Физическая экономика или дрова versus хай-тек

Летом Анатолий Левенчук объявил в «Компьютерре» ¹: грядет Большая Энергетическая Революция. Предвестниками бури, по его мнению, служат:

• решимость США, после скандальных веерных отключений света в Калифорнии, дерегулировать энергетику;

• высвобождение денег, мозгов и инициативы после крушения Интернет-компаний;

• давление со стороны потребительских и политических групп за чистую и возобновляемую (так и хочется сказать - «чистую и благородную») энергию солнца и ветра.

Анатолий кладет полтора года на то, чтобы все увидели, «каким крутым может быть энергетический хай-тек, когда ему дают развиться в условиях свободного, а не зарегулированного насмерть рынка».

В преддверии зимы и связанных с нею вечных российских проблем перспектива прорваться в энергетический рай - пусть не в этом, а в следующем году - согревает душу. Но позвольте порезвиться духу противоречия и внести чернильную струю в светлый поток надежд на грядущую Энергетическую Революцию.

Начну с важного уточнения: нам не хватает не просто энергии, а энергии высококачественной.

Мы ведь окружены буквально морями энергии. Три четверти планеты залито водой - веществом с очень высокой теплоемкостью. Если бы можно было тепловую энергию воды полностью превратить в электрическую, то для покрытия всех потребностей человечества достаточно было бы ежегодно охлаждать мировой океан на 0,0002 градуса - величина неощутимая, тем более что после использования электроэнергия все равно превращается в тепло, которое нагревает тот же океан ². Однако мы так не делаем по той же причине, по которой не добываем из морской воды золото: в принципе оно там есть, но слишком уж это бедная руда. Тепловая энергия - та же руда, причем тем беднее, чем ниже температура. Обогащать жиденькую «тепловую руду» океана со всех точек зрения, в том числе и с экологической, накладнее, чем строить громоздкие, дорогие, вредные тепловые, гидро- и даже атомные электростанции.

А где же найти высококачественную, концентрированную энергию? Известно где: в нефти, газе, угле. Сейчас они обеспечивают более 3/4 мирового энергопотребления, и, по прогнозам Мирового энергетического совета и Института энергетических исследований Российской Академии наук, их доля в ближайшие двадцать лет практически не изменится (см. рис.). Интересно отметить, что из оставшейся 1/4 около половины приходится - и будет приходиться в ближайшем будущем - на дрова.

С нефтью, газом и углем есть три проблемы, все - принципиальные.

Во-первых, невозобновляемость. Отношение доказанных запасов к добыче составляет: для нефти - 41 год, для газа - 63 года, для угля - 218 лет. Конечно, есть еще неразведанные месторождения, но ведь и потребление растет…

Во-вторых, тепловые электростанции неэкономичны в принципе, поскольку они топливо сжигают. Как только мы связываемся с теплотой, так сразу же сталкиваемся с проблемой извлечения из нее энергетического концентрата. Пределы эффективности извлечения определены термодинамикой и безобразно низки - порядка 40% при температурах, которые могут выдержать конструкционные материалы. И никакая предприимчивость, при сколь угодно свободном рынке, не помогает обойти законы термодинамики.

Третья проблема - экологическая. Я даже не говорю о вредных выбросах ТЭС; я хочу обратить ваше внимание на «шлак», остающийся после выделения энергетического концентрата и его превращения в электроэнергию. Этот шлак - те 60% исходной теплоты, которые вылетают в трубу ТЭС и создают хорошо знакомое экологам загрязнение окружающей среды низкокачественной тепловой энергией. От теплового загрязнения не откупиться никакими миллиардами инвестиций - оно является неизбежным следствием любой технологии сжигания любого топлива - хоть дров, хоть водорода. Такая вот физическая экономика.

Ладно, со сжиганием прорыва в энергетике не совершишь. А как насчет чистых и возобновляемых источников - энергии солнца, ветра, приливов? Тоже не без проблем.

Анатолий Левенчук прав в том, что исследования по альтернативной энергетике долго тормозились искусственно занижаемыми ценами на традиционные энергоносители. Где-то я читал, что вложения в такие исследования и разработки начинают рассматриваться как перспективные, когда цена нефти подскакивает выше 30 долларов за баррель, что случается нечасто - пока, во всяком случае. Однако реальная цена нефти может увеличиться в несколько раз, если включить в нее все общественные издержки, начиная с расходов на «нефтяные войны» и заканчивая льготами и дотациями энергопроизводителям. Дерегулирование энергетики обещает продемонстрировать такую реальную цену, при взгляде на которую любые вложения в нетрадиционные источники энергии покажутся оправданными. Однако и здесь не стоит забывать о законах физической экономики, чтобы не увлечься и не повторить печальную историю дот-комов.

Над всей альтернативной энергетикой (кроме, может быть, малых ГЭС) тяготеет одно родовое проклятие: низкая концентрация - а значит, и низкое качество - исходной энергии. Закономерным следствием является множество научно-технических проблем, которые могут казаться частными, но на самом деле имеют глубокие и общие корни.

Вот солнечная энергетика. Если лист размером метр на метр поставить в ясный день перпендикулярно солнечным лучам, то мощность падающего на него света составит около 1 кВт. С одной стороны, вроде бы немало - мощность нормального утюга. Но с другой…

Двигатель безнадежно устаревшего «жигуленка» при объеме в полтора литра развивает мощность около 50 кВт - заметьте, выходную, полезную мощность. У разработанного NASA суперсовременного самолета Helios двигатели питаются от солнечных батарей максимальной мощностью 40 кВт. При этом Helios имеет размах крыльев 82 метра и ширину порядка 2 метров - и вся эта площадь, около полутора соток, вымощена фотоэлементами.

Приведенное сравнение не означает, что солнечная электростанция (СЭС), средней мощностью сравнимая с «жигулями», займет две сотки земли. Нет, гораздо больше. У массовых дешевых солнечных батарей кпд не превышает 10% - ниже, чем у паровоза и тех элементов, которыми инженеры NASA покрывали Helios. Если ориентироваться на дешевые материалы, то для получения на выходе 50 кВт нужно собирать солнышко уже с четырех соток ³. Далее, «жигуль» может мчаться круглосуточно - не забывай только бензин заливать да на газ нажимать, - а фотоэлементы ночью отдыхают. Значит, потребуется уже не четыре, а восемь соток. Бывает еще такая напасть, как облака, которыми в среднем покрыта половина поверхности Земли, - и средняя мощность неподвижной СЭС падает еще примерно вдвое. Итого: для замены полуторалитрового отравителя атмосферы надо замостить фотоэлементами соток пятнадцать.

Но 50 киловатт для энергетики не величина. Стандартный энергоблок ТЭС или АЭС имеет мощность 1 гигаватт. Прикиньте, сколько десятков квадратных километров займет такая солнечная электростанция, и попытайтесь представить возникающие проблемы разводки кабелей, технического обслуживания, охраны… Распределенная генерация (когда маленькая СЭС есть на каждом хуторе) эти проблемы не решит: и кабелей, в конечном счете, потребуется больше, и технически обслуживать огромную территорию замучаешься. Другое дело, что при таком способе затраты раскладываются на множество домашних бюджетов и потому оказываются лучше замаскированными.

Аналогичные проблемы, только выраженные еще сильнее, свойственны ветроэнергетике. При скорости ветра 6 метров в секунду поток энергии составляет 130 ватт на квадратный метр, из которых теоретически можно отобрать не более 60%, а практически - около 40%. Фотографии полей, до горизонта уставленных современными ветряками, выглядят очень красиво, но насколько это удобно и выгодно, если учесть, что их эффективность не намного выше, чем у ветряных мельниц XVIII века?

Наконец, не следует забывать, что «чистота» альтернативной энергетики относительна. Второе начало термодинамики гарантирует, что при любой деятельности энтропия (сиречь отходы всех видов) будет производиться непременно. Фотоэлементы, скажем, нужно еще изготовить, а полупроводниковое производство - вовсе не курорт. По истечении срока службы их, содержащих примеси мышьяка, фосфора, кадмия, надо куда-то девать - и лучшего способа, чем зарыть в шар земной, сейчас нет и не предвидится. Ветроэлектростанции изменяют ветровой режим местности, а третий закон экологии («Природа знает лучше») гарантирует, что эти изменения ни к чему хорошему, скорее всего, не приведут.

Я, упаси бог, вовсе не хотел сказать, что «новая энергетика» вообще бесперспективна. Перспективна, конечно, и очень быстро растет. Но весь этот рост в ближайшие двадцать лет останется в пределах двух-пяти процентов мирового энергобаланса (см. рис.). Революционный прорыв в производстве энергии случится вряд ли - очень уж тесное пространство для маневра оставляют законы природы. Гораздо более вероятна революция в технологиях сбережения энергии, особенно в стране, которая тратит на отопление каждого квадратного метра жилья в 5-7 раз больше топлива, чем Канада. Но это уже другая история.

[i42450]