

С августа 1992 года - генеральный директор Агентства по атомной энергетике Республики Казахстан.

С августа 1994 года - министр науки и новых технологий Республики Казахстан.

С марта 1996 года - министр науки и президент Академии наук Республики Казахстан.

С 1997 года - член Высшего экономического совета при президенте Республики Казахстан.

С января 1999 года - министр науки и высшего образования Республики Казахстан.

С октября 1999 года по 13 декабря 2000 года - министр энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан.

С 13 декабря 2000 года по 29 января 2002 - также заместитель Премьер-министра Республики Казахстан, .

С января 2006 года по январь 2007 года - министр индустрии и торговли Республики Казахстан.

С 12 января 2007 года - заместитель руководителя Администрации Президента Республики Казахстан.

С 19 февраля 2008 года по 21 мая 2009 года - министр индустрии и торговли Республики Казахстан.

С 22 мая 2009 года - глава АО "НАК "Казатомпром".

С 6 августа 2014 года по 25 марта 2016 года - министр энергетики Республики Казахстан.

Ключевые слова: Стратегия развития, Статьи, Мнения

---

Другие новости:

Атомный ледокол "Арктика" вышел на ходовые испытания

Первый этап продлится четыре дня.

На первом энергоблоке Белорусской АЭС началась горячая обкатка

Следующий этап - ревизия оборудования.

Подписано соглашение о подключении строящейся АЭС "Аккую" к турецкой энергосистеме

Построят более 1000 км высоковольтных линий.

---

---

---

---

Поиск по сайту: