«Не личные достижения, но успех страны»
В 2018 году премия «Глобальная энергия» была присуждена Сергею Алексеенко
В 2018 году премия «Глобальная энергия» была присуждена сибирскому ученому, заведующему лабораторией тепломассопереноса Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и его директору с 1997 по 2017 годы академику Сергею Алексеенко
Каковы его самые яркие научные результаты, как будет развиваться энергетика в России и в мире и почему нужно популяризировать «зеленые технологии» в этой области.
— Что значит для вас присуждение премии «Глобальная энергия»?
— Я представитель науки под названием «теплофизика», которая по определению является тем направлением, что служит научным базисом для почти всех видов энергетики — не только тепловой, основанной на сжигании органического топлива, но и касающейся возобновляемых источников. Везде необходимо использовать те данные и знания, которые дает теплофизика. Это и турбулентные течения, и двухфазные потоки, и кризисы кипения, и теплообмен. Конечно, для нас очень важно, чтобы наши результаты были востребованы, а это определяется применением наших знаний при разработке новых технологий. Практически по всем направлениям у нас есть заделы, которые тем или иным образом применяются — где-то даже мы сами доводим технологию до начала коммерциализации.
Как известно, премия «Глобальная энергия» присуждается за выдающиеся результаты при создании новых энергетических технологий или же методов, подходов при этом использующихся. Полученная мной награда — высшая в области энергетики, иногда ее сравнивают даже с Нобелевской премией, хотя статус, понятно, разный. Конечно же, все ученые, разработчики, представители власти, бизнесмены, инженеры стремятся получить такую премию — ведь она отражает не только личные достижения, но и успехи страны, поскольку премия международная.
— Расскажите, пожалуйста, о тех достижениях и результатах, за которые вы были удостоены этой высокой награды?
— Мы в первую очередь занимаемся фундаментальной наукой, находим, описываем и потом предлагаем для новых технологий различные явления или процессы. Здесь можно разделить наши достижения — я говорю наши, потому что, конечно, в значительной мере результаты получены совместно с моими коллегами — на две части: непосредственно фундаментальные исследования и те разработки, где использованы их результаты.
По фундаментальным работам я бы назвал несколько основных направлений, которыми мы успешно занимаемся. Во-первых, это процессы переноса в волновых пленках жидкости. Надо отметить, что волновые пленки жидкости — основное состояние рабочего вещества во многих аппаратах, осуществляющих теплообмен, абсорбцию и генерацию энергии. Например, пленки шлака в топках с жидким шлакоудалением или волновые пленки в парогенерирующих каналах тепловых и атомных электрических станций. Здесь мы впервые в полной мере описали нелинейные, очень сложные нестационарные волны, которые весьма существенно влияют на тепломассообмен и образование так называемых сухих пятен. Их наличие означает, что в этом месте нет теплоотвода и происходит перегрев, приводящий к кризису теплообмена (всем известен пример такого кризиса: если чайник выкипит — он расплавится). Поэтому принципиально важно предсказывать и описывать эти явления, чтобы, во-первых, избежать подобных явлений, а во-вторых, интенсифицировать процессы тепломассопереноса.
Другое наше направление — это турбулентные струи и факелы. Мы обнаружили многие явления, которые позволяют использовать их для управления процессами сжигания и интенсификации теплообмена. Например, с помощью акустических пульсаций можно существенно повысить скорость сжигания и менять режим движения сплошной среды.
Еще один вектор: одна из самых интересных тем в механике сплошных сред — вихри. Мы — и это наш конек — занимаемся в основном концентрированными вихрями. Они так называются, потому что там вихревое движение сосредоточено в очень узкой области вблизи оси вихря. Показательным примером концентрированного вихря является торнадо. Если по тем же принципам организуем процесс, скажем, в горелке, чтобы образовывались концентрированные вихри, то они способствуют интенсивному перемешиванию и турбулизации потока, приводя к радикальному росту скорости тепломассопереноса. Здесь у нас есть ряд очень интересных результатов. Например, мы впервые теоретически и экспериментально в деталях описали спиральные вихри и так называемую двойную спираль — два взаимодействующих спиральных вихря. В чем их особенность? В отличие от одиночного спиральный заполняет все пространство, например топочной камеры, и поэтому идет интенсивный тепломассообмен между средой и теплообменной поверхностью.
В числе самых ярких достижений назову также явление, которое мы недавно открыли, — перезамыкание вихря. Оно имеет очень важное значение и заключается в том, что если вихревая нить или вихри типа торнадо сильно искажены, то отдельные участки могут сблизиться и перезамкнуться, отрывается вихревое кольцо. Генерируется мощное возмущение, сильно меняется структура течения. Это, конечно, влияет на перемешивание, кроме того, если мы будем искусственно влиять на такие процессы, то сможем управлять процессом горения.
Надо сказать: перезамыкание вихря — явление удивительно универсальное. Если говорить о микромире, оно дает возможность изучать квантовую турбулентность, где вихри имеют диаметр в один атом. Совершенно очевидно, что вы не сможете в полной мере исследовать эти явления на уровне столь малых величин, но законы-то те же самые, и в лабораторных установках мы детально можем все это изучать, а потом использовать для прогнозирования и описания процессов, происходящих, допустим, в сверхтекучем гелии. Противоположный масштаб — Вселенная. Есть идеи, правда, до конца еще не проверенные, что перезамыкания играли принципиальную роль в ее эволюции на самых ранних стадиях существования. Предполагается, что тогда Вселенная представляла собой клубок вихревых нитей или вихревых трубок, и ее однородность на уровнях скопления галактик можно объяснить как раз с помощью перезамыканий, которые приводили к громадному росту числа степеней свободы и последующему полному перемешиванию.
Кроме того, я больше всего хочу обратить внимание на такое явление, как вспышки на Солнце. Считается, что основная причина изменения климата — выбросы углекислого газа. Однако многие ученые считают: значительную, а может быть, и главную роль играет активность нашего дневного светила, то есть вспышки. Они являются ни чем иным, как следствием перезамыкания, только не вихревых, а магнитных трубок, но описывается это теми же уравнениями. Иными словами, мы, зная поведение вихревых трубок в лабораторном эксперименте, можем предсказать и описать поведение магнитных трубок на Солнце. Сейчас мы готовим предложение — обширный комплексный проект, который включал бы описание процессов на Солнце и формирования этих трубок, включая их неустойчивость, отрыв вихревых колец, а также влияние вспышек на земную атмосферу и, соответственно, на климатические изменения. В СО РАН есть ряд институтов, которые занимаются близкими задачами: Институт солнечно-земной физики в Иркутске, Институт оптики атмосферы имени В.Е. Зуева и Институт мониторинга климатических и экологических проблем в Томске. Мы можем решить эту задачу комплексно и таким образом внести вклад в понимание изменений климата.
— Вы рассказали о ряде фундаментальных результатов, а если говорить о прикладных?
— Их тоже очень много. Например, вихревые явления используются для конструирования нового типа горелок для сжигания водоугольного топлива, многие о нем слышали: это смесь порошка угля тонкого помола с водой. Если его использовать, то не будет пыли на котельной, а загрязняющие выбросы будут сведены до минимума. Единственное, есть небольшие потери КПД на испарение, но они компенсируются тем, что можно сжигать очень плохое сырье, в частности отходы углеобогащения, которых скопилось гигантское количество. Так вот, мы разработали вихревую камеру сгорания, а также наукоемкую горелку, что позволяет утилизировать эти отходы без всякой подготовки. Горелка организована таким образом, что смешение топлива с высокоскоростным воздухом происходит не в ней самой, иначе это бы приводило к ее износу в течение нескольких часов, а за пределами. Таким образом, износа вообще нет. Мы разработали эту технологию первыми в мире, она запатентована, проведено несколько пробных испытаний на стандартных котлах, а сейчас один уже специальный мощностью 1 мегаватт запущен в поселке Барзас в Кемеровской области, он сжигает именно отходы. Еще один котел — на 10 мегаватт — смонтирован на Дальнем Востоке, вблизи озера Ханка. Сейчас там планируется провести окончательные испытания, и если все пройдет успешно, тогда это будет базовая установка для малой энергетики.
— Очевидно, что подобные технологии послужат прогрессу энергетики. Скажите, пожалуйста, а как будет, по вашему мнению, развиваться энергетика в России и в целом в мире? Какие из существующих сегодня энергетических технологий вы считаете наиболее интересными и перспективными?
— У меня есть свой взгляд на эти вопросы, он основан не на фантазиях, а на анализе ситуации. Итак, мой прогноз таков. В ближайшей перспективе — 20-30 лет — конечно, в России будет доминировать энергетика на органическом топливе, прежде всего это газ. Поэтому мы должны работать над повышением эффективности сжигания такого топлива. Если говорим о газе — то создание и усовершенствование парогазовых установок. Весь мир тоже идет по этому пути, к сожалению, мы очень сильно отстаем, правда, научные заделы у нас есть, тут в основном требуется решить инженерные задачи. Что касается угля, то опять же водоугольное топливо, про которое я рассказывал. Нужны технологии глубокой переработки угля, главным образом газификация — то есть неполное сжигание с получением горючего синтез-газа, который тоже потом сжигается с минимумом выбросов, тут, надо отметить, у нас обширный фронт работ.
Более дальняя перспектива — на несколько десятков лет, но начинать нужно уже сегодня, иначе мы безнадежно отстанем — это, разумеется, использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Прежде всего мы обязаны развивать методы хранения энергии, потому что почти все ВИЭ — периодического действия: солнце днем светит, ночью нет, ветер тоже не всегда дует в нужную сторону и с нужной силой. Поэтому, пока есть возможность, нужно быстро энергию накопить. Здесь также можно привести ряд успешных разработок — например, с нашим участием впервые в мире запущено производство топливных элементов на боргидридах. Они портативные, мощностью около 1 ватта, но это уже серийный выпуск. А дальше идет работа над более крупными образцами мощностью от 10 до 200 ватт и даже 1 киловатта.
Что касается непосредственно возобновляемых источников, то я ставлю на первое место Солнце, здесь все понятно. Второе — геотермальная энергия с переходом на петротермальную, именно за ними, я считаю, будущее. Я напомню, что под геотермальной энергией обычно подразумевают энергию горячей и теплой воды (в России перспективные области — Камчатка и Кавказ, но такие источники есть даже в Новосибирской и Томской областях), однако этих запасов немного. А вот петротермальная энергия представляет собой тепло сухих пород на больших глубинах — от трех до десяти километров. Там уже нет воды, зато температура достигает 350°С. Принцип извлечения тепла простой, его предложил еще Константин Эдуардович Циолковский: бурим две скважины, по одной подаем воду, она проходит сквозь проницаемые породы (если они есть), нагревается и поступает через вторую скважину на обычную тепловую станцию, ничего дополнительно не придумывая. Проблема заключается в том, что большие глубины подразумевают большие затраты на бурение — это составляет до 60% капиталовложений. Кроме того, при отсутствии естественной проницаемости необходимо создавать искусственно приемлемый проницаемый резервуар.
Наибольшие успехи в области петротермальной энергетики сейчас в США — у них 5 опытных станций и 1 коммерческая, всего на 1,3 мегаватта, но она уже отдает электричество в сеть. По оценкам Массачусетского технологического университета, доступных запасов такой энергии в США хватит на 50 тысяч лет. Еще цифры — к 2030 году ее цена составит 6 центов за киловатт-час, и к 2050 году 10% установленной мощности в США будет обеспечиваться именно теплом из глубин Земли.
Так что мое мнение: будущее — за гео- и петротермальной энергетикой. Такой энергии человечеству хватит навсегда с учетом конечного срока жизни цивилизации. Конечно, если говорить о совсем отдаленном будущем, то термоядерный синтез, наверное, будет играть существенную роль, но сейчас специалисты всерьез не рассматривают термояд ближе, чем к концу этого века, хотя времени еще много, может быть, будут революционные изобретения и достижения в этой области.
— Как вы считаете, перейдет ли человечество в ближайшие десятилетия на «зеленые технологии» в сфере энергетики?
— По моему мнению, такой переход неизбежен. Я буквально только-только прилетел из Москвы, где в течение двух дней проходил международный конгресс по возобновляемой энергетике. Там как раз обсуждалась ее роль в будущем, приводились примеры по тем или иным странам. Конечно, за границей совершенно по-разному все устроено, но тем не менее можно выделить общие тенденции. Переход на возобновляемые источники прописан в планах развитых государств: Германии, Швейцарии, Дании, Швеции, Великобритании, Испании и других. У них уже сегодня гигантские успехи и огромные планы. Например, представители Германии заявили, что к 2050 году у них 80% генерации будет за счет ВИЭ. Поэтому, я думаю, тут не о чем дискутировать.
— В силах ли научного сообщества приблизить этот переход посредством популяризации «зеленых технологий»?
— Конечно, популяризация играет очень большую роль. Необходима информационная поддержка. Во-первых, пока то, что касается «зеленой энергетики» выходит дороже, и потребитель смотрит себе в кошелек. Да, сегодня это так, но завтра ВИЭ уже совершенно точно будут дешевле тех же углеводородов. Во-вторых, технологии использования ВИЭ более сложные, требуются новые специалисты, необходимо осваивать новые профессии. Еще один момент, который я хочу подчеркнуть: России необходима некая критическая масса производства энергии из возобновляемых источников. Об этом на вышеупомянутом конгрессе говорил председатель правления управляющей компании «Роснано» Анатолий Чубайс. По его прогнозу — до 5% от общей генерации к 2035 году. Если будет меньше, то невыгодно станет создавать технологии и выпускать оборудование. В итоге те страны, которые активно развиваются в направлении возобновляемой энергии, не будут потреблять российские нефть, газ и уголь. Это тоже нужно объяснять. Еще одна сложная тема — переработка отходов. Люди очень боятся выбросов различных вредных веществ в результате сжигания мусора. Во многих странах в обязательном порядке проходят экскурсии школьников на мусороперерабатывающие станции, где показывают, как современные технологии позволяют безопасно и экологически чисто утилизировать отходы.
Если говорить о том, как популяризировать, то тут, конечно, будут полезны и лекции, и экскурсии на предприятия и в научные институты. В Новосибирске три раза в год проходят дни науки — я считаю, это отличная возможность. Нужно, учитывая интерес и школьников, и взрослых людей, обо всем рассказывать и, главное, все показывать.
— Последний и, наверное, банальный вопрос: как вы планируете распорядиться полученной премией?
— Сейчас она только была присуждена, вручат ее в октябре, так что есть время подумать. Конечно, один из самых лучших вариантов — пустить часть на поддержку молодых ученых.
Источник: sbras.info