Климат, энергетика, Арктика

№ 4 (18) / 2024

Сергей Владимирович Алексеенко,

академик РАН, лауреат Международной премии «Глобальная энергия», председатель Национального комитета РАН по тепломассообмену, научный руководитель Института теплофизики СО РАН

Мои юные коллеги! Я уже не первый раз обращаюсь к вам со страниц этого замечательного журнала. И в рубрике «Наедине со всеми» мне предоставляется возможность затронуть, на мой взгляд, очень интересный аспект, заслуживающий особого внимания и понимания – энергетику. В данном материале я хочу рассказать и об экспедиции на плато Путорана. Это уникальное место на планете Земля, и я считаю необходимым поделиться с вами впечатлениями о столь значимом событии.

Энергетика – базис экономики любой страны вне зависимости от технологического уклада. Однако в последние годы возникла беспрецедентная ситуация, когда необходимо безотлагательно принимать принципиальные решения по дальнейшему развитию мировой энергетики. Основной причиной тому является доминирующий вклад энергетики в изменение климата и разрушение озонового слоя Земли. Дополнительные сложности связаны с проявлением целого ряда одновременно появившихся мировых и региональных проблем, откуда следует, что мы переходим сейчас в эпоху глобальных перемен. В этой связи и хотелось бы поговорить, что происходит с климатом и озоновым слоем Земли, какая взаимосвязь между этими явлениями и энергетикой, что нужно делать в сфере энергетики, как указанные проблемы отражаются на Арктике. На концептуальном уровне можно сделать следующие заключения по климату и озоновому слою:

• Обнаружен рост температуры поверхности Земли, который связывается с глобальным потеплением. Его основной причиной считаются выбросы парниковых газов – прежде всего, CO2.

• Полагается, что антропогенная эмиссия CO2 играет ключевую роль, а главным виновником антропогенных выбросов объявлена энергетика на органическом топливе. Энергетический сектор дает 3/4 выбросов парниковых газов.

• В 2015 г. подписано Парижское Соглашение, конечная цель которого – не допустить повышения температуры на 2°C до конца XXI столетия, а по новым обязательствам – даже 1,5°C.

• Предлагается полностью отказаться от угля, а затем и газа и переходить к ВИЭ – возобновляемым источникам энергии.

• Обнаружено разрушение озонового слоя Земли, вплоть до образования озоновых дыр в Антарктиде в 1980 г., которое объясняется антропогенными выбросами озоноразрушающих веществ (фреонов и других веществ, многие из которых являются рабочими телами энергетического оборудования).

• Подписан Монреальский протокол (1987), ограничивающий применение озоноразрушающих веществ.

• Как озоноразрушающие, так и альтернативные озонобезопасные вещества обладают сильным парниковым эффектом. Доля фреонов в глобальном потеплении составляет заметную величину – около 10%. Поэтому была принята поправка Кигали (2016), которая ограничивает применение таких веществ в энергетике и экономике уже ради защиты климата.

• Обнаружен обратный эффект – парниковые газы сильно влияют на разрушение озонового слоя.

Каковы же последствия для энергетики? Убедительно показано, что преобладающий вклад в глобальное потепление вносит энергетика на органическом топливе. В связи с этим необходимо последовательно осуществлять декарбонизацию энергетики и в целом экономики, но со скоростями, не превосходящими экономические возможности страны.

Направления снижения выбросов парниковых газов в энергетике

В сфере энергетики на органическом топливе необходимо, прежде всего, повышать эффективность производства энергии. Чем выше коэффициент полезного действия, тем меньше выбросов оксида углерода при генерации одного и того же количества энергии. Радикальным подходом является применение технологий с секвестированием (извлечением) CO2. В числе наиболее перспективных – цикл Аллама, предусматривающий сжигание топлива в кислороде без выбросов оксида углерода в атмосферу и использование сверхкритического CO2 в качестве рабочего тела, что означает достижение очень высоких значений температуры и давления, а значит и коэффициента полезного действия. Альтернативными безуглеродными технологиями являются атомная энергетика и возобновляемые источники энергии (ВИЭ). В числе наиболее перспективных ВИЭ видится геотермальная энергетика с переходом в будущем на глубинное (петротермальное) тепло. Петротермальной энергии достаточно, чтобы навсегда обеспечить человечество энергией!

Пилотный стенд 50 МВт (т) в Хьюстоне на основе цикла Аллама

Значительный вклад энергетика вносит в разрушение озонового слоя. Поскольку практически все основные рабочие тела (типа фреонов) в тепловых машинах являются либо озоноразрушающими, либо парниковыми (или то и другое), то существует принципиальная проблема выбора рабочих веществ. Наиболее подходящими рабочими телами (неводного типа) с точки зрения озонобезопасности и парникового эффекта являются давно известные природные агенты: углеводороды типа пропана и изобутана; углекислый газ; аммиак. Аммиак выглядит особо перспективным, поскольку освоен в глобальных масштабах, кроме того, он представляет собой соединение, которое можно считать одним из лучших способов хранения водорода.

Глобальные проблемы могут совершенно по-разному проявляться в разных странах и регионах, то есть необходимо учитывать региональные особенности. Для России они заключаются в следующем. Страна имеет огромные запасы природных ресурсов (прежде всего, органического топлива и древесины), обширную территорию и холодный климат. Глупо отказываться от дешевого углеводородного сырья в угоду ВИЭ, которые невыгодны для условий России. Но главная причина – в России (самой холодной стране мира) огромная доля энергии потребляется в виде тепла для обогрева (175 ГВт из 450 ГВт в мире, то есть почти 40%!). Невозможно столько тепла производить из ВИЭ. А специфика климатических изменений на территории России состоит в том, что рост температуры происходит гораздо быстрее, чем в среднем по планете. Для Арктической зоны России, которая занимает существенную долю от всей площади страны, этот показатель достигает 2,5 раз! В результате существенно снижаются затраты на отопление (до 15%), повышается урожайность сельхозкультур, увеличиваются сроки навигации по Северному морскому пути. Обширные территории, покрытые лесом и другой зеленой растительностью, создают благоприятные условия для компенсации выбросов углекислого газа. Но есть и негативные последствия, прежде всего связанные с таянием вечной мерзлоты, что относится к необратимым процессам с непредсказуемыми последствиями.

В связи с особыми условиями в Арктической зоне РФ и ее принципиальной ролью в экономике страны, да и всего мира, изучение и развитие Арктической зоны представляются исключительными важными. В этом состояли наши основные доводы, чтобы совершить экспедицию на плато Путорана – удивительное и уникальное место на нашей планете. Ниже отражены некоторые моменты этой экспедиции.

Плато Путорана

Плато Путорана расположено к востоку от г. Норильска и занимает площадь около 250 тыс. км² (сравнима с территорией Великобритании). На территории плато расположен Путоранский заповедник, признанный ЮНЕСКО памятником Всемирного наследия. Плато образовалось после извержения супервулкана 252 млн лет назад, вызвавшего Великое Пермское вымирание. Лава, извергавшаяся в течение 60 лет, сформировала базальтовые породы, которые часто именуют сибирскими траппами. Плато Путорана часто сравнивают с затерянным миром: это далекое от цивилизации место, где почти не бывает людей. Рельеф плато состоит из каньонов и гор без вершин со средней высотой 1–1,5 км. На Путоране примерно 22 тысячи озер. По запасу пресной воды у плато второе место в России после Байкала. Одна из главных достопримечательностей плато – огромное количество разнообразных водопадов.

Путоранский снежный баран

Глобальное потепление повлияло существенно на условия обитания немногих представителей фауны плато Путорана, прежде всего, путоранского снежного барана. Данный подвид изолированно развивался около 10 000 лет, и его популяция насчитывает сейчас всего около тысячи особей. В прошедшем сезоне впервые практически не было приплода из-за трудностей добычи корма из-под снега. А причина – в образовании прочной корки льда в снегу вследствие чередования процессов оттаивания (из-за глобального потепления) и последующего замерзания в осенний период, чего раньше не наблюдалось. И здесь требуются весьма сложные как теоретические, так и натурные исследования.

Измерение глубины снежного покрова в местах выпаса снежных баранов (Бондарь М.Г., 2024

Чтобы совершить экспедицию, необходимо было на катерах преодолеть расстояние в 155 км от Норильска до восточной оконечности озера Лама. Здесь начинался трудный пеший поход протяженностью 75 км в течение 9 дней по плато, представляющему собой сплошной курумник (крупные камни), с многочисленными озерами, снежниками, водопадами, горами с плоскими вершинами и глубокими каньонами с отвесными стенами. Подъем на плато занял 4 дня и осуществлялся по живописному ущелью реки Хойси с множеством притоков и густыми зарослями орешника и лиственниц. Спуск с плато удалось совершить за 6 часов по крутому каменистому склону к озеру Собачье, где располагается кордон заповедника, и откуда мы вернулись в Норильск по ряду глубоких и мелких озер на судне на воздушной подушке, преодолев расстояние в 170 км. Кроме реки Хойси, другими достопримечательностями на маршруте экспедиции были: гора Элден (1 242 м), каньон и водопады реки Бунисяк, каньон реки Верхний Хихикаль, водопад Невеста (76 м).

Озеро Лама

Столь непростая экспедиция позволила сполна ощутить все особенности Российской Арктики и климатических условий Севера, проблемы транспорта и энергоснабжения, хрупкость северной флоры и фауны. А в целом – здесь простор для реализации мечтаний молодых геологов и наслаждения романтикой необыкновенного Русского Севера. Не зря эти места именуют не иначе как «Неизведанный мир плато Путорана».

Озеро Собачье