Альтернативная энергетика бесперспективна?

Ниже приведен материал, опубликованный в Профиле (Альтернативная энергетика: США надувают «зеленый пузырь», Сергей Лопатников). Многие положения этой статьи заслуживают внимания. Однако хотелось бы уточнить, что все это справедливо по отношению к альтернативной энергетике в промышленном масштабе. В отношении отдельно взятого домохозяйства многие из нижеприведенных утверждений являются спорными.

Джордж Буш объявил о национальной программе, подразумевающей заместить до 2015 г. 30% потребностей США в бензине и дизельном топливе биотопливом – этиловым спиртом и «биодизелем», которые предполагается получать из культурных растений. Появился слоган: «Большая кукуруза заменит большую нефть». Стремительно «зеленеет» Силиконовая долина.

Существует мнение, что перспективы так называемого биотоплива – это просто очередной финансовый «мыльный пузырь», столь характерный для современной экономики. Безосновательность надежд на эту модификацию «вечного двигателя» еще 30 лет назад обосновал академик Петр Капица.

8 октября 1975 г. на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, академик Петр Леонидович Капица, удостоенный тремя годами позже Нобелевской премии по физике, 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 (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.

Например, солнечная энергия. Ее плотность ничтожна. Зато она распространяется с огромной скоростью – скоростью света. В результате поток солнечной энергии, приходящий на Землю и дающий жизнь всему, оказывается совсем не мал – больше 1 кВт на кв. м. Этот поток достаточен для жизни на планете, но как основной источник энергии для человечества крайне неэффективен. Как отмечал Капица, на уровне моря, с учетом потерь в атмосфере, реально человек может использовать поток в 100-200 Вт на 1 кв. м. Даже сегодня КПД устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, составляет 15%. Чтобы покрыть только бытовые потребности одного современного домохозяйства, нужен преобразователь площадью не менее 40-50 кв. м. Для того, чтобы заменить солнечной энергией источники ископаемого топлива, нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 50-60 км. Подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.

Другой 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. 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. Капица писал: «На практике плотность потока энергии очень мала, и с 1 кв. м электрода можно снимать только 200 Вт. Для 100 МВт мощности рабочая площадь электродов достигает 1 кв. км, и нет надежды, что капитальные затраты на построение такой электростанции оправдаются генерируемой ею энергией». Топливные элементы можно использовать только там, где не нужны большие мощности. Но для макроэнергетики они бесполезны.

Последовательно оценивая ветровую энергетику, геотермальную энергетику, волновую энергетику, гидроэнергетику, Капица доказывал, что все эти 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.

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. Через десять лет, в Чернобыле, мир смог убедиться, что страховые компании и академик Капица были более чем правы в оценке опасности ядерной энергетики. Пока речи о переводе мировой энергетики на ядерное топливо нет, хотя можно ожидать увеличения ее доли в промышленном производстве электроэнергии.

Наибольшие надежды Капица связывал с термоядерной энергетикой. 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 биотопливо? 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.

В случае с «биоэнергетикой» 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, это крайне низкоэффективное, по «критериям Капицы», производство. Например, урожайность арахиса составляет в лучшем случае 50 ц/га. Даже при трех урожаях в год выход орехов едва ли превысит 2 кг/год с 1 кв. м. Из этого количества орехов получится в лучшем случае 1 кг масла: выход энергии получается чуть больше 1 Вт с 1 кв. м – то есть на два порядка меньше, чем солнечная энергия, доступная с того же 1 кв. м. При этом мы не учли того, что получение таких урожаев требует интенсивного применения энергоемких удобрений, затрат энергии на обработку почвы и полив. 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.

Смотрите также:

• Солнечная энергия Солнечную энергию использовали для обогрева домов ещё в Древней Греции ...
• Теплоизоляция вашего дома Рост тарифов на теплоснабжение жилища заставляет с особенной тщательно ...
• Энергия биомассы Биомасса представляет собой особый класс энергоресурсов, включающий в ...