28 МАРТА 2012
“ИНДИВИДУАЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИКИ ЧЕЛОВЕКА И ПРЯМОЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ МЕТАБОЛИЗМА”

Сергей Дмитриевич Варфоломеев, д.х.н., профессор, зав. кафедрой химической энзимологии МГУ, чл.-корр. РАН, директор Института биохимической физики РАН

 

Я приветствую замечательную аудиторию, собравшуюся сегодня в этом великолепном зале. Я хочу сказать, что инициатива, которую высказал, проявил и реализовал Дмитрий Ицков, на мой взгляд, в высшей степени полезна, продуктивна и в высшей степени интересна. Каждый из нас, безусловно, просыпаясь утром в субботу, 18 февраля, думает о том, что будет завтра. Но многие сидящие в этом зале думают о том, что будет послезавтра и что будет в 2045 году.

 

Я представляю две организации – Институт биохимической физики Российской академии наук, расположенный в самом красивом месте Москвы, на Ленинских горах, и не менее интересная организация – это Московский государственный университет, расположенный также на Ленинских горах, – занимающиеся большим комплексом естественнонаучных исследований, которые, конечно, определяют развитие человечества в целом. И, собственно, моя философия и мой доклад будет посвящен некой попытке экстраполяции современных научно-исследовательских работ, реально проводящихся в лабораториях не только этих двух организаций, но и в других организациях, на тот интересный предмет, который мы обсуждаем: что же будет с нами в ближайшие 20–30–40 лет?

 

Надо сказать, что прогнозы могут быть достаточно поверхностными, но прогнозы могут быть и достаточно уверенно устойчивыми. И вот одна из главных, базовых философий, которая определяет вообще любой прогноз в современном обществе, – это, конечно, прогноз, ответ на который должен быть сформулирован таким образом: а что будет с обеспечением главной движущей силы эволюции и развития в ближайшие 20–40 лет – что будет с энергией как источником прогресса?

 

Человечество за свою предыдущую эволюцию создало в высшей степени уродливую систему энергообеспечения. Гигантские объемы затрат, которые связаны с получением ископаемых топлив, транспортом, трансформацией, получение электрической энергии, получение тепла, обеспечение... В конечном итоге самым главным является обеспечение метаболизма, обеспечение энергии пищевыми продуктами и, как следствие, обеспечение энергией каждого индивидуального человека. В настоящее время, конечно, эта система громоздка, в высшей степени неэффективна.

 

Я вам сейчас приведу несколько цифр, которые покажут, насколько мы все-таки далеки от совершенства в этой области. Но, тем не менее, если мы возьмем в качестве базовой точки и базового фундамента задачу понимания, что будет происходить с энергетикой, то мы имеем шанс получить более или менее адекватную картину.

 

Вот это очень известная картина, которая показывает, что, конечно, энергетика и энергия определяют вообще благосостояние человека в целом. Это картина национального валового дохода и отнесенное по оси абсцисс национальное обеспечение каждого человека. Ну, вы видите, что страны с очень высокой обеспеченностью энергией, конечно, являются странами с очень обеспеченным населением. Это некая довольно понятная, примитивная констатация факта.

 

Давайте посмотрим, какие тенденции в энергетике мы наблюдаем сегодня, потому что экстраполяция на будущее должна быть как-то основана на реалиях сегодняшнего дня. Конечно, конструирование будущего – линейное, нелинейное, экспоненциальное – это всегда в некоторой степени экстраполяция вперед. Но вот посмотрите, что происходит в настоящее время с энергетикой в Европе.

 

Здесь приведены данные по мощностям, которые были введены в Европе в 2009–2011 годах. Крайний правый синий столбик – это введенные в строй фотоэлектрические панели по мощностям. Следующая строка, если мы идем влево, – это природный газ. Следующая строка – ветровая энергия. Практически становятся непопулярными и исчезнут в ближайшие двадцать лет тепловые электростанции на угле, на нефти, будут расти, конечно, на биомассе. История последних двух десятилетий показала, что ядерная энергия, несмотря на все ее экономические преимущества, конечно, не является востребованной. И абсолютно невостребованной, конечно, будет термоядерная энергия – по одной простой причине: все ископаемые источники энергии, включая термоядерную энергию, – это энергетические процессы, которые разогревают планету.

 

Ну надо сказать, что великие люди, которых я уважаю, – например академик Николай Николаевич Семенов, это мой учитель, я оканчивал его кафедру в Московском университете, – еще в 1974 году посчитал ограничение энергетики и предсказал все возможности и все недостатки, которые мы сегодня с вами имеем. В том числе ясно, что погоня за термоядерным синтезом – это не есть решение, потому что глобальный перегрев планеты чреват бесконечными (и это мы знаем не только из расчетов квалифицированных людей, но также из довольно интересных соображений людей, прогнозирующих будущее в чисто гуманитарной области).

 

Вот смотрите, что происходит с фотоэлектричеством. Фотоэлектричество набирает экспоненциальный рост. Это тот самый фазовый переход, о котором мы говорим. При этом удвоение производственных мощностей происходит каждые полтора-два года. Вот примерно с такими интенсивностями росла в свое время информатика в начале своего развития. С такими интенсивностями увеличивались объемы памяти в современных информационных устройствах.

 

Это картина того же самого порядка, но только отнесенная к разным странам, к разным регионам. А вот теперь давайте сделаем экстраполяцию, посмотрим, что такое современная энергетика. Современная энергетика представлена этой длинной высокой синей линией. Она – это вот та замечательная монстрональная энергетика, которой мы с вами пользуемся, она, конечно, будет экспоненциально развиваться. Обращаю ваше внимание на то, что по оси Y у нас здесь с вами логарифм. А вот нижние зеленые столбики – это фотоэлектричество. Что мы с вами видим? Тенденция, которая, конечно, будет выполнена – по той простой причине, что переходы здесь от 2010 до 2030 года – это совершенно, в общем, ничтожные в масштабе времен шкалы. Но мы с вами видим, что 2020-е, 2030-е, 2040-е и даже 2045-й годы – это годы, когда нормальная солнечная энергетика достигнет уровня современной, экстраполированной экспоненциально, точнее, на будущее, реально существующей энергетики. Я не буду говорить о преимуществах, мы об этом немножко поговорим попозже.

 

То же самое происходит с другим видом энергоносителей – это возобновляемая энергия на основе биотоплив. Это этанол, биоэтанол, биодизель. Вот сейчас мы начинаем довольно серьезный проект с «Роснефтью» по бионефти. Это все возобновляемые источники энергии, которые сравниваются в ближайшие десятилетия с традиционной энергетикой. Ценовые характеристики. Конечно, в этой аудитории говорить о том, что что-то стоит и что-то будет стоить в 2045-м году, наверное, не очень уместно, потому что мы здесь смотрим в будущее абсолютно абстрактным взглядом. Но если мы посмотрим на реальности, то они, в общем, понятны. Вот, смотрите, это зеленая линия, идущая от $7 за ватт установленной мощности до $1,5 сегодня. И это, конечно, сопоставимо уже в настоящее время с реальными процессами. Вот красная точка – это стоимость электроэнергии сегодня. В 2020-м... 2015-м – 2020-м году это будет, конечно... стоимость фотоэлектричества ниже, чем стоимость традиционной энергетики.

Ну, конечно, за этим стоят гигантские структурные изменения экономики, гигантские структурные изменения базовых технологических процессов. Но тем не менее тенденции, на мой взгляд, достаточно хорошо прослеживаются.

 

Надо сказать, что логика развития событий основывается на конкретных исследованиях, проводимых в конкретных лабораториях. Вот это пример таких электрических панелей, которые в настоящее время производятся и которые, по-видимому, будут составлять базовую основу развития нашего общества в ближайшие десятилетия. Надо сказать, что в этой области происходят, конечно, конкурентные процессы, появление новых систем. В частности, мы разрабатываем системы не на кремнии, мы разрабатываем системы на оксидах металлов, и это, в общем, системы, которые имеют очень приличный КПД, но стоимостные характеристики в пять-семь раз меньше. Потому что двуокись титана, которой покрыта половина территории, белой краской, – это есть главный элемент материала, из которого строятся такого рода системы. Это вот те прототипы, с которыми мы работаем, их большое разнообразие.

 

Что это означает? Это означает, что, конечно, в ближайшее время мы переходим в качественно новое фазовое состояние, основанное на использовании солнечной энергии. Преимущество заключается в том, что это возобновляемый источник энергии – и, как следствие, он абсолютен по ресурсу, пока будет светить солнце (а я очень рассчитываю на то, что к 2045 году солнце не потеряет своей прелестной активности), и все последующие столетия энергетическое обеспечение человека гарантировано.

 

Теперь давайте посмотрим, а сколько нужно солнечных преобразователей? Это, конечно, определяется уровнем народонаселения, уровнем объема популяции. Ну, прогнозы тут разные, мы в свое время развили довольно простую, примитивную модель, которая детально описывает эту кинетическую кривую, и она, в общем, хорошо «ложится» на последние триста лет.

 

В 2045 году наша популяция будет составлять порядка 9 млрд человек. Это много. Какое же количество электроэнергии нужно, чтобы прокормить это замечательное человечество? Здесь приведены цифры. При популяции 9 млрд человек, и если мы представим себе, что в это время люди будут жить в два-три раза более энергообеспеченными, то глобальные потребности соответствуют порядка 5,8x10 в 16-й степени МВт*час в год. Задаю вопрос: сколько энергии нужно для того, чтобы существовать одному человеку? Этот вопрос можно переформулировать: какова мощность каждого из нас, сидящих в этом зале? Ну вот я, когда эту цифру много лет назад посчитал, удивился: мы с вами «весим» в энергетике всего лишь 100 Вт. Это приблизительно одна хорошо светящаяся лампа, которую наше правительство уже запрещает в силу того, что это очень непроизводительная трата энергии. Но это всего лишь 100 Вт. Так вот, если мы возьмем энергетические потребности для того, чтобы прокормить человечество, нам нужно всего лишь солнечных панелей около 10 в 5-й степени квадратных километров. Внешне – бесконечно высокая величина. Но на самом деле это приблизительно объем крыш, который в настоящее время использует человечество, чтобы защитить себя от солнца, дождя и ветра.

 

В то же время человечество, для того чтобы себя прокормить, использует 1,46x10 в 7-й степени квадратных километров сельскохозяйственных полей. И вот здесь та самая собака, которая зарыта и в которой, конечно, в ближайшие десятилетия будут кардинальные изменения. Производство сельскохозяйственной продукции – это не просто один из самых, это самый энергетически невыгодный процесс, который человечество освоило. Вот смотрите: когда солнце падает на поверхность в 1 кв.м, то приблизительно мощность вот этого преобразования – порядка 100 Вт, т.е. одному человеку нужен 1 кв.м, если мы будем иметь стопроцентное КПД. А дальше происходят следующие вещи. КПД фотосинтеза вот в этом плане – порядка 3%. Производство зерна составляет приблизительно 20% от того, что необходимо по общей биомассе. После того как вы его собрали, доставили и превратили в продукты питания, в конечном итоге человек затрачивает приблизительно 10 кал топливной энергии, т.е. нефть, газ (в основном газ), для производства удобрений, для того чтобы вспахать, перепахать, посеять, собрать. И это в конечном итоге приводит к тому, что предельное КПД, которое мы с вами потребляем, каждой калории, – это всего лишь 0,01 или 0,001%. То есть перепады здесь вот самые гигантские.

 

Ну и конечно, естественный вопрос: а вообще есть ли какие-то принципиальнейшие решения? А оно на поверхности, это принципиальное решение, – на поверхности солнечных преобразователей. Человечество, осваивая эти новые солнечные преобразователи, создает базу для того, чтобы с КПД около 3–5% получать электрическую энергию, т.е. получать энергию, в конечном итоге, в энергию метаболитов белка, углеводов, липидов – то, что нам абсолютно необходимо для питания.

 

Мы еще к этому вернемся. Несколько слов о тех драматических изменениях, которые, конечно, мир солнечной энергии внесет и вносит уже в настоящее время в наши технологии. Я смею вас уверить, что в течение ближайших двадцати лет двигатель внутреннего сгорания как крайне неэффективный аппарат, превращающий тепловую энергию в двигательный процесс, прекратит свое существование – по той простой причине, что становятся доступными, эффективными системы хранения электрической энергии.

 

В нашем институте мы занимаемся довольно интересными программами, связанными с созданием суперконденсаторов, т.е. систем, которые позволяют иметь на 1 кг веса преобразователя порядка 100 КВт электрической энергии. И стремление сейчас идет к тому, чтобы этого было достаточно для того, чтобы можно было пробегать тысячу километров в автомобиле. И это уже не будущее – это уже состояние сегодняшнего дня.

 

Я коротко приведу несколько примеров электромобилей. Москва начинает строить электрозаправки. Город Лондон в 2015 году вводит в режим 100 тыс. электромобилей с 11 тысячами электрических заправок. Конечно, будет переходный период, когда они будут заправляться дешевой электроэнергией от нефти, газа, но детерминированно, конечно, это быстро уйдет в режим солнечной энергии. Ставите преобразователь, уходите в свой замечательный офис и наполняете ваш бак достаточно высокой энергией. Масса интереснейших, красивейших физических, химических и биохимических задач, связанных с созданием такого рода систем. Это, на мой взгляд, одна из таких красивейших областей современной науки.

 

Ну, еще есть одна тенденция, которая, на мой взгляд, детерминирует развитие. Мы с вами переходим от систем интегрированных, глобальных систем к системам персональных решений. Вот, каждый из нас понимает, что такое персональный компьютер и как он изменил мир. В ближайшие десять лет в силу развития геномики и с пониманием генома каждого индивидуального человека возникнет персонифицированная медицина, которая будет кормить не «таблетками для всех», а таблетками для тех, кому эти таблетки нужны и абсолютно не противопоказаны. В этой области, конечно, будет происходить персонализация энергообеспечения. Вот я уже упомянул, что крыш, которые 9 млрд человек построят себе к 2045 году, достаточно для того, чтобы обеспечить электроэнергией практически полностью все человечество. Это означает, что энергетика становится диверсифицированной, она становится персональной. Исчезают бешеные затраты на нефтепроводы, трубопроводы, электропередачи, станции, трансформирующие энергию электрическую в нужные вольт-амперные, вольтажные характеристики. Но это уже качественно другая система.

 

Если мы вернемся и посмотрим, а что же будет происходить с созданием систем питания, что же будет происходить с этой бесконечной монстральной системой, в которой мы вспахиваем поля, потом закатываем туда дикое количество энергии в виде удобрений, потом собираем и с трудом вообще начинаем превращать, распределяя их по бесконечному количеству, по шести миллиардам населения, то на самом деле здесь выходит техническое решение, которое мы назвали «биоэлектросинтез как альтернатива фотосинтезу». Солнечный преобразователь может быть с помощью методов химической биотехнологии или химической энзимологии, таких терминов еще надо будет подобрать...

 

Но мы можем это самое замечательное соединение под название «углекислота», которой мы дышим, превращать в белки. И этот проект сейчас находится в стадии развития. Если КПД преобразования по фотосинтезу с получением белков – это 0,01%, то здесь мы имеем теоретически от 3 до 5%. Вот смотрите, какая интересная вещь. Человечество лимитировано по белку, это главный фактор, можно страшные цифры приводить недоедания людей белкового голодания в Африке, но это реалии, это реальные цифры. Единственное решение, которое мы сейчас нашли, за последние 20 лет, – это соя, которая выращивается на гигантских полях и которая с 1 га дает 1260 кг белка. Вот эти системы с 1 га могут, и они будут это делать, производить в 200–300 раз больше. Они работают круглогодично, они не требуют никаких затрат на трансформацию топлива, вспаханную землю и сбор урожая, и они хороши тем, что используют эффективнейшие процессы с КПД по 90–95% на последующих стадиях трансформации электричества в белки.

 

Ну и когда мы говорим о персонификации, развитии будущего, конечно, возникает вопрос: а вообще может ли человек перейти на систему электропитания? Как химик, который занимается этими проблемами, я говорю однозначно: да! По той простой причине, что та химическая реакция, которая нас питает электроэнергией, – это окисление углевода кислородом воздуха. Если мы создаем биоэлектрокаталитические системы, способные CО2, который мы выделяем, и воду превращать в углевод и кислород, и если эти системы будут достаточно эффективно инкорпорированы, если эти системы не будут иметь массу последствий, то, конечно, мы уже сейчас с вами знаем, что в кровоток можно сделать массу дополнительных химических реакций. То вот это вот простая реакция СО2 + вода → углевод + кислород – это энергообеспечение, энергодыхание человека. При этом еще раз подчеркну цифру, которую мы с вами уже сегодня многократно озвучили. Для того чтобы прокормить энергией человека, нужно всего лишь 100 Вт электрической энергии.

 

Спасибо вам большое.


Новости
07.06.2012
В Москве в рамках Конгресса Global Future 2045, который состоялся в феврале 2012 года, прошел круглый стол «Диалог конфессий».
21.02.2012
Конгресс “Глобальное будущее 2045” после трех дней пленарных заседаний завершился 20 февраля круглым столом, посвященным формированию…
20.02.2012
В дни проведения международного конгресса Global Future 2045 в Москве, Министерство обороны США и Агентство передовых оборонных…
20.02.2012
Александр Болонкин, астрофизик, старший научный сотрудник NASA, обратился к руководству и участникам международного конгресса «Глобальное…
19.02.2012
Манифест Барри Родрига на конгрессе GF2045: "Будущее – это измерение, к которому стремятся все формы жизни".