Horizonti energetike budućnosti - Svet fizike
Svet fizike

Horizonti energetike budućnosti

by on Jul.22, 2015, under iz ugla Prof. dr Branislava Čabrića

Cabric

 

 

 

 

Prof. dr Branislav Čabrić

 

Energetika u budućnosti?

 

Perspektive

     Kakvi su i dokle dosežu horizonti energetike u budućnosti? Oni su omeđeni fundamentalnim zakonima prirode, raspoloživim prirodnim bogatstvima i čovekovom sposobnošću da ih mudro koristi. Naučna osnova i principijelne mogućnosti koje pružaju do sada poznati zakoni prirode mogu se videti iz uporednih iznosa energije za pojedine procese (od molekularnih do elementarnih). Tako, ukupna raspoloživa energija po gramu supstance iznosi približno (u kWh): za slobodni pad (sa 1 m visine) 0,02, za spajanje atoma (npr. sagorevanje) 10, za fisiju 106, za fuziju 2·109 i za anihilaciju 2·1014. Raspon je, dakle, ogroman, a čovečanstvo je uglavnom još uvek na njegovom prvom, siromašnijem delu.

 

Grobe procene svetskih zaliha energetskih resursa, ukazuju da one mogu trajati: 50 godina za konvencionalne resurse nafte, gasa i uranijuma; 250 godina za ugalj i nekonvencionalne resurse nafte i gasa; 15.000 godina za nuklearne resurse (brideri i fuzija) i milijarde godina za Sunčevo zračenje. Priroda nam, dakle, svojim zakonima i resursima otvara horizonte. Kako će stvarno izgledati energetika budućnosti i kojim tempom će se uvoditi novi izvori, zavisiće umnogome od dinamike raspodele pojedinih energetskih izvora na tzv. lestvicama prihvatljivosti.

Svaki energetski izvor, da bi dostigao zrelost, mora da pređe sve sukcesivne stepene na pomenutim lestvcamai prihvatljivosti. Postoji pet takvih osnovnih stepena: naučna, tehnička, industrijska, ekonomska i društvena prihvatljivost. Prva polovina puta je ireverzibilna, dok se sa viših stepena može ići na niže (npr. smanjenje prihvatljivosti nafte usled porasta cene, uglja usled emisije CO2, nuklearne energije posle Černobila). Naravno, raspored energetskih izvora na ovim lestvicama je ne samo vremenski već i geografski promenljiv. Pri tome se sadašnje globalno stanje može rezimirati na sledeći način.

Klasični energetski izvori (fosilni i hidro) već su po definiciji na petom stepenu. Nuklearna (fisiona) postrojenja se uz relativno jak otpor pokušavaju popeti na peti stepen. Meki, decentralizovani, solarni izvori se postepeno podižu sa trećeg stepena, a tvrdi solarni izvori (velike centrale) sa drugog. Oplodni nuklearni reaktori (brideri) još su uvek na trećem stepenu, a termonuklearni (fuzioni) sistemi su na drugom. Anihilacija čestica i antičestca bila bi jedva na prvom stepenu.

Presudnu ulogu za dostizanje zrelosti novih izvora energije imaju naučna istraživanja. S druge strane, dosadašnja iskustva svedoče da su se sva prognoziranja rokova komercijalizacije pokazala previše optimističkim. Ovo se posebno može reći za osnovne izvore energije budućnosti, kakvi su solarni i novi nuklearni izvori (brideri i fuzija). Naučno-tehnički problemi vezani sa ovim sistemima pokazali su se, znatno složenijim no što se očekivalo. S tim u vezi razmatrićemo osnovne naučne i tehnološke izazove koji stoje pred solarnom, briderskom i fuzionom energetikom.

U vezi sa solarnim izvorima budućnosti ograničićemo se na solarne (fotonaponske) ćelije, kao posebno perspektivnom pravcu korišćenja solarne energije. Koncepcijski, solarne ćelije su najelegantniji od svih do sada poznatih izvora električne energije. One direktno pretvaraju Sunčevo zračenje u energiju, nemaju pokretnih elemenata i ne stvaraju zagađujuće otpatke pri eksploataciji. Osnovni nedostatak solarnih ćelija je još uvek relativno visoka cena, kao i veliki utrošak energije pri njihovoj proizvodnji. Prelazak od kristalnog na amorfni silicijum označio je krupan napredak u ekonomičnosti: od 10 na 2 dolara po vatu vršne snage. Ovo bi bilo približno kompetitivno, kad se ne bi radilo o vršnoj snazi. Naime, usled neravnomerne raspoloživosti u zavisnosti od insolacije, vršna snaga se odnosi na maksimalno zračenje (vertikalno i vedro). Najzad, teškoću predstavlja i relativno niska gustina Sunčevog zračenja (tako da je npr. za dobijanje 1.000 MW vršne snage potrebno prekriti ćelijama više desetina kvadratnih kilometara Zemljine površine).

Naučno-tehnički problemi vezan sa fotonaponskom solarnom enrgijom su brojni – od fundamentalnih pitanja kvantne elektrodinamike, fizike i hemije čvrstog stanja, tankih slojeva i nauke o materijalima, do razvoja tehnologija za serijsku proizvodnju visoko efikasnih i dovoljno jeftinih ćelija. Poseban problem predstavljaju gubici energije, pre svega apsorpcijom fotona bez fotoefekta i rekombinacijom nosilaca naelektrisanja.

     Nova vrsta fisionih reaktora su brideri, u kojima bi se iz iste količine prirodnog uranijuma može dobiti do 100 puta veća energija u poređenju sa postojećim fisionim reaktorima. Najteži naučno-tehnički problemi u vezi sa briderskom energetikom odnose se, pre svega, na plutonijum i tečni natrijum. Naime, oplodnja goriva se sastoji u stvaranju plutonijuma, koji povremeno treba preradom izdvajati. Ovde se radi o reprocesiranju visokoradioaktivnog i vrlo otrovnog materijala. Nadalje, usled velike specifične snage reaktora, sredstvo za hlađenje je tečni natrijum. On je veoma aktivan metal koji burno reaguje sa vodom i vazduhom. Problemi fizike, hemije, termohidraulike i tehnologije tečnog natrijuma su stoga izvanredno složeni. Posebno značajni teorijski i eksperimentalni zadaci u vezi sa osvajanjem bridera su proučavanje interakcije između rastopljenog goriva i sredstva za hlađenje, kao i analiza ponašanja reaktorskog jezgra u redovnim i akcidentalnim uslovima.

Na još teže probleme se nailazi kod fuzionih sistema. Pre svega, ostvarivanje samog procesa kontrolisane termonuklearne fuzije zahteva ogromne naučne napore za dostizanje istovremenosti odgovarajućih parametara plazme (temperatura iznad 100·106 K, uz gustinu 1014 jona po cm3 i vreme konfiniranja od nekoliko sekundi). Napomenimo odmah da su u slučaju hibridnog, bridersko-fuzionog sistema, uslovi konfiniranja plazme za red veličine blaži. Zato se može pretpostaviti da će ovi sistemi značiti intermedijarnu fazu ka komercijalnoj fuzinoj enrgetici.

Fuziona istraživanja su veoma kompleksna. Tako, samo u oblasti fizike ona obuhvataju fiziku plazme, neutroniku, atomsku i nuklearnu fiziku, fiziku čvrstog stanja i površina. Tehnička realizacija termonuklearnih reaktora zahteva razvoj snažnih izvora radiofrekventnog zračenja i neutralnih snopova, superprovodnika i velikih magnetskih sistema, nove materijale, nuklearnu u superkompjutersku tehnologiju. Nijedna zemlja ove probleme ne može savladati sama, već kroz krupne multilateralne projekte.

Kako se iz izloženog kratkog prikaza perspektive verovatnih glavnih energetskih izvora u budućnosti (solarnih ćelija, bridera i fuzije) može videti, odgovarajući naučno-tehnički problemi su izvanredno veliki. Oni kao da su proporcionalni neiscpnim iznosima energije koje ovi izvori mogu pružiti.

 

 

MULTIDIMENZIONALNI PROBLEMI I STRATEGIJE

Problem budućeg razvoja energetike su multidimenzionalni. Oni nisu samo tehnički i ekonomski, već sve više društveni i humanitarni (uključujući i psihologiju i etiku). Oni nisu samo regionalni, već sve više međunarodni i svetski. Energija postaje deo ekološkog programa. U budućoj energetici, mesto koje je pripadalo ekonomiji, kao jedinoj pravoj realnosti kojoj se sve drugo podešava, sve više će zauzimati ekologija.

Strategije razvoja energetike po svojoj filozofiji moraju biti višestruke, opcione. Potrebno je računati sa inercijom, a i sa mudrošću strpljivog postupnog kretanja napred. Tako će biti vremena da se uči iz iskustva, a i da se javnost srodi sa novim tehnologijama. I najzad, zapravo i najvažnije, ključni faktor nisu prirodni resursi, već znanje uobličeno u nauci i tehnologiji, uključujući i nove tehnološke ideje. Svoj udeo u tome mogu i treba da imaju sve nauke.

 

 

Referenca

[1] Pop-Jordanov, J., Energetika u budućnosti, u Zborniku radova: Problemi nauke u budućnosti – iskustva i viđenja, Srpska akademija nauka i umetnosti, Naučni skupovi, Knj. 63, Predsedništvo, Knj. 7, Beograd , 1991., str.207-221.

 

 

Prof. dr Branislav Čabrić

Prirodno-matematički fakultet u Kragujevcu

E-mail: branko.cabric@gmail.com

 

 

Share

Leave a Reply

Looking for something?

Use the form below to search the site:

Still not finding what you're looking for? Drop a comment on a post or contact us so we can take care of it!

preporučite nas

Share