О переходе к безуглеродной энергетике на основе холодного ядерного синтеза
Доклад президента Французского общества ядерных исследований в конденсированных средах (SFSNMC) Жака Руэра «Может ли LENR изменить мир?» на 22-й международной конференции по ядерным исследованиям в конденсрованных средах (ICCF-22), 8−13 сентября 2019 года, Ассизи, Италия. Опубликован в Journal of Condensed Matter Nuclear Science. Experiments and Methods in Cold Fusion, Vol. 33, August 2020 (Proceedings of the ICCF 22 Conference, September 8−13, 2019, Assisi, Italy).
Аннотация
Мировое потребление энергии эквивалентно 13 865 млн тонн нефти (2018). 81% энергии обеспечивается ископаемым топливом. Производство энергии ежегодно выбрасывает в окружающую среду 34 гигатонны CO2, что приводит к изменению климата. В этой статье рассматривается потенциальный сценарий с источниками чистой энергии LENR, основанный на предположении, что новую энергию генерируют металлы.
По мере развития технологий стационарные водородные энергетические реакторы (ВЭР) будут вырабатывать тепло при различной температуре (100, 200 или 350°C). Потенциальное развитие LENR-энергетики анализируется с учетом различных вариантов поставки энергии от первичных источников энергии конечными промышленным и бытовым потребителями. Предполагается, что ВЭР заменяет все обычные источники, работающие при аналогичных уровнях температуры.
- Для обогрева можно использовать источники класса 100 °C. Соответствующий рынок — 700 ГВт.
- Источники класса 200 °C могут снабжать паром все производственные процессы. Рынок — 500 ГВт.
- Реакторы класса 350 °C могут вырабатывать электроэнергию на возобновляемых электростанциях. Рынок — 5200 ГВт.
- Если такие ВЭР будут вырабатывать дешевую электроэнергию, то в дальнейшем повышения рабочей температуры не потребуется. Водород можно получить путем электролиза воды. Будущее мобильное оборудование будет работать на водороде. Извлечение CO2 из атмосферы в сочетании с водородом позволяет производить синтетическое топливо для снабжения парка транспортных средств и самолетов с использованием существующих технологий. Согласно представленному сценарию, LENR в сочетании с возобновляемыми источниками энергии может в конечном итоге полностью устранить потребность в ископаемом топливе.
1. Введение
Человечество потребляет огромное количество энергии, 81% которой приходится на ископаемое топливо — уголь, нефть и природный газ [1]. Эти источники выделяют CO2 во время горения. На Рис. 1 показаны глобальные выбросы с 1870 по 2017 год [2]. За 2018 год при производстве энергии выброшено в атмосферу 34 Гт CO2, или 83% от общего объема выбросов в 41 Гт. Этот рисунок также показывает, как быстро глобальные выбросы увеличивались со временем.
Влияние парниковых газов на изменение климата в настоящее время хорошо изучено [3,4]. Безуглеродная энергетика, такая как ветровая и солнечная, в настоящее время развивается во многих странах. К сожалению, эти виды энергетики требуют разворачивания крупной инфраструктуры, а генерация энергии меняется в зависимости от времени суток и времени года. Электрическая сеть, в значительной степени зависящая от возобновляемых источников энергии, должна включать объекты для хранения энергии и специальную политику управления спросом со стороны потребителей. Это серьезное изменение по сравнению с нынешней ситуацией, когда клиенты могут потреблять энергию без ограничений, а производство энергии следует за потреблением.
Ядерная энергетика также безуглеродная, но она доступна только для ограниченного числа стран из-за высоких стандартов безопасности, проблем управления ядерными отходами и страха перед распространением ядерных технологий.
Главная проблема заключается в том, что большинство стран, потребляющих много энергии, не относятся к странам, богатым энергоресурсами. Это верно сегодня как для нефти, так и для газа. Ситуация принципиально не изменится, если завтра основными источниками энергии во всем мире станут солнечные фотоэлектрические системы. Эта проблема порождает большие диспропорции между различными регионами и ведет к геополитической напряженности и неопределенности [5].
Современная цивилизация не могла бы существовать без легкого доступа к энергии. Любое событие, которое влияет на стоимость энергии, может стать причиной спада мировой экономики. Наше общество сильно зависит от мобильности и крайне чувствительно к затратам на морские, наземные и воздушные перевозки. Отсутствие гибкости в стоимости энергии очень затрудняет введение политических стимулов для контроля её потребления.
С другой стороны, 850 млн человек во всем мире сегодня не имеют доступа к электричеству [5]. В будущем развивающиеся страны резко увеличат потребление энергии. Вследствие этого будет крайне сложно ограничить выбросы парниковых газов, если мировая энергетическая система не претерпит глубоких технологических изменений.
LENR может помочь принципиально изменить эту ситуацию [6,7]. Цель данной статьи — обсудить, как развитие прорывных источников энергии на основе LENR может повлиять на производство, преобразование и использование энергии в мире.
2. Мировое потребление энергии сегодня
Мировое потребление энергии в 2018 году составило 580×1018 Дж [1]. Такое большое число даже сложно осознать. Сегодня принято учитывать энергию, переводя её в количество нефти, которое требуется сжечь для получения такого же количества энергии. Это количество измеряется в метрических тоннах нефтяного эквивалента (1 тнэ = 41,87 ГДж (ГигаДжоулей)). Эта практическая единица используется в данной статье. Мировое потребление в 2018 году соответствует 13 865×106 тнэ, или 13 865 Мтнэ (Мегатонн нефтяного эквивалента). Поскольку вся эта энергия извлекается в различных формах из природы (в виде нефти, угля, урана, ветра и солнечного света), поэтому её называют первичной энергией [11].
Разные виды топлива выделяют разное количество CO2, как показано в Таблице 1 [12].
Таблица 1. Выбросы CO2 от различных горючих веществ [12].
Горючие
Выбросы CO2 (кг CO2 / тнэ)
Бурый уголь (Рейнланд)
4773
Дерево
4589
Уголь
3950
Нефть
3069
Газ
2349
Первичную энергию нельзя использовать напрямую. Она должна быть преобразована во вторичные виды энергии, с которыми легче обращаться. Например, уголь сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии. После транспортировки и распределения конечным потребителям используемые формы энергии называются конечной энергией. Преобразование предполагает некоторые потери, так что количество конечной энергии, доступной для потребителей, меньше первичной энергии. На Рис. 2 показана схема процессов преобразования первичных видов энергии во вторичные для 2018 года, в течении которого мировое конечное потребление энергии составило 9700 Мтнэ.
Например, уголь используется для производства электроэнергии с помощью паровых турбин, а нефтеперерабатывающие заводы превращают сырую нефть в топливо, пригодное для автомобилей или самолетов. Стрелки указывают основные технологические пути преобразования первичной энергии в конкретные пригодные для использования формы.
3. Применение LENR (MHE) в качестве коммерческого источника энергии
3.1. Источники энергии LENR
LENR создают теоретическую возможность получения беспрецедентных по своим характеристикам источников энергии:
- такие источники могут быть любого размера, включая небольшие устройства;
- большие энергоблоки могут быть получены путем объединения множества независимых реакторов;
- расход материалов очень мал, так как LENR-реакторы могут работать в течение длительного времени с одной загрузкой активных материалов;
- радиоактивное излучение практически отсутствует, поэтому реакторы изначально безопасны;
- при работе LENR-реакторов не образуются парниковые газы;
- списанные блоки могут быть легко переработаны, поскольку не содержат радиоактивных отходов.
На данный момент источники энергии LENR не могут быть выпущены на рынок, потому что все ещё невозможно инициировать реакцию контролируемым образом. Некоторые детали процессов, необходимых для активации материалов, до конца не изучены и не освоены. Однако в последнее время был достигнут прогресс, который указывает на достижимость полного успеха [8]. Поэтому пришло время подумать о возможных применениях этих новых источников энергии.
Далее мы рассмотрим конкретный тип реактора LENR, который активируется простым нагревом. Такие типы реакторов называются металл-водородными (MHE) [8]. Реакция протекает в специально приготовленных наночастицах, содержащих несколько металлов, например, никель и медь (Ni + Cu) или никель и палладий (Ni + Pd), и помещённых в атмосферу изотопов водорода при высокой температуре. Когда реактор нагревается, он начинает выделять тепло и может непрерывно работать в течение нескольких недель или месяцев. В более ранней статье описывается, как работать и управлять такими реакторами [9].
3.2. Допущения при прогнозировании
Любое прогностическое исследование должно основываться на некоторых предположениях. В данной статье мы рассматриваем следующий набор гипотез:
(1) реакторы MHE производят только тепло;
(2) качество тепла характеризуется его температурным уровнем (температурным классом);
(3) генерация тепла производится только на стационарных MHE-установках;
(4) расширение происходит постепенно по мере развития технологий;
(5) при совершенствовании технологии температура производства тепла увеличивается;
(6) в качестве гипотезы принимаются три прогрессивных уровня температуры:
(а) 100 °C;
(б) 200 °C;
(в) 350° С.
Этого последнего уровня достаточно для преобразования тепла MHE в электричество с приемлемой эффективностью цикла Карно. Для сравнения, ядерные реакторы также работают при 350 °C [10].
Можно было бы рассмотреть и другие гипотезы, например, о мобильных источниках энергии или реакторах, способных работать при гораздо более высоких температурах. Это привело бы к другим сценариям, совершенно отличным от здесь обсуждаемого.
Кроме того, предполагается, что стоимость энергии MHE будет дешевле, чем традиционная энергия, так что все сегменты рынка, технически доступные для данного класса установок, будут замещаться новым типом энергии. Единственное исключение сделано для сектора возобновляемых источников энергии, который будет продолжать расти. В некоторых конкретных случаях возобновляемая энергия будет самым простым и дешевым решением (например, солнечное нагревание воды в регионах с высокой солнечной инсоляцией). Возобновляемая энергетика также продолжит получать некоторую поддержку по политическим причинам.
Появление энергии MHE может иметь огромное влияние на мировой энергетический рынок. Революция будет развиваться постепенно. Предполагается, что заявки будут поступать поэтапно, в соответствии с температурным классом тепла, вырабатываемого реакторами MHE.
Анализ процессов преобразования первичной энергии в конечную показывает, какие области промышленности будут последовательно затронуты по мере того, как реакторы MHE достигнут предполагаемых уровней температуры.
Чтобы упростить анализ, предполагается, что общее потребление энергии остается неизменным в различных сценариях. Это статический анализ. Это чрезмерное упрощение, потому что внедрение MHE-реакторов в промышленность займет несколько лет, и в течение этого времени мировое потребление будет продолжать расти.
Следует подчеркнуть, что данное исследование не претендует на полноту и что все оценки, упомянутые ниже, имеют только ориентировочное значение. Наша цель — продемонстрировать смелость перемен.
3.3. Прямое использование MHE-источников тепла в промышленности
В первом промежуточном сценарии MHE-реактор вводится как источник тепла только в процессах, в которых тепло используется напрямую. Дальнейшее использование энергии MHE, например, за счет производимой электроэнергии, здесь не рассматривается, но обсуждается ниже.
3.3.1. 100-градусный класс MHE-реакторов
Эта относительно низкая температура. Её можно использовать для обогрева помещений и тепла для некоторых технологий. Небольшие нагреватели MHE можно устанавливать в домах и зданиях, большие — для централизованного теплоснабжения. В настоящее время такие системы отопления в значительной степени зависят от сжигания угля, нефти, газа и, в некоторой степени, древесины. Сжигание отходов также используется в системах централизованного теплоснабжения и останется, а применение солнечных систем будут расширяться.
Предполагается, что общее количество тепла, произведенного MHE-реакторами, составит 700 Mтнэ, вместо 300 Mтнэ угля, 300 Mтнэ газа и 100 Mтнэ нефти.
3.3.2. 200-градусный класс MHE-реакторов
Этого температурного уровня уже достаточно для питания котлов, вырабатывающих пар на многих перерабатывающих производствах, таких как бумажные фабрики, пищевая, химическая промышленность и другие технологические процессы, а также для паровых турбин в некоторых отраслях. Предполагается, что 1200 Мтнэ MHE-реакторов будет введено для выработки пара, вытесняя 500 Mтнэ угля, 500 Мтнэ газа и 200 Мтнэ нефти.
3.3.3. 350-градусный класс MHE-реакторов
Мы делаем оптимистическое предположение, что вся электроэнергия, производимая электростанциями, работающими на ископаемом топливе, будет вырабатываться паровыми турбинами MHE-реакторов. Если эта гипотеза сбудется, то все атомные электростанции и газовые турбины будут выведены из эксплуатации. Производство электроэнергии составляет значительную долю мирового потребления энергии. Предполагается, что будет введено 5200 Мтнэ, вместо 2030 Мтнэ угля, 1370 Мтнэ газа и 780 Мтнэ нефти.
В Табл. 2 сведены результаты этих прогностических сценариев. Сокращение выбросов CO2 будет более значительным, чем сокращение энергии, потому что уголь является первым топливом, которое будет удалено из энергобаланса.
На Рис. 3 показана глобальная блок-схема энергоснабжения после введения 7100 Мтнэ MHE-реакторов. Доля ископаемого топлива в первичной энергии падает до 6750 Мтнэ, или 35% от мирового потребления. Их использование ограничено процессами высокотемпературного горения, химией, наземным и воздушным транспортом.
Помимо сжигания, часть нефти, а также часть биомассы используются в качестве сырья на химических заводах для производства пластмасс, фармацевтических и пищевых продуктов и т.д. Мы предположили, что MHE не повлияет на эти виды использования углеводородов.
Мы полагаем, что возобновляемые источники энергии также будут развиваться вследствие существующей тенденции развития безуглеродной энергетики.
3.4. Использование MHE для полного преобразования глобальной блок-схемы энергетики
Если мы признаем допущение о низкой стоимости MHE (металл-водородной энергии), то на следующем этапе возможно её применение для производства водорода путем электролиза воды. Водород можно использовать как топливо для транспорта и длительного хранения энергии [13].
Табл. 2. Значение МТE в глобальном энергетическом балансе и её роль в снижении выбросов парниковых газов
Тепловой класс MHE-реакторов (◦C)
Основные сегменты энергетического рынка
Суммарная первичная энергия MHE (Мтнэ)
Ископаемое топливо первичная энергия (Мтнэ)
Суммарные выбросы энергетики в CO2-эквиваленте (Гт)
До начала внедрения
-
0
13 865
34
100
Отопление здания, районное отопление
700
13 150
(-5%)
31,9
(-6%)
200
Котлы, паровые процессы, бумажные фабрики, пищевая промышленность и т. д.
1900
11 950
(-13%)
28,3
(-16,8%)
350
Генерация электроэнергии
7100
6750
15,2
(-51%)
(-55,3%)
Синтетическое топливо может быть произведено путем взаимодействия H2 с CO2, извлеченным из атмосферы, как показано на рис. 4. Эти газы превращаются в жидкое или газообразное топливо посредством ряда химических реакций и процесса Фишера — Тропша [14]. Хотя эта технология не оправдана в современных экономических условиях, она уже изучена и разработана в нишевых приложениях [15,16].
Теперь возможно теоретически описать окончательный сценарий перехода к энергетике без использования ископаемого топлива.
Синтетическое топливо можно напрямую использовать в существующих транспортных средствах и авиационных двигателях без каких-либо новых технологий. Инфраструктура распределения топлива также будет сохранена. Это явное преимущество по сравнению с водородом, который сложно хранить на борту транспортных средств.
На Рис. 5 показана блок-схема, соответствующая окончательному сценарию. Производство водорода и синтетического топлива возможно только с потерей энергии. Количество первичной энергии MHE должно покрыть потери, чтобы глобальное потребление первичной энергии увеличилось до 23 250 Мтнэ, включая 19 900 Мтнэ плюс 2000 Mтнэ солнечной и ветровой энергии.
Энергетический переход будет включать прямое использование электричества для транспортных средств и промышленных процессов с использованием электричества.
Часть водорода будет использоваться непосредственно в химических и металлургических процессах, а также в качестве топлива для части парка транспортных средств.
4. Выводы
Потенциальные преимущества MHE очевидны. Это будут компактные источники энергии, доступные где угодно и когда угодно, с положительным влиянием на изменение климата.
Считая, что реакция ядерного синтеза в MHE-реакторах предполагает превращение водорода в гелий, то годовое теоретическое потребление водорода для покрытия производства всей первичной энергии, потребляемой человечеством, составило бы около 100 тонн, полученных путем электролиза 900 тонн воды. Если потребуется дейтерий, то его можно получить как побочный продукт производства водорода при электролизе воды. У этого ресурса практически нет предела.
Проникновение новой энергетики в промышленный сектор займет некоторое время, основными ограничивающими факторами будет производство реакторов и модификация инфраструктуры. Вероятный путь развития, вероятно, будет аналогичен всем прорывным технологиям:
- первые приложения будут размещены в основных сегментах рынка, где новая энергетика принесет заметную добавленную стоимость;
- технология будет улучшаться по мере роста общей установленной мощности, будут спроектированы новые реакторы;
- рабочая температура повысится, что даст выход на новые рынки.
История энергетики показывает, что каждый раз, когда вы удваиваете совокупную установленную мощность данной технологии, стоимость новой установки снижается на 20%. На Рис. 6 показаны кривые освоения для нескольких типов энергии [17]. Вероятно, что развитие источников MHE будет подчиняться аналогичному закону.
1. BP Statistical Review of World Energy, 68th Edition (2019).
2. Le Quéré, Global Carbon Budget (2018), ,
3. IPCC Climate Change 2014, Synthesis Report Summary for Policymakers, https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/AR5_SYR_FINAL_SPM.pdf.
4. J. Butler, The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI), Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division Website, 2019.
5. IEA, World Energy Outlook, 2019.
6. Carl Page, Anthropocene Institute, PageC_NuclearSolution_2019ColloquiumMIT.pdf.
7. Poponi, Daniele and Come Carpentier de Gourdon, Breakthrough energy technologies in the twenty-first century: economic and geopolitical implications, World Affairs: J. Int. Issues17(2) (2013) 142−173.
8. A. Kitamura, Excess heat evolution from nanocomposite samples under exposure to hydrogen isotope gases, Int. J. Hydrogen Energy 43 (2018) 16 187−16 200.
9. J. Ruer, Basic design considerations for industrial LENR reactors, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 22 (2017) 7−26.
10. Pressurized Water Reactor, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Pressurized_water_reactor.
11. Primary and secondary energy, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Primary_energy.
12. Erneuerbare Energien und Klimaschutz, https://www.volker-quaschning.de.
13. Shell hydrogen study, Energy of the future? (2017), www.shell.com.
14. Fisher, Tropsch Process, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Fischer-Tropsch_process.
15. Carbon Engineering, https://carbonengineering.com.
16. Climeworks, https://www.climeworks.com/our-customers/energy-fuels-and-materials/.
17. Silvana Mima, European Commission, POLES model, 2003.