Энергетика будущего

Энергия и возможность её производить — это одна из ключевых опор любой страны в любой точке мира. Энергия требуется каждую секунду: для производства и подачи электричества, для движения любых машин, для отопления. От энергии зависит в прямом смысле каждая сфера нашей жизни. 

Где брать энергию? За какими технологиями будущее — за возобновляемыми или невозобновляемыми источниками энергии? Где взять энергию для дата-центров, которые из-за всё большего внедрения искусственного интеллекта начинают потреблять гигантские количества энергии? Можно ли придумать что-то новое в сфере энергетики? Рассказываем в нашей статье. 

Немного о проблемах

Энергетика, несомненно, играет огромную роль в жизни каждого человека и развитии мировой экономики. Растёт численность населения, повышается благосостояние граждан, наращивается производство товаров — и всё это имеет следствием увеличение потребности в электричестве. 

С одной стороны, рост производства и потребления энергии — ключевое условие экономического развития, а вот с другой — это однозначный рост нагрузки на окружающую среду и риск дефицита энергетических ресурсов.

О разработке возобновляемых источников энергии — использовании ветра, солнца и воды — говорят уже не первый год и не первое десятилетие. Постепенно эти источники вводятся в эксплуатацию, и кажется, что энергетические вопросы вполне могут решиться. Однако последние годы нарастает одна не вполне и не каждому очевидная проблема — это, как ни странно, цифровизация всего на свете. 

ЦОД

Вычислительная техника в лице компьютеров, смартфонов и ноутбуков уже прочно вошла в нашу жизнь. Мы уже давно привыкли к облачным сервисам. И с огромной скоростью последние несколько лет в нашу реальность интегрируется ИИ — искусственный интеллект.

Казалось бы, при чём здесь энергия? В энергосистеме отдельной квартиры основное потребление электричества приходится скорее на стиральные машины, посудомойки и вытяжки — компьютер «ест» очень мало. Проблема, однако же, заключается не в том, что огромное количество персональных и рабочих устройств подключены к сети. Проблема — в обработке данных. 

Для работы облачных сервисов и ИИ существуют так называемые ЦОДы — центры обработки данных. Ещё в «вегетарианском» в этом плане 2020 году все дата-центры мира потребляли энергии столько же, сколько Россия — страна, мягко говоря, не бедная в плане производства и потребления энергии. 

Как появился искусственный интеллект и может ли машина мыслить на самом деле? Рассказываем в статье «Развитие искусственного интеллекта»

В это же самое время гиганты Microsoft, Google и Amazon вовсю планируют создание супер-ЦОДов: только лишь Amazon Web Services планирует в ближайшее время дата-центр на 940 МВт. По оценкам одного из крупнейших инвестиционных банков Goldman Sachs к 2030 году спрос на электроэнергию в США вырастет на 160%, где 8% потребления будет приходиться на центры обработки данных.

Энергопереход

В общем, дело ясное, что нужда в электричестве, а вместе с ним и в тепле, будет только расти. Откуда же её брать? Наверное, об этом неплохо должны знать предки — ведь человечество не раз уже переживало скачки своих собственных требований к количеству необходимой для жизни общества энергии. 

Действительно, существует понятие энергоперехода — значительного структурного изменения в энергетической системе, когда доля новых источников становится значительно выше доли старых и постепенно почти что вытесняет последние. 

Первый энергопереход в истории человечества длился очень и очень долго: биотопливо было с нами практически всё время существования людей. Прежде всего ими являлись дрова и каменный уголь, который исторически был одним из первых источников тепла и энергии.

Однако в процессе промышленной революции — то есть перехода от ручного труда к машинному, требующему больше энергии — уголь начали добывать в огромных количествах, и люди стали задумываться о том, чем бы его заменить (даже в XVIII–XIX веках было ясно, что уголь не очень хорошо влияет на человека и окружающую его среду).

Так со временем на арене появилась нефть и второй энергопереход, когда с 1915 по 1975 год её доля в энергопотреблении выросла с 3 % до 45 %; так с расширением использования газа появился третий энергопереход. 

И вот мы находимся в точке четвёртого энергоперехода, когда нам достаточно срочно нужно понять, откуда брать тепло и электричество для обеспечения всего функционирования нашего общества, которое всё более и более усложняется по своей структуре.

Возобновляемые или невозобновляемые источники? 

Дискуссии о возобновляемых и невозобновляемых источниках энергии по своей страсти и накалу могут сравниться со спорами о пользе и вреде мясных продуктов, о преимуществах капитализма и социализма и другими животрепещущими темами. Возобновляемая энергия при этом почитается «чистой», а невозобновляемая в лице нефти, газа и угля — «грязной», и речь очень редко идёт об эффективности тех или иных источников. 

Климатический кризис — это одна из самых «горячих» тем современности. Рассказываем о нём в одноимённой статье «Климатический кризис»

Сложно поспорить с тем, что добыча нефти не слишком-то безопасна для природы: все мы как минимум знаем о разливах нефти, перевозимой на танкерах. Однако не стоит забывать, что добыча — это процесс, а процесс всегда можно перестроить или отладить. К примеру, сейчас уже разработаны катализаторы на основе никеля, которые позволяют переработку нефти в пласте — без лишней нагрузки на природу.

У возобновляемых источников энергии тоже есть свои проблемы. Казалось бы, какие? Ветер, солнце и вода — неотъемлемые части нашего мира, как они могут повредить? Проблема их использования — в материалах, из которых изготавливают носители этой энергии. Солнце ближайшие миллионы лет не закончится, а вот батареи, которые концентрируют его энергию — вполне. А в батареях есть, например, кобальт — и он не только конечен, но ещё и вдобавок отравляет окружающую среду при своём захоронении почище нефти. 

Что же делать? Решение может показаться странным — особенно после просмотра какого-нибудь сериала «Чернобыль» или фильма «Девять дней одного года». Да, это она — атомная энергетика. 

Мирный атом

Атом — это источник чистой и безопасной энергии. Вернее, не атом — а энергия, вырабатывающаяся во время управляемой цепной реакции деления. Ядерное топливо чрезвычайно энергоёмко, но сложно в применении. Это, а также потенциальная огромная опасность такого вида энергии, накладывает на применение мирного атома свои ограничения: персонал, имеющий дело с ядерным топливом, должен быть максимально квалифицированным. 

В основном сейчас используется урановое топливо, хотя в теории возможно применение ториевого и плутониевого — последние два варианта мало разрабатываются из-за того, что урана на планете ещё масса, а эти способы отличаются ещё более сложной химией процесса их получения.

Одна «таблетка» уранового топлива для АЭС весом в 4,5 грамма даёт 10¹⁰ джоулей тепловой энергии. Для сравнения, знаменитый кратер Маникуаган в Квебеке, образовавшийся от столкновения астероида с юной Землёй, принял на себя удар с энергией в 10²³ джоулей. Да, разница в 13 степеней; но одно дело огромнейшее небесное тело, и другое дело — практически невесомая таблетка.

Предположим (силой воображения), что человечество научилось строить абсолютно безопасные атомные станции. Но ведь и в этом не будет решения проблемы — можно подумать в этот момент; ведь уран всё-таки тоже конечен, как и нефть, и газ… Да, но нет. 

Проблема с нефтью и газом в том, что учёные относительно поняли, как эти источники энергии образовались на Земле — но воспроизвести эти условия и «перемотать» все миллионы лет, сколько формировались эти смеси углеводородов, не представляется никакой возможности. В случае же атома есть так называемый замкнутый ядерный цикл.

Концепция этого цикла — это повторное использование топлива для ядерных реакторов. Топливо можно перерабатывать и использовать, по сути, бесконечное количество раз.

В замкнутом ядерном цикле отработавшее ядерное топливо — против захоронения которого очень часто выступают разнообразные активисты — перерабатывают, возвращая в цикл не выгоревший уран-235, почти всю массу урана-238 и изотопы плутония, которые автоматически появляются при работе ядерного реактора. По итогу с одной стороны появляется новый запас топлива, а с другой стороны — активность отходов, которые требуется всё-таки окончательно захоронить, минимизируется.  

Замкнутый ядерный топливный цикл — это действительно «философский камень» современной энергетики. Промышленная реализация этого процесса ещё далека — однако, например, в Северске в 2022 году всё-таки запустили реактор на быстрых нейтронах, который впервые в мире спокойно и безаварийно проработал год на практически полной загрузке уран-плутониевым МОКС-топливом. МОКС-топливо (сокращение от английского mixed-oxide fuel) как раз состоит из продуктов, остающихся от работы классических атомных станций и отходов производств по обогащению урана. 

Так что, скорее всего, без энергии наши потомки не останутся. Не останутся они и без ценного источника личной энергии — истории своей семьи — если вы запишете её в Цифровой капсуле времени. Этот современный инструмент позволяет записывать всё: и видео, и фотографии, и тексты, а также систематизировать их. На консультации «Первый шаг» мы расскажем вам, как пользоваться этой платформой — переходите по ссылке и записывайтесь!