http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=87f992a3-530b-460d-92cd-2dc895779f30&print=1© 2024 Российская академия наук
Большое интервью с лауреатом «Глобальной энергии — 2018», теплофизиком Сергеем Алексеенко
Одним из лауреатов международной премии «Глобальная энергия» в этом году стал академик РАН, экс-директор Института теплофизики СО РАН Сергей Алексеенко (опередивший десяток других финалистов, в том числе Илона Маска). Ученый рассказал корреспонденту «Чердака» о том, как получать энергию из земли, какое физическое явление привело к аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и как теплофизика связана с астрономией и космической погодой.
— Сергей Владимирович, вы стали лауреатом премии «Глобальная энергия». Поздравляю!
— Спасибо! Это было неожиданным, несмотря на то что я, по-моему, в пятый раз попадаю в шорт-лист. Мне даже уже показалось, что мое время прошло. Я считаю, что это очень престижная премия, я очень высоко это ценю.
— Эту премию вам вручили по сумме заслуг?
— Я представляю академическую науку. В отличие от крупных компаний, которые доводят разработки до коммерческого продукта, мы занимаемся фундаментальными основами технологий. Я действительно получаю награду по совокупности работ. Мы работаем фактически по всем направлениям энергетических технологий. Это и теплоэнергетика на органическом топливе, и возобновляемые источники энергии, причем почти все виды — солнце, ветер, геотермальное тепло, горючие отходы, ГЭС, накопители энергии и энергосбережение. Почему так много направлений? Дело в том, что главная фундаментальная дисциплина, которая обеспечивает энергетику необходимыми исследованиями, это теплофизика, которую я и представляю.
— И как вы оцениваете перспективы развития энергетики, какие виды важно развивать?
— Если говорить о перспективах развития энергетики, то можно говорить о ближайшей перспективе в несколько десятков лет и дальней — это около полсотни лет и более.
Ближайшая перспектива — это, несомненно, повышение эффективности использования органического топлива. Это понятно, ведь Россия занимает ведущее место по добыче и потреблению органического топлива, нужны новые, более энергоэффективные, экологичные и безопасные технологии, например водоугольное топливо или глубокая переработка угля, прежде всего газификация.
Более дальняя перспектива — это конечно же возобновляемые источники энергии. Но заниматься ими надо уже сегодня, иначе мы отстанем навсегда. Здесь я вижу такие важные направления, как солнечная энергетика и — для многих это звучит удивительно — геотермальная энергетика, которая основывается на тепле горячих подземных вод. Но прогнозируется постепенный переход на петротермальную энергетику. Она использует тепло сухих пород на глубинах от 3 до 10 км. Там температура достигает 350 градусов Цельсия, и, по оценкам, это неисчерпаемый источник тепла. По крайней мере, его хватит на все время существования человечества с учетом конечного времени жизни развитых цивилизаций. Еще один важный компонент, который надо развивать, и мы этим тоже занимаемся, это хранение энергии, потому что все возобновляемые источники, кроме геотермальных, временного действия. По всем этим направлениями мы работаем, у нас уже есть немало существенных достижений.
— Расскажите поподробнее, что за петротермальная энергетика: как получать такую энергию, насколько это развито?
— Петротермальная энергетика для меня сейчас — самая интересная тема, она весьма наукоемкая. В остальных областях традиционной энергетики имеют место больше инженерные вопросы.
Если вернуться к истории, Россия была первой в разработке идей петроэнергетики: еще Циолковский предложил добывать петротермальное тепло в 1897 году. Он даже нарисовал схемы. Надо, чтобы были проницаемые породы.
Бурятся две скважины глубиной примерно четыре километра. По одной подается холодная вода, а по второй скважине извлекается нагретая вода, с температурой в 120 градусов, которую можно использовать или для отопления, или генерировать электричество.
Позже академик Владимир Обручев предложил уже конкретные технологические схемы. Впервые такая схема была реализована в Париже в 1963 году. Там оказались естественные проницаемые породы. В результате удалось добывать 450 МВт тепловой мощности, которой достаточно для отопления более 150 тысяч квартир.
А на самом деле днем рождения петроэнергетики можно считать 1970 год, когда в Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили способ создания искусственной проницаемости путем гидроразрыва за счет высокого давления. Проблема в том, что можно пробурить скважину и натолкнуться на базальтовые породы, в которых путем гидроразрыва могла образоваться всего лишь одна или несколько трещин с зазором в миллиметр. Много воды так не прокачаешь. Уже позднее придумали улучшенную геотермальную систему (enhanced geothermal system), для формирования которой используются разные методы стимулирования естественных дефектов пород, чтобы получить микрополости, — вибрацию, термические способы. Потом туда добавляют пропант, расклинивающий агент, типа песчинок, которые фиксируют эти дефекты. И получается проницаемый резервуар.
На сегодня создано около 20 таких улучшенных геотермальных систем. Больше всего в Америке — пять опытных установок. Еще этим занимаются Австралия, Франция, Англия и Япония. Техническая возможность получения петротермальной энергии доказана. Максимальная глубина — 5,1 км. В США уже есть первая коммерческая станция — всего 1,3 МВт, но она отдает энергию в систему.
Конечно, США повезло: весь Дикий Запад — это горячие породы. Но они и пошли правильным путем, я предлагаю нам по такому же пути идти.
За счет средств департамента энергетики был выполнен интеграционный проект. Для этого были приглашены около двух десятков лучших специалистов по геотермальной энергетике со всего мира. Они за полтора года провели полный анализ состояния геотермальных ресурсов США. Было установлено, что разведанных, технически доступных запасов геотермальной энергии в США хватит на 50 тысяч лет при том же самом энергопотреблении.
Официальный план департамента энергетики США — к 2030 году добиться себестоимости 6 центов за киловатт-час, а к 2050 году по плану установленная мощность генерации электроэнергии за счет петротермальных источников составит 100 ГВт, или 10% всей мощности Америки. Это очень много. Если сравнить с Россией, то это эквивалентно 40%. Представьте, что почти половину электрической мощности дает глубинное тепло. И это уже не фантастика, это реальные технологии.
— А сколько стоит сделать такую петротермальную станцию в России?
— Если говорить о строительстве петротермальных станций в России, то, по нашим оценкам, можно начать с 25 МВт — это обеспечит энергией нормальный поселок, даже район города. Мы предлагаем сделать опытную станцию и отработать основные варианты.
В целом особенности петротермальной энергетики таковы. Пробурить 10 км — это примерно 2 миллиарда рублей. Чтобы извлечь тепло, нужны две скважины: по одной подается холодная вода, по другой, если есть проницаемые породы, выходит горячий пар. Но для этого надо попасть в резервуар с проницаемыми породами. Если вы промахнетесь, то 4 миллиарда на ветер. Поэтому это наукоемкая задача: необходимо развивать геофизические методы диагностики и разведки, разрабатывать новые, дешевые способы бурения. Cейчас до 60% капзатрат на петротермальную установку — это бурение. Другая принципиальная задача связана с созданием проницаемых резервуаров. Иногда они бывают естественные, но обычно — нет.
— В России такие резервуары есть?
— По России данных почти нет, только по Северному Кавказу. Там действительно есть проницаемые породы на глубинах около двух километров типа трещиноватых известняков. Я только что разговаривал с профессором Алхасовым, директором единственного института в России геотермального профиля — Института проблем геотермии РАН. Совершенно разумно создание полигона в Дагестане по геотермии. Это их предложение. Я согласен. Небольшой полигон у них уже есть.
Часто задачу развития петротермальной энергетики сравнивают по масштабу с освоением термояда.
Но у термояда больше концептуальные, физические проблемы. А здесь преобладают проблемы прикладного научного и инженерного характера. Для практических целей первоочередной задачей следует считать развитие гидрогеотермальной энергетики, то есть использование горячей геотермальной воды. Но она не настолько горячая, чтобы использовать обычные тепловые станции. При 90 градусах она даже кипеть не будет. Как из такой воды получить электричество? Способ есть — бинарные циклы. По первому контуру циркулирует геотермальная вода, а по второму — низкокипящий теплоноситель, например фреоны или изопентан, изобутан, которые и приводят в действие турбину. Их температура кипения варьируется в широком диапазоне. Но здесь свои проблемы, не до конца решенные. Так, требуется специальная турбина для каждого теплоносителя. А всего насчитывается несколько сотен потенциальных рабочих тел для бинарных циклов. Правильный выбор будет зависеть от температуры и множества условий.
Я хочу напомнить, что Институт теплофизики СО РАН первым в мире в 1970 году запустил такой бинарный цикл на Камчатке — Паратунская ГеоЭС. Электроэнергия производилась на оригинальной фреоновой турбине мощностью 815 кВт при температуре геотермальной воды всего лишь 80 градусов. Но потом эту станцию закрыли. Во всем мире сейчас эксплуатируется около двух тысяч бинарных установок. Все ссылаются на опыт Института теплофизики, а в России нет ни одного такого цикла. Я считаю, что это недопустимая ситуация. Поэтому одной из главных целей сегодня следует считать разработку бинарных установок. Чрезвычайно важно отметить, что бинарные циклы играют ключевую роль и в энергосбережении. Из 2000 действующих в мире бинарных установок около половины применяется для решения задач энергосбережения. Имеется в виду, что генерация электричества осуществляется не только от горячей геотермальной воды, но и от сбросного тепла предприятий и жилого сектора. А если сбросное тепло низкопотенциальное, то есть температура ниже, скажем, 50 градусов Цельсия, то целесообразно использовать тепловой насос, чтобы повысить температуру до уровня 100 градусов и пустить сбросную воду на теплоснабжение. Здесь кроется громадный потенциал энергосбережения. А Институт теплофизики сегодня — единственный разработчик тепловых насосов в России. Отметим, что, даже если вода имеет всего 7 градусов (естественные водоемы или неглубокие скважины), из нее «забирают» два градуса и получают тепло с большим экономическим эффектом, чем при сжигании топлива.
— А кроме Камчатки и Кавказа у нас еще есть где-то гидрогеотермальные ресурсы? Кроме того, на Камчатке мы можем получить много энергии. А там есть, куда ее потратить? Ее же придется транспортировать.
— У нас есть два вида геотермальной энергии. Во-первых, это приповерхностное тепло горячей воды. Таких запасов мало, и вода не очень горячая — чаще всего меньше 100 градусов. Поэтому требуются особые технологии. Во-вторых, есть глубинное тепло, про которое я уже говорил, — это температуры до 350 градусов.
Гидротермальных источников у нас немного: это Камчатка, там очень горячая вода, и Кавказ. Есть в районе Байкала. Есть не сильно горячая, но почти на всей территории Западной Сибири. Скажем, в Новосибирской области температура подземных вод достигает 39 градусов. Если поставить тепловой насос, можно поднять температуру до уровня теплофикации. В Томской области вода с температурой до 85 градусов, ее уже можно использовать для генерации электроэнергии. Наша установка на Камчатке работала от 80 градусов. Понятно, что термодинамический КПД низкий — 8—10% в сравнении с 35—40% в теплоэнергетике, но это бесплатный источник энергии.
Камчатка, Мутновская геотермальная станция. Фото: Alexander Piragis / Фотодом / Shutterstock
Конечно, возникает вопрос, нужно ли на Камчатке столько энергии. Там запасов тепла больше, чем нужно для их потребления, поэтому излишки извлекаемой энергии нужно транспортировать. Это проблема, которую надо решать.
А если говорить о петротермальной энергетике, то бурить можно в любом месте. Понятно, что где-то теплые породы и вода залегают близко к поверхности, как в Исландии (сверхкритическая вода с высокими параметрами уже на уровне до 5 км), а где-то очень глубоко. Если будет дешевым бурение, то можно реально бурить везде и добывать геотермальную энергию даже в Арктике.
— Вы упомянули, что в ближайшей перспективе надо повысить эффективность использования органического топлива. Как это сделать?
— Чтобы повысить энергоэффективность, требуется существенно улучшать знания о процессах горения топлива и генерации пара, а также об аэродинамических процессах в котельных агрегатах. Например, в атомных электростанциях главная проблема безопасности заключается в появлении так называемых сухих пятен, когда в парогенерирующем канале осушается пленка жидкости. В местах образования сухих пятен резко ухудшается теплоотдача и происходит перегрев, который приводит к аварийной ситуации. То же самое происходит, когда у вас из кастрюли «убегает» молоко, — пустая кастрюля расплавится. Поэтому формирование сухих пятен в пленках жидкости — принципиально важный вопрос. Эта одна из главных задач, над которыми я работаю. Процессами тепломассопереноса в волновых пленках жидкости я занимался со студенчества. На пленке жидкости всегда есть волны. Это хорошо видно, когда она стекает по стеклу. Там формируются впечатляющие волновые картины. Мы впервые в полной мере вскрыли механизмы нелинейных волновых явлений, которые оказывают определяющее влияние на теплообмен и образование сухих пятен.
Кроме того, в парогенерирующем канале, когда движется и жидкость, и пар, наблюдается другое важное явление — срыв капель. А он может привести как к осушению канала, так и к эрозии лопаток турбин или коррозии металла в оборудовании в соответствующих трактах электрической станции. Все эти процессы совершенно недопустимы в промышленных условиях. Мы смогли впервые описать ряд подобных явлений теоретически и экспериментально, используя новые экспериментальные методы, разработанные в Институте теплофизики, в частности полевые измерители скорости. Это пример того, как фундаментальное исследование, которое само по себе очень важно, потому что мы выявляем природу фундаментальных процессов и явлений, находит прямое приложение к энергетике.
— А свои технологии вы разрабатываете?
— Множество, целый ряд инновационных работ. Например, для малой энергетики предложена и доведена до промышленной стадии оригинальная технология приготовления и сжигания водоугольного топлива. То есть сжигается не просто уголь, а вместе с водой. Это вязкая суспензия, там 65% угля, остальное — вода с небольшой добавкой пластификатора с целью снижения вязкости и скорости оседания твердых частиц. Суспензия может храниться без расслоения в течение месяца. Основная идея была не перевозить уголь по железной дороге, а гнать по трубе на станцию. Смесь должна была насосами гнаться на станцию и сразу же подаваться в горелку. Процесс непрерывный, уголь перегружать не нужно.
И первый трубопровод в России даже был построен. Он соединил Белово (Новосибирская область) и Новосибирск, длина 262 км. И ТЭЦ-5 в Новосибирске специально была спроектирована под водоугольное топливо. Но наступила перестройка, не хватило средств для доработки технологии. Сейчас там уже нет трубопровода, трубы выкопали.
Но там поработали китайцы, они учли этот опыт и запустили у себя, адаптировав стандартные котлы. Сейчас они изготавливают 15 млн тонн водоугольного топлива в год.
Мы недавно доработали эту технологию и довели до коммерческого образца. Один котел небольшой, на 1 МВт, в Кемерово сделали за счет личных средств. Он прекрасно работает в экспериментальном режиме на отходах углеобогащения. А отходы углеобогащения, которых скопилось гигантское количество, — это глобальная проблема для угольной промышленности во всем мире: что делать с такими отходами? Зато эти отходы прекрасно сжигаются с использованием разработанных нами оригинальных горелок: там используется эффект Коанда, кумулятивный эффект и формирование тороидальных вихрей. Форсунка не имеет износа, поскольку поток разделен на две части. Водоугольная смесь движется с пренебрежимо малой скоростью по центральной части, а по кольцевому каналу подается воздух со скоростью более 300 м/с. Смешение абразивной смеси с высокоскоростным потоком воздуха происходит вне горелки, поэтому в такой конфигурации нечему истираться.
Второй котел, уже на 10 МВт, сделали на озере Ханка на Дальнем Востоке при поддержке бизнеса. Он полностью спроектирован как базовый котел для малой энергетики. В ближайшее время ожидаются пусконаладочные работы и тестовые испытания, после чего будут даны рекомендации по серийному выпуску.
Выгоды применения водоугольного топлива вместо исходного угля в первую очередь связаны с экологией. Но главное — возможность сжигать отходы углеобогащения и низкокачественные угли.
Есть еще глобальное будущее преимущество. Известно, что основная идея, как в будущем использовать уголь, заключается в глубокой переработке угля, прежде всего газификации, то есть неполном сжигании с получением горючего синтез-газа. Но поскольку газификация происходит при наличии воды, то здесь мы набираем опыт работы с водоугольной смесью. При переходе на другой режим горения можно организовать и процесс газификации.
— А если вернуться к перспективам развития энергетики. Вы сказали про хранение энергии. В этой области вы ведете работу?
— Да. Наш новый топливный элемент на алюминии — самый яркий пример. Это совместный проект с Объединенным институтом высоких температур РАН. Известный академик М.Е. Шейндлин был руководителем проекта по алюминию. А мы нашли там свою нишу. Мы решили заняться воздушными алюминиевыми топливными элементами и разработали портативный источник энергии. Даже целую линейку в диапазоне от 10 до 200 Вт. Окислитель — воздух, а источник энергии — алюминий. Алюминий окисляется, происходит электрохимическая реакция. И одновременно алюминий является анодом. То есть нужен еще только катод. А его мы изготовили из углеродных нанотрубок, которые также производятся в Институте теплофизики. Вот и весь топливный элемент.
— Сколько он служит, сколько у него циклов?
— Проблема в том, что алюминий окисляется — получается осадок из гидроокиси алюминия. Поэтому — только десятки часов. Но зато кусок алюминия взяли, вставили в корпус топливного элемента, и где угодно он будет работать, даже в условиях Арктики.
— А еще над чем вы в последнее время работаете?
— Еще крайне интересное направление, которым мы в последнее время занимаемся, это вихревые технологии в энергетике. Вихри — это естественное состояние движения любой сплошной среды. Мы исследуем концентрированные вихри типа вихревой нити или торнадо. Мы первыми описали ряд фундаментальных вихревых явлений, например спиральная форму вихря, двойную спираль — две переплетенные спиральные вихревые нити, распад вихря в закрученном пламени. Многие вихревые явления играют ключевую роль при разработке перспективных энергетических технологий. Так, в топочных камерах часто используют самые современные и эффективные горелки вихревого типа. За счет закрутки происходит распад вихря — внезапное раскрытие воздушно-топливной струи, сопровождающееся возвратным движением горячих газов к корню факела. Именно таким способом осуществляется устойчивое воспламенение топлива с хорошим перемешиванием и турбулизацией, чем и обеспечивается эффективное сжигание топлива. Принципиально важно, что таким образом можно сжигать обедненные топливные смеси с очень низким выбросом окислов азота.
Новое явление, которое мы недавно обнаружили, хотя оно было известно для других случаев, — так называемое перезамыкание вихрей. Если два витка спирального вихря близко подойдут друг к другу, то они соединятся и от протяженного вихря оторвется вихревое кольцо, а вихревая нить останется непрерывной. Такое необычное явление. Мы его обнаружили при моделировании вихревого жгута в отсосной трубе за гидротурбиной. Данное явление очень важно, так как при вращении спирального вихря возникают мощные вибрации, которые стали одной из причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. Другой эффект, обусловленный отрывом вихревого кольца, проявляется в том, что кольцо летит с большой скоростью и ударяется о стенку. Таким образом, мы объяснили, почему в отсосных камерах слышен глухой стук.
Но есть и далеко идущие последствия. Например, объяснение и описание механизмов генерации турбулентности. Так, в микромире есть понятие квантовой турбулентности. В ней участвуют квантовые вихри, их поперечный размер — один атом. Только благодаря процессам перезамыкания существует квантовая турбулентность. На квантовом уровне невозможно в деталях исследовать эти явления. Но, поскольку уравнения вихревого движения примерно одни и те же, исследования в крупномасштабной экспериментальной установке можно использовать для объяснения и интерпретации процессов в микромире.
То же самое наблюдается на макромасштабах. Давно поставлен вопрос, почему Вселенная однородна на больших масштабах. Одно из объяснений: на самой ранней стадии эволюции Вселенной (эра инфляции или квантовой турбулентности) она представляла собой клубок из вихревых нитей (трубок). И только благодаря перезамыканию происходил неограниченный рост степеней свободы, сопровождающийся равномерным перераспределением вещества во Вселенной. Вещество образовывалось на поверхности этих вихревых трубок. И до сих пор есть свидетельства, что такие трубки были: наблюдаются космические струи длиной в сотни световых лет — последствия ранней жизни Вселенной.
И, наконец, самое интересное явление, к которому я клоню и которое имеет отношение и к энергетике, и к климату, — это активность Солнца. Мое мнение, как и мнение многих других специалистов, что не только углекислый газ влияет на климат, а на самом деле — Солнце. И прежде всего его активность, которая проявляется во вспышках. Солнечные вспышки являются следствием перезамыкания магнитных трубок совершенно аналогично случаю вихревых трубок. А поскольку мы сейчас можем исследовать и предсказывать поведение вихревых и магнитных трубок, то предлагается на уровне комплексной программы заниматься исследованиями процессов на Солнце, их моделированием и изучением влияния этих процессов на атмосферу Земли. Таким образом, есть надежда предсказывать еще и климатические изменения и частично реабилитировать энергетику, которая считается главным виновником глобального потепления из-за выбросов парниковых газов.
— А с кем вы сотрудничает в изучении вспышек на Солнце?
— Мы сотрудничаем и с красноярским учеными, которые представляют известную научную школу по магнитной гидродинамике, и, конечно, с Институтом солнечно-земной физики СО РАН в Иркутске. У меня был аспирант, который занимается процессами на Солнце. Он на количественном уровне описал аномальное поведение температуры в солнечной атмосфере, которое заключается в следующем. Температура на поверхности Солнца — шесть тысяч градусов, а в верхних слоях атмосферы — два миллиона. В чем причина? Ведь чем дальше от солнца, тем больше должно остывать вещество. А все объясняется акустикой. За счет неустойчивости тех самых магнитных трубок, которые всегда формируются в недрах Солнца, генерируются акустические возмущения. Их нелинейная эволюция в атмосфере сопровождается диссипацией, а любая диссипация приводит к повышению температуры.
А если мы можем описывать возмущения магнитной трубки, то можем и предсказать их поведение вплоть до возникновения петель и перезамыкания. То есть мы можем свой вклад внести, исследуя и эти процессы. От теплоэнергетики — к космосу и климату.
Чердак, 19.06.18, Алиса Веселкова
https://chrdk.ru/sci/intervyu-alekseenko