Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Энергетика

Почему возобновляемые источники энергии так быстро дешевеют и к чему это может привести?

12.03.2021 12:15:29 | Автор: admin
чimage

Каких-то 10-15 лет назад зеленая энергетика казалась развлечением для богатых и обеспеченных стран: стоимость вырабатываемой ветряками и солнечными электростанциями энергии была несопоставимо выше стоимости киловатт-часа, полученного от сжигания ископаемого топлива. Сокращение парникового эффекта, минимизация выбросов и прочие доводы в пользу экологии часто отступали на второй план, как только дело доходило до экономической составляющей: ведь какой смысл запускать строительство солнечной станции, если энергия от нее будет намного дороже, чем, например, от угольной
Однако затем на наших глазах произошла тихая революция. За 10 лет стоимость энергии от возобновляемых источников упала в несколько раз и сравнялась с традиционной энергетикой (и даже стала ниже!), в то время как цена на энергию из ископаемого топлива осталась примерно на том же уровне, а в случае с атомной энергией, наоборот, вообще возросла.

Почему же зеленая энергетика так стремительно дешевеет? И к чему этот процесс может привести? Мы выбрали главное из публикации Макса Розера, редактора портала Our World in Data.


Цена как определяющий фактор


image
Диаграмма 1. Оригинал изображения.

Сегодня на ископаемое топливо уголь, нефть и газ приходится около 79% мирового производства энергии. И у этого есть серьезные негативные последствия: на инфографике выше сопоставлены уровень смертности населения из-за загрязнения воздуха (слева) и объемы вырабатываемых парниковых газов (справа).

На сжигание ископаемого топлива приходятся 87% всех мировых выбросов CO2, и это ставит под угрозу не только жизнь наших потомков, но и всю биосферу в целом. И это же является причиной гибели множества людей и в наше время: ежегодно от этих выбросов умирают 3,6 миллиона человек по всему миру. Это в шесть раз больше, чем смертность от убийств, войн и атак террористов вместе взятых.

Из Диаграммы 1 очевидно, что такие альтернативы ископаемому топливу, как возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и атомная энергетика, на порядки безопаснее и чище.

Но почему же тогда мировая экономика всё ещё полагается на ископаемое топливо?
Ответ простой: причина в том, что именно этот вид топлива долгое время оставался самым дешевым. Дешевле, чем все остальные источники энергии. Именно из-за этого на сегодняшний день уголь всё ещё обеспечивает 37% мировой электроэнергетики. На втором месте газ (24%). И вместе они крупнейший источник парникового эффекта, производящий 30% от всех глобальных выбросов.

image
Диаграмма 2. Оригинал изображения.

На Диаграмме 2 показано, насколько изменились цены на электроэнергию из невозобновляемых источников за последнее десятилетие. Для объективности и наглядности, стоимость выражена в нормированной стоимости электроэнергии (НСЭ, LCOE). НСЭ это средняя расчётная себестоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла электростанции (включая все возможные инвестиции, затраты и доходы). НСЭ учитывает стоимость строительства самой электростанции, а также текущие затраты на топливо и эксплуатационные расходы за весь срок работы. Таким образом, если НСЭ вашей электростанции будет выше, чем у других, вам придется очень потрудиться, чтобы найти покупателя вашей дорогостоящей электроэнергии и, с большой вероятностью, вы откажетесь от этой идеи в пользу экономически более выгодного варианта.
Как видно из Диаграммы 2, за последние 10 лет атомная энергия подорожала, газ подешевел, а цена на уголь осталась почти неизменной. Что стоит за этими графиками увидим чуть позже.

image
Диаграмма 3. Оригинал изображения.

На Диаграмме 3 тот же самый график, но с одним важным дополнением: в нем указана динамика снижения стоимости электроэнергии из возобновляемых источников (заметим, что все цены рассчитывались без учета субсидий). Посмотрите, как кардинально поменялась ситуация с стоимостью ВИЭ за последнее время. Буквально вчера, 10 лет назад, было намного дешевле и рациональнее выстроить еще одну угольную электростанцию, чем заморачиваться с солнечными или ветряными генераторами. Ветер был дороже угля на 22%, а солнце на целых 223%.

Однако за прошедшие 10 лет многое изменилось. В недалеком 2009 г. электроэнергия от фотоэлектрических установок стоила $359 за МВтч, а теперь на 89% меньше. И самое интересное: сейчас для того, чтобы окупить стоимость постройки новой угольной электростанции, вам придется выставлять конечным потребителям более высокую цену за энергию, чем в случае, если вы будете строить ветряную или солнечную электростанцию аналогичной мощности.
Это по-настоящему фундаментальное изменение, и оно, конечно же, оказало влияние на электроэнергетику. В последние годы энергия ветра и солнца развивались стремительно: в 2019 г. именно на ВИЭ приходилось уже 72% всех новых введенных в эксплуатацию мощностей.

Но почему же так происходит? Как зеленой энергетике удалось добиться столь быстрого снижения себестоимости?

Дело в том, что на затраты на производство энергии из ископаемых источников (а также атомной энергии), по существу, влияют два фактора:

  • стоимость самого топлива;
  • эксплуатационные расходы электростанции.

В отличие от этого, у ВИЭ топливо бесплатное: его не нужно добывать из недр и транспортировать. Да и расходы на эксплуатацию существенно меньше. Главный фактор, определяющий себестоимость ВИЭ, это сама технология производства.

От космических цен к массовому рынку


Сделаем небольшой экскурс в прошлое и вспомним, какой путь прошла фотоэнергетика. Одно из первых упоминаний о стоимости солнечной электроэнергии относится к 1956 г. Тогда она составляла $1865 за один ватт (в ценах 2019 г. и с учетом инфляции). Но один ватт это ни о чем. Условная современная солнечная панель, установленная на крыше дома, вырабатывает около 320 Вт, и при такой цене в 1956 г. она обошлась бы нам в целых $596 800. Конечно, ни о какой конкурентоспособности тут и речи не было.
Но спасибо космическим исследованиям. Благодаря им, произошло первое практическое применение солнечной энергии: в 1958 г. солнечной батареей снабдили американский спутник Авангард-I и советский Спутник-3. На протяжении 1960-ых космическая индустрия оставалась главным потребителем фотоэнергетики. Спрос рос, и производство тоже росло, а технологии постепенно оптимизировались. Как следствие, себестоимость солнечных модулей хоть и медленно, но неуклонно снижалась.

В 1970-ых космическая технология наконец спустилась на Землю. Первыми наземными случаями применения солнечных батарей стали попытки электрифицировать труднодоступные места, которые было чересчур дорого подключать к обычным электросетям: маяки, железнодорожные переезды и т.д. Крайняя верхняя левая точка на Диаграмме 4 стоимость одного ватта в 1976 г.: 112 долларов США (с поправкой на инфляцию). Обратите внимание, что общий мировой объем выработки солнечной электроэнергии в то время составлял около 0,3 Мвт. Это, конечно, уже было неслыханным прогрессом (по сравнению с 1956 г. цена снизилась на 94%!), но 0,3 МВт увы, еще далеко не промышленный масштаб.

image
Диаграмма 4. Оригинал изображения.

Но на самом деле всё только начиналось График на Диаграмме 4, у которого обе шкалы (оси) логарифмические, наглядно демонстрирует, как год за годом, вплоть до нашего времени, цена солнечных батарей проходила по кривой обучения: в то время как ввод новых мощностей экспоненциально рос себестоимость солнечных модулей экспоненциально снижалась. Чем шире становилось производство, тем дешевле обходилась продукция, а это, в свою очередь, вело к еще большему росту производства, это та самая экономия на масштабе, которую мы встречаем практически повсеместно. Плюс, конечно, помогла государственная поддержка, которая за счет субсидий смогла снизить цену на ранних, самых дорогостоящих этапах.

Достижения, которые сделали возможным такое снижение цены на солнечные батареи, касаются, по сути, всего производственного процесса. Предприятия стали более крупными и эффективными; более результативным стал НИОКР; совершенствовалось производство кремниевых пластин; расширялись масштабы добычи сырья; модули становились более прочными и долговечными; развивалась конкуренция; снижались капитальные затраты на производство. Эти и многие другие большие и маленькие улучшения формировали тот общий процесс, который вел к постоянному снижению себестоимости.

Если за своего рода скорость обучения принять темп снижения себестоимости по мере удвоения производства, то в случае с солнечными батареями этот показатель составил 20,2%. Технология производства быстро дешевела, и в период с 1976 года по 2019 стоимость батарей упала с $106 до $0,38 за 1 вырабатываемый ватт. Аналогичное экспоненциальное изменение кривой обучения хорошо нам знакомо и по другим технологиям: самый известный пример это стоимость компьютеров (процессоров) и знаменитый закон Мура.

Но нас больше интересуют цены не на солнечные батареи, а собственно на вырабатываемую ими электроэнергию. На Диаграмме 5 сопоставлены невозобновляемые виды энергии (атомная энергия и уголь) и возобновляемые солнечная энергия, материковая и береговая ветроэнергетика).

image
Диаграмма 5. Оригинал изображения.

Этот график тоже с логарифмическими шкалами, и он показывает, что кривая обучения, которую мы видели в случае падения цен на солнечные батареи, повторяется и здесь. Стоимость зеленой электроэнергии экспоненциально снижается по мере роста ее производства. С каждым удвоением объемов производства, стоимость 1 ватта снижается на 36% (для солнечной энергии) и на 23% (наземная ветроэнергетика). А вот энергия от морских ветроэнергетических установок всё ещё относительно дорога лишь на четверть дешевле атомной энергетики и немного дороже угля. Тем не менее, эксперты ожидают быстрого снижения стоимости этого вида энергии в ближайшие несколько лет, прежде всего за счет увеличения размеров турбин и большей загруженности из-за постоянного ветра.

Таким образом, производство электроэнергии из ВИЭ демонстрирует динамику быстрого и неуклонного снижения. А как обстоят дела с традиционной энергетикой?

Мировая цена на уголь с 2010 по 2019 гг. снизилась с $111 до $109, т.е. всего на 2% на фоне того, как удешевление солнечной составило 89%, а ветровой 70%. Стагнация цен на угольную электроэнергию в последние 10 лет не является чем-то удивительным. Исторически динамика ее стоимости никогда не следовала кривой обучения: она была и остается относительно дешевой. Но сколько-нибудь серьезно дешеветь она уже не будет. Во-первых, у современных угольных электростанций мало возможностей для серьезного роста КПД: наиболее эффективные предприятия достигают КПД в 47%, а в среднем он составляет около 33%. Во-вторых, цену на угольную электроэнергию в значительной степени формируют затраты на сырьё, на которое уходит до 40% от общих затрат на производство. Даже если цена на возведение угольных станции существенно снизится, а их КПД повысится, цена на топливо всё равно будет блокировать динамику снижения стоимости.

А вот цена на электроэнергию из газа, напротив, за последние 10 лет снизилась на 32%, до $56 за МВтч. Одна из причин уменьшение стоимости строительства перерабатывающих предприятий. Но гораздо важнее другая причина: значительное снижение цены самого газа как сырья после пика стоимости в 2008 г., в том числе из-за роста предложения с технологией гидроразрыва пласта. Однако это снижение цен на сырье носит временный характер: цена на газ сегодня на самом деле выше, чем два-три десятилетия назад. Вряд ли оно продолжится в будущем, и, очевидно, что ни о какой кривой обучения в отношении стоимости газовой электроэнергии говорить не стоит.

Атомная электроэнергия, как видно из Диаграммы 5, вообще подорожала, и в долгосрочном периоде эта тенденция сохранится. Строительство атомных электростанций стало более дорогостоящим, в том числе потому, что ужесточилось регулирование отрасли. К тому же в последние годы в мире было построено не так уж много новых АЭС, и как результат не возникало эффекта масштаба. Поэтому средняя мировая стоимость атомной энергетики (как НСЭ) в общем возросла. Что, впрочем, не отменяет довольно большого разброса в ценовых тенденциях между отдельными странами и регионами. Например, если в США и Великобритании цены и срок строительства станций значительно выросли, то во Франции и Южной Корее они остались на прежнем уровне. По мнению ряда экспертов, избежать скачка цен удалось тем странам, где строительство реакторов в наибольшей мере стандартизировано. Если стандартизация станет повсеместной, а рост количества новых АЭС перестанет стагнировать, то есть вероятность, что стоимость ядерной энергетики пойдет на снижение. Вряд ли она когда-либо достигнет экспоненциальной динамики стоимости ВИЭ, но зато сможет эффективно дополнить возобновляемую энергетику там, где последняя сталкивается с проблемами. Плюс не стоит забывать про возможные перспективы термоядерных реакторов, которые теоретически могут полностью изменить мировую систему энергоснабжения.

Заключение


Так почему же возобновляемые источники энергии так быстро дешевеют? Как следует из приведенных аргументов, главная особенность, кардинально отличающая ВИЭ от ископаемого топлива, это то, что их себестоимость следует экспоненциальной кривой обучения. Электростанции, использующие возобновляемые источники, не требуют затрат на само топливо и сравнительно недороги в эксплуатации и техническом обслуживании. Их цена (НСЭ) зависит исключительно от стоимости технологий. И эти технологии будь то получение солнечной энергии, энергии ветра или технологии аккумуляции, следуют кривой обучения: каждое удвоение мощностей ведет к соответствующему снижению затрат. Чем большее распространение получают ветровые и фотоэлектрические генераторы, тем быстрее снижается их стоимость.

Таким образом, чем больше зеленой энергетики мы внедрим сегодня, тем еще больше, за счет снижения себестоимости, сможем внедрить завтра. Соответственно, расширяя масштабы использования ВИЭ, мы одновременно решим две проблемы: снизим негативные последствия от выбросов и парникового эффекта и, что, возможно, еще более важно, получим более дешевую электроэнергию. А это, в конечном итоге, будет вести к повышению реальных доходов населения, экономическому росту и сокращению бедности.

Подробнее..

Как абсорбционные технологии применяются в энергетике

03.11.2020 10:17:48 | Автор: admin
С момента возникновения энергетики как самостоятельной отрасли промышленности основной её задачей был вопрос генерации, в первую очередь, электрической энергии. Со временем, идея когенерации (теплофикации) обрела популярность, и совместная выработка электрической и тепловой энергии, став новым витком развития отрасли, приобрела статус классической. Дальнейшим шагом в эволюции энергетики стало производство холода наряду с теплом и электричеством.

Если с когенерацией всё более или менее понятно, то тригенерация (одновременная выработка электричества, тепла и холода), хотя давно и не претендует на инновационность, до сих пор часто вызывает если не вопросы, то некоторое недопонимание в плане применения на крупных предприятиях теплоэнергетики. В этой статье я рассмотрю, где и для каких целей можно использовать не только холод, но и в целом абсорбционные технологии на электростанции (ЭС).

Источник

Развитие технологий и общий тренд на энергоэффективность в промышленности затронул и энергетическую отрасль, в которой тепло и электроэнергия, затрачиваемые на собственные нужды, всегда считались неисчерпаемым ресурсом в силу низкой себестоимости и доступности практически в неограниченных количествах.

На примере электростанций, с которыми работает компания Первый инженер, мы с коллегами можем отметить явный рост заинтересованности в ресурсосбережении. Если еще 3-4 года назад большинство наших проектов в энергетике были направлены на повышение надежности систем, то сегодня большая часть обращений связана с задачами повышения эффективности и снижения затрат энергии на собственные нужды. Один из перспективных, на наш взгляд, способов снизить потребление первичных энергоресурсов абсорбционные технологии, позволяющие более полно использовать тепло, вырабатываемое в цикле электростанций (к ним в материале условно относятся все тепло- и электрогенерирующие предприятия отрасли: от простых водогрейных котельных и небольших ТЭЦ до ГРЭС и даже АЭС). Это касается как высокопотенциальных потоков (перегретый пар, выхлопные газы газотурбинных установок), так и низкопотенциальных (оборотная вода, отработанный пар, уходящие газы котлов).

АБМХ и генерация холода


Абсорбционные технологии это, прежде всего, выработка холода с использованием АБХМ (абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин). Принцип работы АБХМ построен на использовании тепловой энергии, а не электрической. Поскольку на объектах энергетики тепло присутствует в избытке в виде пара различных параметров, горячей воды или продуктов сгорания, то именно такая доступность открывает широкие возможности для включения АБХМ в цикл ЭС.

Обычно производство холода на электростанциях (с температурой ниже, чем у атмосферного воздуха) осуществляется в сравнительно небольших масштабах и в основном для следующих целей:

  • кондиционирование помещений с постоянным или периодическим присутствием людей;
  • кондиционирование помещений с повышенным тепловыделением размещённого в них оборудования.

При этом традиционно используются электрические кондиционеры и пароэжекторные холодильные машины.

Охлаждение технологического оборудования с применением водооборотных циклов с градирнями нельзя отнести к системам генерации холода, поскольку они не вырабатывают холод, а сбрасывают избыточное тепло в окружающую среду. При этом выходная температура охлаждённой воды не превышает температуру воздуха по мокрому термометру.

Более того, охлаждающий контур с градирней необходим для работы абсорбционного чиллера (сброс избытков низкопотенциального неиспользуемого тепла). Но поскольку в охлаждающей воде на предприятиях энергетики недостатка нет (особенно в летнее время, когда энергетическое оборудование недозагружено, а градирни работают не на полную мощность), то строительство дополнительных градирен специально для АБХМ не требуется, можно использовать существующую циркводу (охлаждающую воду), подбирая холодильную машину под её параметры.

Расширяя рамки привычных схем применения холодильного оборудования на ЭС, можно выделить три основных способа применения АБХМ на предприятиях энергетики:

  • охлаждение технологического оборудования и кондиционирование помещений;
  • охлаждение воздуха на входе в компрессор ГТУ;
  • централизованное холодоснабжение.

Охлаждение технологического оборудования и кондиционирование помещений


По мере того, как в энергетическую отрасль приходят новые технологии и оборудование, повышаются требования к условиям его эксплуатации, к вспомогательным системам, обеспечивающим его безаварийную работу, в том числе, к системе охлаждения. Охлаждение требуется как исполнительным элементам технологического оборудования, так и оборудованию, обладающему высоким уровнем тепловыделения, размещаемому в отдельных помещениях с поддержанием микроклимата (системы автоматизации, управления, серверное оборудование и пр.).

В производственных зданиях в местах постоянного присутствия оперативного персонала, в административно-бытовых помещениях обеспечение комфортной температуры может поддерживаться централизованной системой холодоснабжения на базе АБХМ.

Состав подобных систем:

  • абсорбционный чиллер,
  • система распределительных трубопроводов,
  • фанкойлы.

Охлаждаемая в АБХМ вода (для нужд кондиционирования обычный температурный график поддерживается на уровне 7-12С) посредством разветвлённой сети трубопроводов подаётся к внутренним блокам системы промышленного кондиционирования (фанкойлам), размещённым в помещениях. Холодная вода нагревается в теплообменниках фанкойлов, охлаждает воздух, проходящий через них, и возвращается в чиллер для повторного охлаждения.

Охлаждение воздуха на входе в компрессор ГТУ


Для поддержания процесса горения топлива в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ) необходим постоянный подвод кислорода. Воздушный компрессор, устанавливаемый на одном валу с газовой турбиной, обеспечивает сжатие подаваемого в камеру сгорания ГТУ атмосферного воздуха, обогащённого кислородом. Предварительно воздух проходит несколько ступеней фильтрации в комплексном воздухоочистительном устройстве (КВОУ) на фильтрах предварительной и тонкой очистки.


В зависимости от электрической нагрузки турбины в её камеру сгорания требуется подача определённого количества воздуха. Однако в летний период температура окружающей среды поднимается настолько, что плотность атмосферного воздуха заметно падает, и это приводит к голоданию процесса горения топлива, к снижению объёма выхлопных газов, вращающих лопатки газовой турбины. Как следствие падение электрической мощности ГТУ на 20-30% от номинальной.

Принудительное охлаждение циклового воздуха в КВОУ позволяет вернуть работу турбины в штатный режим с выдачей максимальной мощности даже в период аномально высоких температур окружающей среды. С этой целью в КВОУ встраиваются дополнительные теплообменные поверхности (или существующие теплообменники меняются на новые), внутри которых циркулирует вода или водно-гликолевая смесь, охлажденная в АБХМ.

В качестве греющего источника АБХМ может использовать не только горячую воду и пар из отборов турбин, но также и тепло выхлопных газов самой ГТУ. Выбор греющего источника зависит от его доступности, характеристик и конструктивного исполнения основного оборудования, себестоимости. В конце концов, целесообразность внедрения системы охлаждения циклового воздуха ГТУ определяется объёмом недовыработки электроэнергии и связанными с этим экономическими последствиями (штрафами, недополучением прибыли от продажи электроэнергии и пр.), схемой включения АБХМ, периодичностью её работы и иными местными условиями (в том числе климатическими).

Централизованное холодоснабжение


В последние 10-15 лет применение абсорбционных холодильных машин для целей централизованного холодоснабжения внешних потребителей с использованием избыточного тепла предприятий активно развивалось в Швеции, Финляндии, Франции, Германии, Южной Корее, Китае и многих других странах. Как правило, холодная вода (с температурой 5-7С) используется для нужд кондиционирования офисных зданий, больниц, торговых центров, спортивных и выставочных комплексов, иных объектов социальной инфраструктуры. Для вновь проектируемых районов с жилой застройкой зачастую также прорабатывается система централизованного холодоснабжения.

Подобный подход позволяет существенно снизить нагрузку на электрическую инфраструктуру городов в летнее время, когда основной объём энергопотребления приходится на оборудование систем кондиционирования и холодоснабжения. Таким образом, повышается надёжность локальных энергосистем районов и целых городов, снижается риск возникновения аварий из-за перегрузок в электросетях в часы пиковых нагрузок. И всё это без существенных затрат и модернизации существующей энергосистемы.

В эксплуатации такие системы ничуть не сложнее обычной теплосети: такие же магистральные трубопроводы (прямая и обратная линии), местные пункты регулирования параметров холода и коммерческого учёта, распределительные сети (по потребителям), вместо радиаторов отопления блоки фанкойлов.

В случае, когда отдельным потребителям требуется более глубокое охлаждение (5С и ниже), на стороне потребителя требуется организация внутреннего контура циркуляции с электрическими чиллерами, которые будут доохлаждать теплоноситель в контуре до необходимых параметров.

С целью сокращения протяжённости линий систем холодоснабжения АБХМ могут устанавливаться ближе к потребителям в районных котельных или тепловых пунктах, используя при этом горячую сетевую воду в качестве греющего источника.

АБТН и генерация тепла


Другая сторона АБХМ работа в режиме теплового насоса. Абсорбционный тепловой насос (АБТН) по принципу работы ничем от АБХМ не отличается. Если коротко, то низкопотенциальное тепло уходящих газов котельных установок и даже тепло циркводы можно преобразовывать в АБТН и передавать более нагретому потоку (сетевой воде), экономя таким образом на топливе. С учётом того, что для работы теплового насоса охлаждающий контур не требуется (его роль выполняет низкопотенциальный поток, тепло которого используется для нагрева теплосети), энергозатраты на его эксплуатацию даже ниже, чем у АБХМ.

Как известно, производство тепла в энергетике, отдаваемого на сторону, традиционно осуществляется в двух формах:

  • в виде горячей воды на нужды отопления и горячего водоснабжения (с использованием подогревателей сетевой воды и пара, отбираемого из проточной части паровых турбин, или с использованием водогрейных котлов);
  • в виде пара на нужды производственных предприятий (непосредственно от котлов с предварительным редуцированием или из промотборов турбин).

Утилизируя отработанное тепло, которое обычно сбрасывается в окружающую среду, абсорбционные тепловые насосы позволяют увеличивать общий КПД ЭС, повышая полноту использования тепла сжигаемого топлива. При этом достигаются следующие цели, оправдывающие внедрение АБТН на предприятии:

  • снижение температуры уходящих газов котлов,
  • наращивание теплопроизводительности ЭС,
  • увеличение тепловой мощности существующей теплосети.

Снижение температуры уходящих газов котлов


Охлаждение уходящих газов ниже 100С стандартно не осуществляется из-за выпадения кислого конденсата в конвективной части котла и далее по тракту (в газоходах и дымовой трубе), что приводит к их коррозии и преждевременному выходу из строя. Обычно уходящие газы котлов выбрасываются в атмосферу с температурой 120-180С.


При выполнении ряда мероприятий, которые позволят исключить негативное воздействие коррозионных процессов (подробнее об этом в моей прошлой статье Экология с выгодой: Утилизация тепла дымовых газов), охлаждение дымовых газов до температуры точки росы и ниже приводит к выпадению из них NOx и SOx в виде конденсата. Таким образом, осуществляется очистка дымовых газов от вредных выбросов в окружающую среду, повышается экологичность производства и достигается максимально полное и полезное использование тепла уходящих газов.

Охлаждение газов с применением АБТН может быть достаточно глубоким до 30 и даже 20С. Полученного тепла вполне достаточно, чтобы нагреть воду для различных нужд электростанции, в том числе для нагрева сетевой воды.

Помимо экономии топлива, которая может составлять 510%, повышается и КПД котельного агрегата до 23%.

Наращивание теплопроизводительности ЭС


Рано или поздно существующие генерирующие мощности предприятий энергетики достигают своего предела, при котором дополнительная выработка тепла без соответствующей модернизации производства просто невозможна. Это может быть следствием физического износа оборудования и ухудшения его рабочих характеристик или достижения его максимальных возможностей. В условиях строительства новых районов и кварталов с жилой застройкой городские тепловые сети в крупных городах зачастую просто не справляются с растущим числом потребителей тепловой энергии, присоединяемых к теплосетям.

Для решения этой задачи с наименьшими финансовыми затратами применяются абсорбционные тепловые насосы. При этом и уходящие газы котлов, и цирквода могут служить источником низкопотенциального тепла для дополнительного нагрева сетевой воды, а сам АБТН может устанавливаться либо последовательно с сетевыми подогревателями, либо параллельно им.


Использование тепла оборотной воды позволяет не только увеличивать теплопроизводительность предприятия до 20% от установленной тепловой мощности, но, кроме этого, обладает рядом следующих преимуществ:

  • не требуется строительство новых генерирующих мощностей,
  • экономия топлива при выработке тепла,
  • снижение нагрузки на градирни,
  • уменьшение потерь водооборотного цикла на испарение и продувку,
  • снижение потребления электрической энергии на собственные нужды ЭС.

Количество теплоты, передаваемое с сетевой водой, определяется следующим соотношением:

$Q = c*m*T$


где с удельная теплоёмкость (Дж/кгС),

m масса теплоносителя (кг),

T температурный перепад вход/выход (С).

Отсюда видно, что наращивание тепловой мощности ЭС при постоянном перепаде температур прямая/обратка требует бльшего количества сетевой воды. Это означает, что существующая теплосеть потребует модернизации (работы по увеличению пропускной способности) и соответствующих затрат.

Увеличение тепловой мощности существующей теплосети


Другой способ передать большее количество тепла потребителям при неизменной пропускной способности существующих сетей увеличить теплосъём на принимающей стороне.

Как показано ранее (см. формулу выше), для передачи большего количества тепла с водой требуется изменение объёма рециркуляции.

Но при постоянной теплоёмкости изменение количества теплоты зависит не только от количества, но и от глубины её охлаждения.

Поэтому сохраняя конфигурацию тепловых сетей, расходы и предельные значения температур и давлений в первичном и вторичном контурах и одновременно занижая температуру в обратной линии теплосети, можно обеспечить бльший теплосъём на потребителе.

Таким образом, задача увеличения количества присоединяемых потребителей в условиях достигнутого максимума тепловой мощности существующей теплосети сводится к интенсификации процесса теплоотдачи. Абсорбционный тепловой насос с большой разностью температур (теплообменный АБТН), работающий в режиме теплообменного аппарата, позволяет решать указанную задачу без изменения параметров вторичного (внутреннего) контура.

Сравнивая обычный теплообменный аппарат с теплообменным АБТН, можно констатировать существенный прирост тепловой мощности при постоянном расходе сетевой воды.


Температурные режимы контуров при использовании традиционных теплообменников:

  • вторичный контур 60/50С;
  • первичный контур 95/55С.

Температурные режимы при использовании теплообменного АБТН:

  • вторичный контур 60/50С;
  • первичный контур 95/42С.

Отмечу, что указанные параметры иллюстрируют возможности, но не характеризуют предельные значения температур, достигаемых с помощью теплообменного АБТН.

График работы вторичного контура (на стороне потребителя) остаётся неизменным, а обратный контур теплосети первичного контура существенно занижается (в данном случае до 42С против 55С при использовании обычного теплообменного устройства).

Как результат, модернизация тепловых пунктов с установкой теплообменных АБТН не требует:

  • увеличения расхода сетевой воды,
  • реконструкции существующих тепловых сетей,
  • увеличения мощности сетевых насосов

При этом может быть обеспечен прирост тепловой мощности до 50% на стороне потребителя за счёт увеличения перепада температур между прямым и обратным трубопроводами сетевой воды.

Технология подходит для обеспечения теплом вновь возводимых зданий в районе с существующей инфраструктурой. Как правило, это жилые здания, строящиеся на месте снесённых ветхих и аварийных домов (для Москвы в рамках программы реновации это особенно актуально). Такие здания потребляют значительно больше энергоресурсов (тепловой и электрической энергии), чем прежние, а перекладка сетей по всему району мероприятие дорогостоящее и доставляет множество неудобств. Поэтому модернизация отдельно взятых тепловых пунктов представляется довольно перспективным способом применения АБТН для нужд теплоснабжения.

В заключение отмечу, что сроки окупаемости в современных реалиях занимают определяющее место при проработке вариантов реализации любых технических решений. Экономическая модель проекта внедрения АБХМ или АБТН для нужд холодо- и теплоснабжения выглядит более привлекательно, когда имеется возможность, а, самое главное потребность в обоих энергоресурсах (и в холоде, и в тепле). Поэтому сезонное использование одной и той же единицы оборудования (летом для выработки холода, а зимой для генерации тепла) повышает эффективность использования абсорбционных машин и снижает сроки возврата инвестиций в проект.

Спасибо, что нашли время для моего поста. Буду рад обсудить написанное в комментариях.
Подробнее..

Солнечный портфель компании TOTAL

16.10.2020 18:23:47 | Автор: admin

Французский энергетический концерн TOTAL уже давно помимо предприятий угольной, газовой и нефтяной промышленности, имеет и объекты возобновляемой энергетики. В частности солнечной. Так называемый солнечный портфель. Таким образом руководство компании расширяет свой портфель инвестиций, снижая риски, связанные с возможным уменьшением потребления нефти. А такой сценарий вполне вероятный, так как каждый год увеличивается число электромобилей и возобновляемая энергетика составляет всё больший процент от общего количества выработанной электроэнергии.

История развития солнечного портфеля компании TOTALИстория развития солнечного портфеля компании TOTAL

С чего начинался солнечный портфель

Напомним, что солнечный портфель TOTAL начали формировать ещё в прошлом десятилетии. В 2013 году заработала концентраторная солнечная электростанция в Абу-Даби мощностью 100МВт. Её строительство началось в 2010 году совместно с компаниями Masdar и Abengoa Solar. TOTAL выступал в качестве инвестора.

В 2015 в солнечный портфель TOTAL добавилась фотоэлектрическая станция PV Salvador в Чили. Её мощность составляет 70МВт и строилась она в содружестве с компанией SunPower. PV Salvador стала самой большой солнечной электростанцией Чили на тот момент. SunPower американская энергетическая компания, занимающаяся изготовлением солнечных панелей и строительством солнечных электростанций с 1990 года. Это был первый совместный проект двух гигантов из разных отраслей

Развитие солнечного портфеля

2016 и 2017 года стали для содружества TOTAL-SunPower ещё более плодотворными. Французы вкладывали деньги, а американцы оборудование. Таким образом появились ещё два проекта:

  • Prieska photovoltaic power plant крупнейшая солнечная электростанция в Южной Африке мощностью 75МВт

  • Nanao солнечная электростанция мощностью 27МВт, расположенная на побережье японского полуострова Ното.

Японская солнечная электростанция НАНАО часть солнечного портфеля TOTALЯпонская солнечная электростанция НАНАО часть солнечного портфеля TOTAL

Итого, на конец 2018 начало 2019 года, в компании было 4 солнечных проекта общей установленной мощностью 272МВт. Остановило ли это компанию от расширения портфеля ВИЭ? Конечно же, нет. Цель компании 25ГВт мощности возобновляемой энергетики в портфеле до 2025 года.

Наши дни

В 2019 году увеличению солнечного портфеля TOTAL способствовали ряд факторов. Это и снижение спроса на нефть, и увеличение количества электромобилей и общий тренд на декарбонизацию и зелёное будущее. В этом году компания приобрела люксембургского независимого производителя электроэнергии NovEnergia Holding Company.

В портфеле NovEnergia 47 объектов энергетики, функционирующих на основе ВИЭ (ветровые, солнечные электростанции и ГЭС). Суммарная мощностью объектов в Португалии, Италии, Франции, Испании, Болгарии и Польше 657 мегаватт.

Также, в сентябре 2019 года, компания расширила географию своего присутствия на СНГ, заключив контракт с АО Национальные электрические сети Узбекистана на инвестиции в строительство фотоэлектрической станции мощностью в 100МВт.

2020 год с его нефтяным кризисом заставил компании, занимающиеся добычей и переработкой нефти, задуматься над тем, как не прогореть. И корпорация TOTAL не стала исключением.

В начале текущего года концерн заключил соглашение с индийской группой Adani о совместной разработке солнечных проектов суммарным объёмом более 2,3ГВт. Ещё один гигантский рынок сбыта солнечной энергетики TOTAL Group Испания. В начале года были заключены два соглашения с компаниями Powertis и Solarbay Renewable Energy, которые предусматривали реализацию солнечных проектов общим объёмом около 2 гигаватт (ГВт).

А в октябре TOTAL объявил о новой, ещё более масштабной сделке с испанским разработчиком Ignis. Партнёры построят 3,3 ГВт солнечных электростанций в предместьях Мадрида и в Андалузии. Первые объекты будут введены в эксплуатацию в 2022 году. А весь испанский портфель начнёт работать в 2025-м.

солнечный портфель TOTAL Испаниясолнечный портфель TOTAL Испания

Таким образом, общий объём солнечных проектов TOTAL в Испании превысил 5 ГВт. Французские нефтяники фактически стали крупнейшими держателями активов в фотоэлектрической энергетике в этой стране. А общая установленная мощность солнечного портфеля компании составляет более 8 гигаватт.

Планы на будущее

В 2020 году TOTAL пересмотрела свои планы. Согласно новому плану развития, портфель ВИЭ с 25ГВт до 35ГВт до 2025 года. Всё дело в том, что компания негласно конкурирует с ещё одной нефтяной компанией (BP) в том, у кого солнечных и ветровых электростанций больше.

Основную долю как в текущем, так и в планируемом на 2025 год портфеле ВИЭ нефтегазового гиганта занимают солнечные фотоэлектрические электростанции.

Надеемся, что французская компания внесёт свою посильную лепту в поиск энергетического баланса между традиционными и возобновляемыми источниками питания. А, быть может, и поможет в создании новой системы энергоснабжения, которая будет менее негативно влиять на нашу планету, чем существующая.

Spoiler

Мой подкаст о солнечной энергетике Solar-News можно послушать на всех платформах (я пиарюсь)

Подробнее..

Как мы теряем энергию, которую сами же и создаем. Пример Норильска

31.07.2020 08:16:45 | Автор: admin


Был обычный жаркий летний день. Таких много бывает, когда ты работаешь, и почему-то крайне мало, когда у тебя выходной. Карантин в Научно-исследовательском институте Тепла и Холода (НИИТиХо) впал в Z состояние. Основной инженерский состав уже давно работал на местах, только ITшники, по большей части, работали удаленно. Инженер Самсонов вяло ковырял отвёрткой в какой-то древней печатной плате, пытаясь её то ли оживить, то ли окончательно угробить. Обед закончился час назад, а до конца рабочего дня было еще бесконечно долго.

Вдруг мимо него пробежала группа встревоженных лаборанток и, возмущенно восклицая, исчезла за углом коридора. Сонное настроение вмиг слетело с товарища Самсонова. Он бодро покрутил головой по сторонам и заметил таких же просыпающихся, как грибы после грибного дождя, инженеров. По помещению потекли тихие вопросительные разговоры. Никто не знал, что происходит.

Внезапно послышался суровый топот и по коридору пронесся отдел Гоши Кучеренко в полном составе. Они обычно отвечали в институте за неожиданные происшествия. Ходили легенды, что они их создавали сами, а потом героическими усилиями их преодолевали и получали за это премии, медали и похвалу от руководства. В общем, с одной стороны, их, вроде бы, и не очень любили, с другой стороны, это предвещало интересное развитие событий.

И тут тонкий нюх Самосонова почувствовал неладное. В нос ударил запах горючего. Самсонов сильнее вдохнул и задумался, анализируя его спектральный состав Не бензин, хотя похожеТочно не газ. Может дизель? Но откуда? НИИТиХо было давно оборудовано ветрогенераторами и своей миниГЭС. Дизельный генератор списали и демонтировали уже года 2 назад, потому что с ним было слишком много проблем, да и низкий углеродный след и необходимый уровень энергоэффективности с ним не достигались категорически.

Результат аналитической работы молнией влетел в голову Самсонова и он хлопнул себя по лбу рукой, в которой еще оставалась отвертка. Сжавшись от неприятных ощущений, он пулей бросился к окну, где свободных мест уже практически не было. Но на улице всё было спокойно. Тогда Самсонов побежал в кабинет напротив, от которого у него были ключи. Там окна были свободны, и он прильнул к стеклу, ища глазами старый дизельный джип Завлаба, на заднем стекле которого красовалась гордая надпись F**K FUEL ECONOMY. Надо сказать, что джип руководителя стоял на отдельном месте в тени. Рядом с ним машины ставить было запрещено. Вокруг гордого черного гиганта довольно быстро растекалась желтоватая жидкость, которая отдавала красным в лучах высоко стоящего солнца.

Команда Кучеренко лихо крутилась вокруг пятна, но эффективность этого процесса была крайне мала. Сам Завлаб стоял в отдалении и грустно курил, смотря на происходящее. С одной стороны уже давно пора было поменять этого прожорливого монстра на более эффективный экземпляр, но что-то всё время мешало. С другой стороны он опасался последствий данной аварии. Сотня литров из бака в свою же речку с миниГЭС. По голове его за это точно не погладят

На днях исполнилось 2 месяца с тех пор, как произошла экологическая катастрофа в Норильске, последствия которой до сих пор устраняются.

Собственно, по теме


29 мая 2020 года в почву вылилось 21163 тонны дизельного топлива резервного топлива Норильской ТЭЦ-3 (основное топливо газ).
Мини справка по ТЭЦ-3
ТЭЦ-3 построена в 19761986 годах. Входит в состав АО Норильско-Таймырская энергетическая компания, которая принадлежит ПАО ГМК Норильский никель. ТЭЦ-3 находится рядом Норильском в городе Кайеркан и снабжает электроэнергией и теплом г. Кайеркан и окружающие заводы.

Дизель попал в реку Амбарную, которая впадает в озеро Пясино, из которой вытекает река Пясина, которая впадает в Пясинский залив Карского моря, который, в свою очередь, входит в состав Северного Ледовитого океана.

Таким образом, природе был нанесён очень серьёзный ущерб, а эта авария в очередной раз показала проблемы оперативного реагирования и организации процесса предупреждения подобных ситуаций на промышленных объектах в России.

Чтобы показать серьёзность катастрофы (21163 тонны это даже представить страшно), мы в НИИТиХо решили посчитать, какую пользу могло бы принести потерянное дизельное топливо.

1. Этого объёма топлива хватило бы на 20% годовой выработки электроэнергии и тепла Норильской ТЭЦ-3. Это 2,5 месяца безостановочной работы.

2. Само топливо в закупке стоило примерно 1 миллиард (судя по Санкт-Петербургской Товарно-сырьевой Бирже). Один миллиард рублей в землю с наследным эффектом в 10 миллиардов рублей на ликвидацию и 148 миллиардов рублей штрафа.

3. Если учитывать энергетический след (сколько ресурсов ушло на добычу нефти, транспорт, переработку в дизель и опять транспорт), то общее количество электроэнергии на производство и потенциальную выработку составило примерно 400 миллионов кВт*ч.

Это потребление всей Калининградской области в течение месяца. Или города Севастополя в течение 2-х месяцев. И это вместе с промышленностью.
Если рассматривать только домохозяйства, то можно было бы снабжать электроэнергией примерно 133 тысячи домохозяйств или 300 тысяч человек (в зависимости от региона) в течение года.

Если бы этим дизелем можно было бы заправить машину (печным топливом, конечно, не стоит) то при среднем расходе 20 литров на 100 километров, на этом топливе можно было бы проехать 1,25 миллионов километров. Это от Земли до Луны, обратно и снова на Луну. Останется ещё и по Луне покататься. Или 31 раз вокруг Земли. Или 125 раз прокатиться по дороге Калининград-Владивосток.

Вот так мы теряем полезную энергию и, что еще хуже, наносим дополнительный вред себе же и планете.

А, чтобы не заканчивать на грустной ноте, хотелось бы сказать, что все в наших руках. Нужно использовать энергию осознанно и устойчиво развиваться. И всем будет экологично, тепло и хорошо.

Актив НИИТиХо.

Несколько фотографий с места катастрофы





Фотографии найдены на просторах Интернета. Интерфакс, РБК.
Подробнее..

Вечный двигатель?

11.09.2020 16:15:38 | Автор: admin

Про "супер-долгую" атомную батарейку с повышенной в 10 раз мощностью

Это история про инновационный автономный источник питания компактную атомную батарейку, которая может работать до 20 лет. За счет оригинальной 3D-структуры бетавольтаического элемента ее размеры уменьшились втрое, удельная мощность повысилась на порядок, а себестоимость снизилась на 50%. Да, вот такое чудо техники. Российское - суровое и оригинальное. За подробностями сюда...

Ученые НИТУ МИСиС под руководством профессора кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников Виктора Мурашова представили инновационный автономный источник питания компактную атомную батарейку, которая может работать десятилетиями. За счет оригинальной 3D-структуры бетавольтаического элемента ее размеры уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%. Результаты опубликованы в международном научном журнале Applied Radiation and Isotopes.

Соавторы - доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ МИСиС, к.т.н. Сергей Леготин, аспирант Андрей КрасновСоавторы - доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ МИСиС, к.т.н. Сергей Леготин, аспирант Андрей Краснов

В конструкции устройства используется оригинальная, запатентованная микроканальная 3D-структура никелевого бетавольтаического элемента. Ее особенность в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который крадет мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ 230нА/см2 (вобычной планарной 24нА), итоговая мощность 31нВт/см2, (впланарной 3нВт). Конструкция позволяет напорядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде -источника, вэлектроэнергию, что вперспективе снизит себестоимость источника примерно на50% засчет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа,рассказывает один изразработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники ифизики полупроводников НИТУ МИСиС.

Определены оптимальные параметры конструкции преобразователя и рассчитаны его основные характеристики. На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что 3D-структура позволит увеличить площадь активной поверхности в 14 раз (при глубине микроканалов 80 мкм), а также вероятность проникновения бета-частиц в p-n переход по сравнению с планарной структурой преобразователя. И, как следствие, растет плотность неравновесных носителей заряда и выходная мощность устройства. Выходные электрические параметры предложенной конструкции при удельной активности Ni-63 2,7 мКи составили:

  • ток короткого замыкания IКЗ = 276 мкА/см2 (в планарной - 24 нА);

  • напряжение холостого хода UХХ = 149 мВ (125 мВ на планарный);

  • мощность P = 23,7 мкВт/см2;

  • КПД: = 1,4 %. 3D бетавольтаического элемента с двусторонним преобразованием., - поясняет Сергей Леготин.

При этом разработка позволит на порядок увеличить удельную мощность, за счет чего в три раза снизятся массогабаритные показатели элементов питания батарей на их основе с сохранением требуемого уровня выходной мощности.

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.

Уникальные свойства источника питания - в рекордно высокой удельной энергоемкости, надежности, способности работать без обслуживания и беспрецедентно большом сроке службы. Бетавольтаические преобразователи станут незаменимы в ситуациях, где химические элементы питания не могут обеспечить длительной и стабильной работы, например, в задачах, связанных с освоением космоса или с электропитанием приборов в условиях критически низких температур в Арктике и Заполярье

В настоящий момент разработчики завершают процедуру международного патентования изобретения, а само устройство уже признано зарубежными экспертами. В частности, в обзоре международного агентства маркетинговых исследований Research and Markets НИТУ МИСиС назван одним из ключевых участников мирового рынка бетавольтаических батарей. Университет вошел в один ряд с такими компаниями, как City Labs, BetaBatt, Qynergy Corp и Widetronix.

В обзоре указано, что разработка ученых НИТУ МИСиС батарейка на основе бетавольтаических элементов (БВЭ) имеет большой потенциал, так как потребности в надежных элементах питания с длительным сроком службы растут во всех отраслях промышленности. С учетом уникальных характеристик небольшого размера и безопасности разработка НИТУ МИСиС, сможет занять существенную долю рынка источников питания.

Подробнее..

Из песочницы Как 4-я промышленная революция повлияет на товарно-денежные отношения

20.10.2020 20:09:53 | Автор: admin


Аннотация


Как глубокая автоматизация и роботизация повлияют на экономические отношения в будущем?
В этой статье сделана попытка разобраться, чем экономика людей отличается от экономики машин, путём анализа энергетических цепочек в современной цивилизации и гипотетической цивилизации роботов. В качестве побочного продукта исследования составлена обобщённая карта использования энергии современной цивилизацией, буквально, от солнечного излучения до стейка на вашем столе.

Почему 4-я промышленная революция изменит товарно-денежные отношения


Один из факторов 4-й промышленной революции заключается в появлении автономных производств, где все этапы проектирование продукта, поставка материалов, сборка, упаковка и дистрибуция осуществляются с минимальным участием людей.

Однако, с увеличением доли автономных производств мировая экономика столкнется со следующими проблемами:

  • Взрывной рост производительности труда сделает ручной труд нерентабельным и неконкурентоспособным.
  • В то же время снижение стоимости товаров потребует увеличения объемов сбыта для сохранения прежних оборотов в денежном выражении.

Получается противоречие: с одной стороны, произойдёт замена работников роботами, сокращение числа рабочих мест, а с другой остается потребность в росте количества потребителей, которые будут платить за товары.

Таким образом, обесценивание человеческого труда при производстве товаров массового потребления создаёт угрозу стабильности экономики, в том виде, в котором мы привыкли её воспринимать.

Проблема в том, что современная экономика как наука и общественное явление нацелена на решение вопросов, так или иначе связанных с деньгами: равновесная цена, спрос и предложение, торговля, инвестиции, денежная масса и т.п. Зацикленность экономики на деньгах не позволяет комплексно взглянуть на новые вызовы, которые возникают в ходе4-й промышленной революции.

Деньги как мера труда


Начнём с обесценивания труда. Несмотря на появление большого числа производных финансовых инструментов и изменяющуюся со временем роль денег, стоимость товаров в денежном выражении до сих пор сильно зависит от объема вложенного при их производстве человеческого труда.

На первый взгляд может показаться, что это не так. Ведь стоимость товаров складывается не только и не столько из оплаты труда сотрудников, а в том числе из стоимости материалов, энергоносителей, амортизации средств производства, расходов на маркетинг, транспортных расходов, аренды помещений, налогов и т.д. Но стоимость всех этих составляющих также складывается из составных частей. Например, стоимость аренды помещения включает затраты на постройку и обслуживание здания. Транспортные расходы амортизацию транспортного парка, топливо и оплату труда сотрудников. Т. е. каждая составляющая стоимости содержит примерно одинаковый набор компонентов.

Если раскрутить всю цепочку производства до конца, то в результате останется только стоимость человеческого труда, не исключая, конечно, компенсации топ-менеджеров, владельцев бизнеса и прочих заинтересованных лиц. Т. е. стоимость всех товаров в результате всё равно определяется объемом вложенного труда.

Что определяет стоимость труда и компенсации?Спросом и предложением да, безусловно. Но корневой фактор это всё же личные потребности людей. У всех способности, потребности и амбиции разные, поэтому и оплата существенно отличается. Но для большинства людей доход всё ещё идет на покрытие базовых потребностей: питание, жильё, одежду, транспорт, образование и т. п. И в свою очередь, стоимость этих базовых потребностей в денежном выражении складывается из вложенного в них труда других людей. Т. е. современная экономика всё ещё строится на удовлетворении человеческих потребностей и оплате, соразмерной вложенному труду.

Обесценивание труда


В связи с обесцениванием человеческого труда в ходе 4-й промышленной революции, баланс стоимости удовлетворения потребностей и оплаты, которую люди могут получить за свой труд, нарушается. Когда всю работу, за исключением, возможно, особо интеллектуальной, выполняют автономные машины: вырабатывают энергию, добывают полезные ископаемые, осуществляют их переработку, собирают и ремонтируют другие машины и т. д. и т. п. из чего в этом случае будет складываться стоимость результатов их работы? Много ли в стоимости будет человеческого труда? Есть ли у машин такие потребности как питание, жильё, одежда, транспорт, образование и т. п.?



Получается своего рода сингулярность. Стоимость результатов работы в денежном выражении, как мера вложенного труда, стремится к нулю. Но всё-таки стоимость не исчезает, только теперь некорректно выражать её в деньгах. Нужно снова раскрутить цепочку производства, чтобы разобраться, какую составляющую невозможно исключить из производственного цикла.

Стоимость труда автономных машин


Допустим, автономные роботы строят здание. Из чего складывается стоимость работы? Из материалов, энергоносителей, транспортных расходов, амортизации средств производства. Из оборота исключены лишние звенья, такие как оплата труда людей, маркетинг и налоги. Транспортные расходы и стоимость средств производства могут быть редуцированы до материалов и энергоносителей. Материалы получаются за счет переработки полезных ископаемых. Сами полезные ископаемые уже есть в наличии в недрах Земли. Можно считать, что их стоимость изначально равна нулю, но их нужно извлечь и переработать. Для этого потребуются соответствующие машины и энергия для их работы.

Из чего складывается стоимость энергоносителей? Если это электроэнергия, то она получается за счет преобразования из других видов энергии, которые также есть в наличии: сжигание полезных ископаемых, энергия ветра, воды или Солнца.

Таким образом, стоимость труда автономных машин может быть выражена в объеме требуемой энергии и полезных ископаемых (т. е. вещества, материи). Объем вещества на Земле известен заранее и существенно не меняется с течением времени. Единственная переменная величина энергия. Поэтому дальше мы будем рассматривать экономику, универсальным платежным средством в которой является энергия, доступная на Земле.

Экономика, построенная на энергии


Как будет выглядеть современная экономика, если исключить из неё понятие денег, а оставить только энергию?

Рассмотрим схему с потоками энергии на нашей планете. Все значения приведены в ТВт*ч в год. Чем толще стрелка, тем больше соответствующий поток энергии. Данные взяты из открытых источников или рассчитаны мной на основании имеющихся данных.



В энергетике приняты разные единицы измерения, но для наглядности всё приведено в ТВт*ч в год. Насколько это много? Для понимания масштаба 1 ТВт*ч в год это примерно в 8 тыс. раз больше энергии взрыва самой мощной термоядерной бомбы РДС-202.

Вернемся к схеме. Практически вся энергия, доступная на Земле, поступает от Солнца. Поверхности Земли достигает колоссальный объем энергии примерно 1,2 млрд ТВт*ч в год. Для сравнения энергоемкость всех энергоносителей, потребляемых человечеством за год составляют примерно153 тыс. ТВт*ч в год, т.е. в 8 тыс. раз меньше.

В таблице приведено распределение потребляемой современной цивилизацией энергии по типам источников (источник):
Нефть 33%
Уголь 27%
Природный газ 21%
Биотопливо (дрова, отходы) 10%
Ядерная энергия 6%
Гидро 2%
Геотермальная энергия 1%
Всё остальное меньше 0,5%

Кроме ядерной и геотермальной энергии всё остальное, т. е. 93% результат работы Солнца. Растения набирают биомассу за счет энергии солнца. Нефть, уголь и природный газ результаты преобразования накопленной биомассы. Гидроэлектростанции работают, благодаря круговороту воды, энергию которому дает Солнце. Ветер также образуется в результате нагрева земной поверхности и атмосферы Солнцем.

Несмотря на развитие альтернативных источников энергии и электрического транспорта, подавляющую часть энергии мы всё ещё получаем из ископаемого топлива или биотоплива: порядка 160 тыс. ТВт*ч в год, в соответствии со схемой.

Энергия Солнца и биологическая энергия


Двигаемся по схеме дальше. Практически вся энергия, поступающая на Землю от Солнцарассеивается обратно в космос. Только небольшая часть, 0,3% или 3,5 млн ТВт*ч, используется растениями для преобразования углекислого газа и воды в биомассу. КПД этого процесса -около 2%. Часть биомассы идет на образование ископаемого топлива (но, к сожалению, каменный уголь и нефть в современных условиях уже не запасаются), часть (порядка 20% или 15 тыс. ТВт*ч в год) расходуется людьми для получения энергии (в основном, на отопление и приготовление пищи), а часть (порядка 16% или 11 тыс. ТВт*ч в год) употребляется в пищу домашними животными и людьми.

Пища усваивается людьми и животными с очень высоким КПД (порядка 90%). Но в отличие от растений, животные и люди ведут активный образ жизни и большую часть энергии тратят не на накопление биомассы, а на активную жизнедеятельность. С учетом малоподвижного образа жизни домашних животных, грубо можно считать, что КПД преобразования растительной пищи в мясопродукты составляет 15-30%. Это хорошо соотносится с тем, что рацион всего человечества состоит примерно на 20% из животной пищи, что эквивалентно совокупной энергии животной пищи в 1 тыс. ТВт*ч в год.

В день человеку нужно около 7 МДж на поддержание процессов жизнедеятельности. Остальное идет на физическую и умственную активность. КПД мышц составляет порядка 50%. Но полезная эффективность мышечной работы современного человека не велика, т.к. движения, связанные с производственной деятельностью, составляют лишь небольшую часть всей физической активности, нам надо отдыхать и развлекаться, нам скучно делать однообразную работу и т.д. КПД умственной деятельности посчитать затруднительно, но энергозатраты в среднем составляют порядка 1 МДж в день.

О чем говорят эти цифры?

Получается, что средняя мощность человека порядка 80 Вт без нагрузки. С нагрузкой ненамного больше, т. к. человек быстро устает. Совокупная мощность всех людей порядка 5 тыс. ТВт*ч в год, полезная часть из которых не более 1 тыс. ТВт*ч. Но при этом потребление энергии Солнца на поддержание элементарной жизнедеятельности, с учетом потерь в биологической цепочке преобразования энергии, составляют не менее 550 тыс. ТВт*ч в год. Это почти в 4 раза (!) больше, чем энергоемкость всех энергоносителей, используемых человечеством. Повторюсь, что полезная работа не превышает 1 тыс. ТВт*ч, т. е. меньше 0,2%. Не сильно эффективно, не так ли?

Небиологический рычаг


Конечно, если бы люди полагались только на свою мышечную силу, мы бы продолжали жить в каменном веке. Но мы используем труд животных и машин, поэтому результаты нашей жизнедеятельности, так называемая техносфера, всё же весьма существенные. По оценкам, средняя масса техносферы составляет около 58 кг на квадратный метр суши.

Таких внушительных результатов удалось добиться, благодаря использованию более эффективных помощников. Машины выполняют работу с существенно более высоким КПД, чем человек. А если используется солнечная энергия, а не ископаемое топливо, то эффективность машин ещё выше, т. к. отсутствуют потери на преобразование энергии.

Мы все пользуемся услугами мощных и производительных помощников. Если вернуться к схеме, то это ветвь небиологической энергии, т. е. той энергии, которая не потребляется непосредственно нашим телом, а задействована для работы машин и предприятий, на освещение, отопление, приготовление пищи и т. п. Всего такой энергии человечество потребляет порядка 160 тыс. ТВт*ч в год, но из них примерно 54 тыс. ТВт*ч в год теряется в процессе передачи, поэтому будем считать, что чистая потребляемая цивилизацией небиологическая энергия это 106 тыс. ТВт*ч в год.

Таким образом, среднее потребление небиологической энергии на одного современного человека более 1,6 кВт, т. е. в 20 раз больше, чем наши биологические возможности. Учитывая, что производительность машин существенно выше, то такой рычаг не в 20 раз, а гораздо более эффективен сравнению с мышечной силой человека. Этот энергетический рычаг и позволяет нам жить в существенно более комфортных условиях, чем жили наши предки, которые могли полагаться только на силу собственного тела.

Эффективность использования энергии


На что расходуется эти 1,6 кВт на человека или 106 тыс. ТВт*ч в год на всё население Земли (источник)?
Промышленность 34%
Коммунальные услуги 31% (в т.ч. 7% приготовление еды)
Транспорт 25% (11% грузовой и 14% пассажирский, в т.ч. 11% легковые авто)
Прочее 11%

В разрезе человеческих потребностей получается следующее распределение по целевому использованию ресурсов:

  • Коммунальные услуги это базовые потребности: жилье, еда, комфорт и т. д.
  • Промышленность в основном производит товары народного потребления. Оценочно, не менее 90% промышленного производства это покрытие базовых потребностей (строительство, одежда и товары первой необходимости) и потребностей в комфорте, развлечениях и в общении.
  • Примерно аналогичным образом распределяются цели, ради которых используется транспорт.

На созидательный научно-технический прогресс идет очень незначительная часть энергии не более 7%. Остальное на то, чтобы нам было сыто, комфортно и весело. Чтобы мы могли хвастаться друг перед другом материальными благами, удовлетворять свои амбиции и вообще проявлять все наши замечательные человеческие качества. Но это уже лирика.В сухом остатке потребление энергии человечеством очень и очень неэффективно.

Вот такая получается неэкономная экономика, если посмотреть на неё через призму потребления энергии.

Экономика машин


Приведет ли 4-я промышленная революция к увеличению эффективности использования энергии?
Как будет выглядеть гипотетическая цивилизация машин с точки зрения использования энергии?

Допустим, в будущем основным источником энергии будут солнечные электростанции. Допустим, КПД 25% для солнечных электростанций будущего не будет чем-то из ряда вон выходящим. Если, например, покрыть такими солнечными панелями площадь, равную площади всех городов, то такая электростанция будет вырабатывать более 850 тыс. ТВт*ч в год, что в 8 раз больше, чем глобальное потребление небиологической энергии сейчас. Для сравнения, например, площадь пахотных земель для обеспечения нужд населения Земли почти в 10 раз больше.



Энергия, вырабатываемая этими солнечными электростанциями, будет обеспечивать работу машин с достаточно высоким КПД (допустим, больше 30%). Машины не будут обеспечивать коммунальные удобства, производить товары народного потребления для миллиардов людей, а будут выполнять созидательную работу (какую отдельная тема). Скорость выполнения такой работы будет больше, чем та, с которой сейчас работает человечество, как минимум в 30 раз. Ценность человеческого труда, а следовательно, денег, окажется ничтожной.

Очевидно, что человек проигрывает машинам в такой ситуации практически всухую.

Что останется делать людям


Напрашиваются 2 основных сценария.

Первый: людям будут обеспечены основные потребности, и они смогут изолированно заниматься своими любимыми делами, без возможности нанести ущерб работе автономных машин.

Второй: останутся только те люди, которые заинтересованы в интеллектуальной созидательной работе и смогут помогать машинам в их работе (возможна интеграция людей и машин, киборгизация). Что будет с остальными? Ну, например, неожиданная глобальная эпидемия какого-нибудь синтетического вируса, при этом уничтожать не надо, достаточно ограничить рождаемость

Скорее всего, будет какая-то комбинация этих сценариев.

Когда наступит это светлое будущее, прогнозировать довольно сложно. Может быть, через 5, а может через 50 лет. Но в любом случае, деньги, в нашем привычном понимании, со временем потеряют свою актуальность. Ценность классических денег и материальных благ со временем будет размываться. В суперпроектах будущего основной валютой станет возможность распоряжаться доступной энергией. А мировая экономика в будущем останется без денег.
Подробнее..

География Toshiba как японская корпорация помогает модернизировать инфраструктуру развивающихся стран

21.10.2020 16:06:58 | Автор: admin


Сегодня много говорят о проблеме глобального неравенства, подразумевая богатство одних стран и бедность других. Но реже говорят о разрыве на уровне технического развития, который во многом порождает и экономическое неравенство. Корпорация Toshiba активно участвует в модернизации инфраструктуры развивающихся стран, чтобы решить эту проблему, поставляя новое оборудование и технологии в Азию и Африку. Рассказываем о новых проектах Toshiba за пределами Японии.

По данным World Development Indicators (WDI), в 2018 мировой экспорт высокотехнологичной продукции составил почти 3 трлн долларов США, и 55% этой суммы пришлись на долю пяти стран. В верхней десятке Китай, Германия, Южная Корея, США, Сингапур, Франция, Япония, Малайзия, Нидерланды. Список стран-лидеров по числу патентных заявок в целом будет похожим.

К высоким технологиям обычно относят разработки в аэрокосмической отрасли, компьютеры, телекоммуникации, фармакологии, электротехнике, химии, машиностроении и вооружении. Источник: WawamuStats / YouTube

По данным Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС), в 2018 году больше всего патентов подали (в порядке убывания) граждане Китая, США, Японии, Республики Корея, Германии, России, Индии, Франции, Великобритании и Ирана. И хотя в рейтинги технологических лидеров время от времени пробиваются развивающиеся страны, в целом инновационное неравенство на планете сохраняется.
Как с ним бороться? Ответ прост: делиться в данном случае технологиями.

Пример Японии в этом контексте очень показателен. Как ни странно, с 1971 по 2000 год Япония была чистым нетто-импортёром объектов интеллектуальной собственности (ОИС), то есть преимущественно потребляла зарубежные технологии, в основном американские. Только к началу XXI века экспорт ОИС в Японии превысил импорт на 8 млрд долларов. Все предшествующие годы Япония сочетала ввоз технологий с инвестициями в человеческий капитал, технологическую базу и инфраструктуру. Теперь страна сама стала экспортером технологий, причем в значительной мере трансфер идет в страны, не входящие в ОЭСР. И речь идет не только передаче объектов интеллектуальной собственности, но и о прямых инвестициях в производство, энергетику, транспорт, связь и другие сферы экономики развивающихся стран. Способствуют этому японские общественные и государственные структуры, такие как Организация по развитию новых энергетических и промышленных технологией (New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO) или и Японское агентство по международному сотрудничеству (Japan International Cooperation Agency, JICA). В их проектах участвует и Toshiba. О них далее.

Индонезия: IoT и AI проследят за здоровьем турбин на ГеоТЭС


От Тихоокеанского огненного вулканического кольца, проходящего через Японию и Индонезию, в основном одни неприятности. В этой зоне высокой сейсмической и вулканической активности вдоль берегов Тихого океана происходят самые сильные землетрясения и извержения вулканов. Но нет худа без добра: именно здесь скрыт потенциал развития геотермальной энергетики. Оттого и в Японии, и в Индонезии много энтузиастов этого возобновляемого источника энергии (ВИЭ).

В частности, в Японии, согласно 5-му Стратегическому энергетическому плану, принятому японским правительством в июле 2018 года, предполагается перевести энергетику страны преимущественно на ВИЭ к 2030 году. К этому времени сумма установленных геотермальных мощностей в стране должна достигнуть 1,6 тыс. МВт.

У индонезийцев план ещё более амбициозный: по подсчетам местных ученых, потенциал геотермальной энергетики в стране оценивается в 28,9 тыс. МВт. При этом сейчас Индонезия может получать из геотермальных источников только 1,5 тыс. МВт энергии, но к 2025 году там планируют нарастить суммарную мощность ГеоТЭС до 9,5 тыс. МВт.

Однако проблема геотермальных электростанций в их коэффициенте технического использования: отношение реального время штатной работы ГеоТЭС к ожидаемому времени в идеальных условиях (при 100-процентной загрузке и без простоев) невелико. Обычно оно составляет порядка 60% из-за незапланированных остановок, связанных с износом оборудования и ремонтом. В частности, на лопастях турбин накапливается грязь и отложения, поднимающейся вместе с геотермальным паром, что провоцирует поломки.


Геотермальная электростанция в Патухе (пров. Западная Ява, Индонезия) была построена в 2014 году. Общий объем установленной мощности достигает 60 МВт. Источник: Toshiba ESS

Чтобы справиться с этой и другими проблемами компания Toshiba Energy Systems & Solutions (Toshiba ESS) при финансировании NEDO внедряет на геотермальной электростанции на острове Ява технологии интернета вещей (IoT) и искусственного интеллекта (AI). Используя большое число датчиков и AI-инструменты, автоматизированная система мониторинга будет в реальном времени анализировать работу электростанции, а затем формировать прогноз о возможных поломках в турбинном оборудовании для инженеров Toshiba ESS, работающих на объекте, и штаб-квартиры госкомпании PT Geo Dipa Energi (GDE), владеющей станцией. Специалисты Toshiba поставили своей целью снижение количества аварийных ситуаций на геотермальной электростанции на 20%, что в свою очередь позволит предотвратить отключения энергии и снизит себестоимость выработки энергии, повышая коэффициент использования. Планируется завершить демонстрацию системы к февралю 2021 года.


Как работает технология прогнозной диагностики: сначала мы собираем данные о том, как работала (и ломалась) ГеоТЭС в прошлом, затем с помощью IoT анализируем текущее состояние машин, а искусственный интеллект просчитывает вероятность поломок и обстоятельств, при которых они возможны, в будущем. Источник: Toshiba ESS

Мьянма: новые турбины для ГЭС времён бирманского социализма


Одна из популярных новых городских легенд в Мьянме хирургические операции, которые врачи проводят при свете фонариков, встроенных в смартфоны. Даже если на самом деле дело обстоит не так печально, с электричеством в Мьянме и правда большие проблемы. По данным Международного энергетического агентства, 41% населения этой страны (22 млн человек) не имеют доступа к электричеству, а 90% местных предприятий страдают от отключения энергии.

Основные причины растущее потребление и слабая энергетическая система страны. На 60% жители Мьянмы полагаются на гидроэлектростанции. Как правило, они находятся очень далеко от потребителей, и даже плохая погода может стать причиной масштабных блэкаутов. К примеру, ГЭС в Седавье находится в 100 км от Мандалая второго по величине города в Мьянме c населением более 1 млн человек. При этом станция обеспечивает электричеством город на 10-15%, а построена она была 1989 году и с тех пор ни разу не ремонтировалась.


ГЭС в Седавье (административный регион Мандалай, Мьянма). Источник: Toshiba ESS

Сегодня идёт реконструкции электростанции. Её ведёт Министерство энергетики Мьянмы в рамках Проекта по реабилитации гидроэлектростанций (Hydropower Plants Rehabilitation Project), который реализует Правительство Японии через Японское управление международного сотрудничества как часть Официальной помощи в целях развития (ODA). Будет отремонтировано основное оборудование гидроэлектростанции. Гидротурбины и систему управления поставит Toshiba Energy Systems & Solutions, генераторы корпорация Meidensha, оборудование для ремонта гидравлических ворот Hitachi Zosen, а генеральным подрядчиком выступит Toyota Tsusho.

Кстати, Toshiba за годы деятельности поставила в разные страны мира более 2,3 тыс. турбин для гидроэлектростанций, а общая установленная мощность турбин, экспортированных компанией в страны Азии, составляет 61 ГВт.

Ирак: восстановление разрушенных электросетей


Энергосистема Ирака сильно пострадала от войн. В ходе войны в Персидском заливе в 1991 году ВВС США совершили 215 вылетов, чтобы поразить различные цели в электросети страны. И если до начала операции установленная мощность иракской энергосистемы насчитывала 9,5 тыс. МВт, то к концу бомбежек осталось только 300 МВт. Затем она была повреждена во время вторжения США в 2003-м и при последующих диверсиях террористов.


В бомбардировках иракских объектов электросети использовались вот такие графитовые бомбы. Они содержат графитовые нити, которые при взрыве рассеиваются и, попадая на провода, вызывают короткие замыкания. Источник: Marko M / Wikimedia Commons

Сейчас электроснабжение Ирака зависит от благосклонности Ирана, который поставляет 30-40% электричества, потребляемого в стране. Однако энергии все равно не хватает: в мае 2018 года некоторые районы Багдада получали электричество только три часа в день, что даже приводило к массовым антиправительственным протестам.

Повысить устойчивость энергосистемы Ирака поможет новое оборудование, которое поставит в страну Toshiba Energy Systems & Solutions совместно с Toyota Tsusho. Контракт предполагает установку комплектных распределительных устройство с элегазовой изоляцией (КРУЭ) для стационарных электроподстанций в провинции Бабиль в центральном Ираке и их помощью будет осуществляться прием, распределение и передача энергии в сетях переменного тока. Поставки начнутся весной 2021 года.

Эфиопия: геотермальная электростанция над спящим вулканом


Ещё одна страна, страдающая от недостатка электроэнергии, Эфиопия. Являясь второй по численности населения страной Африки с более чем 100 миллионами жителей, Эфиопия полагается в основном на гидроэлектростанции, которые составляют 90% установленных мощностей. Недавняя крупная авария на одной из дамб привела к тому, что электроэнергия два месяца распределялась по расписанию, в три смены.

При этом у Эфиопии есть значительный потенциал развития геотермальной энергии, который оценивается примерно в 20 тыс. МВт. К 2030 году власти планируют создать установленные мощности этого ВИЭ объемом в 2,5 тыс. МВт. Крупнейшей зоной развития геотермальной энергетики в Эфиопии являются окрестности спящего вулкана Алуто в 200 км от столицы Аддис-Абебы. Первая в стране ГеоТЭС мощностью 7,3 МВт была построена здесь в 1998 году, и работы по релизации имеющегося потенциала энергетики продолжаются. Toshiba, помимо поставки турбины и генератора, решила поддержать этот проект через обучение менеджеров и сотрудников станции в Японии. При этом возведение ГеоТЭС будет быстрым в эксплуатацию установку введут уже в августе 2021 года. Мощность станции составит 5,0 МВт. Проект реализуется при грантовой поддержке Японского агентства по международному сотрудничеству.

Общество 5.0 японская технологическая стратегия как рецепт развития


В 2016 году правительство Японии приняло стратегию развития Общество 5.0, разработанную совместно с Японской федерацией бизнеса (Keidanren). В этом документе изложен взгляд Японии на развитие планеты, основные проблемы на этом пути и способы их решения.

По мнению ее авторов, главные трудности, с которыми сталкивается их страна и всё человечество, это нехватка трудоспособного населения, снижение уровня глобальной конкуренции, устаревание инфраструктуры, экологические проблемы.

Чтобы их побороть, нужно максимально интегрировать в производство, госуправление, повседневный быт, социальные службы перспективные технологии XXI века робототехнику, интернет вещей, искусственный интеллект, возобновляемые источники энергии. Часть этого плана распространение технологий Японии в разных странах мира. От этого выиграют как сами японцы, так и жители развивающихся стран японские корпорации получают заказы на свою продукцию, нарабатывают опыт внедрения технологий в разных условиях, а развивающиеся стран приближаются к Обществу 5.0.

Такой подход близок и Toshiba, и мы прилагаем все усилия, чтобы помочь в его реализации.
Подробнее..

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен?

19.11.2020 16:18:00 | Автор: admin


Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза


С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века почти сто лет назад британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.

Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или магнитной ловушки, которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.


Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации


От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.

Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за кулоновского барьера, то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует минимальной температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.


Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation

Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:

  1. Сравнительная доступность изотопов для реакции. Дейтерий достаточно легко можно получить из морской воды, запасов которой на Земле более чем достаточно. Тритий в природе не встречается, так как имеет период полураспада всего в 12,3 года, но его получают из лития-6 и тяжёлой воды ядерных реакторов, от использования которых мы в ближайшие годы отказаться не готовы.
  2. Колоссальная энергоэффективность реакции при сжигании, например, 1 грамма угля выделяется 34 тысячи джоулей энергии, а газа или нефти 44 тысячи. Слияние атомов дейтерия и трития даёт 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), то есть около 170 млрд джоулей тепла в пересчёте на 1 грамм массы вещества.
  3. Электростанции на базе управляемой термоядерной реакции из-за особенностей конструкции не должны способствовать увеличению парникового эффекта, то есть производить парниковые газы, угарный газ и пылевые облака выгодное отличие от, например, ТЭС.
  4. Так же выгодно эти электростанции должны отличаться от АЭС, так как термоядерный реактор намного безопаснее. Реакция синтеза требует огромных затрат энергии и в земных условиях не может бесконечно длиться без подпитки извне. Это значит, что даже в случае аварии и повреждения оболочки мы не столкнёмся с расплавлением, радиоактивным заражением всего и вся на многие километры вокруг, а также с цепной реакцией или взрывом.

К тому же, при термоядерном синтезе не выделяются вещества, которые впоследствии возможно использовать для изготовления грязного оружия.


Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons

Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.

Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой наведённой радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить безнейтронные реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.

Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.

Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.

По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития


Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и тупиковые ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.

Токамак это сокращение от тороидальная камера с магнитными катушками, каковая камера главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.


Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons

Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.

На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.


Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons

Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить путь (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с положительным балансом, который запустится не раньше середины XXI века.

На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали всего в несколько миллиметров поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.

Стеллараторы (от лат. stella звезда) получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель добиться максимальной эффективности удержания плазмы.


Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut fr Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons

Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной эпитафией этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.

Импульсные системы этот тип установок для управляемого термоядерного синтеза остаётся по большей части теоретической разработкой. Ещё академик Андрей Сахаров в 1960 году доказал, что термоядерный синтез возможен без использования магнитных ловушек, предложив противоположный классическому подход. В данном случае речь идёт не о сверхразреженной плазме, которую электромагнитные поля удерживают на месте долгое время, а о сверхплотном (и крайне недолговечном) её варианте. Миниатюрные мишени с замороженным D-T составом в импульсных системах предлагается взрывать при помощи мощных лазеров или пучков излучения, чтобы добиться своеобразного аналога взрывов топлива в бензиновых двигателях, только на уровне термоядерных реакций. Такая система с периодическими взрывами может обеспечить почти непрерывную цепочку из термоядерных реакций, вырабатывающих энергию, при этом (в теории) не повреждая оболочку реактора.


Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy National Ignition Facility / Wikimedia Commons

Из существующих разработок в этой сфере стоит упомянуть проект MagLIF и установки NIF (National Ignition Facility, или Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии. Несмотря на сохраняющийся потенциал этой идеи в 2012 году правительство США планировало прекратить финансирование программы из-за мизерных практических результатов. По состоянию на сегодняшний день эксперименты продолжаются, но сложность самих мишеней и необходимость регулярной доставки их в камеру, в которой затем происходит взрыв, эквивалентный тонне тротила, оставляют этот тип установок далеко позади токамаков и стеллараторов по уровню практичности.

Зеркальные ловушки первый эксперимент с использованием открытых магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. Новая плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.

Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, открытой ловушки пробкотрон Будкера. По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.

Красивое завтра: вместо выводов


Среди учёных, занимающихся проблемами термоядерного синтеза, ходит шутливое высказывание, что до успеха исследований и начала коммерческого применения реакторов осталось всего-то лет 30, причём отвечают они так уже далеко не первый десяток лет (стабильность!). Тем не менее, технологии продолжат развиваться, а человечество искать способы приручить термоядерный синтез и создать миниатюрное искусственное Солнце, которое обеспечит наши потребности в электроэнергии без риска повторить Чернобыльскую катастрофу и без постоянного вреда для экологии планеты. Прямое влияние на эти исследования могут оказать такие разработки, как ITER, и мы рады, что Япония и корпорация Toshiba принимают в них непосредственное участие. А что будет дальше посмотрим через 30 лет.
Подробнее..

Литий зачем нужен, как добывается и хватит ли его нам?

04.12.2020 12:06:11 | Автор: admin

Так выглядит литийсодержащая руда
Литий один из критически важных элементов для всей нашей цивилизации. Конечно, когда мы говорим о литии, на ум сразу приходят Li-ion батареи. И действительно, львиная доля добываемого лития уходит на нужды производителей аккумуляторов. Тем не менее, он используется и в других сферах.

Например, в металлургии, как черной, так и цветной, металл применяется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Также с его помощью производят стекла, которые частично пропускают ультрафиолет, он применяется в керамике. И это если не говорить о ядерной энергетике и атомной технике его используют для получения трития. Короче, литий в буквальном смысле нарасхват. Под катом поговорим об аккумуляторах, Tesla, способах добычи лития и его дефиците.

Но главное, конечно, батареи


Да, сейчас большая часть добываемого в мире лития уходит на производство литиевых аккумуляторов. По расчетам, на производство одной батареи для Tesla Model S требуется 63 кг этого металла с 99,5% чистоты.

Теперь давайте подумаем, что будет, если все, абсолютно все автомобили внезапно станут электрическими, с литиевыми батареями. По данным на 2016 год автомобилей в мире было 1,3 млрд. Сейчас, наверное, еще больше, но окей, воспользуемся этими данными четырехлетней давности.


Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на треть. Получается, что на одну такую батарею необходимо 44,1 кг чистейшего лития. Для наших 1,3 млрд автомобилей нужно 57,33 млрд кг лития. Неплохо, это 57,33 млн тонн лития, и только для нужд автомобильной промышленности.

К 2023 году массовое производство электромобилей стартует на предприятиях Mercedes, BMW, Toyota, Ford, Audi, Porsche, Volvo, Huyndai, Honda. По подсчетам экспертов, эти компании будут производить около 15 млн электрокаров ежегодно, на что потребуется около 100 000 тонн лития в год.


Но ведь не электромобилями едиными. У нас же в ходу миллиарды экземпляров разной техники с аккумуляторами смартфонов, ноутбуков, планшетов и т.п. Они маленькие, да, но и для них понадобится много лития. Правда, гораздо меньше, чем для батарей электромобилей на производство батарей для мобильных устройств уходит несколько процентов общемирового производства лития. В 2017 году Apple использовала всего 0,58% общемировых объемов добычи этого металла.

Но есть и другие батареи. Та же Tesla разрабатывает и реализует огромные аккумуляторные системы, которые служат для нивелирования скачков потребления энергии в пиковые часы. В крупном аккумуляторе содержится не менее тонны лития. Пока что производство таких систем не слишком масштабное, но через время все может измениться.


В целом, общемировое потребление лития к 2025 году составит не менее 200 000 тонн этого металла.

А как его добывают и хранят?


Литий очень активный химически металл, поэтому его добыча ведется несколько отличными от добычи большинства прочих, обычных металлов способами. Есть два способа выделить Li.


Первый из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. В Австралии, например, его добывают из сподумена, руды лития, минерала, который относится к пироксенам.

Второй из глин солончаков. Такие есть в Южной Америке и той же Неваде, о которой говорилось выше. Насыщенные литием рассолы можно обогащать при помощи испарителя на солнечной энергии. Затем, после достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время от 18 до 24 месяцев. Именно такой способ планирует использовать Маск.


У второго способа есть проблемы: при получении лития таким способом литий получает примеси железо или магний (от магния сложнее всего избавиться). Тем не менее, на солончаковых землях много лития, и это делает второй способ очень привлекательным от примесей все же можно избавиться.

К слову, солончаки как раз не входят в списки разведанных месторождений, поскольку добыча лития выпариванием солевых растворов новый метод, который ранее не применялся. Так что вполне может быть, что запасов лития на Земле гораздо больше, чем считается.


Очень много лития в солончаковой пустыне Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии. Под твердой коркой находится жидкий рассол с концентрацией лития в 0,3%.


Есть и другие способы, но все они чисто лабораторные. Например, пару лет назад на Хабре публиковалась новость о том, что литий можно добывать из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран.


Они копируют механизм фильтрации ионную селективность мембран биологических клеток в живых организмах. Кроме лития, этот способ дает и пресную воду, тоже ценный продукт. Но, к сожалению, ни стоимость, ни возможность масштабирования этого способа не освещены учеными. Да и спустя два года о коммерциализации метода так ничего и не слышно.

Еще литий можно добывать из литиевых батарей. То есть перерабатывать батареи, получая снова металлический литий и другие необходимые для создания аккумуляторов материалы. Но пока что переработка батарей ведется в малых объемах. Это достаточно сложный и дорогой процесс, так что в ближайшее время вряд ли мы услышим о строительстве крупных заводов по переработке батарей. Да, ученые работают над этим, но все это пока что лишь исследования.

Сколько всего лития на Земле?


Да не так уж и много. Вернее, того, что разведали, относительно немного. В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России около 900 000 тонн. Если взять потенциально плодородные месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.

Два года назад добыто было около 36 000 тонн. При этом 40% металла идет на аккумуляторы, 26% на производство керамических изделий и стекла, 13% выпуск смазочных материалов, 7% металлургию, 4% системы кондиционирования, 3% медицина и полимеры.


Основные поставки лития ведутся из Австралии (18,3 тыс. тонн в год), затем Чили (14,1 тыс. тонн в год) и Аргентина (5,5 тыс. тонн в год). В ближайшее время поставщики лития планируют увеличить объемы его добычи и поставки на мировой рынок.

Кстати, компания Tesla, один из крупнейших потребителей лития, получила право на самостоятельную добычу металла в штате Невада, США. Илон Маск заявил, что его компания получила доступ примерно к 10 тыс. акров богатых литием залежей глины в Неваде.

Литий для всех, и пусть никто не уйдет обиженным?


Речь о недалеком будущем, когда понадобится производить гораздо больше литиевых батарей, чем сейчас. Насколько ученые могут судить, на ближайшие несколько лет этого металла хватит всем.

С течением времени компании найдут способ снизить количество лития в батареях уже сейчас ведутся исследования на эту тему. Скорее всего, добыча лития из рассолов тоже станет наращивать обороты, так что общие объемы металла возрастут, и весьма значительно.

Но что будет через 10-20-30 лет? Сложно сказать. Возможно, выстрелит новая технология производства аккумуляторов, предложенная учеными или корпорациями. А может быть, специалисты смогут изменить конструкцию текущих аккумуляторов, значительно сократив количество лития, необходимое для производства одной батареи.

В целом, пока что пути решения проблемы дефицита лития есть, и их немало. Давайте вспомним об этом вопросе лет через 5 и обсудим изменения здесь же, на Хабре. Хотелось бы надеяться, к тому времени не начнутся литиевые войны, ведь этот металл уже называют новой нефтью.

Подробнее..

Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до полноценной термоядерной энергетики?

12.12.2020 12:17:16 | Автор: admin


Так выглядел строящийся комплекс ITER в феврале 2020 года. ITER может стать первой установкой, которая позволит получить горящую или самоподдерживаемую термоядерную плазму. В этом строящемся сооружении будут расположены термоядерный токамак и системы его обеспечения. Фото из архива ITER

На Хабре не обошли вниманием новость о том, что Китай запустил новый токамак, HL-2M Tokamak. Эта новость особенно интересна тем, что освежает в памяти историю о печальном долгострое нашего века будущем термоядерном реакторе ITER, который возводится силами всей Европы на юге Франции и должен стать первым подобным устройством, которое могло бы производить больше энергии, чем потребляет само. Тем не менее, с сожалением отметим, что и HL-2M, и даже ITER удручающе далеки от полноценной термоядерной электростанции.

Не будем вдаваться в детали устройства токамаков и самого ITER эти темы в изобилии рассмотрены во всевозможных источниках, например, в вышеупомянутой хаброновости. Под катом речь пойдет о том, какой путь открывает перед нами ITER (в переводе с латыни iter означает путь), и почему этот путь оказался извилист как восьмерка стеллатора.


Начало


Можно сказать, что все началось еще в 1920-е, когда Артур Эддингтон предположил, что Солнце и звезды могут гореть благодаря преобразованию водорода в гелий. Эту идею быстро подхватили журналисты и фантасты, полагавшие, что обуздать энергию Солнца не составит труда, и сырьем для топлива подобного реактора может стать самая обычная вода.

Как известно, термоядерная реакция с физической точки зрения противоположна ядерной. Если при ядерной реакции тяжелое ядро расщепляется на более легкие, то при термоядерной легкие ядра сливаются в несколько более тяжелые. Самая известная ядерная реакция это деление ядра урана:



Это типичная последовательность, выстраивающаяся в ядерном реакторе на АЭС.
Термоядерные реакции, напротив, протекают с преимущественно с участием гелия и водорода, и приводят к образованию более тяжелых изотопов из более легких. В звездах главной последовательности наиболее типична следующая термоядерная реакция:



Подробно о термоядерном синтезе и вариантах конструкции термоядерного реактора рассказано в замечательной статье, опубликованной на Хабре Михаилом Сваричевским в 2013 году. Там же можно почитать скептический авторский вердикт, в соответствии с которым полноценная термоядерная энергетика дело далекого будущего. Статья действительно огненная:



Пока отметим, что технические сложности, вставшие на пути создания термоядерной электростанции, оказались столь серьезными, что периодизация ее развития несопоставима с темпами развития атомной энергетики. Хронология:

Деление ядра


1939 открытие (Л. Мейтнер и О. Фриш)
1942 ядерный реактор Энрико Ферми (Чикагская поленница) управляемая ядерная реакция
1945 первое ядерное испытание (Тринити) и бомбардировка Хиросимы и Нагасаки неуправляемая ядерная реакция
1956 первая атомная электростанция (Обнинск)
1986 авария на Чернобыльской АЭС

Ядерный синтез


1926 гипотеза (А. Эддингтон) высказана в статье Внутреннее строение звезд
1934 Э. Резерфорд синтезировал гелий из трития
1952 в СССР осуществлен первый термоядерный взрыв (водородная бомба, неуправляемая реакция)
1954 в СССР построен первый токамак

2025 ожидается, что будет запущен ITER.

Тем не менее, в бюллетене IAEA за 2019 год идея создания термоядерной электростанции обсуждается совершенно серьезно и даже буднично. Приведено три условия, которые должны выполняться на полноценной термоядерной электростанции:

  1. Очень высокие температуры (свыше 100 миллионов градусов Цельсия)
  2. Достаточная плотность частиц в плазме (где и протекает реакция) что повышает вероятность соударений между частицами
  3. Достаточно прочный конфайнмент, предотвращающий возможные утечки плазмы и обеспечивающий стабильно идущую термоядерную реакцию.


Далее в документе следует оговорка, что наиболее успешной конструкцией термоядерного реактора в настоящее время является именно токамак.

Если вы еще не успели ознакомиться с приведенными выше ссылками и освежить в памяти, как выглядит и работает токамак коротко остановимся на этом вопросе.

Токамак это сложносокращенное слово, означающее тороидальная камера с магнитными катушками. Первый токамак был сконструирован в 1954 году в СССР, а термин предложен только в 1957 году. На Западе интерес к строительству токамаков возник значительно позже, в 1968 году, после того, как с подобным устройством в институте Курчатова познакомилась группа английских ученых, убедившихся в его работоспособности. Итак, токамак это исходно вакуумная камера тороидальной формы, наполняемая смесью дейтерия и трития, тяжелых изотопов водорода. Стенки токамака, естественно, не в состоянии удерживать внутри горячую плазму, в которой идут термоядерные реакции, поэтому плазма удерживается в тороидальной камере при помощи сильнейших магнитных полей и, будучи там, напоминает по форме шнур.



Важнейшим физическим показателем, позволяющим судить, будет ли термоядерная реакция давать больше энергии, чем потребляет реактор, является критерий Лоусона, сводящийся к следующей формулировке:

Чтобы термоядерный синтез стал источником энергии, произведение плотности частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину.


В настоящее время наиболее энергетически выгодной термоядерной реакцией считается термоядерный синтез с участием двух изотопов водорода: дейтерия и трития. При слиянии ядра дейтерия и ядра трития образуется ядро гелия плюс очень высокоэнергетический нейтрон. При соблюдении нужных условий выделяющаяся при этом энергия является достаточной для дальнейших термоядерных реакций. Кроме того, дейтериево-тритиевая реакция является наиболее целесообразной с практической точки зрения, так как в ходе нее проще всего преодолевается кулоновский барьер, и эту реакцию наиболее удобно поддерживать в искусственно созданных условиях.

Следует отметить, что наряду с парой дейтерий-тритий рассматриваются еще три варианта термоядерных реакций, которые потенциально могут быть применимы в промышленности. Вот они все:

  1. Дейтерий + дейтерий (тритий и протон 4,0 МэВ),
  2. Дейтерий + дейтерий (гелий-3 и нейтрон, 3,3 МэВ),
  3. Дейтерий + тритий (гелий-4 и нейтрон, 17,6 МэВ),
  4. Дейтерий + гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ).


К четвертой реакции, наиболее выгодной с энергетической точки зрения, мы еще вернемся ниже.

Немаловажным фактором, ограничивающим ресурсную базу для термоядерной энергетики, является необходимость добычи дейтерия и производства трития. Остановимся на ней подробнее.

Размножение трития



Дейтерий относительно широко распространен в природе, и его можно в достаточном количестве извлекать из морской воды. Тритий же, хотя и присутствует в природе, слишком редок, чтобы добывать его в полезных объемах. Поэтому его придется промышленно синтезировать. В настоящее время тритий добывают из охладителя реакторов, работающих на тяжелой воде, либо получают путем бомбардировки литиевых мишеней в реакторах на легкой воде.

Предполагается, что для работы одной 500-мегаваттной термоядерной электростанции потребуется около 50 килограммов тритиевого топлива в год. Эта величина не только намного превышает возможности современной промышленности, позволяющей получать около 2-3 кг трития в год, но и не учитывает стоимость производства, которая будет достигать миллиардов долларов. Соответственно, термоядерная энергетика требует разработки метода, который позволил бы размножать тритий прямо на станции. К счастью, таким методом потенциально может стать сама термоядерная реакция.

Окружив токамак литиевым бланкетом, можно (с выделением тепла) получать тритий, когда ядра лития будут захватывать образующиеся при синтезе нейтроны и спонтанно превращаться в тритий. В настоящий момент находятся в разработке технологические решения, необходимые для сбора трития, образующегося таким образом.

Далее уместен вопрос: так ли экологически чиста и энергетически выгодна термоядерная энергетика? Здесь следует процитировать некоторые возражения, приведенные в вышеупомянутой статье Михаила Сваричевского:

  1. Термоядерная энергия вовсе не такая кристально чистая. На единственной реалистичной на данный момент реакции D+T поток нейтронов, который сделает радиоактивными любые элементы конструкции в ~10 раз выше, чем в обычных реакторах на той же мощности. Корпус реактора придется менять раз в 5-10 лет.
  2. Человечество безусловно достигнет показателя Q=10 (получаем в 10 раз больше термоядерной энергии, чем тратим). Этого показателя вероятно удастся достигнуть на токамаке ITER в 2030-х годах и позднее.
  3. Несмотря на достижение Q=10, термоядерные реакторы будут намного дороже, чем классические урановые из-за более сложной конструкции, более короткого срока службы корпуса и сверхпроводящих магнитов. Термоядерные реакторы также не смогут быть маленькими (как например плавучая мини-АЭС)
  4. Термоядерного топлива не много тритий очень дорог и дефицитен. Получение его не проще и не дешевле, чем получение плутония из отходов урана или U-233 из тория.
  5. Гелий-3 никак не помог бы человечеству, даже если бы его были горы на земле. Паразитная реакция D+D все равно будет давать радиацию, а оптимальная температура миллиард градусов, намного сложнее D+T над которой бьется человечество на данный момент.


А вот что отмечает по поводу экологичности термоядерных электростанций IAEA:

Простейший процесс термоядерного синтеза протекает с участием двух изотопов водорода: дейтерия и трития. Тритий радиоактивен, но период его полураспада невелик (12,32 года). Он используется лишь в незначительных количествах и, следовательно, не представляет такой опасности, как долгоживущие радиоактивные ядра. В результате такой реакции дейтерия с тритием образуется атом гелия (инертного газа) и нейтрон. Энергию этих продуктов (атома и нейтрона) можно собирать для запитывания реактора и выработки электричества соответственно. Следовательно, от термоядерных реакций не остается долгоживущих радиоактивных отходов. Но в процессе синтеза образуются активированные нейтронами материалы, окружавшие плазму. Иными словами, когда нейтроны (продукт реакции синтеза) попадают в стенки реактора, сам реактор и его компоненты становятся радиоактивными. Поэтому при строительстве термоядерных электростанций в перспективе придется оптимизировать их конструкцию таким образом, чтобы свести к минимуму такую нейтронную радиоактивность и объем радиоактивных отходов, образующихся в результате.

Таким образом, ITER можно считать не столько супертокамаком, сколько тестовым прототипом термоядерной электростанции, который позволит оценить стоящие перед индустрией технологические и экологические вызовы. Среди них: размножение трития, контроль плазмы, продвинутая диагностика, борьба с износом конструкций. Кроме того, предстоит выяснить, как долго корпус реактора способен выдерживать воздействие горячей плазмы.

Как и любая перспективная технология, термоядерная энергетика уже порождает свои стартапы. Вот важнейшие из них:

  1. TAE Technologies. Компания TAE (Ирвайн, штат Калифорния) более 20 лет занимается разработкой подхода под названием обращенная магнитная конфигурация. Технология TAE основана не на дейтериево-тритиевом синтезе (DT), а на потенциально перспективном синтезе водорода и бора. Хотя, запустить такую реакцию гораздо сложнее нужны температуры на порядок выше, чем при DT реакция не дает побочного продукта в виде высокоэнергетических нейтронов, осложняющих дейтериево-тритиевый синтез. Технология FRC предполагает магнитный метод удержания тороидальной плазмы (см. ниже).
  2. Commonwealth Fusion Systems (CFS). Это проект-спинофф, развиваемый Центром по изучению физики плазмы и термоядерного синтеза при Массачусетском технологическом институте. В CFS придерживаются классического подхода с использованием токамака, но используют новейшие технологические достижения, которые просто не могли быть учтены при проектировании ITER. Важнейшим из них является использование сверхпроводящего материала REBCO на основе оксидов редкоземельных металлов, бария и меди (ITER использует в аналогичном качестве ниобиево-оловянный сплав). Предполагается, что такая технология позволит сконструировать более компактные, эффективные и дешевые магниты.
  3. General Fusion. Эта компания расположена в канадском Ванкувере и прорабатывает один из самых революционных подходов, именуемый синтез замагниченной мишени (MTF). В конструкции MTF применяется сфера, заполненная литиево-свинцовой смесью. Под воздействием магнитов смесь приобретает форму воронки, и далее через нее пропускаются магнитные импульсы, генерирующие в жидком металле своеобразную ударную волну и сжимающие плазму до концентрации, при которой должен начаться термоядерный синтез. Выделяемое при этом тепло используется для генерации электричества.
  4. Tokamak Energy. Эта компания, работающая в Великобритании, стремится запустить традиционный термоядерный синтез с использованием токамака, но использует токамак, напоминающий по форме не бублик, а сферу. Эта установка называется ST40, в настоящее время проходит исследования. Предполагается, что в ней достижима температура до 15 миллионов градусов Цельсия.


Как следует из вышеизложенного, в первой трети XXI века мы пришли к исследованию всех этих экзотических технологий термоядерного синтеза в основном по трем причинам, осложняющим промышленное использование такой энергии:

  1. Сложность добычи трития.
  2. Сложность стабильного удержания намагниченной плазмы в пределах реактора.
  3. Сложность утилизации радиоактивных отходов из-за воздействия нейтронов радиоактивным становится сам реактор.


Реголитовая Голконда



И здесь самое время перейти к заключительной части нашего экскурса: обратить внимание на гелий-3, участвующий в четвертой из важнейших термоядерных реакций, упомянутых выше:

Дейтерий + гелий-3 (гелий-4 и протон, 18,2 МэВ)

Выход энергии заметно превышает 17,6 МэВ, вырабатываемые при тритиевой реакции, а вместо нейтрона имеем в качестве побочного продукта протон, что во многом решает проблему радиоактивного загрязнения.

Основная проблема заключается в том, что гелий-3 (ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона) чрезвычайно редок по сравнению с основным изотопом гелий-4 (два протона и два нейтрона): доля гелия-3 на Земле составляет 0,000137% (1,37 частей на миллион); основным источником этого изотопа на нашей планете является солнечный ветер.

Но еще в 1986 году специалисты из Института технологий термоядерного синтеза при университете Висконсина определили, что в лунном грунте, реголите, может содержаться миллион тонн гелия-3. Добыча гелия-3 на Луне может быть коммерчески выгодным предприятием, так как извлекаемая из него энергия в 250 раз превысит энергию, требуемую на его добычу и доставку на Землю. Лунных запасов гелия-3 может хватить для обеспечения термоядерной энергетики на целые столетия.

Нейтроны, образующиеся при дейтериево-тритиевом синтезе, ускользают из реактора, поскольку не обладают электрическим зарядом и, следовательно, их нельзя удерживать электромагнитным полем. Напротив, протоны побочный продукт термоядерной реакции с гелием-3 имеют положительный заряд, и улавливать их не составляет труда. Более того, можно использовать и энергию самих протонов, которая непосредственно пойдет на выработку электричества. В таком случае отпадает необходимость получать водяной пар для вращения турбины именно по такому принципу вырабатывается энергия на современных атомных электростанциях.
Таким образом, освоение Луны приобретает неиллюзорную практическую ценность. Отработка технологий термоядерного синтеза, возможно, первоначально на основе дейтериево-тритиевого синтеза, могла бы стать этапом на пути к энергетическому самообеспечению лунной реголитодобывающей промышленности, цель которой обеспечить термоядерным топливом Землю.

Здесь мы настолько углубились в научную фантастику, что в этом посте пора осторожно поставить точку и поблагодарить всех, кто его дочитал и готов обсудить.

Хотя, в качестве эпилога предлагаю взглянуть еще на эту старенькую статью из журнала Кот Шрёдингера. Мало того, что в ней классные картинки, так еще и переброшен мостик от темы, которую мы рассмотрели здесь, к теме терраформирования. В этой индустрии будущего, по-видимому, без термояда тоже никак не обойтись.

Пока же и ITER, и весь описанный путь далеки от завершения. Но хочется надеяться, что дорогу осилит идущий.
Подробнее..

Уголь грядущих веков когда водород заменит ископаемые энергоносители?

28.12.2020 14:06:07 | Автор: admin


Хотя коронавирус помог человечеству снизить вредные выбросы в атмосферу в I полугодии 2020 на рекордные 9%, экологам праздновать победу рано, потому что, как говорят сантехники, тут всю систему менять надо систему углеродной экономики, построенной на тотальном потреблении ископаемых энергоносителей. И если с новыми источниками мы определились (солнце и ветер), то с носителем их нестабильной энергии ещё нет. На эту роль претендует водород. В этот раз мы расскажем о его перспективах, а также о предсказании Жюля Верна, о ночном кошмаре Илона Маска, о самом большом в мире заводе зелёного водорода в Фукусиме и наших шансах на пенсии ездить до дачи на водородных электричках (шансы велики).

Построенное Toshiba предприятие Fukushima Hydrogen Energy Research Field в префектуре Фукусима самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз. Работы велись в рамках проекта Hydrogen social construction technical development project/Hydrogen energy system technical development/Technical development concerning business model construction and the large-scale actual proof of a re-energy use hydrogen system японской Организации по разработке новой энергетической и промышленной технологии (NEDO).


Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Жюль Верн в Таинственном острове в 1875-м году писал:
Вода? переспросил Пенкроф. Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
Да, но вода, разложенная на составные части, пояснил Сайрес Смит. Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия таков непостижимый закон следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга. Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Наступит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей. Следовательно, бояться нечего. Пока землю населяют люди, она их не лишит своих благ, ни света, ни тепла, она отдаст в их распоряжение растения, минералы и животных. Словом, я уверен, когда каменноугольные залежи иссякнут, человек превратит в топливо воду, люди будут обогреваться водой. Вода это уголь грядущих веков.
Хотелось бы мне поглядеть на всё это, заметил моряк.
Рано ты появился на свет, Пенкроф, вставил Наб, до тех пор не проронивший ни слова.


Инженер Сайрес Смит (на рисунке в центре) описывает не только водородную экономику. На страницах романа Жюля Верна Таинственный остров (1875 г.) он рассказывает, как добывать огонь без спички, определять долготу и широту, строить гончарную печь, делать нитроглицерин и гидроксил, свечи, сооружать гидравлический лифт и т.п. Источник: Rama / Wikimedia Commons

Скептично настроенный моряк из робинзонады Жюля Верна Таинственный остров действительно родился слишком рано, чтобы убедиться в точности прогноза Сайреса Смита. Цель превратить водород в уголь будущих веков в большинстве программ разных стран должна быть достигнута к 2030-2050 гг. Значит ли это, что человечество уже прошло, скажем, две трети пути к водородной экономике? Попробуем спрогнозировать, но сначала разберёмся с хронологией.

Началось всё в 1776 году с открытия водорода британцем Генри Кавендишем, который реакцией цинка и соляной кислоты получил этот бесцветный газ. В 1800 году его соотечественники Уильям Николсон и Энтони Карлайл впервые провели электролиз известную всем нам со школы реакцию разложения воды на водород и кислород с применением электричества.

Спустя 30 лет химик из Швейцарии Кристиан Шёнбейн и британец Уильям Грове провели обратный процесс получили электричество из водорода и кислорода, построив первые в истории топливные элементы на водороде с кислотным электролитом.

В XX веке стало больше прикладных исследований. В 1920-е гг. в немецкий инженер Рудольф Эррен реконструировал двигатели внутреннего сгорания грузовиков, автобусов и подлодок так, чтобы они могли работать на водороде и его смесях. А британец Джон Холдейн впервые предложил использовать энергию ветра для производства водорода электролизом.

Катастрофа дирижабля Гинденбург в 1937 году, а затем Вторая Мировая война прервали на время исследования в этой области, хотя водород активно использовался, к примеру, в блокадном Ленинграде.


Когда в Ленинграде закончился бензин, механик Борис Шелищ сумел перевести автомобильные двигатели на отработанный аэростатами водород. Источник: RIA Novosti archive / Wikimedia Commons

В 1970 году химик из США Джон Бокрис ввёл понятие водородной экономики, предложив питать электросети американских городов энергией солнца, а в качестве её носителя использовать водород.

Все эти годы доступный и практичный газ активно осваивали в промышленности. Правда, о его экологическом потенциале не задумывались, поэтому большинство оставшихся в наследство от индустриальной эпохи способов получения водорода хотя и недорогие, но грязные. О них далее.

5 оттенков водорода: для чего и как его добывают?


С тех пор как Джон Бокрис предложил превратить водород в энергоноситель, мировой спрос на этот газ увеличился в три раза и достиг 70 млн тонн в год. По разным оценкам, к 2040-м годам показатель возрастет до 100-200 млн тонн в год. По подсчетам Международного энергетического агентства (МЭА), для нефтепереработки вырабатывают 33% этого газа, для получения аммиака и минеральных удобрений 27%, для синтеза метанола 11%, а для удовлетворения нужд сталелитейной промышленности 3%.


Водород бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный газ, но в смеси с воздухом или кислородом горюч и опасен. Источник: Toshiba Clip

А откуда берётся водород? Львиная доля добывается из природного газа (76%) и угля (23%). Из-за этого экологически безвредный H2 получается грязным для окружающей среды его производители выбрасывают в атмосферу столько же углекислого газа, сколько Великобритания и Индонезия вместе взятые. Чтобы раскрыть экологический потенциал водорода, его нужно производить иначе.

В последние годы сложилась цветовая классификация водорода по виду источника для его производства:
серый водород из природного газа;
синий водород из полезных ископаемых, но с применением технологии захвата углекислого газа (Carbon Capture and Storage, CCS), о которой мы рассказывали здесь.
чёрный водород из угля;
коричневый водород из бурого угля;
зелёный водород из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Теперь посмотрим, как именно производятся разноцветные водороды и сколько это стоит.

Легче воздуха, но дороже доллара: сколько стоят разные виды водорода?


Начнём с ископаемых источников. Из природного газа водород производят реформингом преобразованием CH4 путем эндотермической реакции с использованием водяного пара. Минус этой технологии выбросы CO2, которые, впрочем, можно уменьшить до 90%, если применять технологии CCS.

Для справки: один кубометр водорода равен 0,08988 килограмма или 1,2699 литра и имеет примерно такую же энергетическую ценность, как треть литра бензина. Это означает, что сжигание 1 килограмма водорода высвобождает такое же количество энергии, как и сжигание 2,75 килограмма бензина.

Серый водород пока самый дешёвый. По данным МЭА, стоимость производства одного килограмма водорода 0,903,20 долл. США в зависимости от региона и технологии. Самая низкая цена на Ближнем Востоке (0,90 долл./кг), в США (1,00 долл./кг) и России (1,10 долл./кг) выручают низкие цены на природный газ. В Европе и Китае получается дороже: 1,73 долл./кг 1,78 долл./кг соответственно.

Синий водород, вырабатываемый из природного газа с применением захвата CO2, дороже. На Ближнем Востоке он обойдётся 1,45 долл./кг, в США 1,52 долл./кг, в России 1,64 долл./кг, в Европе 2,32 долл./кг, в Китае 2,38 долл./кг.


Чтобы снизить углеродный след от производства водорода, можно использовать технологии захвата углекислого газа. Принцип CSS на схеме. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Чёрный водород производят методом газификации переработки твердого или жидкого топлива путем его окисления. Так делают в основном в Китае, где много дешёвого угля. При производстве чёрного водорода выбросы CO2 увеличиваются в два раза по сравнению с серым. Но китайцев привлекает в нём цена один килограмм чёрного водорода стоит 1,10 долл., а с применением захвата CO2 1,50 долл.

Коричневый водород также можно вырабатывать газификацией, но бурый уголь пока редкость, поэтому говорить об усредненных ценах рано. Австралийцы хотят его использовать и, по их расчётам, стоимость одного килограмма коричневого водорода (с учётом CCS) составит 2,142,74 долл.

Конечную цену всех этих видов водорода в основном определяет стоимость сырья, и это главная проблема. Газ и уголь исчерпаемые ресурсы, их цена волатильна, а углеродный след очень заметный. Поэтому с каждым годом всё привлекательнее и для экологов, и для экономистов идея добывать энергоноситель из воды, покрывающей 70% поверхности Земли.

Зелёный водород: где его производить и сколько он стоит?


Электролизом пока производится менее 0,1% водорода, но именно этот метод предполагает использование возобновляемых источников энергии.

А энергии нужно много: по подсчетам МЭА, чтобы произвести электролизом текущий годовой объём водорода (70 млн тонн), нужно электричества больше, чем вырабатывает за год Евросоюз (3,60 тыс. ТВтч). Поскольку технология получается энергоемкой, стоимость зеленого водорода в основном зависит от цен на электричество.

К счастью, они снижаются: по данным Международного агентства по возобновляемой энергии (International Renewable Energy Agency, IRENA), в 2019 году средняя стоимость солнечного электричества снизилась на 13% до 0,07 долл./кВтч. Энергия морского и сухопутного ветров подешевела на 9% соответственно до 0,05 долл./кВтч и 0,12 долл./кВтч. Электричество, выработанное из ископаемых источников, в среднем оценивается в 0,066 долл./кВтч.

Когда на Земле истощатся запасы воды, на электролиз пойдут запасы виски, пива, энергетиков и газировки. Источник: YouTube-канал Inventor

Со второй составляющей потенциального электролитического чуда (водой) попроще: на один килограмм водорода нужно девять литров воды. Соответственно, чтобы получить годовой объём водорода, понадобятся 617 млн куб. м воды 1,3% мирового потребления H20 энергетикой. Вода нужна пресная, а морскую воду придётся деминерализовать. Впрочем, к цене одного килограмма водорода это добавляет всего 0,01-0,02 долл.

Сколько в итоге стоит зелёный водород? По данным Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), сейчас его цена в среднем равна 6,00 долл. за кг. МЭА даёт такую вилку: 3,007,50 долл./кг. Есть факторы, которые сильно влияют на стоимость зелёного водорода. Прежде всего, это регион.


Самые перспективные уголки планеты для водорода на возобновляемых источниках энергии это Патагония, Северная Африка, Ближний Восток, Монголия, Австралия, Китай, США и Новая Зеландия. Здесь стоимость зеленого водорода составит 1,60-2,40 долл./кг. Источник: International Energy Agency

Второй фактор масштаб производства. Чем он больше, тем ниже конечная стоимость зелёного водорода. И поэтому, хотя Япония небольшая страна, земли для самого большого в мире завода по производству водорода на солнечной энергии компании Toshiba власти префектуры Фукусима не пожалели

Реально мирный атом: зачем в Фукусиме построили самый большой водородный завод в мире?


По подсчётам Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), чтобы один килограмм зелёного водорода стоил 1,00-2,00 долл., к 2030 году, нужно увеличить его производство до 12 млн тонн в год. Чем больше масштаб производства, тем ниже его удельные затраты.

Чтобы понять, как большое производство водорода можно интегрировать в существующую энергосистему, компания Toshiba построила самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз, который питает энергия солнечной электростанции (СЭС). Он называется Fukushima Hydrogen Energy Research Field, FH2R. Завод находится в посёлке Намиэ (преф. Фукусима) и занимает площадь 220 тыс. кв. м. Он состоит из солнечной электростанции мощностью 20 МВт и электролизера с входной мощностью 10 МВт.


Помимо СЭС, завод питает обычная электросеть. ВИЭ могут давать энергию с избытком, и лишний водород можно запасать для поддержания электролиза в периоды минимальной активности солнца или ветра. Но не в столь солнечной стране как Япония Toshiba решила использовать электросеть, чтобы найти экономический баланс между альтернативным традиционным источниками тока. Источник: International Energy Agency

Опытный завод FH2R будет производить до 900 тонн водорода в год для питания машин и автобусов на топливных элементах, а также для собственных нужд. Выработка достигнет 1,20 тыс. куб. м в час, то есть в сутки продукции завода хватит на заправку 560 водородомобилей и энергию для 150 домов.

Кстати, о транспорте. Путь к водородной экономике, скорее всего, лежит через баки личных авто, автобусов и грузовиков, где водород заменит бензин. Как и когда это произойдёт?

Ночной кошмар Илона Маска: победят ли водородомобили Теслу?


Машины на топливных элементах программа минимум водородной революции. Такой транспорт в центре внимания программ большинства принявших их стран.

Водород содержит больше энергии на единицу массы, чем природный газ или бензин, что делает его привлекательным в качестве транспортного топлива. Из плюсов ещё быстрая заправка (в отличие от электрокаров), больший запас хода (около 400 км при средних 250 км у электромобилей), низкий вес сырья, отсутствие выбросов CO2, более экологичная и простая утилизация топливных ячеек по сравнению с батареями электрокаров.

Сейчас по миру ездят более 25 тыс. машин на водороде в два раза больше чем в 2018. В основном это Toyota Mirai (о которой мы однажды <ahref=habr.com/ru/company/toshibarus/blog/430372>писали здесь, на Хабре), Hyundai Nexo и Honda Clarity Fuel Cell, хотя в Китае доминируют автобусы и грузовики. Но водородомобилей гораздо меньше, чем их прямых конкурентов электрокаров на батареях, число которых приблизилось к 7,2 млн. Почему?

Во-первых, водородные машины дороже. К примеру, Toyota Mirai стоит 58,5 тыс. долларов США, а Tesla Model 3 35 тыс. долл. Дорогими выходят два основных компонента водородомобиля топливные элементы и бак. Однако и эта проблема в перспективе будет решена увеличением масштабов производства. Если сейчас стоимость топливной ячейки для водородной машины составляет 230-180 долл/кВтч, то при увеличении их выпуска с 1 тыс. до 500 тыс. единиц в год она снизится до 45 долл/кВтч. Цена водородного бака при таком же увеличении масштаба снизится с 23 долл/кВтч до 14-18 долл./кВтч.


В Toyota Mirai два водородных бака общим весом почти 88 кг. Водород в них хранится под давлением в 70 МПа. Источник: Mariordo / Wikimedia Commons

Во-вторых, есть проблема с заправками: их мало 25 тыс. водородомобилей заправляются на 470 станциях, большая часть которых находятся в Японии (113), Германии (81) и США (64). Впрочем, со временем проблему решит развитие сети заправок.

Теперь о расходах на топливо. К примеру, в Германии 1 кг водорода на общественных заправках стоит 9,50 евро. Автомобиль на топливных элементах потребляет примерно один килограмм водорода на 100 км. Таким образом, затраты на топливо сопоставимы со средним бензиновым автомобилем, который потребляет 7 литров на 100 км.

В сумме капитальные и текущие затраты на водородомобиль оцениваются экспертами МЭА примерно в 0,65 долл./км, тогда как у электромобилей он составляет порядка 0,58 долл./км., но в перспективе они сравняются. По прогнозу Совета по водородной энергетике, личные авто станут конкурентоспособными к 2030 году при снижении цены водорода до 2,00 долл./кг. А что с другими областями применения водорода?

Резюме: когда начнётся эпоха водорода (и начнётся ли вообще)?


Эксперты Совета по водородной энергетике посчитали, при какой цене за килограмм водород станет конкурентной альтернативой другим энергоносителями с малым углеродным следом.


Водород уже незаменим в качестве сырья в промышленности, а в будущем его перспективы связаны с транспортом и поставками тепло- и электроэнергии для гражданских и промышленных потребителей. Источник: Path to Hydrogen Competitiveness. A Cost Perspective // 20 January 2020, Hydrogen Council

Когда цена килограмма водорода опустится до 4,00-5,00 долл., конкурентоспособными станут грузовики и автобусы, курсирующие по длинным маршрутам. Причём это может произойти уже через 5 лет. С личными авто и фургонами ситуация иная: даже если цена водорода снизится, их стоимость может остаться высокой относительно электрокаров. Тогда покупать водородомобили будут только автомобилисты с приоритетами быстрой заправки и те, кто использует авто очень интенсивно, например, таксисты. Чтобы превратить маленькие авто в конкурентов Tesla, нужно снизить цену водорода до 1,00-1,50 долл./кг.

А вот электрички на топливных элементах уже вполне могут тягаться с обычными на маршрутах до 50 км с высокой частотой рейсов. Чтобы они сохранили привлекательность, доля расходов на топливо должна упасть с текущих 40-50% до 20-30%, что может произойти при цене 4,5 долл./кг водорода к 2030 году.

Совсем скоро (примерно к 2023 году) могут завоевать мир погрузчики, которые уже сейчас активно используются в Китае при цене 1 кг водорода в 7,00-9,00 долл.

По трубопроводам водород можно подавать в жилые здания. В этом случае он сможет заменить для электричества и отопления домов природный газ с применением технологии захвата углекислого газа. При снижении цены до 3,00-5,40 долл./кг водород становится более выгодным, чем другие системы отопления, скажем, на биометане. Но с природным газом без CCS водород справится только если будет стоить меньше 1,00 долл./кг. В качестве источника электроэнергии топливные ячейки на водороде станут конкурентными при цене 1,90 долл./кг.

Итак


Как видим, полностью водородной экономика к середине этого века всё же не станет. По прогнозу Международного совета по водороду, при цене 1,8 долл./кг водород сможет покрывать до 15% мирового спроса на энергию к 2030 году, а к 2050 году 18%. По-видимому, мы, как и жюльверновский моряк Пенкроф, родились слишком рано, чтобы увидеть, как водород станет углем эпохи. Скорее всего, этот газ будет играть важную роль в многофакторной энергетике и действительно заменит ископаемые в некоторых регионах и сферах применения, но ему ещё долго придётся конкурировать с другими источниками и носителями энергии.
Подробнее..

Блэкаут в Техасе. Как нефтегазовый штат остался без топлива, электричества и одной АЭС

24.02.2021 14:21:40 | Автор: admin

Около недели в США бушевал арктический шторм. Нетипично низкие температуры и снежные бури накрыли половину страны, но самая тяжелая ситуация сложилась в Техасе. Энергосеть южного штата не справилась с нагрузкой, в результате миллионы людей остались без воды, электричества и тепла. Почему так вышло?

Во-первых, условия действительно чрезвычайные. Подобной зимы не было почти 10 лет, а в некоторых местах поставлены вообще абсолютные рекорды отрицательных температур. Обычно в Техасе зимой плюс или слабый минус, а тут местами морозы до 20. Соответственно, инфраструктура и люди к этому не готовы. На ледяных дорогах десятки погибших, около 12 миллионов человек испытывают проблемы с нехваткой воды (трубы перемерзают), до 3 млн домохозяйств оставались без электричества и тепла, люди были вынуждены эвакуироваться из домов или греться и ночевать в машинах.

Те у кого есть газ, но нет электричества, греются так. Фото Ashley Landis/AP, источник: https://abcnews.go.com/Politics/republicans-texas-power-outages-spread-false-claims-green/story?id=75947664Те у кого есть газ, но нет электричества, греются так. Фото Ashley Landis/AP, источник: https://abcnews.go.com/Politics/republicans-texas-power-outages-spread-false-claims-green/story?id=75947664

Дело в том, что более 60% домохозяйств штата отапливаются за счет электричества и лишь 40% - за счет газа. Сами дома не рассчитаны на такие морозы. Все это привело к постепенному росту потреблению электроэнергии до рекордных 70 ГВт, при среднем уровне около 40 ГВт перед штормом (см график). При этом прогнозируемый максимум был в районе 67 ГВт. А после этого система достигла максимума возможностей и накрылась. До 80 электростанций из 680 в штате не могли работать, до 45 ГВт мощностей были недоступны. Дисбаланс спроса и предложения привел сначала к резкому росту оптовых цен на электроэнергию в сотни раз, до 9000 $ за МВт*ч, максимуму допустимому на рынке. В Техасе изолированная энергосистема с очень свободным рынком электроэнергии, поставщики в результате получают миллиарды, потребителей же ждут огромные счета за электроэнергию. Однако невидимая рука рынка не снизила объемы потребления, и их пришлось снижать принудительно физически, через веерные отключения.

Потребление и производство электроэнергии в Техасе в дни блэкаутаПотребление и производство электроэнергии в Техасе в дни блэкаута

Почему так случилось? Тут сейчас масса спекуляций. Противники возобновляемой энергетики и республиканцы, в том числе губернатор Техаса, винят замерзшие ветряки и политику демократов Green New Deal по развитию возобновляемых источников. Демократы винят республиканцев за обособление электросистемы Техаса и дерегулирование рынка. Российский интернет вместе с госканалами глумится над чуждыми нашим скрепам западными идеями развития альтернативных источников и американскими проблемами в целом. Не без вранья, само собой.

Завирусившееся фото, распространяемое противниками альтернативной энергетики. Однако это не Техас, а Европа в 2015 году. Фото испытаний системы оттаивания лопастей горячей водой, в итоге не самой популярной. Источник - https://naukatv.ru/articles/vetryak?fbclid=IwAR2t0VbOs841xC10qcwravP83b93hlFIHDPkPUnKyVR2Wa2C8M6wB7sh0ZoЗавирусившееся фото, распространяемое противниками альтернативной энергетики. Однако это не Техас, а Европа в 2015 году. Фото испытаний системы оттаивания лопастей горячей водой, в итоге не самой популярной. Источник - https://naukatv.ru/articles/vetryak?fbclid=IwAR2t0VbOs841xC10qcwravP83b93hlFIHDPkPUnKyVR2Wa2C8M6wB7sh0Zo

Но что на самом деле? Во-первых, половина ветряков действительно замерзла (обледенение лопастей), но это не ключевой фактор в проблеме. Обычно в это время года они дают лишь около 7% электроэнергии, а в среднем по году - около 23%. Из около 45 ГВт вышедших из строя установленных мощностей на ветряки приходится 16 ГВт (из 30 ГВт установленной мощности ветряков в штате), а 28 ГВт на газовые, угольные и атомные станции. Доля солнечных не так значительна, хотя и они резко снизились. Обычно выбывающие мощности ветряков компенсируют именно газом, но с ним возникли проблемы.

До половины электроэнергии Техас получает, сжигая газ. Техас главный нефтегазовый штат США. Кстати, ВВП штата больше российского при населении в 5 раз меньше. Однако к таким морозам даже нефтегазовая инфраструктура не готова из-за конденсата замерзали трубы, компрессоры для перекачивания оставалась без электричества, вставали добывающие скважины. В итоге даже добыча сократилась за 30-50%. Губернатор ввел временный запрет на экспорт сжиженного газа. Хранилища и запасы отсутствуют. Поставки газа для обогрева домов обладают приоритетом перед поставками для электростанций. Это еще обострило дефицит топлива в холодное время. Все это показывает уязвимость газовой генерации от поставок топлива даже в нефтегазовом регионе. Нет газа в трубе нет электричества.

Отдельно стоит отметить сдержанные ухмылки сторонников атомной энергетики, которые я наблюдаю и в России и в США. Да, АЭС в целом показали себя хорошо 4 энергоблока на двух АЭС в Техасе работали без проблем и выдавали около 5 ГВт электроэнергии в режиме 24/7 вне зависимости от погоды и поставок топлива. Однако в итоге один из энергоблоков тоже не выдержал (см график). 15-го числа от был отключен системами автоматики из-за ложного срабатывания датчика давления питательной воды на турбине. Он перемерз. Но через два дня блок уже снова работал на 100%.

АЭС South Texas Project, один из блоков которой был отключен из-за замерзания датчика. Синим видны турбины на машзалах.АЭС South Texas Project, один из блоков которой был отключен из-за замерзания датчика. Синим видны турбины на машзалах.

Но честно говоря, когда я посмотрел на фото этого энергоблока то немного офигел. Дело в том, что его машзал, где находится турбина, он, как бы сказать, не имеет крыши Ну т.е. она есть, но турбина в кожухе выступает над ней, и тут же рядом на открытом воздухе мостовой кран для обслуживания (см спутниковое фото выше). Такой вот дизайн. Понятно, что у них там тепло, и возможно это даже по каким-то соображениям оправдано. Да и соседний аналогичный блок отработал без проблем. Но на одном все же датчик перемерз.

Более наглядное фото второй АЭС в Техасе - Comanche Peak, с подобными же облегченными машзалами.на переднем планеБолее наглядное фото второй АЭС в Техасе - Comanche Peak, с подобными же облегченными машзалами.на переднем плане

Такую конструкцию машзала я вижу впервые (спасибо блэкауту хоть за это). Российские машзалы АЭС, что в Арктике, что на юге это отдельное теплое помещение, где можно обслуживать турбины и генераторы в любую погоду, а зимой там даже оранжереи с экзотическими растениями можно встретить.

Закрытый машзал самой южной АЭС России - Ростовской. Фото автора, 2017 г.Закрытый машзал самой южной АЭС России - Ростовской. Фото автора, 2017 г.

Как бы то ни было, аномальные морозы на большой территории США стали причиной кратковременного отключения всего одного блока АЭС из 94, в самых неблагоприятных условиях. Так что атом действительно оказался более надежным, чем другие источники. В Техасе временно вышли из строя 25% атомных мощностей, тогда как потеря мощностей ТЭС составила до 50%, а ветряков до 75%. Впрочем, доля атома в энергобалансе Техаса невелика и в дни блэкаута была сопоставима с выработкой ветряков.

Распределение выработки электроэнергии по типам электростанций Техаса за 2020 г.Распределение выработки электроэнергии по типам электростанций Техаса за 2020 г.

Кроме того, к причинам блэкаута стоит добавить системные проблемы. Энергосеть Техаса плохо связана с другими штатами. Она у них вообще отдельная на штат, как у Аляски, в то время как другие штаты входят в одну из двух, Восточную или Западную, объединенные энергосети. В добавок довольно свободное регулирование рынка энергетики в штате (американские СМИ винят в этом республиканцев) не обязывает поставщиков иметь достаточно резервных мощностей, а сами резервные генераторы мощности при этом ориентированы на работу летом, когда идет максимальное потребление, поэтому они не защищены от холодов.

Обособленная энергосеть Техаса выделяется на фоне США. Обособленная энергосеть Техаса выделяется на фоне США.

Вот такая история. Сейчас ситуация вроде налаживается, но до сих пор сотни тысяч людей не вернулись к нормальной жизни. И на самом деле пока рано говорить о том, что сыграло большую или меньшую роль в развитии ситуации. Любая катастрофа это сочетание многих факторов. И тут их много. Так что пусть специалисты анализируют и делают выводы. А мы потом посмотрим. Но понятно, что на фоне устранения недостатков энергосистем, стоит быть готовым к тому, что подобные природные аномалий могут случаться все чаще и чаще.

Бонус и благодарности

Я продолжаю экспериментировать со своим видеоканалом, поэтому записал видеоверсию этой небольшой статьи с видеовставками, которых нет в тексте. Если вы хотите увидеть больше моих публикаций на атомную тематику, можно поставить "нравится" этой записи, подписаться на мойyoutube-каналиtwitter, или даже сделать небольшой подарок на карточку Tinkoff 5536 9137 7974 2317 В

Ссылки на источники и материалы по теме:

  1. Millions of Texans Are Freezing Right Now Our Deregulated Electrical Grid Is to Blame

  2. Ветрогенератор и вертолёт

  3. Natural Gas And Wind Freeze Up When The Going Gets Tough

  4. Когда зеленые глаза полны соринками

  5. Texas largely relies on natural gas for power. It wasnt ready for the extreme cold.

  6. В Техасе замерзли газовые скважины и от холода встал блок АЭС: новые подробности рекордного блэкаута. Naked-science.ru

PS:

В ближайшее время планирую опубликовать большую статью об истории ядерного разоружения. Не переключайтесь.


Подробнее..

Книга How to Avoid a Climate Disaster,конспект, часть 1 из 2, Билл Гейтс

07.03.2021 14:18:26 | Автор: admin

Чипирующий вакцинами людей Bill Gates 2 недели назад выпустил свою книгу про глобальное потепление и обнуление выбросов CO2.Феерический ускорятель техногенного прогресса конечно + всепланетного масштаба.

  1. Супер structured и top down

  2. Наглядные цифры (масштабы/цены/сроки)

  3. Пишет - запарился читать - разрозненную инфо и решил все обобщить. Междисциплинарно прямо зажег

How to Avoid a Climate Disaster, конспект, часть 1 из 2

Big idea

  • Нам нужно обнулить выбросы парниковых газов, декады, а потом научиться убирать из атмосферы, управлять планетарной экосистемой. Требует новых открытий + дистрибуции по миру. Я верю в человечество

  • Все выделяет CO2: отопление/кондеи, добыча, производство, транспорт, стройка, агротех

  • Человечеству важна эта гигантская цель, и быстрее, чем раньше сопоставимого масштаба, нужны прорывы в науке и инжиниринге, нужен общественный консенсус (его пока нет), нужна стимулирующая госполитика, чтобы пропушить переход в zero CO2 emission

Чем плохо потепление?

  • Потепление точно антропогенное, см графики XX в., вопрос моделей только в темпах - через 30 лет или через 50 лет будет сильно теплее

  • Ведёт в тч к засухам и ливням, бедные (0.6-1 млрд чел) по миру зависящие от земледелия и скота, будут вынуждены переселяться, чтобы не умереть с голоду. Еда для мира тоже подорожает. Даже если потепление не станет экзистенциальной катастрофой за следующее поколение, оно усилит неравенство

Как быть?

  • Столкнулся в 2005 в Африке делая благотворительность, что там проблемы с просто дешевой энергетикой, дальше не обращал внимания, потом прозрел

  • В 2015 сделал Breakthrough Enregy межгосударственную коалицию, и частные 40 богачей (Джек Ма, Хосла, Далио, Кларман, Безос итп). Вложили несколько млрд $ в 50 стартапов, а также advocacy инициативы

  • Богатые страны должны пролидировать переход на зеленую энергетику. Сейчас 40% выбросов CO2 делает 16% населения мира (богатые страны).

  • Потребление энергии вырастет на 50% к 2050 = это как ежемесячно добавлять по одному Нью-Йорку, но 40 лет подряд, т.к. повышение уровня жизни

Выбросы СО2 идут от:

  • Производство (сталь цемент пластик) 31%

  • Электричество 27%

  • Агро (в т.ч. скот) 19%

  • Транспорт и самолеты/грузовики/суда 16% (половина из этого = 8% - легковые авто). (Виктор: т.е. Илон работает в направлении 8% выбросов, а остается еще в 12 раз больший объем?)

  • Кондеи, холодильники, обогрев 7%

Масштабы энергетики

  • Энергетика - это ОЧЕНЬ долгий маховик в цивилизации: уголь с 1840 по 1900 рос с доли 5% до 50% от всей энергетики, нефть 60 лет с 1910 до 40%, газ 60 лет с 1930 до 20% всей энергетики

  • Процессоры стали в 1 млн раз быстрее с 70ых, но это outlier, а все остальные технологии так радикально не улучшаются. Нет путей сделать за 50 лет в 1 млн раз более энергоэффективный автомобиль. Солнечные панели 50 лет назад кпд 15% от солнечного света, сейчас 25%. и т.д.

  • Энергетика: оборот $5 трлн в год, и тотально зарегулирована (в отличие, скажем, от интернета). В софте все быстро, в, скажем, биотехе - годы.

  • И все это регулирование устарело, нужно новое. 97% ученых согласны, что климат меняется из-за людей, а в обществе и власти - нет согласия, что пора действовать

Как думать про предлагаемые решения?

Я долго читал разное и всюду рваная подача инфо, не было целостности. А я оч top down. Теперь использую такой framework:

  1. Какой % от общих выбросов в 51 млрд тонн повлияет данная технология? (в случае успеха) (их VC фонд Breakthrough Energy кладет только если potential impact больше 1%)

  2. Решения нужны во всех 5 сегментах СО2: электричество, производство, агро, транспорт, кондеи/отопление

  3. кВт= 1 дом. гВт = средний город. Сотни гВт = большая богатая страна

  4. Сколько кв.м. Земли понадобится на данную технологию?

  5. Green Premium = какая будет переплата за экологичность относительно сегодняшнего уклада на ископаемом топливе? И смогут ли страны средних доходов ее себе позволить?

Электричество

  • Сейчас эл-во - это 27% от общих выбросов СО2, но если его засолвить, то можно будет и промышленность менять на новый уклад, и транспорт. Иными словами, доля зеленого эл-ва в общем СО2 возрастет

  • Вояжил с сыном на электростанции, я в трепете перед нашей физической инфраструктурой (но я nerd)

  • В экваториальной Африке меньше 50% людей имеет надежное эл-во. Нужно топать в магаз, зарядить телефон ($0.25 за раз, в сотню (!) раз дороже, чем в развитых странах)

  • Оказывается, затапливание земли для ГЭС выбрасывает метан из почвы и нужно 50-100 лет работы ГЭС, чтобы окупить этот неожиданный эффект

  • Эл-во подешевело в 200 раз с 1900 по 2000 г., всего 2% ВВП США сейчас. Это связано со стимулированием в 20ом веке, и сейчас госсубсидии на ископаемое топливо достигают $400 млрд/год (по оценке IEA). Только в 2019 угольных электростанций построили на 250 гВт (это как 60 чернобыльских АЭС)

  • В США семья тратит 29 кВт/день. Переплата за зеленое эл-во в США может быть 15% = +$18 мес = подъемно. Кроме самых бедных кто тратят 10% доходов на эл-во. В EU +20% тоже

  • Небольшая премия в США возможна, тк на юге solar panels, на Midwest ветер, а на севере ГЭС

  • Азия и Африка сложно. Китай вытащил из бедности сотни млн людей за счет снижения цены угольных электростанций в 4 раза. И теперь хотят Индию/Индонезию/итп/Африку. Как сделают выбор эти страны?

  • Renewables также неравномерно распределены по миру, где-то пасмурно и нет ветра = нужно передавать издалека (а передача энергии уже сейчас стоит 1/3 его конечной цены. Но ключевое там - запасы мощности на непрерывность в пиковые нагрузки)

  • Чем больший процент зеленого электричества, тем сложнее с его способностью покрывать пики. Я не верю в аккумуляторы - это запретительно дорого (сейчас = $100/кВт) для таких масштабов: с поправкой на число зарядов Li-Ion батарей, цена света ночью будет в 3 раза дороже, чем днем + абсолютный масштаб: за 3 дня энергии Токио требуют батарей на $400 млрд (сейчас в мире столько выпускают за 10 лет). Лучше временно включать газовые электростанции. Ну и ждать 5x прогресса в аккумуляторах

  • Но сезонность в renewables - вот самая жесть. В Эквадоре солнце ровно, в Сиэттле где я живу - 2x разница в году, в Канаде и РФ - до 12x. АЭС и газовые станции нам в помощь.

  • Германия реализует амбициозный план достичь к 2050г 60% электричества из возобновляемых источников

  • Если будем переводить металлургию итп на эл-во, к 2050 г объём электрогенерации должен стать 2-3x от сегодня. Это +75 гВт/год 30 лет подряд (сейчас ввод 22 гВт/год)

  • С 2010 по 2020 solar panels подешевели в 10x

  • Для renewables нужно строить высоковольтные магистрали через всю страну (из середины где ветер и из юга где солнце - на побережья, где города). Финансирую исследование где моделируют сеть электропередач на все США с учетом renewables + нужны такие модели по всему миру

  • Подводы мощности к каждому дому нужно будет, как минимум, удвоить = тоже мега инфраструктурный масштаб

  • ЛЭП закопать стоит 5-10x дороже + остается проблема нагрева проводов, нужны новые технологии

  • США повезло с солнцем и ветром, а миру нужны новые открытия в чистой энергетике

АЭС

  • Только АЭС - если днем и ночью + без влияния сезонности. В США 20% энергии, во Франции 70% (а по миру солнце + ветер=7%)

  • Из расчета на 1 кВт на сооружение ГЭС/ветряков/солнечных панелей надо в 10-15 раз больше цемента/стали/стекла чем на АЭС/газ/уголь. Если учесть простой ветряков и солнечных панелей 60% времени, то разница возрастает еще в 3x. А АЭС uptime - 90% ( = простой 10%)

  • Three Mile Island/Чернобыль/Фукусима остановили решение проблемы их ошибок, отрасль замерла. Авто убивают людей, давайте их не производить

  • С 2008г основал компанию TerraPower, для нового поколения реактора, пока в суперкомпьютерах, но работают с US gov для создания прототипа

Термояд

  • Термоядерные реакторы: как солнце - водород в виде газа электризуют до состояния плазмы и температура 50 млн градусов, водород превращается в гелий и выделяет колоссальный объем тепла. Удерживают все это в основном магнитным полем или лазером. Главная ценность - не нужны редкоземельные (уран) вещества, а просто водород из воды. Уже давно пытаются, все не сделают. термояд всегда будет в 40 годах впереди (с) отраслевая шутка

  • EU+6 стран с 2010 строят во Fr проект ITER: к 2025 первая плазма, к концу 2030-ых - электричество = 30 лет

Ветряки

  • США потребляют 1000 гВт электричества ( = 250 Чернобыльских АЭС)

  • Англия и Китай вваливают субсидии в прибрежные ветряки. А в США оч regulated, учет интересов владельцев недвиги на пляжах, туризма, рыбаков, экологов

Геотермальная энергия

  • Мало где доступна, и абсолютные масштабы небольшие: может дать максимум несколько % от общего мирового потребления энергии сегодня

Запасание энергии

  • Аккумуляторы - я потратил больше всего времени на это, и на инвестиции в такие стартапы. Похоже, макс в 3 раза улучшим, неизвестно когда

  • Резервуары с водой - подходит для масштаба городов, по сути электронасосами многократно накачиваешь хранилище воды для ГЭС

  • Еще пробуют закачивать в подземные резервуары под давлением

  • Водород - это может перевернуть мир как ПК. Зеленой энергией делаешь водород, его можно возить, хранить, и про окислении он тоже не дает CO2. Но молекулы такие маленькие, что под давлением просачиваются сквозь металл баков. Электролиз дорогой, нужны прорывы

Захват СО2

  • Можно улавливать после горения на ТЭЦ до 90% СО2, но чисто cost для операторов, поэтому никто не делал

  • В атмосфере ловить сложно. Всего 1 молекула из 2500 в воздухе - это СО2

Производство

  • В Сиэттле есть мост 250м, сделанный на 77 плавающих бетонных поплавках, чудо инженерии. Китай произвел за 21ый век 26 млрд тонн цемента, а США 4 млрд ЗА ВЕСЬ 20ый век. + сталь. + пластик. + стекло. + алюминий. + удобрения. Рост благосостояния локально ведет к необитаемости планеты вдолгую. Поэтому нужно зеленую переплату, чтобы жить как жили, но не опасно

  • Для стали жгут уголь 1700 градусов. Индия Китай Япония плавят каждая больше стали чем США. Мир будет выплавлять 3 млрд тонн/год к 2050

  • Для цемента нужен еще и кальций, его добывают из известняка (а это кальций + СО2)

  • Пластик в десяток раз меньше на фоне стали и цемента, но все равно состоит из углерода, а его берут из нефти (с 1950ых, прорыв в химии). Пластик скорее оч долго и кислотно разлагается в природе, нежели влияет на парниковый эффект

  • На пр-ве 3 фактора CO2: 1 эл-во для фабрик 2 тепло (плавить и т.п.) 3 часть пр-ва материала (известняк для цемента). Нужно перетекать на эл-во, а где нельзя (тысячи градусов температуры) - ставить уловители СО2

  • Переплата за экологичность будет +10..15% за пластик, +15..30% за сталь, и +75..140% за цемент. Без госрегулирования такая переплата не будет оплачиваться

  • Цемент пока нельзя делать без СО2, так что надо улавливать на пр-ве + и из атмосферы тоже

  • Инновации лежат в области электрификации пр-ва, сбора вторсырья, меньшем потреблении, деревянных дорогах и т.п.

Агротех

Скот

  • Тут выделяется метан (в 28 раз сильнее парниковый эффект чем СО2) и NO2 (в 265 раз сильнее СО2). Метан и NO2 отвечают за 80% парникового эффекта в агротехе, а он дает 7 млрд тонн/год из 51 млрд тонн/год СО2 в целом

  • Развитые страны оч плавно растят потребление мяса, Китай пока сильно. Нобелевский лауреат Norman Borlaug в 60ые улучшил пшеницу и 1 млрд чел в мире спас от голодания. Но к концу 21го века население будет +40% = 10-11 млрд чел = спрос на еду все равно останется большим = нам нужны несколько прорывов уровня Borlaugа

  • В желудках за счет бактерий идет ферментация, выделяется метан, 1 млрд голов скота, только за счет газов скота = 4% от 51 млрд тонн СО2. Еще столько же дает навоз и кал скота. А еще вода, трава и зерно для них (!). В Южной Америке и Африке выделяет до в 5 раз больше т.к. хуже породы = upside for optimization

  • Отказаться от мяса сложно будет, в т.ч. культура, но можно например растительное - я инвестор в Beyond Meat и Impossible Foods. А еще выращивать из стволовых клеток животных - Memphis Meats

Удобрения

  • В 1908г Haber и Bosch открыли синтетические удобрения, самое большое изобретение о котором не знают большинство людей

  • Но растения усваивают только половину, остальное утекает в почву, загрязняет, а также окисляется и летит в атмосферу = растит парниковый эффект на 2-3%. Простых и экономичных решений этому пока нет

Вырубка лесов

  • Отвечает за треть выбросов в агро

  • Это не вопрос технологий, а стимулов в обществе и политике

  • Сажать деревья? Не оч оправданно. За 40 лет 1 дерево поглотит 4 тонны СО2. Если оно сгорит - все опять улетит в атмосферу. Эффект если сажать именно в тропиках. Чтобы заместить деревьями эффект СО2 хотя бы США, нужно посадить их на 25 млн кв миль - это половина земель земного шара

Прочее

  • Книгу писал его спичрайтер, с которым он уже 14 лет работает (Josh Daniel)

  • Китай хочет стать carbon neutral к 2060г. Байден вернет США обратно на этот путь после Трампа

  • Потепление требует мировой кооперации + развитые страны (как и с COVID) будут распространять clean tech по миру не потому что это альтруизм, а потому что в Техасе не снизится температура если в Индии продолжат жечь уголь

  • Декарбонизация уничтожит много рабочих мест в добыче топлива, металлургии, цементе, и развитые страны должны позаботиться о рабочих местах working class по всему миру

  • Нужно междисциплинарный научный подход. Хотя вдолгую отдача от R&D самая большая, вкороткую она тоже есть: госинвестиции США во все сферы R&D в 2018г создали прямо и косвенно 1.6 млн раб мест, $126 млрд зарплат и $39 млрд налогов

Подробнее..

Recovery mode Фотовольтаика

12.03.2021 16:12:58 | Автор: admin

Автор: Борис Плавник

Энергия Солнца. Бесконечная и чуть ли не избыточная энергия. Казалось бы, бери не хочу. Однако сама по себе эта энергия имеет достаточно низкую плотность (иначе с жизнью на этой планете были бы проблемы), так что человечеству пришлось учиться, как из мягкого солнышка выжать что-то серьёзное. И оно пришло к ряду решений, которые можно свести в две категории: использование напрямую тепловой составляющей солнечного излучения (так называемый SolarThermal) или же использование фотоэффекта прямой генерации электрического тока при взаимодействии солнечного света и некоторых материалов. Данные штуки получили название фотовольтаика (photovoltaic), и именно про них и пойдёт речь в этой статье.

История

Свою историю данная область начинает в 1884 (!) году. Именно тогда проживающий в Нью-Йорке мистер Чарльз Фриттс (Charles Fritts) собрал первую фото-панель. Сделана она был из селена с тонким слоем золота поверх. Данное устройство оказалось рабочим, но ни про какую экономическую эффективность даже близко речи не шло. Но, как говорится, маленький шаг

Первая фото-панель даже попала на фотоПервая фото-панель даже попала на фото

Сам по себе фотоэффект наблюдали различные физики по всему миру независимо друг от друга (как это частенько бывает с физическими явлениями). Беккерель в 1839 первым обнаружил нечто подобное в электролитах. Герц и Столетов в конце 80х XIX века довольно много изучали фотоэффект и даже эмпирически вывели пару закономерностей. Тем не менее, внятную теорию, почему это работает, выкатил лишь Альберт наше всё Эйнштейн в начале ХХ века. И именно за это в 1921 он и получил нобелевскую премию по физике.

Но кроме теории нужны были и точки её приложения. Хоть Фриттс и показал, что такое работает, но это был не самый оптимальный вариант исполнения. Пришлось подождать квантовую механику, на которой базируется теория полупроводников (наиболее годные материалы для этого дела). И которую доводили до ума физики и математики по всему миру во времена интербеллума.

Уже после второй мировой, в 50-х, лаборатория Белла в Нью-Джерси сконструировала фотоэлемент, пригодный для промышленного производства. Поначалу его ставили на телефоны, но потом такие штуки появились на калькуляторах и другой мелкой электронике. Впрочем, называть такое энергетикой язык не поворачивается, посему перенесёмся в более-менее наше время.

Современное состояние

Собственно, сам фотоэлемент. Подавляющее их большинство делается из кристаллического кремния (элементы с КПД 15-20 %), что при современном массовом производстве достаточно доступно и постоянно дешевеет. Есть и другие технологии аморфный кремний, германий, кадмий-теллур, элементы с туннельными контактами (тут хорошо разобрано: http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/202650/) Теоретически они дают лучший КПД (переваливает за х3 от кристаллических кремниевых) и меньшее использование материала, но для массового производства они пока что слишком дороги. Далее будет идти речь только о кристаллических элементах.

Элементы из кристаллического кремния в свою очередь делятся на два типа. Поли- (слева) и моно- (справа) кристаллические. Разница в данном контексте несущественная.Элементы из кристаллического кремния в свою очередь делятся на два типа. Поли- (слева) и моно- (справа) кристаллические. Разница в данном контексте несущественная.

Из-за того, что с них надо ещё собрать ток, элементы делаются достаточно маленькими, на мощность около 5 ватт. На них наносится слой припоя (который закрывает часть активной площади элемента), различные антиотражающие покрытия - и элементы готовы к соединению в модуль. Сам по себе фотоэлемент источник постоянного тока. А такие вещи профитнее соединять последовательно. А что мы помним из школы про последовательное соединение в электрической цепи? Ток такой цепи един. Отсюда следует первая проблема этого дела если ток одним фотоэлементом по какой-либо причине упадёт (заводской брак, упавший листик, снег, тень от не оптимальной установки и тд.) падает мощность всего модуля. Частично это фиксится последовательно-параллельным соединением (например, на условном модуле 4 х 10 элементов столбы по 10 соединены последовательно, а между собой параллельно), частично байпас диодами. Но диоды на каждый элемент дороговато

Сам модуль это не просто фотоэлементы. Схематический разрез можно увидеть на схеме ниже. Слой EVA вытесняет воздух от фотоэлементов во время производства, и вместе с тедларом защищает начинку от непогоды и атмосферы. По массе примерно 3,5% приходится на кремний и припои (в основном серебро и свинец), остальное остальное. Производство кремния (даже таких небольших дощечек) и алюминиевой рамы очень энергозатратное мероприятие, из-за чего электростанции далеко не сразу отбивают энергию, затраченную на их производство.

Схематический разрез модуляСхематический разрез модуля

Далее, много модулей соединяются вместе и образуют собственно электростанцию (поле). Разумеется, их тоже надо как-то посоединять между собой и оснастить электронными преобразователями. Для начала нужен инвертор, так как в сеть мы можем лить только переменное напряжение. Но инверторы умеют работать только при очень узких входных параметрах, так что нам нужен ещё и DC/DC преобразователь такая штука, что из фактического постоянного тока делает постоянный ток с такими параметрами, которыми можно кормить инвертор. Помимо этого он выполняет такую полезную штуку, как отслеживание точки макс. мощности (MPPT), что позволяет модулям работать эффективнее. Фактически они в одной коробке, но суть в том, что это не просто инвертор DC/AC.

Теоретически тут работают те же положения, что и двумя абзацами выше. Всё последовательно и в один инвертор дёшево, но проблемы одного модуля влияют на всю электростанцию. Инвертор на каждый модуль дорого. Компромисс где-то посередине. Я недавно проезжал мимо одной фотоэлектростанции, и на ней в один инвертор было подключено 9 модулей. В любом случае такие преобразователи не очень хорошая вещь для электросетей вследствие влияния высших гармоник, что создаёт определённые проблемы.

Далее, в дело вступает погода. Капитан Очевидность сообщает, что Солнце светит только днём, притом в полдень хорошо, а утром и вечером хуже. А ночью не светит вообще. Следовательно, все эти штуки работают днём с чётким максимумом производства в полдень. Реальный график выработки можно посмотреть чуть ниже. Там же отличия летней выработки от зимней. Разумеется, облачность также влияет на это дело. Соответственно, для всяких Питеров с пятью солнечными днями в году фотовольтаика не лучшее решение.

Дневной график мощность солнечного излучения по часам в июне для координат ~50 с.ш. ~14.5 в.д. (Чехия) и оптимально наклонённой плоскости (ровно на юг под углом 35) Дневной график мощность солнечного излучения по часам в июне для координат ~50 с.ш. ~14.5 в.д. (Чехия) и оптимально наклонённой плоскости (ровно на юг под углом 35)

Три линии на графике общее, прямое и рассеянное излучение (global, direct и diffuse соответственно). Данные получены с помощью сервиса PVGIS. Раздел Tools Interactive tools Daily Data. Можете посмотреть на ситуация в своём городе или на даче)

То же самое для декабряТо же самое для декабря

Чтобы как-то оценивать и сравнивать различные типы электростанций, энергетики придумали такую штуку, как коэффициент использования установленной мощности, КИУМ. Это отношение реально произведённой энергии к той, что могла бы произвести электростанция, работай она на полную мощность весь год без остановок вообще. Выражается в процентах или часах. Например, у угольных электростанций этот параметр находится на уровне ~60%, у АЭС ~85%. У фото около 10% (в случае отсутствия и своевременного устранения проблем, описанных выше). Это на условиях страны пива, то есть примерно 50 северной широты. Дальше на север хуже, на юг лучше.

Также окружающая температура влияет на эффективность выработки энергии. Чем выше температура тем хуже КПД. Примерно -0,5%/1C. Тем не менее, этот эффект меньше, чем от погодных и географических факторов, и пустыни таки лучшие места для фотополей. Идеальным местом была бы ледяная пустошь на экваторе, но такое не на этой планете.

Крупнейшая в мире фотоэлектростанция. Находится в пустыне Тэнгэр в Китае (Tengger Desert Solar Park), имеет установленную мощность чуть больше 1500 МВт и занимает 43 квадратных километра, что есть чуть больше четверти Мурманска, напримерКрупнейшая в мире фотоэлектростанция. Находится в пустыне Тэнгэр в Китае (Tengger Desert Solar Park), имеет установленную мощность чуть больше 1500 МВт и занимает 43 квадратных километра, что есть чуть больше четверти Мурманска, например

А теперь вопрос: насколько это круто? Ответ: от плохо к приемлемо. Набившие оскомину ветряки много лучше фотовольтаики в целом. Условная бесплатность нифига не бесплатная в энергетическом плане и рентабельность его довольно посредственная. Производство зависит от погоды и её ВНЕЗАПНХ капризов. Из-за инверторов качество энергии такое себе, плюс черные модули неслабо греются и соответственно греют воздух над собой. Координация с распределяющей сетью вызывает большие проблемы, в том числе из-за местного законодательства. Но с другой стороны технологический и научный прогресс не стоит на месте, массовое производство в общем и целом способствует внедрению новинок, и может скоро мы увидим какой-то серьёзный прорыв в этой области. А пока что данным способом производится около 2,8% от мирового потребления на электростанциях общей мощностью примерно в 500 ГВт.

Впрочем, есть места, где использование солнечных панелей очень хорошо себя оправдывает. В космосе. Там, наверху, нет атмосферы и связанных с этим проблем. Там нет необходимости координировать выработку с общей сетью, а параметры можно подстроить под конкретного потребителя (оборудование космического аппарата). Производство энергии можно прикинуть намного более точно, чем на Земле, ибо сверху оно зависит от конфигурации орбиты, а не от сиюминутных капризов погоды. Не надо таскать здоровенную раму, а температура очень низкая. Да, есть проблема с микрометеоритами, которые могут повредить отдельные элементы, но от этого никуда не деться. Но главный плюс это почти полное отсутствие альтернатив, хе-хе. Всё остальное не подходит по длиннющему списку самых различных причин. За исключением РИТЭГов, смысл которых в прямом преобразовании тепловой энергии (выделяемой при естественном распаде радиоизотопов) в электрическую. Но их мощность и эффективность оставляют желать лучшего. Хотя для изучение удалённых объектов солнечной системы РИТЭГ вообще не имеет альтернатив. Пока что)

МКС и её солнечные панелиМКС и её солнечные панели

Собственная мини-фотоэлектростаниция

Космические станции и технологии обработки кремния это конечно хорошо, но в воздухе повис ещё один вопрос: насколько выгодно прикрутить такое на себе на крышу? В общем и целом выгодно. С поправкой на место где вы живёте и местное законодательство. Особенно, если у вас умные пылесосы-стиралки-посудомойки, которые можно включить днём в пик производства солнечной энергии. Однако есть в этом один большой нюанс. Цена на электричество настраивается так, чтобы более-менее покрывать расходы дистрибьюторов электроэнергии. Только их расходы на ваше подключение процентов так на 85 фиксированы, а у вас наоборот. То есть, поставив фотопанели, вы начинаете платить меньше, но при этом нагрузка на сеть и связанные с этим расходы остаются почти такими же. Соответственно, то что вы наэкономите, заплатят ваши соседи, в общем и целом. Или наоборот, если сосед оказался расторопнее. Эту ситуацию можно решить двумя путями: поднять цену на электричество, что рано или поздно приведёт к очень неприятным вещам. Или включить в счёт некую фиксированную плату, которую люди будут платить независимо от того, сколько они спалят энергии. Тем не менее, насколько такая солидарность хороша, правильна или наоборот меня уже не хватит дать однозначный ответ)

Картинка на обложке Panda Green Energy PV Park, электростанция в виде собственно панд) Также расположена в Китае и имеет мощность порядка 80 МВт.

Автор: Борис Плавник

Оригинал

Подробнее..

Энергетика от мха до плазмы

22.03.2021 00:17:09 | Автор: admin

Мы часто слышим, что за последние годы использование энергии человечеством увеличилось настолько, что ископаемые ресурсы закончатся через пару десятков лет. Но то же самое говорили и в 70-х годах прошлого века. Откуда мы тогда сегодня берем энергию для существования и что нам делать дальше? Для развития технологий необходимо понимать, как эффективно преобразовывать ее в работу, ведь энергия - ресурс даже в астрономических масштабах не бесконечный. Практически вся энергия, которая существует на Земле и которую люди могут извлечь из солнечной системы - энергия Солнца, у которого конечное время жизни, а вся энергия во Вселенной ограничена тем, что дал нам Большой Взрыв. Но что такое энергия?

Никто не может дать четкого определения, так как нет более общего класса понятий, которым мы можем описать энергию. Все, что мы можем - изучать ее свойства и характеристики. Ричард Фейнман в своих знаменитых лекциях по физике говорил: Важно понимать, что в сегодняшней физике мы не имеем представления об энергии. Мы не можем сказать, что энергия поступает в маленьких сгустках определенного количества. Мы точно знаем: вся материя в конечном счете является энергией, сумма которой во Вселенной никогда не изменится, поэтому рассуждать мы будем о способах изменения ее формы.

Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?

История энергии началась в момент Большого Взрыва. Возможно, в один момент появилось два связанных между собой понятия: энергия и пространство-время. Возможно, энергия являлась первопричиной всего в нашем мире, с этим ещё предстоит разобраться, но сейчас уже точно ясно одно: энергия является сутью физической формы материи, всё во Вселенной является сосредоточением той или иной формы энергии. Теория расширения ранней Вселенной намекает нам на то, что изначально все вещество являлось однородной изотропной средой, в процессе расширения которого произошло остывание и конденсация всех известных науке элементарных частиц. Появилось 4 фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Через много-много лет после Большого Взрыва, когда люди только начали применять энергию, никто не знал про 4 фундаментальных взаимодействия. Изначально люди грели себя и готовили пищу с помощью химических реакций горения. Так продолжается и по сей день, основным источником энергии для нас сегодня является электричество, вырабатываемое на всевозможных ТЭС(тепловая электростанция) и ТЭЦ(теплоэлектроцентраль).

По сути вся жизнь человека - постоянный поиск энергии. Это может быть громким заявлением, но вы только подумайте: мы ведь кушаем только чтобы получать энергию для функционирования мозга и движения. Жизнь человечества строится на способах добычи энергии. Поэтому энергетика является одним из важнейших аспектов жизни людей и всего во Вселенной.

Почему современная энергетика неэффективна?

Давайте отбросим понятие энергии на второй план и подумаем: какие способы добычи энергии сегодня известны?

Первый и самый популярный способ - что-нибудь сжечь: дерево, нефть, газ. В процессе образуется много лишнего, а все ископаемые ресурсы очень скоро закончатся. Второй - извлечь работу из гравитации: ГЭС, приливные станции, - но проблема тут в размерах и в расположении станций, к тому же не везде есть вода. Еще можно подумать о солнечной энергетике: тут вроде все хорошо, но роль играет расположение и низкая плотность энергетического потока.

Почти вся используемая энергия досталась нам благодаря Солнцу, просто в разных видах. Растения тысячелетиями накапливали энергию солнца, росли и погибали, образовывали нефть, природный газ и уголь. Сама Земля, ее вода и атмосфера существуют из-за Солнца. Необходимо более универсальное решение проблемы эффективности добычи энергии.

Достаточно посмотреть на эту диаграмму, чтобы понять, что человечество не очень то и далеко ушло от своих предков, которые просто жгли древесину, мох и уголь:

Рисунок 1. Изменение глобального потребления энергии по видам источников

Получается, что за 200 лет люди ничего толком не изменили в энергетике, лишь нарастили темпы преобразования и добычи энергии:

Рисунок 2. Потребление энергии по видам ее источников в 2019 году

Мало того, что добыча энергии таким способом не так эффективна по сравнению с энергией, которую мы научились извлекать альтернативными методами, так еще и большой вопрос в том, больше ли пользы мы получаем от такой энергии, чем вреда. Для количественной оценки этого заявления давайте посмотрим на статистику.

Энергия в человеческом эквиваленте

Что вы представляете, когда слышите слова альтернативная энергетика? Большинство людей сразу представляют себе солнечные панели и ветряные мельницы, но редко думают о ядерной и термоядерной энергии. Ядерная энергетика получает меньше внимания из-за громких аварий, которые страшны людям скорее не из-за катастрофических последствий, а из-за неправильной трактовки СМИ и всеобщего незнания базовых аспектов этой энергетики. Теоретическое обоснование эффективности добычи энергии таким способом известно уже как минимум полвека.

За 70 лет существования атомной энергетики зафиксировано только 33 серьезных происшествия. Несмотря на это, есть очень много скептически настроенных людей и даже организаций, которые выступают за отмену строительства АЭС. Давайте взглянем на цифры:

Из-за Чернобыльской аварии напрямую погиб 31 человек. Из-за последствий По самой пессимистичной статистике от European green party кол-во смертей к 2065 году приблизится к 60 тыс, но ученые склоняются к цифрам намного меньше этой.

WHO считает, что цифра вырастет только до 4 тыс. Это самая серьезная радиационная авария за всю историю энергетики, намного превосходящая по последствиям все остальные.

Авария на Фукусиме, которая является второй по масштабу радиационной аварией в мире, привела к 573 смертям, но эта цифра отличается от количества смертей в Чернобыле тем, что это не последствия радиации, а смерти напрямую не связанные с инцидентом, а связанные, например, со стрессом эвакуации, из-за которого в основном пострадало пожилое население. От радиационного загрязнения по самым пессимистичным подсчетам погибнет до 1000 человек.

Конечно, нельзя делать вывод о серьезности аварии только на основании количества погибших, ведь здесь не учтены экономические последствия и число онкозаболеваний и всевозможных вредных мутаций. Эти заболевания, даже если не приводят к смерти, также являются последствиями ядерных аварий. Сейчас проводится исследований по воздействию малых доз радиации на организм. Если раньше склонялись к безвредности малых доз радиации (типа организм может до определенного уровня облучения самовосстанавливаться без последствий), то сейчас есть больше доказательств "беспорогового" воздействия радиации, т.е. даже самая малая доза наносит вред. Но однозначного ответа здесь пока нет.

А теперь, сравним эти происшествия с авариями на других типах электростанций.

Аварии на ГЭС или на солнечной станции не выбросят в атмосферу гигантское количество радиационных частиц, на избавление от которых уйдет очень много денег и сил, но вспомним наводнение Баньцяо. Крушение дамбы вызвало затопление ближайших поселений, количество смертей от инцидента + от вызванного голода и нищеты составило 80-240 тысяч смертей.

Но даже такие большие цифры меркнут по сравнению со смертями от ископаемого топлива. Газы, выделяющиеся при его сгорании, попадают в атмосферу и в наши легкие, а это, всвою очередь, вызывает многие распространенные заболевания: рак легких, сердечные заболевания, острая инфекция нижних дыхательных путей, инсульт и подобное.

Рисунок 3. Подсчет количества смертей и парниковых газов в год на каждый тераватт в час выработанной энергии от разных видов энергетики

Так какой же способ самый лучший на сегодняшний день? Судя по графику, атомная энергетика - самый чистый источник энергии. Плюс АЭС построить можно где угодно, даже на подводной лодке, а выделенной энергии топлива из одного реактора хватит, чтобы заменить 3 миллиона солнечных панелей.

Атомная энергетика и ее проблемы

Что это такое? Основа энергетики - распад атомного ядра (в основном тяжелых ядер урана). Все изотопы урана радиоактивные, но чуть-чуть, из-за их огромного периода полураспада: у урана-235 и урана-238 0.7 млрд лет и 4.4 млрд лет соответственно. Почему используют именно уран? Все дело в его уникальной способности делиться при взаимодействии с нейтронами сколь угодно малой кинетической энергии. Такие элементы называют делящимися. К этой группе относятся ядра с нечетным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон чётный): 233U, 235U, 239Pu. Реакция деления ядер экзотермическая. Это значит, что при ее протекании выделяется некоторое количество теплоты. В реакторе эта теплота служит источником энергии для нагрева воды.

Топливо для реактора изготавливается в виде таблеток, высотой и диаметром около сантиметра, из которых в дальнейшем собирают тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В одном ТВЭЛе может помещаться несколько сотен топливных таблеток, длина его как правило 3.5-4 метра. Затем их собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это основной функциональный элемент АЭС: из них формируется активная зона реактора.

Рисунок 4. Схема и принцип работы реактора на примере реактора на быстрых нейтронах.

В одной ТВС в зависимости от типа реактора (об этом мы поговорим позже) находится от нескольких десятков до нескольких сотен (около 300 для современных реакторов типа ВВЭР) ТВЭЛов, а в активную зону обычно помещается от нескольких сотен до полутора тысяч ТВС. Получается, что весь реактор имеет несколько миллионов таблеток с топливом внутри, и это при том, что один грамм урана содержит в себе столько же энергии, сколько 3-4 тонны угля.

Для работы реактора его необходимо сначала запустить. Этот процесс немного отличается от работы реактора, когда он уже запущен. Изначально, когда ТВЭЛы погружаются в реактор, он подкритичен. Для количественной оценки того, как эффективно делятся ядра в реакторе, придумали понятие коэффициента размножения нейтронов - критичность. Физически это просто отношение количества выделенных нейтронов в момент деления ядер к количеству нейтронов, которые выделились в предыдущий момент распада ядер. Все просто: если коэффициент больше одного идет цепная ядерная реакция с увеличением мощности реактора (ректор надкритичен), если равен 1 количество делящихся ядер в каждый момент времени одинаково (реактор критичен), а если меньше 1 идет уменьшение мощности реактора (реактор подкритичен). Для начала цепной реакции необходима пороговая масса урана, то есть достаточное количество спонтанно делящегося вещества. При выполнении этого условия реактор переходит в надкритическое состояние.

В ТВЭЛах происходит цепная реакция деления топлива. Один из ее видов: уран распадается на осколки деления (уран-235 распадается на барий-139 и криптон-95, например) плюс один или несколько нейтронов (и гамма излучение), которые в дальнейшем сталкиваются с другими атомами урана-235. Изначально уран находится в состоянии с некоторой энергией покоя, и для перехода в возбужденное состояние с последующим радиоактивным распадом требуется дополнительная энергия, с помощью которой возможно преодолеть энергетический барьер и разделиться. В нашем случае этой энергией является нейтрон (тепловой нейтрон), который, сталкиваясь с ядром, передает ему свою кинетическую энергию. Ядро делится и выделяет еще несколько нейтронов (в среднем одно ядро урана-235 при распаде выделяет 2,5 нейтрона, именно это и позволяет происходить лавинообразному увеличению количества делящихся атомов в реакторе), которые сталкиваются с другими ядрами и так далее.

Рисунок 5. Цепное деление ядра

Для протекания реакции из реактора вынимаются регулирующие стержни, которые изготовлены из поглотителя нейтронов. Поглощающие стержни изготовлены из материалов, которые имеют очень большую площадь захвата нейтронов. Это сплав, который способен захватывать и поглощать нейтроны на большом расстоянии от атома. Чаще всего изготовлен из бора, так как сплав бора со сталью не взаимодействует с топливом реактора и имеет большую площадь захвата нейтронов.

Рисунок 6. Захват нейтронов ураном. Барн - единица поперечного сечения площади захвата нейтронов атомом. Чем больше площадь захвата нейтронов элементом - тем больше нейтронов он поглощает.

Самое важное в работе АЭС - поддержание скорости цепной реакции. При ее выходе из-под контроля (отключения системы охлаждения, например) может произойти то же самое, что происходит внутри атомной бомбы при взрыве в самом его начале - неконтролируемая цепная реакция. Но волноваться из-за этого не стоит, все реакторы сейчас оборудованы настолько большим количеством защитных механизмов, что катастрофа очень маловероятна.

К сожалению, ядерное топливо - ресурс исчерпаемый, его на Земле намного меньше, чем угля или нефти, а создавать его мы не научились (тяжелые элементы появляются в экстремальных условиях в результате взрывов сверхновых). Да и отходы куда-то девать надо - их сейчас либо обогащают, либо, как маленькие дети прячут игрушки под кровать (закапывают под землю). Еще существуют быстрые реакторы (сейчас есть БН-600 и БН-800 в России) и так называемые реакторы-размножители. Они позволяют вовлечь в использование уран 238 и отходы АЭС, использующих уран 235. Таким образом ресурсная база атомной энергетики увеличивается с сотен и тысяч лет, до миллионов лет. С экономикой быстрых реакторов пока есть вопросы, но технически они уже давно реализуемы.

Атомную энергетику стоит рассматривать как временный и довольно неплохой вариант. Есть ли сейчас вариант лучше этого?

Да, оказывается вариант есть, и он намного лучше всего, что человечество научилось делать до этого. Имя ему - ядерный синтез.

Атомная энергетика наоборот

В 50-х годах советские и британские ученые придумали использовать не распад ядер (как на АЭС), а синтез. Распад ядер - тяжелые элементы делятся с выделением энергии, а синтез - легкие элементы слипаются с образованием более тяжелых, выделяя энергию.

При слиянии дейтерия (изотоп водорода, отличающийся наличием нейтрона) и трития (тоже изотоп водорода, у которого 2 нейтрона) получается гелий и нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии(17.6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана одинаковой массы, при синтезе энергии выделится в 3 раза больше.

Есть правда и незначительные недостатки: тритий в природе не встречается, нежелательная наведенная радиация зачастую бывает опасной.

Можно подумать, что в термоядерной энергетике все отлично: отходов не так много, расположить можно где угодно, выдает огромную энергию на единицу массы, но ведь что-то мешает пользоваться ей.

Для того, чтобы произвести слияние ядер, нужно чтобы положительно заряженные ядра атомов преодолели кулоновский барьер - силу электростатического отталкивания между ними. То есть расстояние между ядрами должно быть такое, чтобы сильное взаимодействие начало преобладать над кулоновскими силами (порядка одной стомиллиардной доли сантиметра).

Рисунок 7. Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояние между ядрами. На расстоянии порядка размеров ядра силы сильного ядерного взаимодействия начинают преобладать над кулоновскими и ядра сливаются.

Для этого нужно затратить огромную энергию. Есть 2 варианта как это реализовать: либо сильно сжать, либо сильно нагреть.

Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра 15-16 млн Кельвинов, что, вообще говоря, не так много, но из-за массы, которая в 300 тыс раз больше массы Земли, плазма под высоким давлением удерживается гравитацией.

К сожалению, на Земле такую конструкцию реализовать затруднительно. Такого большого давления мы не создадим, поэтому остается только сильно нагреть.

Термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

  1. соблюдение критерия Лоусона.Критерию Лоусона показывает, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится.

  1. скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы, к этому мы и стремимся. В этом случае энергии хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Следует пояснить, что понятие температуры здесь не то, что мы привыкли видеть. Температура - это мера средней кинетической энергии частиц. Из-за столкновений с большим импульсом возможно их слияние.

На самом деле, чтобы пошла самая простая реакция синтеза с изотопами водорода, нужна температура порядка миллиарда Кельвинов (водород - самый легкий элемент, а чем тяжелее элемент - тем большая нужна температура). Решение этой проблемы было найдено самой природой. Существует так называемый максвелловский хвост. Из-за максвелловского распределения, какие-то частицы будут двигаться быстрее, а какие-то медленнее, поэтому уже в районе 100 млн Кельвинов найдутся частицы, которые будут слипаться. Также есть еще туннельный эффект. Если кратко, то благодаря квантовым эффектам, даже если ядра имеют энергию немного меньше барьера, они смогут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

Рисунок 8. Распределение энергии частиц.

Вот мы и подошли к вопросу о том, почему же вокруг нет термоядерных реакторов. Просто потому что это очень горячо. Нужно все эти разлетающиеся изотопы как-то удержать, чтобы они ничего не касались, потому что такую температуру ни одно вещество не выдержит. Проблема не столько в том, чтобы разогреть до нужной температуры, сколько в том, чтобы эту температуру как-то удержать.

Варианты удержания плазмы

Начнем с самого простого способа удержания плазмы: не удерживать, а просто выстрелить. Такие системы называются импульсными. В них управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц .Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Но этот вариант довольно плохо изучен по сравнению со вторым - магнитным удержанием.

Советские физики Тамм и Сахаров придумали магнитное удержание плазмы еще в 50-х годах. Они руководствовались тем, что плазма - ионизированное вещество, поэтому магнитным полем мы можем создать ловушку. Желательно, чтобы она была замкнутой, чтобы ионы могли бесконечно кружиться. Тут на помощь прикатился бублик(тор). Эту конструкцию обматывают электромагнитными катушками, получается тор с пружинкой поверх него - это не дает плазме ударяться о стенки. Также сверху и снизу устанавливают обкладки, которые позволяют сжимать/разжимать плазму и передвигать ее. Такое устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Для выработки электроэнергии вода циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар. Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.

В 50-м году в Курчатовском институте показали такой вариант. Так начался международный проект по созданию термоядерного реактора.

Стоит заметить, что токамак - не единственный способ удержания плазмы, есть вариант еще с закрученным тором - стелларатор. С такой конструкцией даже пытались проводить эксперименты: W7-X. Wendelstein 7-X сложнейшая экспериментальная система. Цель экспериментов с такими установками - доказать, что управляемый термоядерный синтез способен давать энергию. Пока что некоторые ученые ставят это под сомнение. Но проблема в том, что форма для таких электромагнитных катушек очень сложная, а в 60-х годах, когда это придумали, не хватало мощности для расчетов.

Рисунок 9. Слева токамак, справа стелларатор. Серые кольца - магниты, желтым показана термоядерная камера.

Что такое ITER. Какие цели у проекта

ITER(International experimental Thermonuclear Reactor) - Экспериментальный международный термоядерный реактор . ITER относится к термоядерным реакторам типа токамак.

История ITER берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Многие страны объединились, так как решили, что ни одна страна не потянет постройку на своих плечах. Это самая дорогая экспериментальная установка в мире, в ITER до 2025 года планировали вложить почти 20 млрд евро, но учитывая постоянные переносы и новые проблемы, вполне вероятно, что сумма вырастет. Только в 2010 году разобрались со всеми бумажками и начали рыть котлован.

В токамаках возможно осуществить несколько типовреакций слияния. Тип реакции зависит от вида применяемого топлива.Токамак ITER с самого начала проектировался под DT-топливо (дейтерий - тритиевое). Дваядра дейтерия и тритиясливаются с образованием ядра гелия и высокоэнергетического нейтрона.

Рисунок 10. ITER Токамак.

Грубо говоря, задача установки - продемонстрировать возможность коммерческого использования термояда, а для этого нужно, чтобы отношение выработанной энергии к затраченной составило хотя бы 10:1. Также целью является отработка разных решений по управлению и т.д., а дальнейшим шагом должно стать строительство установки - DEMO - следующая итерация ИТЕРа.

У ИТЕРа нет задачи построить станцию по выработке электричества для использования людьми. Это экспериментальная установка, которая покажет, что в принципе это возможно в реальности, а не на бумаге, ведь у физиков уже давно все сошлось, а сейчас это очень сложная инженерная задача.

На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность. Планируется, что работать на термоядерном топливе установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние. На сайте ИТЕР есть рум тур по стройке.

Давайте представим, что все идет по плану и в 2025 году мы получаем первую плазму, ITER показывает, что коммерческое использование термояда выгодно, но что происходит дальше?

Все побегут строить токамаки и мы будем купаться в электричестве? Но ведь все не так просто, даже сам ITER будет очень сложно повторить.

Как говорится, термоядерная энергетика is a new black в мире энергии, но ей предстоит еще долгий путь, прежде чем мы начнем ее повсеместно использовать.

Энергетика будущего

Человечество проделало несколько больших шагов по освоению энергии. Сначала мы научились разводить костер, потом использовать уголь и нефть. Сегодня мы умеем разделять атомы и, возможно, в скором времени научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с индустриальной революцией, которая характеризуется масштабом добычи энергии, доселе никому невиданным.

Если пофантазировать, логичным шагом дальнейшего развития человечества будет освоение новых территорий и ресурсов, только уже не на нашей планете, а в космосе(если человечество не уничтожит себя раньше). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос где взять столько энергии? находится прямо над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество пока только на пути к созданию собственного солнца на Земле.

Если мы хотим освоить метод добычи солнечной энергии, нам нужно будет построить очень большую конструкцию. Например, хорошим вариантом будет сфера Дайсона. Она охватывает звезду, чтобы захватить ее энергию.

Рисунок 10. Конструкции сфер Дайсона автор - https://kurzgesagt.org/

Существует много способов ее постройки, один из них - рой сфер, которые будут крутиться вокруг Солнца, собирать энергию и передавать ее в другое место. Такой способ дал бы людям неограниченный доступ к энергии. Но построить ее не так просто, есть 3 основные проблемы: материал, конструкция и энергозатраты. Кратко пройдем по каждой проблеме.

Для постройки сферы Дайсона потребуется столько материала, что придется разобрать целую планету или даже больше. Лучший кандидат на эту роль - Меркурий, так как он ближе всего расположен к Солнцу, а еще и богат металлом.

Чем проще и надежнее будет конструкция - тем лучше. Солнечные батареи не совсем то, что нужно(маленькое время жизни, дорого, и требуют починки). Проще и надежнее всего - гигантские зеркала, которые будут отражать солнечный свет на центральную станцию.

Однако даже если максимально эффективно использовать все земные ресурсы, нам не хватит энергии, чтобы организовать такую масштабную стройку. Это может быть возможно только в далеком будущем, когда люди смогут успешно осваивать хотя бы планеты солнечной системы. По мнению известного популяризатора науки Карла Сагана, наш уровень по шкале Кардашева равен примерно 0,72. Мы потребляем всего 0,17% от общего энергетического потенциала планеты. Шкала Кардашева - один из способов оценки уровня развития цивилизации по количеству используемой энергии. По ней у цивилизации есть 7 ступеней развития, а человечеству далеко даже до первого типа (цивилизация, которая использует всю энергию своей планеты). Однако это не значит, что нам нужно уничтожать планету для своих нужд. Есть множество способов извлечь энергию из всего, что есть во Вселенной.

Во всех аспектах ископаемое топливо является самым грязным, опасным и неэффективным, в то время как ядерные и современные возобновляемые источники энергии значительно безопаснее и чище, они могут помочь людям сделать шаг вперед и совершить следующую индустриальную революцию.

В заключение отметим: мы рассмотрели только самую верхушку айсберга термоядерной и ядерной энергетики, которые по многим параметрам являются самыми перспективными, однако, на данный момент не так важно перейти на них, как научиться эффективно использовать возобновляемые источники энергии и полностью отказаться от ископаемого топлива. Ведь Земля для нас - единственный дом, который не может бесконечно удовлетворять потребности людей. Даже сейчас постройка термоядерной станции несет за собой огромные потери ископаемых ресурсов, так как практически вся энергия на ее постройку будет добыта с помощью них. Нужно лишь научиться использовать ту энергию, которую Земля сможет восстановить по мере ее использования.

Полезные материалы:

  1. Теряет ли Вселенная энергию

  2. История энергетики от Вацлава Смила

  3. Как работает термоядерная энергетика (видео)

  4. Можно ли уничтожить или создать энергию

  5. Что такое энергия (видео)

  6. На пути к термоядерной энергетике (лекция)

  7. Диаграммы и графики взяты с сайта

  8. Интерактивная карта ITER

Подробнее..

Еще одна хронология будущего в картинках с комментариями

18.04.2021 14:12:21 | Автор: admin

Приветствую моих постоянных читателей и тех, кто сюда зашел впервые.

По мере того, как мой блог на Хабре продолжает приобретать узнаваемые очертания и читательскую аудиторию, я размышляю о том, какие его черты я хотел бы сохранить, и что объединяет наиболее успешные мои статьи согласитесь, дискуссии на десятки и сотни комментариев, не сводящиеся к банальным холиварам, не могут не вдохновлять.

На данный момент мне кажется, что читателю хочется не только узнать о настоящем, но и заглянуть в будущее. То есть, мне нравится делать обоснованные экстраполяции на основе тех фактов, которые я беру за основу статьи.

Именно поэтому я не мог пройти мимо инфографики, найденной здесь. Статья Дэвида Алайона (David Alayon) написана в феврале 2018 года и называется Things to come. A timeline of future technology (Что впереди: технологическая хронология будущего). Автор сделал красивую подборку технологий, которые могут быть внедрены в течение ближайших тридцати лет, поступив при этом именно так, как я описал выше: аргументированно экстраполировав настоящее в будущее. Просто скопировать и перевести эту хронологию было бы недостаточно; вдобавок, картинка у автора вышла очень длинной. Поэтому я разберу ее на отдельные иллюстрации, охарактеризую каждую из упомянутых технологий, а также отмечу, на какие из тем этой хронологии планирую написать статьи в моем хаброблоге.

2019. Зрительно управляемые технологии (eye-controlled technology)

Подобные технологии уже начинают внедряться на практике. Вероятно, имелась в виду функция зрительного управления, появившаяся в 2018 году в iPhone XS Max (операционная система iOS 12). Для нее был создан браузер Hawkeye, реагирующий на движение глаз пользователя. Впрочем, даже в рекламной публикации эта технология охарактеризована как непростая в использовании (tricky to use), поскольку многие важные операции все равно необходимо делать руками скажем, вводить пароли и адреса электронной почты.

Также существуют экраны, созданные по технологии Eyegaze Edge, захватывающие взгляд зрителя и поворачивающиеся вместе с поворотом головы наблюдателя. Вероятно, со временем удастся повысить точность таких взаимодействий и создать полноценные GUI для управления взглядом, либо реализовать что-то вроде картин из Гарри Поттера, персонажи на которых приходили в движение, когда на картину смотрят (анимация включается при захвате взгляда). Но даже сегодня, когда подобные вещи остаются где-то в рамках биометрии, отметим дрезденскую компанию Interactive media; здесь технологии зрительного управления разрабатываются с 1990-х для помощи обездвиженным пациентам, неспособным говорить, которым под силу, прежде всего, зрительный контакт. Возможно, именно в этой нише такие технологии могут активно развиваться уже сейчас.

Диагностическая бумага

Речь идет о расходниках бумажном образце, обработанном специальным составом, который позволяет оперативно проверить себя на заражение инфекцией, например, туберкулезом. Это довольно тривиальный биохимический анализ, и первые сведения о разработке PAD (paper analytical device) встречаются уже в конце 2000-х, а в 2013 году в Мельбурне выходит обзорная статья о возможностях применения такой бумаги для быстрой диагностики. В качестве примеров упоминается как экзотическая зараза (малярия), так и ранняя диагностика онкомаркеров, ВИЧ или диабета.

Если в 2013 и даже в 2018 (на момент составления инфографики) эта технология представляла собой научный изыск, то в настоящее время следует ждать ее бурного развития для диагностики COVID-19. Ведь в случае с коронавирусной инфекцией болезнь важно не только отличить от обычного ОРВИ, но и сделать это как можно быстрее. Компания Fierce Biotech, заручившись поддержкой Массачусетского технологического института, занялась разработкой такого бумажного анализа на COVID еще в июле 2020 года. Поэтому технология действительно очень актуальна, будем наблюдать за ее развитием.

2023. Инновационные антибиотики

Еще одна фармацевтическая разработка, охарактеризованная у автора инфографики как верное средство борьбы с супербагами. Идея также не нова, по-видимому, она восходит к 2006 году, когда специалисты из Кембриджа и Нотр-Дама, штат Индиана, изложили принцип действия инновационного антибиотика, позволяющего блокировать работу субъединицы 30S в бактериальной рибосоме.

Рибосома это клеточная органелла, за которой закрепилось название фабрика белков. Она конструирует белки по шаблону, предоставляемому матричной РНК. Фактически, рибосома это огромная молекула, состоящая из двух отсеков, обозначаемых 30S (малая субъединица, синяя) и 50S (большая субъединица, красная). Расшифровка структуры рибосомы заняла более 40 лет, за что в 2009 году Венкат Рамакришнан, Том Стейтц и Ада Йонат были удостоены Нобелевской премии по химии. Эта история подробно изложена в книге Рамакришнана Генетический детектив, вышедшей в моем переводе; признаться, если с научной точки зрения она довольно-таки на любителя, то с межличностной вся история просто огонь.

Итак, на волне хайпа с нобелевкой за рибосому началась разработка суперантибиотиков, которая пока не дала ощутимых результатов. Полагаю, это сомнительное начинание, поскольку при помощи таких изрядно небезопасных препаратов мы гарантированно подстегнем бактериальную эволюцию, и выиграть в такой гонке вооружений будет сложнее, чем в ядерной, а вот проиграть куда опаснее, чем в ядерной.

2024. Микророботы для приема внутрь (ingestible robots)

Мы постепенно переходим к самому интересному; к разработкам, уже хорошо известным нам из научной фантастики. Еще в 1986 году в Японии было снято аниме S, в русском переводе Необыкновенная схватка, о микроскопических инопланетянах, вторгавшихся в тело человека. Врачам приходилось микронизироваться и на специальной вооруженной кровеносной субмарине отправляться к месту поражения, побеждать интервентов (что им неизменно удавалось). Поэтому неудивительно, что именно международный коллектив исследователей во главе с Кацухиро Йошидой из Токийского университета представил проект дистанционно управляемого микроробота, предназначенного для лечения язвы желудка. Особенно интересно, что такие роботы проектируются с применением техники оригами то есть, они могут частично складываться для преодоления узких мест. Есть и другое направление исследований: в 2014 году американское агентство FDA одобрило PillCam диагностическую капсулу с миниатюрной камерой, которая позволяет увидеть организм изнутри, а затем безопасно выводится. Полагаю, мы непременно увидим скорое развитие этой технологии, особенно в адресной доставке лекарств к раковым опухолям. Поэтому планирую написать отдельные посты и о роботах в хирургии и диагностике, и об оригами в робототехнике.

2026. Умная одежда

Предполагается, что в ближайшем будущем появится одежда, которая сможет менять цвет, плотность, греть или охлаждать обладателя по мере необходимости и даже делать носителя невидимым.

Учитывая темпы развития носимой электроники и Интернета Вещей, здесь мы даже идем с опережением согласно исследованию Калифорнийского университета в Беркли, в нашем 2021 году уже существует целый рынок умной одежды, обильно оснащаемой датчиками и даже потенциально подключаемой к Интернету. Умная одежда сейчас создается, прежде всего, для спорта, фитнеса, есть умное женское белье, всевозможные умные носки и пр. Это неудивительно, учитывая миниатюризацию и удешевление датчиков, а также глобальную соединяемость вещей. Однако у умной одежды есть и более интересные перспективы в частности, создание умного бронежилета, прочность которого будет мгновенно возрастать в месте попадания пули. Пока же в распоряжение американской полиции поступил бронежилет, который может сам вызвать скорую помощь и передать информацию о характере ранения.

Другая интересная разработка одежда-невидимка, созданная в 2019 году и управляющая отражением света и комбинированием отражаемых картинок, так что наблюдатель видит нечто подобное:

Тема заслуживает подробного рассмотрения, надеюсь, что сделаю по ней полноценную статью.

2027. Фотоника в космосе

Вероятно, автор абсолютно не сомневается в блестящем будущем фотоники как науки, смежной с оптоэлектроникой, и предназначенной для разработки принципиально новых систем для передачи сигналов при помощи частиц света. Здесь стоит сделать акцент на уточнении в космосе, то есть, он предполагает, что к 2027 году фотоника будет конкурировать с электроникой в реальной космонавтике. Учитывая, что в университете ИТМО фотоника входит в академическую программу, а также в России с 2007 года выходит научный журнал по фотонике, сложно отнести эту тему к недалекому будущему скорее, к динамичному настоящему. И это хорошо.

2028. Извлечение ценных металлов из действующих вулканов

Автор упоминает именно подводные вулканы, вероятно, впечатленный статьей 2018 года о потенциально возможной добыче золота из действующего подводного вулкана у побережья штата Орегон. Здесь остается только сыронизировать, что добыча золота на Диком Западе это позапрошлый век, и на самом деле все куда серьезнее. Я уже публиковал в этом блоге статью о вулкане Кудрявый, расположенном на нашем Итурупе. Кудрявый активно дымит бесценным рением, работая как горно-обогатительный комбинат. Там всего-то нужно поставить уловители, развернуть огромный порт для доставки рения на материк и надеяться на русский авось, что мы все это сможем окупить до катастрофического извержения и не устроить внешнеполитический скандал. Статья Хабру понравилась,

кто еще не видел милости прошу.

2028. Спинтронная революция

Почему-то автор решил упомянуть спинтронику именно в этом году. Действительно, это перспективная отрасль физики, в рамках которой исследуется, как можно управлять спином электрона и использовать открывающиеся при этом возможности в информационных технологиях и электронике. Спинтроника уже дает реальные результаты: так, в 2015 году ученым из МГУ удалось превратить золото в постоянный магнит. Спинтроника может быть полезна при создании твердотельных аккумуляторов нового поколения (без кислоты или щелочи), создании новых спиновых транзисторов и логических схем, отличающихся высоким быстродействием. Как и в вышеприведенном примере с умной одеждой, уже вовсю анализируется намечающийся рынок спинтроники. В первую очередь такие разработки важны для производства электромобильных аккумуляторов, а также hardware нового поколения. Тем не менее, мне не удалось найти сведений о методах уверенного (промышленного) контроля над электронным спином, поэтому прогноз спинтроновой революции на 2028 год кажется мне чрезмерно оптимистичным. Хотите обзорный материал на эту тему?

2029. Углекислодышащие батареи (carbon-breathing batteries)

Тема исключительно важная и своевременно подмеченная. Невероятно, но мы пока не можем воспроизвести in vitro процесс фотосинтеза, а ведь растения перерабатывают углекислый газ в углеводы и связывают углерод чрезвычайно эффективно. Технология искусственного фотосинтеза сейчас пришлась бы как нельзя кстати, поскольку позволила бы стабилизировать ситуацию с глобальным потеплением. Кроме того, как отмечал классик, а если бы твоя корова поумней была, она бы не молоко давала, а воду газированную ну, или квас. Действительно, освоив искусственный фотосинтез, мы могли бы производить не глюкозу, а более ценные органические вещества, либо энергию что и подчеркивает автор в этом прогнозе. Но никаких реальных достижений в области подобной энергетики пока не просматривается, поэтому дата 2029 кажется мне чрезмерно оптимистичной. Статью об искусственном фотосинтезе я очень планирую написать, может быть, читатели этого поста подскажут мне какие-то интересные источники.

2030. Супер-противовирусные препараты

Здесь автор не говорит ничего принципиально нового сверх того, что упоминал в разделе Инновационные антибиотики. Да, противовирусные лекарства сложнее создать, чем антибактериальные, для этого потребуется сложная генная инженерия. Автор упоминает мутацию в гене ISG15, где ISG означает ген, стимулированный интерфероном. Действительно, изучается, как можно было бы искусственно прокачать этот ген, участвующий в мобилизации иммунитета. Полагаю, это одна из тех разработок, которые актуализировались в нынешнюю пандемию, но в настоящее время этот ген интересен, прежде всего, в области борьбы с иммунными и онкологическими заболеваниями, и перспектив его противовирусного применения не просматривается.

2031. Алмазные батареи

Это интереснейшая технология, которая, как и углекислодышащие батареи из 2029 года, призвана одновременно бороться с загрязнением окружающей среды и решать энергетические проблемы. В современной атомной энергетике остро стоит проблема утилизации отходов, так как ядерное топливо используется очень неэффективно. На атомной станции потребляется только 5% урана, загружаемого в реактор; кроме того, при работе некоторых реакторов образуется плутоний. Ситуация с переработкой ядерных отходов выглядит умеренно оптимистично, но технология алмазных батарей это не просто утилизация, а переиспользование отработанного топлива. Предполагается, что такие отходы удастся помещать в алмаз и использовать для получения электричества. Здесь мы идем с опережением: в 2021 году стартап смог создать алмазную батарею с начинкой из отработанного реакторного графита, и такая батарея потенциально сможет фонить оставаться работоспособной на протяжении 28000 лет. Тема заслуживает подробного обсуждения, надеюсь написать о ней отдельный пост.

2032. Оптогенетика

Оптогенетика удивительное бионическое научное направление, заслуживающее отдельной публикации. Подробный обзор этой дисциплины дан на Элементах кстати, Светлана Ястребова указывает, что оптогенетика как наука появилась еще в 2005 году (но Хабр дает 2004). Подход заключается во внедрении в мозг специальных светопроводящих белков, называемых опсины. Фактически, белки играют роль световых каналов. Через них можно прицельно воздействовать на нужные нейроны и, соответственно, стимулировать или ингибировать определенные нейронные функции. Возможности оптогенетики беспредельны (остерегаюсь громких слов, и все-таки); возможно, она позволит лечить слепоту, болезнь Альцгеймера, шизофрению, аутизм и другие ужасные хвори. Пока оптогенетика ограничивается опытами на животных (например, удалось вернуть зрение макакам), но, думаю, мы будем следить за ее развитием всем Хабром.

2033. Осуществимость нанотехнологий при помощи ДНК

Здесь я не совсем понял мысль автора каким образом он видит развитие дешевых нанотехнологий на основе ДНК. Возможно, он имел в виду китайские разработки в области нанофотоники: воздействуя при помощи света на биологические молекулы, можно было бы собирать их в нужные конфигурации. Химические тонкости этих процессов слишком сложны, чтобы выносить сюда иллюстрации из первоисточника; отмечу, что речь идет о создании пленок с заданными свойствами, которые могут использоваться, в частности, в биомедицине, создании молекулярных приводов и ультратонких дисплеев. Но, если я правильно трактую мысль автора то он просто не в курсе значительно более фундаментальных разработок, связанных с использованием ДНК в качестве аналога языка программирования для сборки молекул с заданными свойствами. Именно этой теме я посвятил мой первый пост на Хабре, упомянув, в частности, репозиторий с технологией Cello. Но мой пост не идет ни в какое сравнение с исчерпывающей статьей Ярослава Сергиенко pallada92 Трехмерный движок в коде ДНК. Путь к созданию управляемому созданию молекул и подлинной ДНК-нанотехнологии лежит через этот пост.

Также на этот год у автора приходится обтекаемая формулировка Дешевая солнечная энергетика. Он имеет в виду, что в солнечных панелях можно применять соединения из семейства галогенидных перовскитов, обладающие высокой производительностью и превосходящие аналогичные кремниевые элементы. Тем не менее, пока рано говорить как о дешевизне, так и о широкой практической применимости таких элементов, поэтому ограничусь столь кратким их упоминанием и многозначительным многоточием. Самым заинтересованным рекомендую почитать на Хабре, чем так интересен перовскит.

2034. Невзламываемый квантовый интернет

Здесь идет речь об использовании запутанных фотонов в рамках технологии квантового распределения ключей (QKD, Quantum Key Distribution).

По-моему, это наиболее слабый пункт в списке, который, однако, интересен с физической и технологической точки зрения. Если два ключа, зашифрованных фотонами, находятся в квантовой суперпозиции, то, когда адресат и отправитель обмениваются ими, гарантирована не только полная секретность передачи информации, но и мгновенное обнаружение любого вмешательства. Злоумышленник, пытающийся перехватить информацию, становится наблюдателем квантовой системы, а при наблюдении суперпозиция, как известно, схлопывается. Тогда и информация пропадает, и злоумышленник мгновенно себя раскрывает. Согласно Википедии, уже разрабатываются первые протоколы для подобного шифрования информации и обмена ею: BB84, B92 и E91. Все эти разработки уже прошли стадию proof of concept, но говорить о квантовом Интернете пока очень преждевременно, поскольку, во-первых, эти протоколы очень сложны в реализации, а, во-вторых, работают на очень ограниченном расстоянии, порядка нескольких десятков километров, а не в масштабах Интернета. Тем не менее, будущее у этой технологии интересное, хотя и отдаленное.

2035. Биомиметические материалы

В данном случае я соглашусь с автором, что разнообразные биомиметические материалы (синтетические материалы, напоминающие по свойствам биологические) могут принципиально изменить окружающий мир, коснувшись всевозможных отраслей, от нанотехнологий до архитектуры. Первый настоящий биомиметик, знакомый каждому из нас это застежка-липучка, изобретенная Жоржем де Местралем в 1941 году. Идея создать подобную ткань пришла ему на ум, когда он вынимал репейник из шерсти своей собаки после прогулки. Среди других потенциально возможных биомиметических материалов крепкая и очень легкая синтетическая паутина, а также гидрофобные поверхности, обладающие эффектом лотоса такие, на которых совершенно не задерживаются капли воды. Сложно сказать, почему автор считает подобные разработки новинкой, до которой еще целых 14 лет, но в этом разделе он упоминает и еще одну интересную разработку самозалечивающиеся строительные материалы. Действительно, это очень интересная штука, о которой я упомянул в статье От биобетона до биосенсоров. Истинный размах бактериальных биотехнологий. Да, возможно, и это тоже биомиметика, либо автор инфографики трактует данный термин слишком вольно.

2036. 1) Новая страница в развитии искусственного интеллекта 2) Дизайнерские молекулы

Это дизайнерская молекула. Ставить здесь иконку искусственного интеллекта из авторской инфографики мне категорически не хочется, поскольку здесь он уже немного исписался и утверждает, что новое поколение искусственного интеллекта вырастет из некой аналитики больших данных, далее с упоением, достойным Эко, перечисляя: в метеорологии, геополитике, выборах, эволюции и многом другом. Никаких пояснений, почему хотя бы некоторые из этих проблем будут решены в 2036 году, не приводится.

Однако дизайнерские молекулы заслуживают более тщательного рассмотрения. Автор считает, что к этому времени будут получены новые сверхатомы - совокупности обычных атомов, которые ведут себя как замкнутые сущности (позвольте мне формулировку как композитные атомы) и проявляют необычные химические, физические и, в частности, магнитные свойства. Сверхатомы и сверхрешетки остаются преимущественно гипотетическими моделями с конца 80-х годов прошлого века. Тем не менее, открытие таких атомов и сопутствующие изменения в материаловедении кажутся к 2036 году более вероятными, чем решение каких-либо фундаментальных проблем на пути к созданию AGI.

2037. 3D-печать в каждом доме

Не буду придираться к словам в каждом доме. Давайте представим, что автор имел в виду общедоступную 3D-печать, неплохой обзор которой дан здесь. В таком случае, можно констатировать, что в качестве дорогой игрушки 3D-принтеры в быту уже используются (см. отзыв Джонатана Шварца), а рост рынка запчастей, напечатанных на 3D-принтере, позволяет предположить повсеместное распространение таких приборов уже к концу 2020-х. Вполне возможно, что через 10 лет ставить дома 3D-принтер будет столь же странно, как сегодня ставить дома фрезерный станок. Люди привыкли покупать, а не изготавливать сами. Резюмируя я бы очень хотел увидеть на Хабре анализ нынешних тенденций с прогнозами, когда же 3D-печать может стать общедоступной, но подозреваю, что значительно раньше 2037.

2038. Полностью иммерсивный компьютерный интерфейс

Прогноз отдаленный, но, все-таки, он кажется мне маловероятным.

Извините за чрезмерную наглядность. Думаю, большинство помнит неимоверный хайп по поводу виртуальной реальности в конце минувшего века, когда еще не было слова хайп. Это были и Вспомнить всё (кстати, именно так называется официальная биография Шварценеггера), и Матрица, и Лабиринт отражений, и даже очень специфическая по моим подростковым меркам Экзистенция. Сегодня же тренды выглядят вот так. Я полагаю, что само увеличение мобильности GUI торпедирует развитие иммерсивности (мы заходим в Интернет на бегу, а не лежа в кресле с нейроинтерфейсом), а возникновение дополненной реальности как раз свидетельствует о том, что полностью виртуальная реальность нам не столь интересна. В этом обзоре (2020) убедительно показано, что технологии VR/AR могут развиваться в сфере образования и удаленной коллаборации, и то это скорее допущения, чем перспективы. Правда, в рамках этого же прогноза автор упоминает создание полноценного нейрокомпьютерного интерфейса. Эта перспектива уже более интересна, но также кажется мне узконаправленной: безусловно, этот интерфейс реализуем, и может быть очень полезен в медицине, но его широкое применение к указанному сроку маловероятно, как с хирургической, так и с этической точки зрения.

2039. Самодостаточное домашнее энергообеспечение

Под такой формулировкой автор понимает повсеместное распространение дешевых и компактных источников энергии, в частности, микробных топливных элементов и литий-ионных аккумуляторов (нет, предыдущий источник приведен с нескрываемым сарказмом, лучше посмотреть этот). Насколько мне известно, микробные топливные элементы и биореакторы, так называемые anaerobic digestion tank, действительно перспективны в качестве маломощных источников энергии и могут быть использованы для энергообеспечения небольших мощностей или, возможно, отдельных домохозяйств. Предположу, что усовершенствованные бактерии-батарейки для таких топливных элементов удастся вывести методами генной инженерии; в статье, на которую оставлена последняя ссылка, рассказано о бактериях, преобразующих сахар в электричество с эффективностью 81%. Но, все-таки, здесь у автора мне видится примерно такое же заблуждение, как и с 3D-печатью: дорого, экзотично, обременительно в обслуживании и далеко не для массового рынка.

Также в 2039 году у автора спрогнозированы designer babies и germ-line genetic modification. Правовые вопросы редактирования эмбрионального генома активно обсуждаются уже в 2021 году, но никаких предпосылок к широкому распространению этой практики я не вижу, если не учитывать возможность использования этой технологии для выправления тяжелых генетических отклонений у эмбриона. Кстати, интересно было бы почитать об этом на Хабре.

2040. Генетические вычисления

Речь идет о генетронике - сборке биоинформационного аппаратного обеспечения на основе ДНК. Учитывая тему дизайнерских молекул, рассмотренную в разделе за 2036 год, эта идея также кажется весьма правдоподобной. По-видимому, в настоящее время подобные разработки ограничиваются темой Wetware, о которой я уже писал на Хабре. Оставим на совести автора замечание, что генетроника позволит собрать суперкомпьютер размером меньше ноутбука, и отправимся дальше.

2041. 1) Голографические домашние любимцы 2) Микроволновые ракеты

Хронология становится все более условной. Возможно, под holographic pets автор имел в виду торговую марку HoloPet, зарегистрированную Microsoft еще в 2015 году в рамках развитии HoloLens, очков для смешанной реальности. Странный прогноз, но здесь я напомню читателям о работах по восстановлению вымерших видов. В частности, ведутся работы по расшифровке генома странствующего голубя, истребленного к началу XX века, тилацина, сохранившегося в Тасмании примерно до 1930-х, а также исследуются возможности восстановления мамонтов. Учитывая нарастающие возможности секвенирования геномов, а также развитие генетической инженерии, позволю себе поправить автора и спрогнозирую на 2041 год создание полноценного Плейстоценового парка. Впрочем, мало восстановить вымерших животных для них еще нужно возродить или освободить привычные экосистемы, а это уже совсем другая история, возможно, для отдельной публикации.

Под microwave rockets автор понимает гиротронные технологии, то есть, вывод легких космических аппаратов на орбиту при помощи пучков СВЧ-излучения. По-видимому, автор вдохновлялся работой калифорнийской компании Escape Dynamics, которая с 2012 года исследовала возможности запуска спутников при помощи гиротрона. Полагаю, до воплощения таких технологий еще очень далеко, а реальное применение гиротрону может найтись в термоядерной энергетике, к упоминанию о которой мы уже подходим.

2043. Быстрый генетический скрининг

Автор поясняет этот прогноз как простая генетическая диагностика в домашних условиях приводит к кастомизированной медицине, использованию геномики при разработке лекарств, революции в генетическом изучении истории жизни. Предположу, что он мог перепутать или смешать скрининг (проверку эмбриона на наличие генетических отклонений) и секвенирование генома в домашних условиях. В любом случае, генетический скрининг для оценки рисков при зачатии уже сейчас предоставляется как услуга, а прочие проблемы, упомянутые в этом прогнозе, действительно реальны и актуальны уже в ближайшей перспективе. Здесь отмечу скептический взгляд великого Джеймса Уотсона на набирающую популярность развлекательную генетику В переведенной мной книге ДНК. История генетической революции он критикует за легкомысленность компанию 23 and Me (генетические исследования на заказ), а также живописует риски, с которыми связано вмешательство в геном (прежде всего, в главе 8). Тем не менее, соглашусь с автором прогноза, что именно к указанному времени любительская генетика может прийти в каждый дом.

Широкое распространение термоядерной энергетики

Вполне возможно или даже неизбежно. Это наиболее мощный и сравнительно экологичный источник энергии, доступный нам в обозримом будущем. Я подробно рассматривал эту тему в посте Когда путь важнее цели. Сколько нам еще остается до термоядерной энергетики.

2045. Космическая солнечная энергетика

Вероятно, автор имеет в виду эконом-вариант роя Дайсона, то есть, экономическую целесообразность развертывания солнечных панелей на орбите. Не думаю, что так скоро, но технология, вероятно, будет воплощена на практике. Я попытался затронуть эти вопросы в публикации Скорлупа сверхцивилизации. Об энергетических, инженерных и экологических аспектах сферы Дайсона, но в контексте этого прогноза предположу, что нам бы сначала часть Сахары солнечными панелями застелить, а потом сооружать подобные конструкции в космосе.

Также в прогнозе за этот год у автора упомянуты Algorithmic Advances. Он утверждает, что будут созданы sophisticated algorithms (изощренные алгоритмы), которые позволят достичь чудес в медицине, астрономии, поисках внеземной жизни, архитектуре и реконструкции эволюционной истории Земли. Я улыбнусь, спрошу, да, а почему нет?, предположу, что программисты так и будут читать Кнута, и перейду к разбору следующей части.

2047. Эволюционное усовершенствование

Автор затрагивает интересную тему, фигурировавшую в научной литературе около 2016 года. Речь о том, что ген OSTN, отвечающий за рост костей, метаболизм в мышцах и кодирующий белок остеокрин, также связан с развитием неокортекса (новых областей коры головного мозга) и тесно связан с экспрессией другого гена, кодирующего белок BDNF (нейротрофический фактор головного мозга). Далее он предполагает, что направленная активизация OSTN позволила бы увеличить кору больших полушарий головного мозга и усовершенствовать умственные способности человека. Тема заслуживает подробного рассмотрения на Хабре, пока же предлагаю почитать про эту интереснейшую взаимосвязь в статье Александра Маркова, вышедшей на сайте Элементы все в том же 2016 году.

2049. Геоинженерия

К этому времени автор относит масштабный геоинженерный проект, связанный с распылением в атмосфере кальцитных аэрозолей. Такие вещества должны повысить отражающую способность планеты и замедлить глобальное потепление. Я уже некоторое время планирую рассмотреть эту тему на Хабре, но пока оговорюсь, что подобный проект фактически является light-версией терраформирования, и может не остудить, а необратимо заморозить Землю. Жидкая вода и плюсовые температуры на Земле возможны именно благодаря умеренному парниковому эффекту, и любые геоинженерные проекты с такими аэрозолями могут быть реализованы только в случае крайней необходимости. Иллюстрацией немножко остудить планету является 1816 год, год без лета, когда в Западной Европе установилась температурная аномалия, вероятно вызванная, повышенной концентрацией пыли в атмосфере после извержения вулкана Тамбора в 1815 году.

Мэри Шелли тем летом зябла на вилле близ Женевского озера и писала Франкенштейна, а на Дону и в Новороссии вполне себе припекало. Тем, кого впечатлила эта карта, могу порекомендовать старенький рассказ Лукьяненко Поезд в теплый край, а также сериал Сквозь снег.

2050. Секвестрация углерода

К этому времени может быть развита значительно более грамотная технология борьбы с глобальным потеплением, о которой автор также упоминает. Это вывод избыточного углерода из атмосферы и связывание его в базальтовых породах. Научное изучение таких перспектив происходит уже сейчас, но отмечу, что ожидания от технологий связывания углерода могут оказаться чрезмерно оптимистичными, а основной парниковый эффект вскоре может быть обусловлен не столько углекислым газом, сколько метаном, который обильно выделяется при таянии вечной мерзлоты, а также стабильно утекает в атмосферу при добыче сланцевого газа методом гидроразрыва пласта и последующей перекачке такого топлива. Впрочем, этот прогноз кажется реалистичным.

2053. Спутники-телескопы для изучения геонейтрино

Предполагается, что к этому времени нейтринные телескопы позволят тщательно зондировать глубины планет и звезд, изучая их внутреннее строение. В данном случае я не понимаю, а зачем выносить нейтринный телескоп на орбиту, если надежное улавливание нейтрино требует размещать подобные устройства глубоко под землей, подо льдом или в толще воды ведь именно такая толща нужна, чтобы телескоп улавливал одни лишь нейтрино, всепроникающие частицы, которые реальнее всего зафиксировать именно через такой фильтр. В любом случае, нейтринная астрономия и физика сейчас развивается очень активно, и хочется верить, что проблемы, упомянутые мной в посте Не только детекторы. Экскурс в прикладную физику нейтрино к 2050-м уже начнут решаться.

2055. Плавучие и подводные города

Не верю. Правда, не верю.

Заключение

Футурология штука неблагодарная, поэтому сам бы я никогда не решился составлять такого списка. Но прокомментировать очень хотелось. Возможно, автор относится к тому поколению левых зеленых демократов, которые по-прежнему грезят об экологически чистом постиндустриальном обществе, где полно дешевой чистой энергии, где побежден гонконгский грипп, а вмешательство в генетический код непременно даст миру сверхчеловеков, а не калек. В этом списке не нашлось места не только пандемии, до которой оставалось менее двух лет, но и пилотируемой космонавтике, и добыче полезных ископаемых на астероидах, и контролю над полом ребенка, и разрастанию гошивонов, и многим другим непарадным сторонам нашей цивилизации. Но, все-таки, этот прогноз мне понравился, так как в нем прослеживается вера в творческий потенциал человека и в нашу способность к самосохранению.

Спасибо, что дочитали.

Подробнее..

Чернобыль ч.1. РБМК-1000

03.05.2021 12:05:25 | Автор: admin

Автор: Александр Старостин

Кратко о цепной атомной реакции

И ядерное оружие, и атомная энергетика базируются на цепной ядерной реакции деления. Бывает ещё ядерная реакция синтеза, но о ней в другой раз.

Итак, в силу своих свойств ряд тяжёлых элементов стремится к радиоактивному распаду, то есть изменению состава или внутреннего строения атомного ядра. Для выработки энергии необходимо, чтобы при распаде производилось больше энергии, чем раньше. При распаде ядро испускает некоторое количество нейтронов, которые при этом получают кинетическую энергию и летят в разные стороны. При этом нейтроны могут выделяться как сразу после начала деления (мгновенные нейтроны), так и с задержкой от нескольких миллисекунд до нескольких секунд (запаздывающие нейтроны). Как только они сталкиваются с другим ядром, происходит инициация реакции деления, и ядро испускает нейтроны.

Примерно так это и работает, даПримерно так это и работает, да

Важно, чтобы эффективный коэффициент размножения нейтронов (проще говоря, количество нейтронов, вызывающих новую реакцию деления, отделяющихся за один акт деления ядра) был больше или равен единице, иначе наша реакция затухнет. Несмотря на малую долю в общем количестве выделяемых нейтронов (менее 1%), запаздывающие нейтроны позволяют существенно продлить время жизни нейтронов одного поколения, позволяя управлять цепной реакцией. Состояние, при котором коэффициент равен единице, называется критическим. Соответственно, если значение коэффициента <1, то состояние подкритичное, а если значение коэффициента >1, то состояние надкритичное. В надкритичном состоянии мощность реакции возрастает экспоненциально, то есть скорость роста мощности тем выше, чем выше мощность. Для ядерного оружия это хорошо, а вот для ядерного реактора не очень, его рост мощности нужно регулировать, не давая достигнуть слишком высоких значений мощности. Ясное дело, что работы по постановке ядерной реакции под контроль были почти столь же приоритетны, как и работы по достижению максимально быстрого роста мощности и достижению максимума мощности.

Краткая история мирного атома в СССР

Первая в мире атомная электростанция была пущена в 1954 году в городе Обнинске Калужской области. Она успешно и безаварийно проработала вплоть до 29 апреля 2002 года, то есть 48 лет (на 30 лет больше запланированного). Реактор вобрал в себя все имевшиеся на тот момент наработки в области создания и использования реакторов двойного назначения. Например, на заводе Маяк реактор не только производил оружейный плутоний, но также электроэнергию и тепло для близлежащих городов. АМ-1 (Атом Мирный именно такой индекс получил реактор на станции) представлял собой уран-графитовый реактор с водой в качестве охладителя и теплоносителя. Электрическая мощность реактора составляла 5 МВт

Частично открытый АМ-1 и реакторный зал. Фото Варламова из 2009 годаЧастично открытый АМ-1 и реакторный зал. Фото Варламова из 2009 года

Изначально предполагалось построить несколько различных типов экспериментальных реакторов, которые должны были в будущем развиться в реакторы для различных нужд, в том числе для подводных лодок, кораблей и судов. Конкретно АМ-1 для этих целей не подошёл - слишком уж громоздкий из-за схемы расположения тепловыделяющих элементов в графитовой кладке.

Спустя 10 лет в работу были пущены реакторы типа АМБ (Атом Мирный Большой) в составе Белоярской АЭС. Это уже были реакторы электрической мощностью 100 МВт. В целом реакторы показали себя не очень надёжными, на всём протяжении их эксплуатации неоднократно происходили различные аварии, причём нередко достаточно серьёзные. Например, в течение первых десяти лет эксплуатации не один раз происходило разрушение тепловыделяющих сборок на первом энергоблоке. Тем не менее, первый и второй блок доработали до полной выработки ресурса, после чего были выведены из эксплуатации. На данный момент ведётся разборка этих реакторов. Сейчас на Белоярской АЭС эксплуатируются два реактора на быстрых нейтронах.

БАЭСБАЭС

Одновременно с запуском в эксплуатацию БАЭС началось проектирование нового мощного реактора канального типа. Работы велись в Научно-исследовательском и Конструкторском Институте ЭнергоТехники (НИКИЭТ) под руководством академика Николая Антоновича Доллежаля. Научной частью заведовал Институт Атомной Энергии (ИАЭ) им. Курчатова (директор академик Анатолий Петрович Александров). Вообще, работа в области атомной энергетики в частности и атомной промышленности велась и управлялась ведущими советскими учёными. Тот же Александров в 1975 году стал президентом Академии наук СССР.

Николай Антонович ДоллежальНиколай Антонович ДоллежальАнатолий Петрович АлександровАнатолий Петрович Александров

Анатомия гиганта

Что же представлял из себя новый реактор, получивший поначалу обозначение Э-7? Театр начинается с вешалки, а реактор с тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ). ТВЭЛ это трубка из циркониевого сплава, толщина которой 0.9 мм, а диаметр 13.6 мм. Оставшиеся 11.5 мм занимают спрессованные таблетки диоксида урана UO2. Изначально степень обогащения урана-235 составляла 2%, однако по мере модернизации реакторов её увеличивали. 18 таких ТВЭЛов объединены в тепловыделяющую сборку (ТВС). Внутри неё помимо самих ТВЭЛов находится несущий стержень из оксида ниобия NbO2, крепёжные детали из циркониевого сплава, а также каналы для теплоносителя, то есть воды. Высота одной сборки 3.5 метра. Последовательное соединение двух ТВС называется тепловыделяющей кассетой (ТВК), её высота 7 метров. Высота ТВК соответствует высоте всей активной зоны.

ТВС РБМК-1000: 1 подвеска; 2 переходник; 3 хвостовик; 4 твэл; 5 несущий стержень; 6 втулка; 7 наконечник; 8 гайкаТВС РБМК-1000: 1 подвеска; 2 переходник; 3 хвостовик; 4 твэл; 5 несущий стержень; 6 втулка; 7 наконечник; 8 гайка

Сама активная зона представляет из себя графитовую кладку, состоящую из графитовых колонн. Каждая колонна собрана из прямоугольных блоков, длина и ширина которых составляет по 250 мм, а высота может составлять 200, 300, 500 или 600 мм. Всего колонн 2488, в каждой просверлен канал диаметром 114 мм. В этом канале может размещаться одна из 1693 топливных кассет либо один из 179 стержней Системы управления и защиты реактора (СУЗ). Остальные колонны являются боковыми отражателями нейтронов, защищающими окружающую среду от этих самых нейтронов. Размеры кладки: эквивалентный диаметр 13.8 метра, из которых на активную зону приходится 11.8 метра, а толщина отражателя 1 метр; высота кладки 8 метров, из которых 7 активная зона, а ещё по полметра сверху и снизу отражатель. Благодаря такой схеме реактор и получил наименование РБМК Реактор Большой Мощности Канальный.

1- плитный настил (тяжелый бетон, 4 т/м3);2- засыпка серпентинита (1,7 т/м3);3- обычный бетон (2,2 т/м3);4- песок (1,3 т/м3);5- бак водяной защиты;6- стальные защитные блоки;7- графитовая кладка.1- плитный настил (тяжелый бетон, 4 т/м3);2- засыпка серпентинита (1,7 т/м3);3- обычный бетон (2,2 т/м3);4- песок (1,3 т/м3);5- бак водяной защиты;6- стальные защитные блоки;7- графитовая кладка.

Всё это добро уютно расположилось в шахте размерами 21.6х21.6х25.5 метров. В самом низу шахты находится бетонное основание. На нём покоится крестообразная металлоконструкция (схема С), соединяющая бетонное основание с нижней плитой реактора (схемой ОР). Толщина этой плиты 2 метра, диаметр 14.5 метров. Она состоит из цилиндрической обечайки, заполненной серпентинитом и проходками для топливных каналов и каналов управления, а также двух листов, в которые вварены герметично эти каналы.

Сверху расположена аналогичная по конструкции плита (схема Е), только её размеры иные толщина 3 метра, диаметр 17.5 метров. Она установлена на кольцевом баке с водой (схема Л), исполняющем роль боковой биологической защиты. Внешний диаметр бака 19 метров, а внутренний на высоте 11 метров 16.6 метров. Бак от бетона боковых стен отделяет засыпка песка. Между внутренней стенкой и активной зоной находится герметичный кожух реактора, имеющий также обозначение схема КЖ (металлопрокат, толщина 16 мм), соединяющий верхнюю и нижнюю плиты. Между кожухом и внутренней стенкой бака присутствует полость, заполненная азотом под давлением более высоким, чем давление азотно-гелиевой смеси внутри кожуха. Таким образом, исключается утечка газа из полости реактора. Азотно-гелиевая смесь предотвращает выгорание гелия.

На полу реакторного зала лежит плитный настил, который вместе с дополнительной биологической защитой (схема Г) обеспечивает высокий общий уровень биологической защиты. По этому настилу можно ходить во время работы реактора, он же обеспечивает перегрузку (то есть замену топлива) реактора. Такая конструкция реактора позволяет перегружать тепловыделяющие кассеты без остановки реактора с помощью разгрузочно-загрузочной машины.

Плитный настил, кажется на ЛАЭС. Мерные люди на фонеПлитный настил, кажется на ЛАЭС. Мерные люди на фоне

Итак, как же работает реактор РБМК? С помощью главных циркуляционных насосов (ГЦН) вода через трубопроводы подаётся непосредственно в ТВК. В них за счёт повышенного давления (7 МПа или 70 атмосфер) температура кипения воды повышается до 284 градусов по Цельсию. Проходя через них, она нагревается и частично испаряется. Сверху (вода подаётся в активную зону снизу) находятся трубопроводы, подводящие образовавшуюся пароводяную смесь к барабан-сепараторам. Их задача отделить пар, содержание которого в смеси в среднем 14.5% от воды. Пар идёт на турбины, а вода снова подаётся в реактор. Таким образом, реактор РБМК является одноконтурным по теплоносителю.

Однако на деле не всё так однозначно, так как на самом деле структура единственного контура РБМК напоминает восьмёрку. Дело в том, что в верхней части этой восьмёрки (нижняя часть это контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), его я только что и описал) есть ещё ряд систем. Этот ряд включает в себя турбину, генератор, конденсатор, насос и барабан-сепаратор. Пришедшая из реактора в барабан-сепаратор пароводяная смесь разделяется на воду и пар. Пар температурой 284 градуса под давлением в 7 МПа приходит на турбину и вращает её, преобразуя тепловую энергию в кинетическую. Эту энергию турбина передаёт на генератор, вырабатывающий электроэнергию. Из турбины сильно охладившийся пар (до 30 градусов при давлении в 0.004 МПа или 0.04 атмосферы) попадает в конденсатор. Там пар передаёт свою тепловую энергию воде, забираемой из пруда-охладителя станции. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан-сепаратор. Там она смешивается с водой из пароводяной смеси, пришедшей из активной зоны, после чего уходит в реактор. Так замыкается восьмёрка.

Разрез блока с РБМК. Надеюсь, читабельный.Разрез блока с РБМК. Надеюсь, читабельный.А это схема работы РБМКА это схема работы РБМК

Общая тепловая мощность реактора РБМК-1000 3200 МВт, из которых только 1000 МВт электрическая мощность, остальное тратится на обогрев атмосферы и пруда-охладителя. На случай, если нужно уменьшить мощность, заглушить реактор или же что-то пойдёт не так, предусмотрен целый ряд систем защиты, ведущую роль в котором играют Стержни Управления и Защиты (СУЗ), запомните их, они нам вспомнятся ещё не раз. В первых реакторах стержней было 179, позже их стало 211. По своему назначению они делятся на стержни аварийной защиты (24 штуки), стержни автоматического регулирования (12), стержни локального автоматического регулирования (12), стержни ручного регулирования (131) и 32 укороченных стержня-поглотителя (УСП), предназначенные для локального регулирования мощности (появились после аварии на ЛАЭС в 1975 году). При необходимости, стержни вводятся в активную зону или выводятся из неё, тем самым уменьшая или увеличивая мощность соответственно. Введение всех стержней глушит реактор. Все стержни за исключением УСП, вводятся в реактор сверху.

Что из себя по конструкции представлял стержень-поглотитель реактора РБМК? При полностью выведенном из реактора стержне в активной зоне оставался графитовый вытеснитель длиной 4.5 м, а также по 1.25 м воды сверху и снизу. При подаче сигнала на введение в активную зону вытеснитель вытесняет воду снизу и выходит из зоны, а его место занимает соединённый с ним телескопом стержень-поглотитель из бора. Его задача поглотить нейтроны, инициирующие цепную ядерную реакцию.

Отличий в конструкции РБМК от конструкции другого широко распространённого в России реактора типа ВВЭР много, но ключевых два. Во-первых, из-за циклопических размеров РБМК невозможно запаковать в герметичный корпус, который бы защитил окружающую среду в случае взрыва реактора. Во-вторых, в реакторе типа ВВЭР два герметичных контура теплоносителя, которые изолированы друг от друга. Первый вода под высоким давлением, идущая непосредственно в активную зону. Там она нагревается и идёт в теплообменник, передавая свою тепловую энергию воде второго контура, которая в виде пара уже вращает турбину.

В принципе, реактор ВВЭР безопаснее, чем РБМК, однако РБМК давал весьма заметные экономические выгоды. Во-первых, в нём можно использовать менее обогащённое топливо (на ранних этапах считалось, что канальный реактор спокойно может работать на топливе со степенью обогащения 2%, в то время как корпусный требовал степени обогащения 4-5%). Более того, РБМК может работать на отработанном топливе реактора ВВЭР. При этом выгорание топлива в РБМК более равномерное, то есть реактор расходует его более экономно. Во-вторых, как уже говорилось, в РБМК можно менять топливные кассеты без остановки реактора, в то время как для перегрузки топлива реактор типа ВВЭР подвергается разгерметизации корпуса, что сопряжено с большим объёмом работы. В-третьих, при всех своих огромных размерах РБМК проще в строительстве, так как не требует трудоёмкого создания герметичного корпуса, что облегчает как производство, так и установку реактора на месте.

РБМК распространяется

Строительство первой атомной станции, оснащённой реактором РБМК-1000 (то есть Реактор Большой Мощности Канальный электрической мощностью 1000 МВт) началось в 1967 году в 4 км от посёлка Сосновый бор, что в 70 км от исторического центра Санкт-Петербурга. В 1974 году в эксплуатацию ввели первый энергоблок, спустя два года второй. Здесь нужно отметить, что реально реактор подключают к сети раньше, чем официально вводят в эксплуатацию.

ЛАЭС сейчасЛАЭС сейчас

И первая очередь ЛАЭС порадовала своих создателей ещё до этой даты зимой 1974 года, с разницей в месяц, произошло два серьёзных инцидента взрыв водорода в газгольдере, где выдерживались газообразные радиоактивные отходы, а также разрыв промежуточного контура с утечкой высокоактивной воды. В результате погибли три человека. Однако это были лишь первые звоночки, а первый гром грянул 30 ноября 1975 года. Подробнее об этой аварии мы поговорим позже, а пока скажем лишь, что результатом аварии стало разрушение одного топливного канала, а общее загрязнение составило примерно 1.5 млн Кюри, что, мягко говоря, немало.

После этого реакторы РБМК были дооснащены дополнительными поглощающими стержнями (добавилось 32 укороченных стрежня), целым рядом систем, направленных на повышение безопасности реактора (например, системой аварийного охлаждения реактора (САОР), системой локальной автоматической защиты (ЛАЗ) и системой локального автоматического регулирования мощности реактора (ЛАР)), повысили степень обогащения урана до 2.4%, а также были внесены множественные уточнения в инструкции персонала и проекты будущих энергоблоков.

От аварии, аналогичной по масштабам чернобыльской, ЛАЭС спасли умелые действия персонала. Сама станция находилась в ведении министерства среднего машиностроения, которое в СССР занималось атомным оружием, атомной промышленностью и атомной энергетикой. Однако все последующие станции строились для нужд министерства энергетики и электрификации. Там всё было куда хуже и с персоналом, и с заводами. Вспоминает Анатолий Дятлов:

Ленинградская АЭС, подведомственная Министерству среднего машиностроения, проектировалась его организациями, под его заводы, оснащенные современным оборудованием. Курская и Чернобыльская станции принадлежали Министерству энергетики и электрификации. В правительственном Постановлении было указано, что нестандартное оборудование для четырех блоков первых очередей этих станций будет изготовлено теми же заводами, что и для Ленинградской. Но для Минсредмаша правительственное Постановление не указ даже и в то время, когда еще немного слушались правительства. Говорят, у вас есть свои заводы, вот и делайте, чертежи дадим. Был я на некоторых заводах вспомогательного оборудования Минэнерго оснащение на уровне плохоньких мастерских. Поручать им изготовление оборудования для реакторного цеха все равно, что плотника заставлять делать работу столяра. Так и мучились с изготовлением на каждый блок. Что-то удавалось сделать, чего-то так и не было. Характерно, вот уж поистине застой, Минэнерго за несколько лет так ни одного своего завода и не модернизировало, чтобы был способен изготавливать не столь уж сложное оборудование.

Между тем, продолжалось строительство энергоблоков с реакторами РБМК-1000 первого поколения. К ним также относились 1 и 2 блоки Курской (начало строительства 1972 и 1973 года, ввод в эксплуатацию 1977 и 1979 года соответственно) и Чернобыльской АЭС (начало строительства 1970 и 1973, ввод в эксплуатацию 1978 и 1979 года соответственно). А дальше началось проектирование и строительство энергоблоков с реакторами РБМК второго поколения.

В чём отличия от поколений 1 и 1+? Во-первых, увеличенный барабан-сепаратор. Во-вторых, трёхканальная САОР, которая теперь снабжала аварийный реактор водой не только из гидробаллонов, но и через питательные насосы. В-третьих, теперь для локализации радиоактивных веществ, выброс которых нельзя было допустить в атмосферу в случае аварии, были предусмотрены двухэтажные бассейны-локализаторы, которые должны были эти радиоактивные вещества аккумулировать. Ну и наконец, теперь реакторные отделения строились дубль-блоком, иными словами, они составляли одно здание, хотя блоки и были разделены. Ранее каждый реактор строился в своём здании.

Панорама Курской АЭС, вид со стороны машзала. Видны и два первых блока (ближние, с кучей труб), и третий с четвёртым, размещённые в дубль-блоке (дальние, с большой трубой как на ЧАЭС)Панорама Курской АЭС, вид со стороны машзала. Видны и два первых блока (ближние, с кучей труб), и третий с четвёртым, размещённые в дубль-блоке (дальние, с большой трубой как на ЧАЭС)

К реакторам нового типа с повышенным уровнем безопасности относились энергоблоки 3 и 4 Курской АЭС (начало строительства 1978 и 1981 года, ввод в эксплуатацию 1984 и 1986 соответственно), 3 и 4 Чернобыльской АЭС (начало строительства 1972 и 1971 года, ввод в эксплуатацию 1982 и 1984 соответственно), 1 и 2 Смоленской АЭС (начало строительства 1975 и 1976 года, ввод в эксплуатацию 1983 и 1985 соответственно). Кроме того, сюда же относят и 3 и 4 энергоблоки Ленинградской АЭС (начало строительства 1973 и 1975 года, ввод в эксплуатацию 1980 и 1981 соответственно), но они были промежуточными, отличаясь устройством ряда систем как от более ранних, так и более поздних энергоблоков.

Игналинская АЭСИгналинская АЭС

Отдельно следует упомянуть об Игналинской АЭС. Её оснастили модифицированной версией реактора РБМК-1500. Как можно догадаться из индекса, электрическая мощность данного реактора составляла 1500 МВт. Достигалось увеличение путём интенсификации теплообмена в ТВК при сохранении размеров реактора. Однако реальная мощность составляла 1300 МВт, так как на номинале и повышенной мощности происходило неравномерное выгорание топлива и растрескивание оболочек ТВЭлов. До аварии на ЧАЭС в 1986 году успели сдать в эксплуатацию один блок (начало строительства 1975, ввод в эксплуатацию 1984 год). Ещё один блок должны были пустить в 1986 году, однако из-за аварии на ЧАЭС пуск и ввод в эксплуатацию перенесли на год (начало строительства 1978, ввод в эксплуатацию 1987 год). Также после аварии заработал третий блок Смоленской АЭС с реактором РБМК-1000 (начало строительства 1984, ввод в эксплуатацию 1990 год). Все остальные достраивавшиеся блоки (КАЭС-5 (строительство остановлено в 2012 на степени готовности 85%), ЧАЭС-5 и 6 (строительство остановлено в 1986 году), САЭС-4 (строительство остановлено в 1993 году), ИАЭС-3 (строительство остановлено в 1988 году)) были законсервированы.

В дальнейшем планировалось ещё увеличить мощность реактора за счёт увеличения диаметра топливных каналов и других ухищрений с топливными кассетами (РБМК-2000 и РБМК-3600), использования перегретого пара (проекты РБМКП-2400 и РБМКП-4800). Кроме того, существовал более поздний проект МКЭР, который предполагалось оснащать двойной защитной оболочкой, четырёхконтурной системой принудительной циркуляции воды против двухконтурной у РБМК, а также рядом новшеств, направленных на снижение расхода топлива и повышение КПД. Тем не менее, ни один из этих проектов дальнейшего развития не получил.

Подводя итог. Реактор большой мощности канальный электрической мощностью 1000 МВт (или РБМК-1000) представляет из себя циклопическое сооружение, которое массово распространилось по АЭС Советского союза и на протяжении многих лет являлось флагманом отечественной атомной индустрии. При этом большинство энергоблоков с этим реактором до сих эксплуатируются, хоть и с условием постоянной модернизации для повышения безопасности. О недостатках машины (в том числе и критических) мы поговорим в одной из следующих частей цикла (причём ближе к концу). А в следующей части о ЧАЭС, Припяти и Чернобыльском крае.

Автор: Александр Старостин

Оригинал

Подробнее..

Чернобыль ч.2. Чернобыльский край. Припять

05.05.2021 10:13:29 | Автор: admin

Автор: Александр Старостин

Продолжаем выставлять декорации к аварии. На сей раз два слова о местности, которую задело аварией. Прошу простить за поверхностность, но всё-таки про Полесье можно говорить бесконечно. Здесь же сосредоточимся на небольшом (относительно) куске региона, который имел длинную историю, которую изменил 1966 год (и, нет, это не опечатка).

Затронем историю и условия строительства блоков атомной станции и города при ней.

Текст написан в рамках моего цикла об аварии на Чернобыльской АЭС.

Часть 1

Какие тут красивые места!

Сергей Мирный. Живая сила. Дневник ликвидатора

До ЧАЭС

На всём протяжении украинско-белорусской границы, от Польши до России раскинулся весьма специфичный и интересный Полесский край. Историю он имеет долгую. Считается, что вдоль реки Припять около 3.5 тысяч лет назад проходила северная граница восточношинецкой археологической культуры, которая, как предполагают учёные, стала истоком праславянского этноса. Первые упоминания о том, что в этом регионе проживают люди, есть у Геродота, который называет их неврами. Позже местность нередко упоминалась в различных летописях и стала свидетелем становления Руси. Национальный состав здесь тоже был пёстрым, так как в регионе обитали племена древлян, полян и дреговичей.

Ну для общего представленияНу для общего представленияИ ещё вариантИ ещё вариант

Первые упоминания Чернобыля относятся к XII веку. В 1127 году город назывался Стрежев. Позднее город засветился в Ипатьевской летописи, согласно которой в этом районе в 1193 году охотился сын Киевского князя Рюрика Ростиславича, от которого (сына в смысле) и получил своё нынешнее название. В XIII веке неподалёку от устья Припяти произошло сражение, в котором, по мнению некоторых историков, монголы потерпели первое крупное поражение на Руси. В дальнейшем регион перешёл сначала под литовскую, а затем, в XV столетии, польскую власть. В эти времена рядом с городом был построен замок, реконструированный затем в крепость.

С польским периодом связана одна интересная история. В Чернобыле в 1768 году на свет появилась Розалия Ходкевич-Любомирская. Малоизвестная у нас, она успела отметиться своими достаточно яркими политическими действиями в разделяемой Речи Посполитой и Франции. Девушка, как считалось, была хорошо знакома с Марией-Антуанеттой, да и вообще открыто поддерживала роялистов, что в якобинской Франции хорошо кончиться не могло. Розалию гильотинировали 21 июня 1794 года. Как Розалия Чернобыльская она упоминалась в записях современников и потомков.

Розалия Любомирская-Ходкевич ака Чернобыльская. На любителя.Розалия Любомирская-Ходкевич ака Чернобыльская. На любителя.

В середине XVIII веке, незадолго до перехода города в состав Российской империи (1793 год), город стал центром хасидизма течения иудаизма, широко распространённого среди еврейских подданных Речи Посполитой. Тогда была основана чернобыльская хасидская династия. В ходе революций и гражданской войны еврейское население, составляющее большинство жителей города (из 10800 человек евреев было 7200 по состоянию на 1898 год), серьёзно пострадало от погромов, после чего 1920 году чернобыльская династия покинула город. Оставшихся евреев уничтожили в годы ВОВ. В ходе Советско-польской войны на какое-то время Чернобыль перешёл в руки поляков, однако был отбит Красной армией, после чего включён в УССР.

Менахем Нахум Тверский, основатель чернобыльской династии хасидов. Считается, что именно Тверские, выходцы из Чернобыля, вплоть до революции занимали главенствующее положение среди украинского еврействаМенахем Нахум Тверский, основатель чернобыльской династии хасидов. Считается, что именно Тверские, выходцы из Чернобыля, вплоть до революции занимали главенствующее положение среди украинского еврейства

Географически Полесская низменность представляет из себя болотистые леса. Если взглянуть на карту в районе Припяти, то можно увидеть, что река постоянно петляет, образуя множество стариц. Такие условия обусловили удобство действий партизан (тяжёлой технике здесь не проехать). Кроме того, именно обилие лесов и болот позволило до сегодняшнего дня сохранить уникальную полесскую культуру. Местные жители больше жили охотой, рыбалкой и собирательством. Легенда о вовкулаке, то есть об оборотне, пришла через Куприна в классическую литературу. Полесские оборотни отличались от своих западноевропейских собратьев меньшей жестокостью, а также рядом других особенностей.

Вполне естественно, что Полесье серьёзно пострадало в ходе Великой Отечественной войны. В 1941 году здесь развернулась битва за Киев, закончившаяся Киевским котлом. Очень быстро начали организовываться партизанские отряды, самым знаменитым из которых был, конечно, отряд Сидора Ковпака. Восточное Полесье превратилось в самый настоящий партизанский край.

Лесопилка в селе Вильча. От АЭС оно удалено на 50 км, сейчас расселено.Лесопилка в селе Вильча. От АЭС оно удалено на 50 км, сейчас расселено.

АЭС

После войны в соответствии с планом Совмина в 1966 году начался выбор площадки для будущей первой АЭС на территории Украины. В результате было выбрано место в 4 километрах от села Копачи. Причин тому было несколько. Во-первых, местность была признана малопродуктивной для сельского хозяйства. Во-вторых, рядом находилось несколько крупных магистралей это и Припять с Днепром, и железная дорога Чернигов-Овруч со станцией Янов прямо рядом с будущей АЭС. Следующие несколько лет были потрачены на создание техзадания, уточнение плана и прочие формальности. В итоге 14 декабря 1970 года, когда уже началось строительство первого энергоблока и города атомщиков, Совет министров СССР утвердил (спустя полтора года) совместное постановление Минэнерго и Минсредмаша об использовании на станции реактора типа РБМК-1000. Причин выбора именно этого реактора было две: во-первых, страна не могла обеспечить серийного производства необходимого количества корпусов для реакторов ВВЭР, которые, во-вторых, тогда не могли обеспечить мощность в 1000 МВт, требуемую от каждого блока станции. Именно поэтому для быстрого роста количества вырабатываемой энергии РБМК казался наиболее удобным вариантом. Более того, его мощность можно было относительно легко и быстро увеличить. В мае 1970 года началась разметка будущего энергоблока, а 4 февраля были начаты работы по постройке города атомщиков Припяти. Директором станции был назначен Виктор Брюханов.

При строительстве АЭС и Припяти с карты исчезли три населённых пункта - сёла Нагорцы и Семиходы и хутор Подлесный. Первый и последний были затоплены при строительстве пруда-охладителя АЭС, а Семиходы были съедены городом атомщиков. Впрочем, от них осталась память - сейчас сотрудники АЭС приезжают на одноимённую ж/д станцию.

Строительство ожидаемо столкнулось с проблемами в виде нехватки материалов и постановки невыполнимых планов. Доходило до того, что первый секретарь ЦК Компартии Украины Владимир Щербицкий подал докладную записку председателю Совмина СССР Алексею Косыгину после срыва плана по запуску первого энергоблока ЧАЭС в 1975 году.

Не раз встречал в печати и по Чернобыльской АЭС, что из-за досрочной сдачи низкое качество строительства и монтажа. Не знаю. Я приехал на станцию в сентябре 1973 г. На здании столовой - лозунг о пуске первого блока в 1975 г. Прошел срок пятерку переписали на шестерку. Фактически первый энергоблок ЧАЭС был запущен 26 сентября 1977 г. Второй блок - в декабре 1978 г., но, надо полагать, срок его был сдвинут из-за задержки пуска первого. Также и два последующие блока. О досрочной сдаче говорить не приходится. Интересно, что до 31 декабря говорить вслух о невозможности пуска в этом году нельзя. Потом приезжает эмиссар и начинается составление новых нереальных планов и графиков. Составили, подписали, уехал эмиссар. И тут в первое время начинается нервотрепка из-за жесткого контроля выполнения графика, невыполнимого с момента составления. Жесткие оперативные совещания, ночные вызовы на работу. Неизбежное отставание увеличивается, контроль спадает, начинается нормальная работа. До следующего приезда руководителя

А графики. Их, оказывается, можно составлять по всяким разным поводам, и все это без обоснования обеспечения рабочими, материалами и оборудованием. Только исходя из срока, названного приехавшим начальником. Нечего и говорить, что они не соблюдались. Кроме второго блока, на остальные штук по десять было графиков сдачи помещений. Приезжает начальник Главатомэнерго Невский и появляется график сдачи систем трубопроводов. График составляется в июне, а в августе, исходя из назначенного срока пуска, уже идет промывка КМПЦ первого контура. Трубы контура диаметром 800 мм, сварка ответственная, аттестовано всего несколько сварщиков. На каждое сварное соединение по технологии уходит семь дней. И что интересно: Невский, в недавнем прошлом монтажник, не мог не видеть нереальности сроков. Приезжает работник ЦК Марьин, кажется, в прошлом электромонтажник, и график уже составляется другой наладки электрифицированных задвижек. И так далее.

(из воспоминаний Анатолия Дятлова)

Параллельно начали вести обоснования по расширению станции до четырёх блоков и повышению её мощности до 4000 МВт. Между тем 14 декабря 1977 года был подписан акт приёмки первого энергоблока, хотя реально на полную мощность он вышел только 24 мая 1978 года. Спустя год и 4 дня на проектную мощность вышел уже второй блок, а 5 октября 1979 года оба блока были полностью выведены на номинальную мощность К этому моменту станция уже успела выработать больше 10 миллиардов кВтч. Третий блок полную мощность в 1000 МВт освоил 9 июня 1982 года, а его брат-близнец четвёртый 28 марта следующего года. Уже в августе того же года ЧАЭС преодолела рубеж в 100 миллиардов кВтч. Параллельно велось строительство пятого (начало строительства 1 января 1981 года, ожидаемый пуск в 1986 году) и шестого блока (начало строительства 1 января 1983 года). По итогам одиннадцатой пятилетки (1981-1985) ЧАЭС была представлена к получению ордена Ленина.

Не достигший совершеннолетия

Словом, строительство шло быстрыми темпами. Вместе со станцией развивался и атомоград. Первый колышек был вбит и первый ковш для фундамента первого здания был извлечён 4 февраля 1970 года. Строительство было провозглашено Всесоюзной ударной стройкой. Первыми жителями стали те самые комсомольцы-строители, а также работники станции. Находясь на перекрестье целого ряда транспортных путей, а также являясь городом-спутником самой большой АЭС в Европе, город был обречён на стремительный рост и превращение в витрину социализма.

Припять, Проспект Строителей. До аварии закончить не успели.Припять, Проспект Строителей. До аварии закончить не успели.

Припять застраивалась по так называемому треугольному типу застройки. Согласно этому принципу, внутри микрорайонов, имевших треугольную форму, здания должны были иметь чередующуюся этажность. Крупные магистрали должны были пересекаться с помощью круговых развязок, а не перекрёстков. Такая схема, как считалось, помогала сделать дорожные заторы невозможными даже при максимальной проектной численности населения в 80-90 тыс. чел. По аналогичной схеме строились и микрорайоны в, например, Тольятти и Волгодонске. Припять активно украшали различными панно, даже неоновыми вывесками. Строители и проектанты пытались гармонично вписать в город каждый кустик и деревце, благодаря чему населённый пункт изобиловал красивыми местами.

А это строительство 1-го и 2-го микрорайонов города, Проспект ЛенинаА это строительство 1-го и 2-го микрорайонов города, Проспект Ленина

Не забывали и о культурной части. В городе были построены дом культуры, гостиница, кинотеатр, дом книги, целый ряд образовательных и медицинских сооружений. Всё это привело к тому, что Припять активно заселяла молодёжь средний возраст жителей на момент аварии составлял примерно 26 лет. К 26 апреля 1986 года в Припяти жило менее 50 тыс. человек в 5 микрорайонах, так что жители чувствовали себя вольготно, несмотря на постоянный прирост населения - шутка ли, каждый год в городе рождалось больше тысячи младенцев. Город готовился к расширению для приёма будущих работников третьей очереди АЭС на момент аварии уже была готова площадка под шестой микрорайон. К маю 1986 года собирались открыть колесо обозрения в парке культуры и отдыха. Обилие интеллигентной молодёжи, связанной риском потерять престижную работу, накладывало особый отпечаток на городскую жизнь. В Припяти было в целом спокойнее, чем в других провинциальных городках СССР. Преступлений совершалось немного, жители даже позволяли себе отпускать детей гулять одних и не запирать квартиры, хотя периодически происходили кражи личного имущества. Совершались и убийства, за одно из которых в ходе показательного процесса убийца получил смертный приговор. По городу ходили самопальные распечатки диссидентов.

Артур Шигапов. Чернобыль, Припять, далее нигде:

По вечерам публика гуляла по местному Бродвею - улице Ленина, устраивала посиделки в кафе Припять и культурно выпивала на берегу реки у пристани. Молодежь рвалась на легендарную дискотеку Эдисон-2 Александра Демидова, проходившую в местном ДК Энергетик. Билетов частенько не хватало, и тогда несчастный дворец подвергался настоящему штурму разгоряченных любителей танцев. Эта дискотека пережила Припять на целую пятилетку, собираясь уже в новом Славутиче.

Припять располагалась в 2 км от станции, Чернобыль в 18 км. А практически между ними, завершая треугольник, в 9 км от ЧАЭС расположилась загоризонтная радиолокационная станция Дуга. Её задачей было обнаружение массированного старта американских межконтинентальных баллистических ракет. В 60 км, под городом Любеч, располагался передатчик, посылавший радиолучи в стан вероятного противника. Комплекс, расположившийся в закрытом городке Чернобыль-2, был лишь принимающим. Представлял он собой связку из двух гигантских антенн, видимых со всей Зоны отчуждения низкочастотной (высота мачт от 135 до 150 метров, длина от 300 до 500 метров) и высокочастотной (порядка 250 метров в длину и до 100 метров в высоту). А рядом располагалась ещё одна РЛС, предназначенная для слежения за стратегическими бомбардировщиками вероятного противника. Все радары использовали принцип фазированной антенной решётки. В 1985 году Дуга встала на боевое дежурство ПВО СССР, однако не прошла испытания. Основной причиной стало совпадение частот работы РЛС с гражданскими частотами. Дуга их заглушала характерным звуком, за который её прозвали русским дятлом. К 1986 году станция прошла полную модернизацию и готовилась выйти на госиспытания. А рядом расположился малюсенький ПГТ с единственной улицей Курчатова Чернобыль-2.

Информация собрана с бору по сосенке, часть источников указана внутри статьи, часть уже не восстановлю за давностью подготовки текста, но отдельное спасибо вот этим ребятам за фотки Припяти:https://vk.com/chernobyl_world.

В следующей части (послезавтра) пробежимся по необходимым в дальнейшем терминам, а также вспомним что значит йодная яма или ксеноновое отравление реактора. Ну и до кучи в двух словах о программе рокового эксперимента.

Автор: Александр Старостин

Оригинал

Подробнее..

Термоядерный синтез все реальнее MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения

06.06.2021 02:04:52 | Автор: admin

Термоядерные реакторы существуют десятки лет, но управляемая термоядерная реакция все это время оставалась недостижимой. Она постоянно находилась в ближайшем будущем, ученые говорили: Через 10 лет, скорее всего, мы достигнем успеха. Но проходило десять лет, и ничего не менялось по-прежнему публиковались научно-популярные статьи, где говорилось все о том же сроке в 10 лет.

Сейчас, насколько можно судить, многое изменилось разработчики термоядерных установок достигли действительно заметных успехов. Речь идет как о новых реакторах, так и об уже существующих. В целом, вероятность того, что управляемый термоядерный синтез станет реальностью в течение ближайших нескольких лет, достаточно высокая. Давайте оценим успехи ученых последних лет и посмотрим, что там планируется.

Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу


В конце мая снова начал работу сферический токамак MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak). Камера у этой установки не очень большая диаметр 4 метра. Последние несколько месяцев систему модифицировали, включая оптимизацию систему охлаждения плазмы до ее сброса. Возможно, этот реактор послужит прототипом для небольших, но эффективных систем будущего.


К слову, сам токамак из Британии совсем не нов его сборка стартовала в 1997 году, а работать он начал два года спустя. Проблемой стал небольшой размер камеры из-за этого разогретая свыше сотни млн кельвинов плазма разрушала вольфрамовые плитки.

В 2013 году команда поняла, что установку нужно модернизировать. Правительство выделило деньги, около 55 млн фунтов, и началась реконструкция. Завершена она была лишь в октябре 2020 года, после чего последовал период тестирования. Токамак подвергся многочисленным проверкам, и лишь в 2021 году его приняли в эксплуатацию.


В итоге проблемы разрушения плиток удалось избежать. А плазма теперь при сбросе понижает температуру с сотни млн C до всего 300 C.

В прошлом году британские физики начали работу над еще одним проектом токамаком STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).

Проект ITER продвигается к завершению



В прошлом году в исследовательском центре Кадараш во Франции стартовало строительство экспериментальной термоядерной установки ITER. Это масштабный проект, в котором принимают участие специалисты из самых разных стран, включая ЕС, Индию, Китай, Южную Корею, Россию, США и Японию.

Реактор представляет собой цилиндр диаметром 28 метров, высотой 29 метров и весом 23 000 тонн. Размещается система в железобетонном объекте с длиной 120 метров, шириной 80 метров и высотой 80 метров.

Несмотря на некоторые проблемы, проект постепенно продвигается к завершению. Через четыре года разработчики планируют получить первую плазму. В течение десяти лет ученые будут проводить эксперименты, подводя работу к главному результату получению управляемой термоядерной реакции.

Если все пройдет хорошо, то где-то в 2035 году появятся первые коммерческие реакторы DEMO.


Этим летом (т.е. 2021 г.) проводятся эксперименты с новой смесью для термоядерного реактора ITER. Речь идет о дейтерий-тритиевой смеси, которая будет использоваться в качестве основного топлива для реактора". Испытания смеси будут проходить в Великобритании на площадке JET (Joint European Torus Объединенный европейский токамак).


Этот реактор работающая модель ITER с размером в 1/10 от размера полномасштабной установки. Если все пройдет хорошо с JET значит, не должно быть проблем и с его старшим братом. Эксперименты JET позволят увидеть, как будет вести себя плазма и какие сложности могут возникнуть. В ходе испытаний ученые используют не более 60 гр трития при температуре плазмы в 150 млн К именно такая температура требуется для старта синтеза.

У JET весьма неплохие показатели отношение затраченной на разогрев плазмы энергии к полученной энергии составляет 0,67. Для того, чтобы получить коммерческую систему, этот коэффициент, Q, должен быть больше единицы. Для того, чтобы отбить затраты и стать экономически выгодным проектом, Q должен быть равным или превышать 25. Авторы проекта ITER считают, что его Q будет не менее 10.

EAST ставит рекорды


Как уже писали на Хабре, китайским ученым удалось побить рекорд корейцев по удержанию сверхгорячей плазмы. Команда термоядерного реактора EAST смогла добиться невиданных доселе результатов удержания плазмы с температурой 160 млн К в течение 20 секунд. Плазму с температурой в 120 млн К они удерживали 101 секунду. Это уже очень близко к порогу термоядерного синтеза речь идет не о долях секунды, а о десятках секунд.

Для того, чтобы началась реакция термоядерного синтеза в установке, плазму температурой в 150 млн К нужно удерживать около 300-400 секунд.


EAST тоже токамак, отличающийся от большинства похожих конструкций наличием полностью сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титановых проводников. При этом большой радиус камеры составляет всего 1,7 метра, то есть диаметр даже меньше, чем у британской установки, о которой говорилось выше 3,4 метра вместо 4. И проблем с разрушением вольфрамовых плиток, насколько можно судить, у китайцев нет.

Стелларатор W7-X


Кроме токамаков, есть и термоядерные установки с иной конфигурацией. Например, стеллараторы. Форма магнитной катушки таких установок как бы повторяет конфигурацию нагретой плазмы, что позволяет не бороться с плазмой, а просто использовать ее особенности.


Установка Wendelstein 7-X (W7-X) современный стелларатор, построенный по последнему слову термоядерных технологий. Конструкция стелларатора постепенно оптимизируется, в планах создателей обеспечить работу системы вплоть до 30 минут, что, конечно, гораздо лучше любых рекордов токамаков.

Wendelstein 7-X (W7-X) предназначен, в первую очередь, быть proof of concept, показав жизнеспособность конструкции получать энергию с его помощью не планируется. К сожалению, из-за пандемии эксперименты с системой отложены минимум на год. Работа возобновится не ранее следующего года.

Осторожный оптимизм


Несмотря на все эти успехи, все равно не стоит считать, что термояд уже у человечества в кармане. Предстоит решить еще очень много проблем, причем в будущем могут возникнуть новые.

Тем не менее, сейчас ученые достигли немалых успехов, изучением возможностей термоядерного синтеза заняты ученые многих стран. Это уже не парочка проектов, как пару десятков лет назад. При этом регулярно появляются новые системы как токамаки, так и альтернативы.

Китайская установка вселяет уверенность в том, что цели, которые ставят перед собой ученые, будут решены в ближайшем будущем. При этом есть надежда и на ITER с его дейтерий-тритиевым топливом.

Если W7-X покажет хорошие результаты кто знает, может, именно стеллараторы вырвут победу, а токамаки останутся позади.

В любом случае, термоядерный синтез привлек внимание не только ученых, но и правительств крупнейших государств мира. И вряд ли это внимание, интерес, ослабнут. Скорее наоборот будут лишь усиливаться.

Подробнее..

Как управлять потоками в ЛВС Цифровой Подстанции?

23.06.2020 14:06:23 | Автор: admin
Введение

Цифровая Подстанция это тренд в энергетике. Если Вы близки к теме, то наверняка слышали, что большой объем данных передается в виде multicast-потоков. Но знаете ли Вы, как этими multicast-потоками управлять? Какие инструменты управления потоками применяются? Что советует нормативная документация?

Всем, кому интересно разобраться в этой теме, welcome под кат!

Как данные передаются в сети и зачем управлять multicast-потоками?

Прежде чем переходить непосредственно к Цифровой Подстанции и нюансам построения ЛВС, предлагаю краткий ликбез по типам передачи данных и протоколам передачи данных для работы с multicast-потоками. Ликбез мы спрятали под спойлер.

Типы передачи данных
Типы траффика в ЛВС

Существует четыре типа передачи данных:
  • Broadcast широковещательная рассылка.
  • Unicast обмен сообщениями между двумя устройствами.
  • Multicast рассылка сообщений на определенную группу устройств.
  • Unknown Unicast широковещательная рассылка с целью найти одно устройство.

Чтобы не запутать карты, давайте, прежде чем переходить к multicast, кратко проговорим про другие три типа передачи данных.

Прежде всего, давайте вспомним, что внутри ЛВС адресация между устройствами выполняется на основе MAC-адресов. В любом передаваемом сообщении есть поля SRC MAC и DST MAC.

SRC MAC source MAC MAC-адрес отправителя.

DST MAC destination MAC MAC-адрес получателя.

Коммутатор на основании этих полей передает сообщения. Он смотрит DST MAC, находит его в своей таблице MAC-адресов и отправляет сообщение на тот порт, который указан в таблице. Также он смотрит и SRC MAC. Если такого MAC-адреса в таблице нет, то добавляется новая пара MAC-адрес порт.

Теперь давайте поговорим подробнее про типы передачи данных.

Unicast
Unicast это адресная передача сообщений между двумя устройствами. По сути, это передача данных точка-точка. Другими словами, два устройства для общения друг с другом всегда используют Unicast.


Передача Unicast-трафика

Broadcast
Broadcast это широковещательная рассылка. Т.е. рассылка, когда одно устройство отправляет сообщение всем остальным устройствам в сети.

Чтобы отправить широковещательное сообщение, отправитель в качестве DST MAC указывает адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF.


Передача Broadcast-трафика

Unknown Unicast
Unknown Unicast, на первый взгляд, очень похож на Broadcast. Но разница между ними есть сообщение рассылается всем участникам сети, но предназначено только одному устройству. Это как сообщение в торговом центре с просьбой перепарковать авто. Услышат это сообщение все, но откликнется только один.

Когда коммутатор принимает фрейм и не может найти Destination MAC из него в таблице MAC-адресов, то он просто рассылает это сообщение во все порты, кроме того, с которого принял его. На подобную рассылку ответит только одно устройство.


Передача Unknown Unicast-трафика

Multicast
Multicast это рассылка сообщения на группу устройств, которые хотят получать эти данные. Это очень похоже на вебинар. Он транслируется на весь Интернет, но подключаются к нему только те люди, которым данная тематика интересна.

Такая модель передачи данных называется Издатель Подписчик. Есть один Издатель, который отправляет данные и Подписчики, которые эти данные хотят получать подписываются на них.

При multicast-рассылке сообщение отправляется с реального устройства. В качестве Source MAC в фрейме указывается MAC отправителя. А вот в качестве Destination MAC виртуальный адрес.

Устройство должно подключиться к группе, чтобы получать данные из нее. Коммутатор перенаправляет информационные потоки между устройствами он запоминает, с каких портов данные передаются, и знает, на какие порты эти данные нужно отправлять.


Передача Multicast-трафика

Важный момент, что в качестве виртуальных групп чаще используются IP-адреса, но т.к. в разрезе данной статьи речь идет об энергетике, то мы будем говорить про MAC-адреса. В протоколах семейства МЭК 61850, которые используются для Цифровой Подстанции, разделение на группы производится на основе MAC-адресов

Краткий ликбез про MAC-адрес
MAC-адрес это 48-битное значение, которое уникально идентифицирует устройство. Он разбит на 6 октет. Первые три октета содержат информацию о производителе. 4, 5 и 6 октеты назначаются производителем и являются номером устройства.


Структура MAC-адреса

В первом октете восьмой бит отвечает за то, является ли данное сообщение unicast или multicast. Если восьмой бит равен 0, то данный MAC-адрес это адрес реального физического устройства.

А если восьмой бит равен 1, то этот MAC-адрес виртуальный. То есть, этот MAC-адрес принадлежит не реальному физическому устройству, а виртуальной группе.

Виртуальную группу можно сравнить с вышкой радиовещания. Радиокомпания транслирует на эту вышку какую-то музыку, а те, кому хочется ее послушать, настраивают приемники на нужную частоту.

Также, например, IP-видеокамера отправляет данные в виртуальную группу, а те устройства, которые хотят эти данные получать, подключаются к этой группе.

Восьмой бит первого октета MAC-адреса

Если на коммутаторе не включена поддержка multicast, то он будет multicast-поток воспринимать как широковещательную рассылку. Соответственно, если таких потоков будет много, то мы очень быстро забьем сеть мусорным трафиком.

В чем суть multicast?
Основная идея multicast с устройства отправляется только одна копия трафика. Коммутатор определяет, на каких портах находятся подписчики, и передает на них данные от отправителя. Тем самым, multicast позволяет значительно сократить данные, передаваемые через сеть.

Как это работает в реальной ЛВС?
Понятно, что недостаточно просто отправлять одну копию трафика на какой-то MAC-адрес, восьмой бит первого октета которого равен 1. Подписчики должны уметь подключаться к этой группе. А коммутаторы должны понимать, с каких портов данные приходят, и на какие порты их необходимо передавать. Только тогда multicast позволит оптимизировать сети и управлять потоками.

Для реализации этого функционала существуют multicast-протоколы. Наиболее распространенные:
  • IGMP.
  • PIM.

В рамках этой статьи мы по касательной расскажем про общий принцип действия этих протоколов.

IGMP
Коммутатор с поддержкой IGMP запоминает, на какой порт приходит multicast-поток. Подписчики должны отправить IMGP Join сообщение для подключения к группе. Коммутатор добавляет порт, с которого пришел IGMP Join, в список нисходящих интерфейсов и начинает передавать multicast-поток туда. Коммутатор постоянно посылает IGMP Query сообщения на нисходящие порты, чтобы проверить, нужно ли продолжать передавать данные. Если с порта пришло сообщение IGMP Leave или не было ответа на сообщение IGMP Query, то вещание на него прекращается.

PIM
У протокола PIM есть две реализации:
  • PIM DM.
  • PIM SM.

Протокол PIM DM действует от обратного, в сравнении с IGMP. Коммутатор изначально рассылает multicast-поток как широковещательный на все порты, кроме того, с которого он был получен. Затем отключает поток на тех портах, откуда пришли сообщения о том, что он не нужен.

PIM SM по принципу работы близко к IGMP.

Если очень грубо обобщить общий принцип работы multicast Издатель отправляет multicast-поток на определенную MAC-группу, подписчики отправляют запросы на подключение к этой группе, коммутаторы управляют данными потоками.

Почему мы настолько поверхностно прошлись по multicast? Давайте поговорим про специфику ЛВС Цифровой Подстанции, чтобы понять это.

Что такое Цифровая Подстанция и зачем там нужен multicast?

Прежде, чем заговорить про ЛВС Цифровой Подстанции, нужно разобраться, что такое Цифровая Подстанция. Потом ответить на вопросы:
  • Кто участвует в передаче данных?
  • Какие данные передаются в ЛВС?
  • Какая типовая архитектура ЛВС?

И уже после этого обсуждать multicast

Что такое Цифровая Подстанция?

Цифровая Подстанция это подстанция, все системы которой имеют очень высокий уровень автоматизации. Все вторичное и первичное оборудование такой подстанции ориентировано на цифровую передачу данных. Обмен данными выстраивается в соответствии с протоколами передачи, описанными в стандарте МЭК 61850.

Соответственно, в цифровом виде здесь передаются все данные:
  • Измерения.
  • Диагностическая информация.
  • Команды управления.

Этот тренд получил очень большое развитие в российской энергетике и сейчас повсеместно внедряется. В 2019 и 2020 году появилось очень много нормативных документов, регулирующих создание Цифровой Подстанции на всех этапах разработки. Например, СТО 34.01-21-004-2019 ПАО Россети определяет следующее определение и критерии ЦПС:

Определение:
Цифровая подстанция автоматизированная подстанция, оснащенная взаимодействующими в режиме единого времени цифровыми информационными и управляющими системами и функционирующая без присутствия постоянного дежурного персонала.

Критерии:
  • дистанционная наблюдаемость параметров и режимов работы оборудования и систем, необходимых для нормального функционирования без постоянного присутствия дежурного и обслуживающего эксплуатационного персонала;
  • обеспечение телеуправления оборудованием и системами для эксплуатации ПС без постоянного присутствия дежурного и обслуживающего эксплуатационного персонала;
  • высокий уровень автоматизации управления оборудованием и системами с применением интеллектуальных систем управления режимами работы оборудования и систем;
  • дистанционная управляемость всеми технологическими процессами в режиме единого времени;
  • цифровой обмен данными между всеми технологическими системами в едином формате;
  • интегрированность в систему управления электрической сетью и предприятием, а также обеспечение цифрового взаимодействия с соответствующими инфраструктурными организациями (со смежными объектами);
  • функциональная и информационная безопасность при цифровизации технологических процессов;
  • непрерывный мониторинг состояния основного технологического оборудования и систем в режиме онлайн с передачей необходимого объема цифровых данных, контролируемых параметров и сигналов.


Кто участвует в передаче данных?

В составе Цифровой Подстанции есть следующие системы:
  • Системы релейной защиты. Релейная защита это практически сердце Цифровой Подстанции. Терминалы релейной защиты из систем измерения берут значения тока и напряжения. На основе этих данных терминалы отрабатывают внутреннюю логику защит. Терминалы общаются между собой, чтобы передавать информацию о сработанных защитах, о положениях коммутационных аппаратов и т.д. Также терминалы отправляют информацию о произошедших событиях на сервер АСУ ТП. Итого, можно выделить несколько типов связи:
    Горизонтальная связь общение терминалов между собой.
    Вертикальная связь общение с сервером АСУ ТП.
    Измерения общение с измерительными устройствами.

  • Системы коммерческого учета электроэнергии.Системы коммерческого учета общаются только с измерительными устройствами.

  • Системы диспетчерского управления.С сервера АСУ ТП и с сервера коммерческого учета данные частично должны отправляться в диспетчерский пункт.

Это очень упрощенный перечень систем, которые обмениваются данными в составе Цифровой Подстанции. Если Вам интересно углубиться в эту тему глубже пишите в комментарии. Расскажем про это отдельно ;-)

Какие данные передаются в ЛВС?

Чтобы объединить описанные системы между собой и организовать горизонтальную и вертикальную связь, а также передачу измерений организуются шины. Пока давайте договоримся, что каждая шина это просто отдельная ЛВС на промышленных Ethernet-коммутаторах.


Структурная схема электроэнергетического объекта в соответствии с МЭК 61850

На структурной схеме изображены шины:
  • Мониторинг/Управления.
  • Передача сигналов РЗА.
  • Передача мгновенных значений напряжений и токов.

Терминалы релейной защиты участвуют и в горизонтальной и в вертикальной связи, а также используют измерения, поэтому они подключаются ко всем шинам.

Через шину Передача сигналов РЗА терминалы передают информацию между собой. Т.е. здесь реализована горизонтальная связь.

Через шину Передача мгновенных значений напряжений и токов реализована передача измерений. К этой шине подключаются устройства измерения трансформаторы тока и напряжения, а также терминалы релейной защиты.

Также к шине Передача мгновенных значений напряжений и токов подключается сервер АСКУЭ, который также забирает к себе измерения для учета.

А шина Мониторинг/Управление служит для вертикальной связи. Т.е. через нее терминалы отправляют на сервер АСУ ТП различные события, а также сервер посылает управляющие команды на терминалы.

С сервера АСУ ТП данные отправляются в диспетчерский пункт.

Какая типовая архитектура ЛВС?

Перейдем от абстрактной и достаточно условной структурной схемы к более приземленным и реальным вещам.

На схеме ниже изображена достаточно стандартная архитектура ЛВС для Цифровой Подстанции.

Архитектура Цифровой Подстанции

На подстанциях 6 кВ или 35 кВ сеть будет попроще, но если мы говорим про подстанции 110 кВ, 220 кВ и выше, а также про ЛВС электрических станций, то архитектура будет соответствовать изображенной.

Архитектура разбита на три уровня:
  • Уровень станции/подстанции.
  • Уровень присоединения.
  • Уровень процесса.

Уровень станции/подстанции включает в себя АРМы и сервера.

Уровень присоединения включает в себя все технологическое оборудование.

Уровень процесса включает в себя измерительное оборудование.

Также есть две шины для объединения уровней:
  • Шина станции/подстанции.
  • Шина процесса.

Шина станции/подстанции объединяет в себе функции шины Мониторинг/Управление и шины Передача сигналов РЗА. А шина процесса выполняет функции шины Передача мгновенных значений напряжения и тока.

Особенности передачи Multicast в Цифровой Подстанции

Какие данные передаются с помощью multicast?
Горизонтальная связь и передача измерений в рамках Цифровой Подстанции выполняется с помощью архитектуры Издатель-Подписчик. Т.е. терминалы релейной защиты используют multicast-потоки для обмена сообщениями между собой, а также измерения передаются с помощью multicast.

До цифровой подстанции в энергетике горизонтальная связь реализовывалась при помощи связи точка-точка между терминалами. В качестве интерфейса использовался либо медный, либо оптический кабель. Данные передавались по проприетарным протоколам.

К этой связи предъявлялись очень высокие требования, т.к. по этим каналам передавали сигналы срабатывания защит, положения коммутационных аппаратов и т.д. От этой информации зависел алгоритм оперативной блокировки терминалов.

В случае если данные будут передавать медленно или негарантированно, велика вероятность, что какой-то из терминалов не получит актуальной информации по текущей ситуации и может подать сигнал на отключение или включение коммутационного аппарата, когда на нем, например, будут проводиться какие-то работы. Или УРОВ не отработает вовремя и КЗ распространится на остальные части электрической схемы. Все это чревато большими денежными потерями и угрозой человеческой жизни.

Поэтому данные должны были передаваться:
  • Надежно.
  • Гарантированно.
  • Быстро.

Теперь вместо связи точка-точка используется шина станции/подстанции, т.е. ЛВС. А данные передаются с помощью протокола GOOSE, который описан стандартом МЭК 61850 (в МЭК 61850-8-1, если быть точнее).

GOOSE расшифровывается как General Object Oriented Substation Event, но эта расшифровка уже не очень актуальна и смысловой нагрузки не несет.

В рамках этого протокола, терминалы релейной защиты обмениваются GOOSE-сообщениями между собой.

Переход от связи точка-точка к ЛВС подхода не изменил. Данные по-прежнему необходимо передавать надежно, гарантированно и быстро. Поэтому для GOOSE-сообщений используется несколько непривычный механизм передачи данных. Про него чуть позже.

Измерения, как мы уже обсудили, также передаются с помощью multicast-потоков. В терминологии ЦПС эти потоки называются SV-потоками (Sampled Value).

SV-потоки это сообщения, содержащие определенный набор данных и передаваемые непрерывно с определенным периодом. Каждое сообщение содержит измерение в определенный момент времени. Измерения берутся с определенной частотой частотой дискретизации.

Частота дискретизации частота взятия отсчетов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации.


Частота дискретизации 80 выборок в секунду

Состав SV-потоков описан в МЭК61850-9-2 LE.

SV-потоки передаются через шину процесса.

Шина процесса коммуникационная сеть, обеспечивающая обмен данными между измерительными устройствами и устройствами уровня присоединения. Правила обмена данными (мгновенными значениями тока и напряжения) описаны в стандарте МЭК 61850-9-2 (на данный момент используется профиль МЭК 61850-9-2 LE).

SV-потоки, также как и GOOSE-сообщения, должны передаваться быстро. Если измерения будут передаваться медленно, то терминалы могут вовремя не получить значение тока или напряжения, необходимое для срабатывания защиты, и тогда короткое замыкание распространится на большую часть электрической сети и причинит большой ущерб.

Зачем необходим multicast?
Как упоминалось выше, для закрытия требований по передаче данных для горизонтальной связи, GOOSE передаются несколько непривычно.

Во-первых, они передаются на канальном уровне и имеют свой Ethertype 0x88b8. Это обеспечивает высокую скорость передачи данных.

Теперь необходимо закрыть требования гарантированности и надежности.

Очевидно, что для гарантированности необходимо понимать доставлено ли сообщение, но мы не можем организовать отправки подтверждений получения, как, например, это делается в TCP. Это значительно снизит скорость передачи данных.

Поэтому для передачи GOOSE используется архитектура Издатель-Подписчик.

Архитектура Издатель Подписчик

Устройство отправляет GOOSE-сообщение на шину, и подписчики получают это сообщение. Причем сообщение отправляется с постоянным временем T0. Если случается какое-то событие, то генерируется новое сообщение, в независимости от того, закончился предыдущий период Т0 или нет. Следующее сообщение с новыми данными генерируется через очень короткий промежуток времени, потом через чуть больший и так далее. В итоге время увеличивается до Т0.

Принцип передачи GOOSE-сообщений

Подписчик знает, от кого он получает сообщения, и если от кого-то не получил сообщение через время T0, то он генерирует сообщение об ошибке.

SV-потоки также передаются на канальном уровне, имеют свой Ethertype 0x88BA и передаются по модели Издатель Подписчик.

Нюансы multicast-передачи в Цифровой подстанции
Но в энергетическом multicastе есть свои нюансы.

Нюанс 1. Для GOOSE и SV определены свои multicast-группы
Для энергетического multicast используются свои группы для рассылки.

В телекоме для multicast-рассылки используется диапазон 224.0.0.0/4 (за редкими исключениями есть зарезервированные адреса). Но сам стандарт МЭК 61850 и корпоративный профиль МЭК 61850 от ПАО ФСК определяет собственные диапазоны multicast-рассылки.

Для SV-потоков: от 01-0C-CD-04-00-00 до 01-0C-CD-04-FF-FF.

Для GOOSE-сообщений: от 01-0C-CD-04-00-00 до 01-0C-CD-04-FF-FF.

Нюанс 2. Терминалы не используют протоколы multicast
Второй нюанс гораздо значительнее терминалы релейной защиты не поддерживают IGMP или PIM. Тогда как они работаю с multicast? Они просто ждут, когда на порт будет прислана нужная информация. Т.е. если они знают, что подписаны на определенный MAC-адрес, то принимают все приходящие фреймы, но обрабатывают только необходимые. Остальные просто отбрасывают.

Другими словами вся надежда возлагается на коммутаторы. Но как будет работать IGMP или PIM, если терминалы не будут посылать Join-сообщения? Ответ простой никак.

А SV-потоки это достаточно тяжелые данные. Один поток весит около 5 Мбит/с. И если все оставить как есть, то получится, что каждый поток будет передаваться широковещательно. Другими словами, мы потянем всего 20 потоков на одну 100 Мбит/с ЛВС. А количество SV-потоков на крупной подстанции измеряется сотнями.

Какой тогда выход?

Простой использовать старые проверенные VLAN.

Более того, IGMP в ЛВС Цифровой Подстанции может сыграть злую шутку, и наоборот ничего не будет работать. Ведь коммутаторы без запроса не начнут передавать потоки.

Поэтому можно выделить простое правило пусконаладки Сеть не работает? Disable IGMP!

Нормативная база

Но может быть все-таки можно как-то организовать ЛВС Цифровой Подстанции на основе multicast? Давайте попробуем обратиться теперь к нормативной документации по ЛВС. В частности я буду приводить выдержки из следующих СТО:
  • СТО 34.01-21-004-2019 ЦИФРОВОЙ ПИТАЮЩИЙ ЦЕНТР. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЦИФРОВХ ПОДСТАНЦИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 110-220 кВ И УЗЛОВХ ЦИФРОВХ ПОДСТАНЦИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 35 кВ.
  • СТО 34.01-6-005-2019 КОММУТАТОР ЭНЕРГООБЪЕКТОВ. Общие технические требования.
  • СТО 56947007-29.240.10.302-2020 Типовые технические требования к организации и производительности технологических ЛВС в АСУ ТП ПС ЕНЭС.

Давайте сначала посмотрим, что можно найти в этих СТО про multicast? Упоминание есть только в свежем СТО от ПАО ФСК ЕЭС. СТО просит при приемо-сдаточных испытаниях ЛВС проверить, корректно ли настроены VLAN, и проверить отсутствие multicast-трафика в непрописанных в рабочей документации портах коммутаторов.

Ну и еще СТО прописывает, что обслуживающий персонал должен знать, что такое multicast.

На этом все про multicast

Теперь давайте посмотрим, что можно найти в этих СТО про VLAN.

Здесь уже все три СТО сходятся в том, что коммутаторы должны поддерживать VLAN на основе IEEE 802.1Q.

СТО 34.01-21-004-2019 говорит о том, что VLANы должны использоваться для управления потоками, и при помощи VLAN трафик должен разделяться на РЗА, АСУТП, АИИС КУЭ, видеонаблюдение, связь и др.

СТО 56947007-29.240.10.302-2020, помимо этого, еще требует при проектирование подготовить карту распределения по VLAN. При этом СТО предлагает свои диапазоны IP-адресов и VLAN для оборудования ЦПС.

Также СТО приводит таблицу рекомендуемых приоритетов для разных VLAN.

Таблица рекомендуемых приоритетов VLAN из СТО 56947007-29.240.10.302-2020



С точки зрения управления потоками это все. Хотя в этих СТО есть еще много чего пообсуждать начиная с разнообразных архитектур и заканчивая настройками L3 мы это обязательно сделаем, но в следующий раз.

А сейчас давайте подведем итог по управлению потоками в ЛВС Цифровой Подстанции.

Заключение

В Цифровой Подстанции, несмотря на тот факт, что передается очень много multicast-потоков, по факту не применяются стандартные механизмы управления multicast-трафиком (IGMP, PIM). Это обусловлено тем, что конечные устройства не поддерживают какие-либо multicast-протоколы.

Для управления потоками используются старые добрые VLANы. При этом использование VLAN регламентировано нормативной документацией, которая предлагает достаточно проработанные рекомендации.

Полезные ссылки:
Обучающий курс Цифровая подстанция от Phoenix Contact.
Решения для ЦПС от Phoenix Contact.
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru