Введение в Экологию №2: Альтернативные источники энергии
Остроту проблеме исчерпания ископаемого топлива придает еще и тот факт, что замены этим энергоносителям нет. Человечество пока не изобрело альтернативных источников энергии. Света в конце туннеля не видно.
Цитата: "8 октября 1975 г. П. Л. Капица сделал концептуальный доклад, в котором, исходя из базовых физических принципов, по существу, похоронил все виды «альтернативной энергии», за исключением управляемого термоядерного синтеза. Если кратко изложить соображения академика Капицы, они сводятся к следующему: какой бы источник энергии ни рассматривать, его можно охарактеризовать двумя параметрами: плотностью энергии, то есть ее количеством в единице объема, и скоростью ее передачи (распространения). Произведение этих величин есть максимальная мощность, которую можно получить с единицы поверхности, используя энергию данного вида.
Вот, скажем, солнечная энергия. Как отмечал П. Капица, на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, реально человек может использовать поток в 100-200 ватт на квадратный метр. Даже сегодня КПД устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, составляет 15% [пусть даже 50%, сути это не меняет]. Чтобы покрыть только бытовые потребности одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40-50 квадратных метров [Сегодня, в 2018 г., у меня на крыше стоит 4 квт мощности, это 16 панелей примерно по 2 кв.м. В пике летом они дают 25 квт/час в день (зимой - 7-9) при минимальных потребностях дома в 10 квт/час в сутки и максимальных около 40 квт/час]. А для того, чтобы заменить солнечной энергией источники ископаемого топлива, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50-60 километров [допустим, 30-40, но все равно много]. Совершенно очевидно, что подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.
Противоположный пример - топливные элементы, где происходит прямое превращение химической энергии окисления водорода в электроэнергию. Здесь плотность энергии велика, высока и эффективность такого преобразования, достигающая 70 и более процентов. Зато крайне мала скорость ее передачи, ограниченная очень низкой скоростью диффузии ионов в электролитах. В результате плотность потока энергии оказывается примерно такой же, как и для солнечной энергии. Значит, топливные элементы можно использовать только там, где не нужны большие мощности. Но для макроэнергетики они бесполезны.
Так, последовательно оценивая ветровую энергетику, геотермальную энергетику, волновую энергетику, гидроэнергетику, Капица доказывал, что все эти, на взгляд дилетанта вполне перспективные, источники никогда не смогут составить серьезную конкуренцию ископаемому топливу: низка плотность ветровой энергии и энергии морских волн; низкая теплопроводность пород ограничивает скромными масштабами геотермальные станции; всем хороша гидроэнергетика, однако для того, чтобы она была эффективной, либо нужны горные реки (когда уровень воды можно поднять на большую высоту и обеспечить тем самым высокую плотность гравитационной энергии воды), но их мало, либо необходимо обеспечивать огромные площади водохранилищ и ГУБИТЬ ПЛОДОРОДНЫЕ ЗЕМЛИ [с которыми и так проблема].
В своем докладе П. Л. Капица особо коснулся атомной энергетики и отметил три главные проблемы на пути ее становления в качестве главного источника энергии для человечества: проблему захоронения радиоактивных отходов, критическую опасность катастроф на атомных станциях и проблему неконтролируемого распространения плутония и ядерных технологий. Так что пока речи о переводе мировой энергетики на ядерное топливо нет, хотя можно ожидать увеличения ее доли в промышленном производстве электроэнергии. Наибольшие надежды Петр Капица связывал с термоядерной энергетикой. Однако за прошедшие тридцать с лишним лет, несмотря на гигантские усилия ученых разных стран, проблема управляемого термояда не только не была решена, но со временем понимание сложности проблемы, скорее, только выросло.
А как же водородная энергетика и пресловутое биотопливо, которые сегодня пропагандируются наиболее активно? Почему Капица не обращал на них внимания вообще? Ведь биотопливо в виде дров человечество использует уже веками, а водородная энергетика сегодня кажется настолько перспективной, что едва ли не каждый день приходят сообщения о том, что крупнейшие автомобильные компании демонстрируют концепт-кары на водородном топливе! Неужели академик был настолько недальновиден? Увы... НИКАКОЙ ВОДОРОДНОЙ И ДАЖЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ В БУКВАЛЬНОМ СМЫСЛЕ СЛОВА НЕ МОЖЕТ СУЩЕСТВОВАТЬ.
Что касается водородной энергетики, то, поскольку природные месторождения водорода на Земле отсутствуют, ее адепты пытаются изобрести вечный двигатель планетарного масштаба, не более и не менее того. Есть два способа получить водород в промышленных масштабах: либо путем электролиза разложить воду на водород и кислород, но это требует энергии, заведомо превосходящей ту, что потом выделится при сжигании водорода и превращении его опять в воду, либо... из природного газа с помощью катализаторов и опять-таки затрат энергии, которую нужно получить... опять-таки сжигая природные горючие ископаемые! Правда, в последнем случае это все-таки не «вечный двигатель»: некоторая дополнительная энергия при сжигании водорода, полученного таким путем, все же образуется. Но она будет гораздо меньше той, что была бы получена при непосредственном сжигании природного газа, минуя его конверсию в водород. Значит, «электролитический водород» - это вообще не топливо, это просто «аккумулятор» энергии, полученной из другого источника... которого как раз и нет. Использование же водорода, полученного из природного газа, возможно, и сократит несколько выбросы углекислого газа в атмосферу, так как эти выбросы будут связаны только с генерацией энергии, необходимой для получения водорода. Но зато в результате процесса общее потребление невозобновляемых горючих ископаемых только вырастет!
Ничуть не лучше обстоят дела и с «биоэнергетикой». В этом случае речь идет либо о реанимации старинной идеи использования растительных и животных жиров для питания двигателей внутреннего сгорания (первый «дизель» Дизеля работал на арахисовом масле), либо об использовании этилового спирта, полученного путем брожения натуральных (зерна, кукурузы, риса, тростника и т.д.) или подвергнутых гидролизу (то есть разложению клетчатки на сахара) агропродуктов.
Что касается производства масел, то это крайне низкоэффективное, по «критериям Капицы», производство. Так, например, урожайность арахиса составляет в лучшем случае 50 ц/га. Даже при трех урожаях в год выход орехов едва ли превысит 2 кг в год с квадратного метра. Из этого количества орехов получится в лучшем случае 1 кг масла: выход энергии получается чуть больше 1 ватта с квадратного метра - то есть на два порядка меньше, чем солнечная энергия, доступная с того же квадратного метра. При этом мы не учли того, что ПОЛУЧЕНИЕ ТАКИХ УРОЖАЕВ ТРЕБУЕТ ИНТЕНСИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКИХ УДОБРЕНИЙ, ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА ОБРАБОТКУ ПОЧВЫ И ПОЛИВ. То есть, чтобы покрыть сегодняшние потребности человечества, пришлось бы полностью засеять арахисом пару-тройку земных шаров. Проведя аналогичный расчет для «спиртовой» энергетики, нетрудно убедиться, что ее эффективность еще ниже, чем у «дизельного» агро-цикла". (Сергей Лопатников, "Альтернативная энергетика: США надувают зеленый пузырь", Профиль №47(555) от 17.12.2007)
В принципе, со времен написания статьи Сергея прошло 10 лет. Есть ли подвижки?
И да, и нет.
По моим комментариям в тексте уже можно было понять, что мощность солнечных панелей выросла чуть не в 2 раза. Но всё равно еще недостаточно.
Например, каждая из моих панелей мощностью 250 вт за год наработала 383 квт/час. По инструкции мощность будет падать по 2-5% каждый год, и нетрудно посчитать, что через 10 лет их надо будет выкидывать и менять. Т.е. за всю свою жизнь батарея выработает около 4 000 квт/час. Но вот вопрос: а сколько энергии изначально потратили на производство почти 2 кв.м. кремниевых фотоэлементов, защитного стекла, железного короба и всяких крепежей/проводов (плюс не забываем инвертор)?... Если мерять в деньгах (а это очень обманчивый показатель), то батарея будет себя 10 лет окупать, и если что и сэкономит, то совсем немного. Это с учетом того, что энергия обменивается с сетью. Если бы пришлось покупать автономный аккумулятор, стало бы абсолютно невыгодно. А в чисто физических величинах? Лично у меня пока создается впечатление, что мы тратим уйму традиционной энергии на создание игрушек (и приятной иллюзии альтернативности и экологичности), которые всю свою жизнь просто пытаются вернуть затраченное. Т.е. реальной альтернативной выработки мало.
Итак, нам остро не хватает более совершенных солнечных панелей - и над этим работают. Но еще больше у нас потребность в аккумуляторах. Нам нужно что-то вроде вот этих супербатарей. А пока Теслы и Ниссаны возят на себе тонну токсичных литий-ионных элементов, которые через 5-10 лет надо выкидывать на помойку. Проблема страшная.
Термояд в лице ИТЕРа все еще топчется на месте. Атомную энергетику после Фукусимы вообще поприжали.
Водород в свете геологической гипотезы Ларина выглядит перспективно, но нужны масштабные геологические исследования. Надо это проверить.
Биотопливо лучше вообще в приличном обществе не упоминать. И так многим есть нечего, а тут еще усилия сельского хозяйства переводить на заправку для абсурдно прожорливых (ведь 1 л. - это ведь не круто, круто 6 л. V12) четырехколесных автопротезов…
В общем, с альтернативной энергетикой все еще проблемы. Так что лучше пока экономить изо всех сил.